鹽水溢流衍生黏附卡鉆的機理研究

湯明 葉寒 何世明 張光福 鄧富元 姚耕華

摘要：塔里木盆地區域內廣泛發育鹽膏層，地層系統復雜，在鉆遇異常高壓鹽水層后易發生溢流，引發黏附卡鉆。為此，通過建立黏附卡鉆模型，進行了高壓地層鹽水溢流衍生卡鉆方面的機理研究，開展了鉆井液抗鹽污染能力評價試驗，研究了鉆柱靜止時間、軸向摩擦力與扭矩、摩擦因數及壓差對黏附卡鉆的影響規律。研究結果表明：基于室內試驗結果擬合得到泥餅厚度和摩擦因數隨鹽水體積分數和時間的變化規律，擬合優度R2均大于0.9；軸向摩擦力與扭矩均隨鉆柱靜止時間的延長呈對數型增加，隨鹽水體積分數的增加而急劇增加，隨摩擦因數的增加先緩慢增加后快速增加，隨壓差的增大幾乎持續穩定增加。所得結論可為油田制定防卡對策和安全鉆井提供理論支撐。

關鍵詞：鹽膏層鉆井；黏附卡鉆；鉆井液；鹽水體積分數；溢流；影響因素

Gypsum salt layers are widely developed in the Tarim Basin， and the formation system is complex.After drilling into abnormal high pressure saline aquifers， overflow easily occurs， which often results in adhesive sticking.With the adhesive sticking model built， the mechanism of adhesive sticking derived from brine overflow in high pressure formation was studied， the evaluation test of salt pollution resistance of drilling fluid was carried out， and the influences of drill string rest time， axial friction and torque， friction coefficient and pressure difference on adhesive sticking were identified.The study results show that the variations of mud cake thickness and friction coefficient with brine volume fraction and time are obtained by fitting based on the laboratory test results， and the goodness of fit R2 is all greater than 0.9.The axial friction and torque increase logarithmically with the increase of drill string rest time， increase sharply with the increase of brine volume fraction， increase slowly and then increase rapidly with the increase of friction coefficient， and increase almost continuously and steadily with the increase of pressure difference.The conclusions provide theoretical support for formulating antistick countermeasures and safe drilling in the oilfield.

salt layer drilling;adhesive sticking；drilling fluid；brine volume fraction；overflow；influential factor

0 引 言

塔里木盆地是中石油主力勘探開發區塊和西氣東輸的主力氣源地之一，具有多油氣層系、多不整合面的特點，區域內廣泛發育鹽膏層，地層系統復雜；經常鉆遇異常高壓鹽水層，發生溢流，溢流壓井后易發生黏附卡鉆。經統計，近10年期間塔里木油田共發生鹽水溢流135井次，鹽水溢流卡鉆21井次，卡鉆率15.6%，其中70%為黏附卡鉆且解卡成功率低，已經嚴重制約鉆井提速［1-4］。因此，部分學者針對黏附卡鉆形成的機理及解除方法，進行了大量的理論研究和現場試驗［5-10］。R.MIRI等［11］（2007年）利用兩類人工神經網絡，建立了在油基鉆井液和合成鉆井液時的卡鉆概率預測模型，可基于實時錄井數據進行卡鉆概率判斷，避免因卡鉆導致的井下事故。H.JOSHUA等［12］利用隨鉆測井（LWD）實時預測工具卡住的高風險情況，以便在規劃和執行階段解決卡鉆問題。趙鴻生［13］依據現場鉆孔試驗，評價了巖層、鉆井液以及工藝等因素對黏附卡鉆的影響，并制定了預防黏附卡鉆鉆井液方案。仝方超等［14］采用室內黏附卡鉆模擬裝置，探究了壓差、接觸面積、摩擦因數等參數對黏卡卡鉆產生的摩阻和扭矩的影響規律，并制定了預防黏附卡鉆的工程對策。楊雪山等［15］建立綜合考慮壓差和鉆具與井壁封閉接觸面影響的黏附卡鉆理論模型，分析了泥餅厚度和滲透率對黏附卡鉆的影響規律，研究成果可為現場預防壓差卡鉆事故和鉆井液設計提供理論指導。ZHU N.等［16］基于多相流理論建立大位移井全瞬態兩層流巖屑運移模型，分別模擬預測了鉆井、循環和接單根時卡鉆的高風險點，明確了大位移井卡鉆的井眼凈化相關機理。

