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钻井实用技术

Tao

发布时间：2019-08-16 22:41:06

==旋转导向钻井技术==

概述

钻井技术发展的最高阶段是自动化钻井。所谓自动化钻井就是：钻井全部过程依靠传感器测量各种参数，并采用计算机采集，进行综合解释与处理，然后再发出指令，最后由各相关设备自动执行，使整个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程。在钻井自动控制过程当中，井下随钻测量和井下自动控制是关键环节，同时也是关键技术，二者结合起来实际上是井眼轨迹自动控制技术— 导向钻井技术。

导向钻井技术

导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界最先进的钻井发展方向。目前，在世界范围内水平井、大位移井，分支井等高难度的复杂井蓬勃发展，并得到大规模应用，传统的钻井技术难以适应这些高难度井的作业需要，必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误。

钻井导向方式

导向方式主要有两种：

1）几何导向：

由井下随钻测量工具（MWD/LWD）测量几何参数，井斜、方位和工具面的数值传给控制系统，由控制系统及时纠正和控制井眼轨迹。

2）地质导向：

地质导向是在拥有几何导向能力的同时又能根据随钻测井（LWD）得出的地质参数（地层岩性、地层层面、油层特点等），实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制。

地质导向可利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。地质导向的技术关键是近钻头处地层参数、井眼轨迹参数和钻头工作参数的实时测量。

导向工具

导向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具分两大类：

1）滑动式导向工具

滑动式导向工具的特征是导向作业时钻柱不旋转，钻柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。滑动式导向存在许多缺点：钻柱的扭矩、摩阻大；井眼清洗不彻底；械钻速慢等等，但目前仍占主导地位。

定向钻井大多使用井下动力钻具，主要的滑动式导向工具有：弯外壳马达、可调弯接头、可变径稳定器等。滑动式导向工具组合方式：钻柱+MWD/LWD+动力钻具+钻头。

2）旋转式导向系统（RSS）

旋转式导向工具直接引导钻头沿期望的轨迹钻进，从而避免钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很好的清洗，同时允许根据地层选择合适的钻头。这样可显著地减轻或消除滑动式导向工具的不足。

目前旋转式导向工具主要有：VDS自动垂直直井钻井系统、SDD自动直井钻井系统、ADD自动定向钻井系统、RSD旋转导向钻井系统，RCLS旋转闭环钻井系统等。

旋转导向钻井特点

1）在钻柱旋转的情况下，具有导向能力；

2）可以与井下马达一起使用；

3）配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器；

4）配有地面&井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹；

5）工具设计制造模块化、集成化；

6）可以在150℃以上的高温井中使用；

7）不需要特殊的钻井参数，就可以保证最优的钻井过程；

8）导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。

旋转导向主要技术参数

1）测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2）垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。

3）造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。

4）井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

5）方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。

6）井斜变化率：井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化情况。以度／100米来表示也可使用度／30米或度等）。

7）方位变化率：方位变化率是指单位长度内的方位角变化情况，以度／100米来表示（也可使用度／30米等）。

8）狗腿严重度：狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度／30米表示），狗腿严重度既包括了井斜角的变化也包括了方位角的变化，是钻进过程当中需要重点关注的数据

9）GR-自然伽马：GR是测量地层里面的放射性含量，岩石里粘土含放射性物质最多。通常，泥岩GR高，砂岩GR低。

10）CAL-井径井径就是测量井眼尺寸的大小。比如用八寸半的钻头钻的井眼，测量的井径或为八寸半，或大于八寸半（称扩径），或小于八寸半（称缩径）。测量的井径是对所钻井眼尺寸大小的直观认识。11）AC-声波

常说人所说的声波即是声波时差，单位为毫秒每英尺，声波时差小，也就是声波在地层传播的时间少，说明地层比较致密和坚硬。反之地层比较疏松。

12）CN-中子：用放射源向地层发射高能粒子轰击地层的原子来测量中子，我们也叫中子孔隙度，也叫总孔隙度，测量的是流体体积占整个岩石的百分比。

13）电阻率 resistivity：电阻率分为微侧向和双侧向（包括浅侧向和深侧向），它们的区别就在于探测深度不一样，深侧向探测深度最大，浅侧向次之，微侧向最小。由于泥浆对地层的侵入不同，井眼为圆心在不同的半径范围内，地层有完全被泥浆侵入、部分被泥浆侵入、未被泥浆侵入，这分别对应微侧向、浅侧向、深侧向探测的地层。

