梁貴和，鄧宏文，曹光奇

(中國人民解放軍66259部隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

壓差卡鉆又稱粘附卡鉆，是指鉆具在井(孔)中靜止時，在鉆井液液柱壓力與地層壓力之間的壓差作用下，將鉆具緊壓在井壁上，由于鉆具與井壁泥皮之間產(chǎn)生很大的摩擦阻力而使鉆具無法轉(zhuǎn)動與上、下活動，從而導(dǎo)致的卡鉆事故，給鉆井工作帶來巨大損失。本文主要介紹增壓機(jī)在處理基巖地層壓差卡鉆事故中的應(yīng)用，供鉆井同行參考。

1 壓差卡鉆產(chǎn)生的機(jī)理及預(yù)防措施

1．1 壓差卡鉆產(chǎn)生的機(jī)理

當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時，由于泥漿循環(huán)，鉆柱四周充滿流動的泥漿，根據(jù)液體壓強(qiáng)特征，鉆柱各邊的壓力相等。當(dāng)鉆柱靜止時，泥漿停止循環(huán)，由于多種原因(如孔斜、鉆柱彎曲等)，使部分鉆柱靠在孔壁上。靠在孔壁上的鉆具，部分重力壓在孔壁泥皮上，迫使孔壁泥皮中的孔隙水流入地層。這時，鉆具緊貼孔壁的一側(cè)就失去了泥漿柱的壓力，只有地層的壓力;而其相背的一側(cè)則存在泥漿柱壓力。當(dāng)泥漿柱的壓力大于地層壓力時，在鉆具兩側(cè)會產(chǎn)生一個壓力差(液柱壓力與地層壓力之差)，此壓差會使鉆具與孔壁泥皮之間產(chǎn)生一個摩擦阻力。設(shè)鉆具與孔壁的接觸面積為A，壓差為ΔP，則作用在鉆具上的總擠壓力為AΔP。如此時鉆機(jī)驅(qū)動鉆具上下運(yùn)動或回轉(zhuǎn)，而鉆具又處于被壓差作用力壓在與孔壁緊密接觸狀態(tài)，則這時會產(chǎn)生對抗鉆具上下運(yùn)動或回轉(zhuǎn)的阻力與扭矩。根據(jù)摩擦作用的物理意義可知:摩擦阻力F=μAΔP，摩擦扭矩M=FR(其中:μ為鉆具與孔壁泥餅間摩擦系數(shù)，R為鉆具半徑)。如此時鉆機(jī)驅(qū)動鉆具運(yùn)動的外力小于摩擦阻力或扭矩，即發(fā)生了壓差卡鉆［8］。

由以上分析可知，壓差卡鉆粘附力F、摩擦扭矩M的大小主要與以下3個因素有關(guān):

(1)泥漿密度越高，液柱壓力與地層壓力之差ΔP越大，F(xiàn)、M越大;

(2)鉆具與孔壁的接觸面積越大，F(xiàn)、M越大，一般與鉆具的配比、井孔的直徑、井孔的垂直度等有關(guān);

(3)泥餅的摩擦系數(shù)越大，F(xiàn)、M越大，一般與鉆井液的含砂量、成分等因素有關(guān)。

1．2 壓差卡鉆的預(yù)防措施

在鉆探工作中，任何形式的井下事故，都應(yīng)從預(yù)防著手，爭取做到防患于未然，盡量避免由于人為的疏忽，造成孔內(nèi)事故，給鉆井工作帶來巨大的損失。根據(jù)壓差卡鉆產(chǎn)生的機(jī)理，為了有效地預(yù)防壓差卡鉆，應(yīng)從以下幾方面入手。

(1)降低泥漿的密度。泥漿的密度越大，液柱與地層的壓力差越大，發(fā)生壓差卡鉆事故時粘附力越大。因此，為了有效地防止壓差卡鉆，在地層條件允許的情況下，降低泥漿的密度是一種很有效的方法。

(2)減少鉆具與孔壁的接觸面積。減少鉆具與孔壁的接觸面積，一方面是通過控制井孔的垂直度，盡量避免孔斜，使鉆具處于井孔中央，盡量減少與孔壁的接觸;另一方面是通過在粗徑鉆具上按一定的比例安裝與鉆頭相匹配的扶正器，使粗徑鉆具始終處于井孔中央，既起到了防斜的效果，又在一定程度上減少了粗徑鉆具與孔壁的接觸面積，可有效地防止壓差卡鉆事故的發(fā)生。

(3)降低泥餅的摩擦系數(shù)。為了有效地降低泥餅的摩擦系數(shù)，主要做到以下2點(diǎn):一是要及時對泥漿進(jìn)行凈化，除砂、除泥，降低泥漿中有害固相的含量;二是根據(jù)地層特點(diǎn)和泥性指標(biāo)，在泥漿中加入一定比例的潤滑劑，如常用的潤滑劑烷基苯磺酸三乙醇胺、聚丙烯酰胺及其衍生物、石墨粉等，以增加泥漿的潤滑性能。