然而已有的模型未考慮井壁形成的泥餅厚度隨時間的動態變化問題，認為泥餅厚度是一定的或者只考慮了瞬態情況，同時也沒考慮鉆井液被鹽水污染的卡鉆情況。為此，筆者通過建立泥餅厚度動態變化的黏附卡鉆模型，開展高壓地層鹽水溢流衍生卡鉆方面的機理研究，可為預防高壓鹽水層溢流衍生黏附卡鉆，減少井下復雜情況的出現，提高鉆井生產時效，降低鉆井成本，助力塔里木油田油氣資源的高效勘探開發等提供理論支持。

1 鉆井液抗鹽污染試驗

以塔里木盆地A井地面返出鹽水為例。根據權威檢驗機構化驗分析報告可知，返出鹽水以氯化物為主，含Na+、K+、Ca2+；其中氯根1.89×105 mg/L、Na+含量7.21×104 mg/L、K+含量2.07×104 mg/L、Ca2+含量4.68×104 mg/L。收集A井鉀聚磺水基（1.8×103 kg/m3）井漿20 L，根據此區塊高壓鹽水成分配置鹽水，其中氯化物加量比例NaCl∶KCl∶CaCl2=3.5∶1∶2.3；水基熱滾條件為150 ℃×16 h，鹽水體積分數以2.5%遞增，從0～10%，分別測熱滾后酸堿值、表觀黏度、塑性黏度、API失水、摩擦因數等參數。鉆井液污染試驗情況如圖1所示。通過試驗明確了不同鹽水體積分數污染鉆井液對鉆井液流變性能和泥餅厚度的影響情況［17-20］。

現場鉆井液抗鹽污染流變性評價試驗結果如表1所示。由表1可知，隨著鹽水體積分數的增加，水基鉆井液體系的表觀黏度和塑性黏度不斷降低，流變性能變差或被破壞，剪切力銳減，API濾失量呈上升趨勢，泥餅變厚，容易造成黏附卡鉆等事故。當鹽水體積分數超過2.5%時，稀釋起主要作用，黏切驟降，濾失量大大增加；當鹽水體積分數超過5%時，其黏度和動切力比不含鹽水的現場鉆井液降低25%以上，泥餅厚度增加到未污染泥餅厚度的4倍以上；鹽水體積分數達到10%后，API失水高達38 mL，泥餅增厚，泥餅摩擦因數小幅減小，鉆井液體系瓦解，懸浮能力嚴重下降，難以滿足安全鉆井的需要。可見水基鉆井液對鉆井液流變性和泥餅厚度的影響不容忽視。因此，在現場鉆井過程中，特別是在鉆遇高壓鹽水層之前，可以利用現場試驗條件來測試不同的鹽水體積分數對鉆井液流變性和泥餅厚度的影響，從而及時判斷鹽水侵污量并采取相應的措施。

2 黏附卡鉆數學模型

壓差是液柱壓力與地層孔隙壓力之間的差值，它是形成黏附卡鉆的外在因素，而泥餅與鉆柱間的摩擦屬于內因［21］。在鉆井液被鹽水污染的基礎上，進一步分析鉆具嵌入泥餅產生的軸向摩擦力隨靜止時間動態變化的黏附卡鉆模型。依據黏附卡鉆的現場情況以及考慮簡化計算［22-23］，做出以下假設：①鉆柱截面為圓形或圓環形；②摩擦因數在某一井段為常數；③忽略鉆柱的溫度變化；④影響泥餅厚度的因素為過剩的鉆井液壓力和卡鉆時間。