发展方向

随着技术的发展和应用，旋转导向钻井系统逐渐形成了两大发展方向：一个是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RClS系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，它以其精确的轨迹控制精度和完善的地质导向技术为特点，非常适用于开发难度高的特殊油藏的导向钻井作业， HulliboIton公司的Geo—Pi1ot系统也属于这一类导向钻井系统；

另外一个是以Schlumberger Anadri11y公司的Power Driver SRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统，它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移延伸钻井能力为特点，非常适用于超深、边缘油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。

==卡钻事故及预防==

概述钻井过程中，由于各种原因造成的钻具陷在井内不能自由活动的现象，称为卡钻。卡钻在钻井过程中是常见事故。在定向井、水平井钻井过程中不仅要确保钻井效率和井眼轨迹，还要确保钻井过程中井下安全，因此必须针对具体情况进行分析，以便有效解卡

卡钻的概念

钻井过程中，由于各种原因造成的钻具陷在井内不能自由活动的现象，称为卡钻。主要有键槽卡钻、沉砂卡钻、井塌卡钻、压差卡钻、缩径卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻、泥包卡钻及钻具脱落下顿卡钻等。地层构造情况、钻井液性能不良、操作不当等都可能造成卡钻，必须针对具体情况进行分析，以便有效的解卡。

卡钻的类型及预防措施

1）键槽卡钻

键槽卡钻多发生在硬地层中，井斜或方位变化大，形成了狗腿的地方。钻进时，钻柱紧靠狗腿段旋转，起下钻时钻柱在狗腿井段上下拉刮，在井壁上磨出一条键槽，起钻时钻头拉入键槽底部被卡住。键槽卡钻特征是下钻不遇阻，钻进正常，泵压也正常，但起钻到狗腿处常遇卡。随着井深的增加而愈加严重；能下放但不能上提，严重时可能卡死。

预防键槽卡钻的发生，首先得确保井眼质量，避免出现大斜度狗腿段；起钻时或再次下钻时应在键槽井段反复划眼，及时破坏键槽，并在起钻到键槽井段时要低速慢起，平稳操作，严禁使用高速起钻。

2）沉砂卡钻

在使用粘度小、切力小的钻井液钻进时，由于其悬浮携带岩屑的能力差，稍一停泵岩屑就会沉下来，停泵时间越长，沉砂就越多，严重时可能造成下沉的岩砂堵死环空，埋住钻头与部分钻柱，形成卡钻。此时若开泵过猛还会憋漏地层，或卡的更紧。沉砂卡钻的表现是：重新开泵循环，泵压很高或憋泵；上提遇卡，下放遇阻且钻具的上提下放越来越困难，转动时阻力很大甚至不能转动。其表现是接单根或起钻卸开立柱后，钻井液喷势很大。

为了预防沉砂卡钻，应确保钻井液的性能满足清岩和悬浮岩屑的要求，随时做好设备和循环系统的检查维护，在因故停止钻进时，避免停止井内循环；缩短接单根时间，在发现泵压升高及岩屑返出量较小时要控制钻速，加大排量洗井，停泵前要将钻具提离井底并随时活动钻具。

3）井塌卡钻

在吸水膨胀的泥、页岩，胶结不好的砾岩砂岩等地层，在钻进或划眼过程中发生较多。主要原因是由于钻井液的失水量较大，浸泡地层的时间较长；钻井液密度小，或起钻未及时灌钻井液以及抽吸作用使井壁产生坍塌而造成卡钻。一般在严重井塌之前，先有大块泥饼和小块地层脱落，换钻头后下钻不能到底；有时在钻井液中携带出大块未切削的上部岩石；在钻进中突然发生憋钻，上提遇阻泵压上升，憋泵甚至钻具不能转动等现象，都说明可能是井塌卡钻。