(4)減少鉆具在孔內(nèi)的靜止時間。鉆具在孔內(nèi)靜止時間過長是發(fā)生壓差卡鉆事故的重要原因之一。因此，為了有效地預(yù)防壓差卡鉆，盡量減少鉆具在井內(nèi)的靜止時間，同一地層鉆進(jìn)時間較長時要上下活動鉆具進(jìn)行“通井”;在保養(yǎng)、維修鉆探設(shè)備時，泥漿泵與鉆機(jī)不能同時停止工作;提、下鉆作業(yè)時，中途不得停車休息。

在上述因素中，鉆井液質(zhì)量的好壞，是壓差卡鉆發(fā)生與否的主要因素，因此，在鉆進(jìn)的過程中，根據(jù)地層情況，合理調(diào)節(jié)鉆井液的質(zhì)量，改善鉆井液性能，可大大降低壓差卡鉆事故發(fā)生的幾率。

2 壓差卡鉆的特征及其判別方法

卡鉆事故主要分為地層掉塊卡鉆、縮徑卡鉆、鍵槽卡鉆、橋砂卡鉆、泥包卡鉆、工具掉入孔內(nèi)卡鉆及壓差卡鉆等多種，與其它卡鉆事故相比，壓差卡鉆事故主要具有以下特征。

(1)壓差卡鉆在發(fā)生前一般鉆進(jìn)無異常，鉆進(jìn)扭矩、泥漿泵壓力、提升力等都正常。

(2)壓差卡鉆一般發(fā)生在鉆進(jìn)的過程中，由于機(jī)械設(shè)備突然出現(xiàn)故障停鉆檢修，或提、下鉆過程中停鉆休息，使鉆具在孔內(nèi)靜止了一段時間，而后再活動鉆具時發(fā)現(xiàn)，一般事發(fā)前無征兆。

(3)壓差卡鉆發(fā)生的鉆孔一般泥漿質(zhì)量指標(biāo)較差。

(4)壓差卡鉆一般發(fā)生在孔斜的孔段。

(5)卡鉆后鉆具無法轉(zhuǎn)動，不能上下活動。

(6)卡鉆后提拉鉆具活動距離逐漸減少，直到一定值為止。

(7)壓差卡鉆發(fā)生后，泥漿能正常循環(huán)，但縮徑卡鉆、泥包卡鉆、橋砂卡鉆時泥漿泵的泵壓明顯升高。

(8)如果在鉆進(jìn)中通過水文地質(zhì)觀測和鉆進(jìn)進(jìn)尺判斷，所鉆進(jìn)的地層較穩(wěn)定，沒有發(fā)生掉塊卡鉆的可能，又確認(rèn)在鉆進(jìn)過程中孔口保護(hù)的較好，沒有發(fā)生過從孔口掉落工具等，再結(jié)合上述幾點(diǎn)特征，可以確定其為壓差卡鉆。

3 增壓機(jī)處理基巖地層中壓差卡鉆事故的技術(shù)方法

3．1 處理思路

壓差卡鉆產(chǎn)生的主要原因，是由于孔內(nèi)泥漿作用在鉆柱上的巨大的橫向壓力所致。隨著時間的延續(xù)，其卡點(diǎn)位置逐漸上移，粘附面積逐漸增大，作用在鉆柱上的壓力也逐漸增大，在這種情況下，一般只靠鉆機(jī)的提升力無法解卡。另一方面，在基巖鉆孔中，由于孔壁穩(wěn)定，一般在孔內(nèi)沒有泥漿平衡地層壓力的情況下不容易出現(xiàn)垮孔。根據(jù)上述條件分析，在基巖地層中的壓差卡鉆，最快速有效的方法就是將孔內(nèi)的泥漿設(shè)法排出，從而去除其對孔內(nèi)鉆柱的橫向壓力，達(dá)到解卡的目的。

3．2 方法介紹

我部這幾年在北京西山地區(qū)多口基巖深井的施工中，曾多次遇到壓差卡鉆事故，先后運(yùn)用過千斤頂強(qiáng)力起拔、將沖洗液加水稀釋以降低其密度、在卡鉆孔段加柴油浸泡、解卡劑浸泡等措施，效果都不太理想。經(jīng)實(shí)踐證明，運(yùn)用增壓機(jī)處理基巖地層中的壓差卡鉆事故取得了良好的效果。