根據上述假設，卡鉆井段的軸向摩擦力和扭矩為：

3 黏附卡鉆實例分析

以塔里木盆地A井為例進行計算分析黏附卡鉆。該井在鉆至5 136和5 798 m處均發生黏附卡鉆，以第一次卡鉆為例進行計算分析。卡鉆井段發生溢流時存在高壓鹽水層，在定向鉆井過程中，突然憋泵，泵壓由22 MPa升至26 MPa 倒劃眼過程中發現溢流0.9 m3，鹽水體積分數5%，卡鉆井段壓10 MPa。卡鉆發生在四開井段（5 092～5 850 m），四開鉆具組合：241.3 mm鉆頭×0.34 m+630×NC50轉換接頭×0.5 m+177.8 mm無磁鉆鋌×9 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×9 m+241.3 mm穩定器×1.8 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×9 m+241.3 mm穩定器×1.8 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×126 m+177.8 mm隨鉆震擊器×10 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×27 m+127.0 mm加重鉆桿×S135I×141 m+127.0 mm斜坡鉆桿×S135I×6 196.56 m。

A井軸向摩擦力隨鉆柱靜止時間變化如圖5所示。由圖5可以看出，A井的軸向摩擦力隨鉆柱靜止時間的增加呈對數型增加。隨著時間的延長，到達4 h時，軸向摩擦力增加到1 000 kN，超過鉆機最大載荷。A井扭矩隨鉆柱靜止時間變化如圖6所示。由圖6可以看出：扭矩的變化趨勢同圖5類似，隨鉆柱靜止時間增加呈對數型增加；到2 h時，達到DB70鉆機的轉盤扭矩上限35 kN·m；到4 h時，鉆具無法轉動也無法上提下放，鉆具卡死。由于鉆遇高壓鹽水層溢流，溢流壓井后開井活動鉆具，壓井作業期間鉆具靜止了10 min，并且在壓井過程中鉆井液密度由2.23 g/cm3提高到2.49 g/cm3，造成井底壓差變大，導致黏附卡鉆。隨即上提、下放活動鉆具，活動范圍400～2 600 kN（原懸重168 t），間斷施加扭矩40 kN·m，未解卡；上提活動鉆具至2 600 kN，鉆具突然斷裂，懸重由168 t下降到33 t，起鉆完發現，21號單根在距離母扣2.71 m處斷裂，魚頂深度187.01 m。經過活動鉆具、下卡瓦打撈筒打撈、兩次對扣、測卡點、爆炸松扣、頂驅強行倒扣、反扣鉆具倒扣（共作業12次），套銑、倒扣分別作業3次和4次，然后下震擊器打撈，最終耗費1 015.13 h，起鉆撈獲全部落魚。

為了預防黏附卡鉆，根據中石油現行設計規范設定鉆機額定載荷和額定扭矩的80%作為安全上限，保持在該上限內一般不會發生黏附卡鉆。當軸向摩擦力和扭矩分別達到最大余量和扭矩上限時，鉆柱處在靜止時間第一階段（0～1.5 h），且軸向摩擦力為800 kN，扭矩為35 kN·m；當超過鉆機最大安全余量和扭矩上限時，鉆柱處在靜止時間第二階段（＞1.5 h）。因此，建議在鉆井作業中將A井鉆柱靜止時間控制在第一階段內，不超過1.5 h，并且在關井和壓井期間要不間斷活動鉆具。

4 黏附卡鉆影響因素分析

同樣以塔里木盆地A井為例，設定環空外徑241.3 mm，環空內徑127 mm，鹽水體積分數5 %，壓差10 MPa，摩擦因數0.2，鉆具嵌入泥餅深度為2 mm，鉆柱靜止4 h內。通過控制變量法改變以下因素：①鹽水體積分數為0%、2.5%、5.0%、7.5%及10%；②鉆具與泥餅之間的摩擦力因數為0.18、0.19、0.2、0.21及0.22；③卡鉆井段的壓差為4、6、8、10及12 MPa。分別求解以發現在不同條件下軸向摩擦力和扭矩的變化規律。