预防井塌卡钻的主要措施有：使用低失水，高矿化度和适当粘度的防塌钻井液，在破碎易塌地层适当增大钻井液密度，随时保证钻井液柱的高度；避免钻头泥包和抽吸作用引起的井壁坍塌。

4）压差卡钻（粘附卡钻）

水平井钻井中井下钻具由重力作用靠近下井壁，在井下压差作用下，钻柱的一些部位会贴于井壁，钻柱与井壁泥饼粘合在一起，静止时间越长则钻具与泥饼的接触面积就越大，由此而产生的卡钻，称为压差卡钻。

产生压差卡钻的原因主要是钻井液性能不好，密度过高造成井内压差太大；失水量大，泥饼厚，粘附系数大，一旦停止循环，不活动钻具，钻具就会与井壁泥饼接触，时间增加则会使接触面积和深度加大，泥饼对钻具的粘附力增加，导致钻具无法上下活动和转动，但能够开泵循环，且泵压正常稳定。

压差卡钻的预防措施主要是调节好钻井液性能，尽可能的降低钻井液的密度，提高钻井液的润滑性能，降低泥饼的粘附系数；并要加强活动钻具或采用加扶正器的方法使钻具居中。在钻井过程使用欠平衡钻井可以避免井漏，有效防止粘附卡钻。

5）缩径卡钻

缩径卡钻常发生在膨胀性地层和渗透性孔隙度良好的井段。由于钻井液性能不好，失水量大，在井壁易形成胶状疏松的泥饼，当泵排量小，钻井液上返速度低时，易在泥饼上面沉淀较多的粘土颗粒岩屑及加重剂，致使井径缩小。

缩径卡钻的主要表现是：遇阻的位置固定，循环时泵压增大，上提困难，下放容易，起出的钻杆接头的上部经常有松软的泥饼。采用低密度低固相低失水的优质钻井液，或混油其中，并在下钻遇阻井段划眼以扩大缩径处的直径，常活动钻具则可有效的预防缩径卡钻。在塑性蠕变地层包括盐层、膏层或含膏岩层、塑性泥岩地层在一定的应力和温度作用下，具有明显的塑性蠕变能力。钻井中如钻井液形成的液柱压力不足以抵抗其塑性变形时，容易迅速产生严重的缩径卡钻。

6）落物卡钻

由于操作不小心，将油抹布、卡瓦牙、吊钳牙或其他小工具掉落井内，卡在井壁与钻具或套管与钻具之间而造成落物卡钻。这种卡钻是显而易见的，只要严格执行操作规程， 加强责任心 就可避免的。

7）砂桥卡钻

由于在地层或井筒内砂粒的堆积而形成的砂拱或砂塞卡住钻柱的现象称为砂桥卡钻。预防的措施是及时清除"大肚子"井段，对"大肚子"井段加强循环。此外，还有泥包卡钻、钻具脱落卜顿卡钻等类型，由此可以看出卡钻的原因很多，因此，除积极预防卡钻发生外，还要在一旦发生卡钻时进行正确的判断分析，找出卡钻的真正的原因，正确地采取有效措施及时解卡，避免事故进一步恶化。

卡钻事故的处理方法

卡钻事故发生后，首先要根据上提，下放，转动，开泵循环情况，以及了解到的井眼情况和卡钻前的各种现象进行分析，准确判断出卡钻的原因，再采取相应的措施。但不管哪种性质的卡钻，都要设法调整钻井液的性能，及时清除岩屑，清洗井眼，一般常用以下几种方法进行解卡。

1）浴井解卡

对于压差卡钻、泥包卡钻、缩径卡钻、沉砂卡钻等情况可以采用浴井解卡。这种方法即是向井内泡油，泡盐水或采用清水循环等方式，泡松粘稠的泥饼，降低粘附系数，减少与钻具的接触面积，减少压差，从而活动钻具解卡。