3．2．1 技術(shù)原理

增壓機(jī)處理壓差卡鉆是基于在穩(wěn)定的基巖鉆孔中發(fā)生壓差卡鉆時，利用大風(fēng)量空壓機(jī)聯(lián)合供氣，而后通過大壓力增壓機(jī)將空壓機(jī)排出的高壓空氣經(jīng)二次壓縮后進(jìn)一步增大其壓力，再通過鉆機(jī)水龍頭將加壓后的高壓空氣送入孔底，將孔內(nèi)泥漿排出，以減除孔內(nèi)泥漿對鉆柱的橫向壓力而達(dá)到減卡的目的。

3．2．2 空壓機(jī)與增壓機(jī)的選擇

3．2．2．1 增壓機(jī)的選擇

增壓機(jī)的選擇主要是滿足其壓力指標(biāo)，其最小壓力要求理論公式為:

式中:P——增壓機(jī)理論最小壓力，MPa;ρ泥——鉆井泥漿密度(現(xiàn)場用泥漿儀測量)，kg/m3;g——重力加速度，N/kg;h——鉆頭以上泥漿柱的高度，m。

在具體處理事故時，由于鉆具內(nèi)孔的摩擦阻力及各管路彎頭中損失的壓力，上式計算的理論壓力一般無法滿足處理事故的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，增壓機(jī)的理想壓力P理為:

3．2．2．2 空壓機(jī)的選擇

根據(jù)增壓機(jī)的壓力需求，可選擇合適型號的空壓機(jī)。每一型號的增壓機(jī)對進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣量都有具體的指標(biāo)要求，根據(jù)這些指標(biāo)可選擇與其匹配的空壓機(jī)作為供氣源。視具體情況，可用一臺或多臺空壓機(jī)聯(lián)合供氣。

3．2．3 設(shè)備連接方法

用增壓機(jī)處理壓差卡鉆事故時，空壓機(jī)、增壓機(jī)、鉆機(jī)通過空氣管匯連接，如圖1。

圖1 空氣管路連接示意圖

處理事故時，并聯(lián)空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣從管匯進(jìn)氣口接頭進(jìn)入空氣管匯匯合，后經(jīng)空氣管匯排氣口接頭(連接增壓機(jī))、增壓機(jī)進(jìn)氣高壓膠管、增壓機(jī)進(jìn)氣口接頭進(jìn)入增壓機(jī)進(jìn)行二次壓縮，經(jīng)增壓機(jī)壓縮后的高壓空氣經(jīng)與鉆機(jī)水龍頭高壓膠管連接，將氣流送入孔下鉆頭處排出孔內(nèi)泥漿，進(jìn)行解卡。

4 操作技術(shù)要求

(1)空氣管匯主體部分一般由無縫鋼管焊制加工而成，壁厚≮10 mm，內(nèi)徑≮250 mm，管匯上的接頭應(yīng)根據(jù)常用的高壓膠管接頭絲扣，加工不同型號的變絲接頭以方便連接。

(2)根據(jù)所選空壓機(jī)及增壓機(jī)的型號，合理選擇供氣管路，確保所選的高壓膠管承壓力大于空壓機(jī)、增壓機(jī)的最大排氣壓力，一般管路所能承受的最大壓力應(yīng)大于設(shè)備最大排氣壓力的1.4倍以上，確保管路安全。

(4)供氣前再一次確認(rèn)管路連接是否安全、各種供氣閥門開關(guān)狀態(tài)是否正確。

(5)清理現(xiàn)場。將孔口周圍的工具等清理干凈，機(jī)臺只留鉆機(jī)操作員、空壓機(jī)操作員及增壓機(jī)操作員，其他無關(guān)人員一律撤離距現(xiàn)場50 m以外的安全地域。

(6)將機(jī)臺供電設(shè)施用防雨材料蓋好，以防泥漿噴出后造成電路故障。

(7)依次啟動空壓機(jī)、增壓機(jī)，設(shè)備正常運(yùn)行后依次打開空壓機(jī)供氣閥、增壓機(jī)進(jìn)氣閥、增壓機(jī)排氣閥，開始將壓縮空氣送入井下。

(8)待泥漿噴出孔外后，開始活動鉆具，包括轉(zhuǎn)動、上下提放。

(9)鉆具可活動自如后，依次關(guān)閉增壓機(jī)排氣閥、增壓機(jī)進(jìn)氣閥、空壓機(jī)供氣閥，并將管路內(nèi)的高壓空氣通過管匯尾氣排放閥4排出。

(10)在保持鉆具轉(zhuǎn)動的情況下，迅速將水龍頭高壓膠管與泥漿泵連接，向孔內(nèi)注泥漿以平衡地層壓力，確?？妆诎踩?/p>

(11)待泥漿正常循環(huán)后，停泵提鉆，解卡成功。

5 工程應(yīng)用

應(yīng)用上述方法，我部曾多次在基巖孔中成功處理壓差卡鉆事故，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5．1 國家檢查官學(xué)院深水井工程