4.1 鹽水體積分數的影響

軸向摩擦力、扭矩與鹽水體積分數的關系分別如圖7、圖8所示。通過圖7、圖8可以看出，軸向摩擦力和扭矩隨鹽水體積分數的增加均增加。在不同的鹽水體積分數范圍內對應不同的增速，在0～2.5%內，增加較緩；在2.5%～7.5%內，增加變陡；在7.5%～10%內，增加變緩，但增加趨勢比0～2.5%范圍內陡。當鹽水體積分數在2.5%～7.5%內，稀釋占據主導作用，黏度以及剪切力下降，濾餅增厚，鉆具與泥餅接觸弧長更長，隨之軸向摩擦力增大，扭矩增大，在此范圍內，卡鉆風險最大。當鹽水體積分數大于7.5%之后，鉆井液性能變差或被破壞，隨著鹽水體積分數增加，可破壞的程度不大，因此變化變緩。在靜止0.01～1 h內，軸向摩擦力和扭矩變化最大，但均在鉆機安全范圍以內；在靜止1～4 h內，均有黏附卡鉆的風險；為預防黏附卡鉆，保持鉆機負載在安全線以內，建議控制鹽水體積分數不超過6%。

4.2 摩擦因數的影響

軸向摩擦力與扭矩隨摩擦因數的變化關系分別如圖9、圖10所示。從圖9、圖10可以看出，軸向摩擦力、扭矩隨摩擦因數的增加而增加，在摩擦因數為0.20之后，軸向摩擦力、扭矩增加變陡。軸向摩擦力、扭矩均在摩擦因數為0.20～0.21這個區間達到上限，但軸向摩擦力比扭矩先超過上限。在鉆柱靜止1 h內軸向摩擦力、扭矩均在安全線以內，為了預防在鉆柱靜止4小時內發生黏附卡鉆，建議控制摩擦因數不超過0.20。

4.3 壓差的影響

圖11、圖12為不同壓差下，軸向摩擦力和扭矩的關系變化情況圖。從圖11、圖12可見，由于卡鉆井段壓差對鉆柱作用于泥餅側向力的影響，軸向摩擦力和扭矩隨壓差的增大幾乎是穩定持續增大。壓差每增加1 MPa，摩擦力增加100 kN左右，扭矩增加4 kN·m左右。當壓差超過8 MPa時，軸向摩擦力超過鉆機最大安全余量，接近10 MPa時，扭矩超過鉆柱扭矩上限，發生黏附卡鉆。因此，為預防黏附卡鉆，建議控制壓差不超過10 MPa。

綜上所述，在鉆井液被鹽水污染的情況下，當鉆柱長時間靜止后，泥餅厚度增加，隨之鉆桿與泥餅接觸弧長越長，軸向摩擦力和扭矩也增加。為預防黏附卡鉆，建議如下：添加SPNH、SMP-3、EFD-2處理劑進行維護，控制鹽水體積分數不超過6%；適當加大鹽層鉆井潤滑劑添加量，摩擦因數不超過0.20；合理調控鉆井液密度，降低壓差，使壓差不超過10 MPa。

5 結 論

（1）采用室內試驗系統評價不同鹽水體積分數污染下的鉆井液流變性能，基于試驗結果擬合得到泥餅厚度和摩擦因數隨鹽水體積分數和時間的變化規律方程，其擬合優度R2均大于0.9。

（2）建立了考慮泥餅厚度動態變化的黏卡卡鉆模型，模型預測結果與現場A井實鉆情況相符；摩擦力、扭矩均隨鉆柱靜止時間的延長呈對數型增加；人為設定了鉆機額定載荷和扭矩的80%為安全上限，并根據鉆機最大安全余量和扭矩上限設定了鉆柱靜止的安全時間。

（3）系統評價了不同參數對黏附卡鉆的影響規律，具體的變化規律：軸向摩擦力和扭矩隨鹽水體積分數的增加而急劇增加；軸向摩擦力和扭矩隨摩擦因數的增加先緩慢增加后快速增加；軸向摩擦力和扭矩隨壓差的增加幾乎持續穩定增大。防黏附卡鉆建議：現場在鉆遇高壓鹽水層之前，先進行抗污染試驗，以便及時采取相應措施；對鹽水侵污鉆井液添加適量處理劑進行維護；鹽層鉆井適當加大潤滑劑添加量；合理調控鉆井液密度，降低壓差；關井和壓井期間不間斷活動鉆具。

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第一湯明，副教授，生于1985年，2016年畢業于西南石油大學油氣井工程專業，獲博士學位，現從事油氣井控、井壁穩定和鉆井工藝等方面的基礎研究和教學工作。地址：（610500）四川省成都市。Email：tm4432@126.com。

通信作者：何世明，Email：hesming@sina.com。