在浴井之前，首先要计算出卡点的深度，根据虎克定律，在弹性极限内，钻杆的绝对伸长量与轴向伸长和拉力成正比,而与横截面积成反比，知道卡点深度后，计算出所需要的泡油量，将其注入到卡钻井段，使粘附等卡钻解除。一般要求注入的原油量要返至卡点以上100m左右，卡点以下钻具全部泡上原油，并使钻杆内的油面高于管外油面。

2）上击、下击解卡

在钻进中遇到垮塌、粘性、膨胀性等易卡地层，可在钻杆与钻挺之间或在钻挺之间接上震击器，一旦遇卡，便立即上击或下击解卡。起钻中遇卡，如缩径、键槽等引起的卡钻经活动不能解除时，可以在卡点处倒开钻具，再接上震击器，对扣后，下击解卡，然后循环洗井，慢慢上提钻柱，如还不能解卡，可以转动钻具倒划眼轻轻上提。下钻过程中遇阻，未能及时发现而导致卡钻，或较轻的泥饼粘附卡钻时，均可以用上击器向上震击解卡。

3）上提下放和转动钻具解卡

在循环钻井液洗井的同时配合活动钻具，若卡的很严重时可以得到解决，但活动钻具要针对不同类型的卡钻来进行，如果是沉砂卡钻或井塌卡钻则不能上提钻具，以免卡的更死，那么可以下放和旋转钻具，并设法建立循环，用倒划眼的方法慢慢上提解卡。起钻遇卡(键槽，缩径或泥包卡钻)时，可提到原悬重后猛放钻，切不可猛力上提，以免将钻头卡的更死。下钻遇阻，压得过大而卡钻时，则应用较大的力量上提解卡，对于压差卡钻，可以采取猛提猛放和旋转钻具的方法使粘附卡钻得以解卡。

4）倒扣套铣解卡

遇到严重的卡钻时用以上方法不能解除且不能循环时，现场常用倒扣、套铣的方法来取出井内全部或部分钻具。倒扣是使转盘倒转，将井内正扣钻杆倒出。每次能倒出的钻杆数量取决于井内被卡钻具丝扣松紧是否一致，通常希望从卡点处倒开。对卡点以下的钻具要下套铣筒将钻具外面的岩屑或落物碎屑等铣掉，然后再倒出钻具，这是一种比较复杂的处理方法，费时较长。

5）爆炸倒扣、套铣

这是处理卡钻的一种新倒扣方法。首先测出卡点位置，然后用电缆将***从钻具内送到卡点以上第一个接头处，在***中部对准接头的同时，将钻具卡点以上的重量全部提起，并给钻具施加一定的倒扣力矩，点燃爆炸索使其爆炸；***爆炸时产生剧烈的冲击波及强大的震动力，足以使接头部分发生弹性变形，及时把扣倒开。

同时，由于***爆炸产生大量的热，使钻杆接头处受热，熔化其中的丝扣油，并产生塑性变形，也有助于卸开丝扣。这种方法具有安全、可靠、速度快、钻具一般不易破坏，不需要反扣钻具和打捞工具等优点，同时加快处理卡钻的速度，但要严格控制炸药量，并合理操作，倒扣后套铣、打捞。

6）爆炸、侧钻新井眼

当用上述各种方法无效，或卡点很深，用倒扣方法处理很费时间，会使井眼严重恶化时，可将未卡部分钻具用炸药炸断起出，然后在留在井内的钻具顶上打水泥塞，进行侧钻。

钻井过程中由于遇到特殊地层构造、钻井液的类型与性能选择不当、井身设计等原因都容易造成井下卡钻事故，在钻井中钻井液尤为重要，钻井液的好坏决定了整个钻井成功与否，钻井液中的固相对钻速有较大影响，设清水的钻速为100%，固相含量升高到7%时钻速降为50%。研究表明，固相含量每降1%，钻速至少可提高10%，固相含量越高越易造成井下卡钻事故。

结论

随着勘探开发的逐步深入，水平井钻井面临更加复杂的地质条件，同时也面临着工程技术复杂所带来的成本压力，因此更加迫切需要配套技术支持以降低综合成本。怎样更好有效的防止和解决卡钻问题是一个不断探索的过程，需要所有石油人共同努力。

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