5．1．1 工程簡介

2000年，我部在國家檢查官學(xué)院施工深水井，該井設(shè)計井深1500 m，地層依次為:0～105 m為第四系松散沉積層;105～430 m為侏羅系南大嶺組玄武巖;430～452 m為侏羅系杏石口組砂巖;452～972 m為二迭系砂巖;972～1220 m為石碳系砂巖及碳質(zhì)粉砂巖;1220～1500 m為奧陶系石灰?guī)r。該井全孔采用泥漿鉆進(jìn)，所用鉆機(jī)為美國英格索蘭公司生產(chǎn)的RD－20型全液壓車載水井鉆機(jī)。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計為:0～180 m，孔徑311 mm，下入273 mm石油套管并固井;180～1270 m，孔徑216 mm，下入178.8 mm石油套管并固井;1270 m以深為152 mm裸孔，開采奧陶系石灰?guī)r巖溶水。

5．1．2 壓差卡鉆事故發(fā)生

5．1．3 處理措施

事故發(fā)生后，先后采取了在鉆具抗拉強(qiáng)度內(nèi)的強(qiáng)力起拔、稀泥漿沖洗、解卡劑浸泡，均未解卡。在上述方法無效后，我們采用2臺英格索蘭XHP900型空壓機(jī)并聯(lián)供氣后，由一臺636－82B－1200型增壓機(jī)二次壓縮，形成最高壓力達(dá)8.47 MPa，風(fēng)量達(dá)60 m3/min的高壓空氣，通過鉆機(jī)動力頭把高壓空氣送入孔內(nèi)鉆頭處，將孔內(nèi)泥漿排出，一次解卡成功。

5．2 北京房山鉆井工程

5．2．1 工程簡介

2012年，我部在北京房山施工，該井設(shè)計井深850 m，其中0～15 m為第四系覆蓋層，下入377 mm螺旋卷管并水泥固井;15～80 m為奧陶系石灰?guī)r;80～850 m為寒武系石灰?guī)r。15 m以深基巖孔段全部采用泥漿鉆進(jìn)，全孔鉆進(jìn)完畢后，最后一次下管成井。其中15～350 m，孔徑為311 mm，下入244.5 mm石油套管(包含骨架過濾器);350～750 m，孔徑為216 mm，裸孔;750～850 m，孔徑為152 mm，裸孔。

5．2．2 壓差卡鉆事故發(fā)生

5．2．3 處理措施

卡鉆事故發(fā)生后，根據(jù)地層穩(wěn)定情況、泥漿密度、孔深，結(jié)合以往處理壓差卡鉆事故的經(jīng)驗(yàn)，立即決定采用增壓機(jī)進(jìn)行處理。所用設(shè)備為:2臺壽力XHP1250/900型空壓機(jī)，一臺安瑞科SF－150型增壓機(jī)聯(lián)合加壓供氣，最大排氣壓力可達(dá)15 MPa，將孔內(nèi)泥漿排出，一次解卡成功，恢復(fù)鉆進(jìn)。

6 結(jié)語

避免壓差卡鉆事故，重點(diǎn)以預(yù)防為主，要從預(yù)防壓差卡鉆的措施入手。既要在鉆具級配上做到科學(xué)合理，盡量保證鉆孔垂直，減少鉆具與孔壁的接觸面積，又要做好設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)，盡量避免在正常鉆進(jìn)過程中停車，減少鉆具在井孔內(nèi)靜止的時間;最重要的是保證泥漿的質(zhì)量，針對不同的地層，合理配制不同性能的泥漿是有效預(yù)防壓差卡鉆的重中之重。

壓差卡鉆事故一旦發(fā)生，應(yīng)以最短的時間，最有效的方法及時處理，以免使孔內(nèi)情況惡化，給處理工作帶來更大的難度。目前常用的處理方法主要有解卡劑浸泡解卡法，此法一旦失敗，就只能采用強(qiáng)力起拔或反鉆套銑處理。上述方法比較成熟，適用于大多數(shù)地層，但往往費(fèi)時費(fèi)力，且有時孔內(nèi)處理不徹底，使鉆孔達(dá)不到設(shè)計深度而被迫終孔。對于壓差卡鉆事故的處理，沒有一套萬能方法確保成功，需要鉆探工作者根據(jù)具體的鉆孔結(jié)構(gòu)與地層特點(diǎn)不斷地摸索、創(chuàng)新。本文介紹的用增壓機(jī)處理基巖地層中的壓差卡鉆方法，是筆者在多年鉆探實(shí)踐中摸索出的一套行之有效的方法，具有操作簡單、處理周期短的優(yōu)點(diǎn)，但其具有一定的局限性，主要適用于基巖地層，也可拓展到孔壁穩(wěn)定的其它地層，且需要大風(fēng)量的空壓機(jī)、增壓機(jī)保障。

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