渤海油田钻柱松扣关键技术

姜 亮，胡晋阳，陈永锋，许清海，胡秉磊，尹顺利

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中国石油大港油田石油工程研究院，天津 300280）

卡钻指钻井、完井、修井过程中，井眼或井筒内（文中统称“井内”）的钻柱由于各种原因不能正常上下移动和正反旋转等自由活动的井下事故。根据作业种类不同，卡钻可分为钻井卡钻、完井卡钻和修井卡钻；根据其发生诱因可分为砂卡、坍塌卡钻、压差卡钻、缩径卡钻、泥包卡钻、键槽卡钻、落物或硬物卡钻和干钻卡钻等。目前，学者们以卡钻事故发生机理为出发点，从多方面进行探索和研究，分别从工具和技术两方面进行突破，来预防卡钻事故的发生。工具方面，对具有高风险的入井工具的结构、材质进行改进和研发，研究出水平井分段压裂可降解桥塞[1]、可高效破岩和清除岩屑的脉冲内磨钻头[2]、可良好控制PDC钻头轴向冲击力并提高其剪切力的扭振冲击工具[3]；统计引发卡钻事故的多种因素，基于神经网络，研发出卡钻预测系统[4]，可提前规避作业过程中的潜在风险点，预防卡钻的发生。还有学者从优化钻井液性能、井眼轨迹和钻具组合等技术措施方面出发，研究出防卡技术措施[5]。由于作业现场地质、工程因素复杂或人为疏忽等原因，卡钻事故仍会发生。针对钻井过程中引起砂桥卡钻和缩径卡钻的各种因素，并考虑模糊数学理论和层次分析法，建立了卡钻事故安全评价与诊断仿真系统[6]，为卡钻发生后第一时间采取正确有效的处理措施提供了依据；从压差粘附卡钻特征和机理出发，提出了相关乳化酸浸泡和降压解卡技术[7–8]。

虽然越来越多的先进理念和科学技术应用到卡钻事故预防和处理过程中，但应用效果取决于事故的轻重和复杂程度。在前期实施了解卡措施却无法有效解卡的事故井，尤其钻井时测井仪器卡钻、防砂管柱卡钻等作业，井眼或井筒废弃成本非常高。针对渤海油田卡钻事故发生的主要诱因，研究解卡作业时钻柱松扣相关技术，对所涉及的工具选择、钻具优化和现场操作关键步骤以及各项技术的优缺点进行分析，为现场解卡作业提供技术指导。

1 常规解卡方式

卡钻事故的发生贯穿整个钻井、完井、修井作业过程，其中以水平井或定向井钻井时的卡钻、完井作业时防砂管串卡钻和大修过程中防砂管柱内中心管的卡钻最为严重。目前，渤海油田常见的地层结构为砂砾岩、泥页岩等，钻井时易发生井眼缩径卡钻（图1）、泥包卡钻（图2）和键槽卡钻（图3）。卡钻事故发生后，采用酸浸泡、大力上提、震击、大排量循环冲洗等常规解卡手段解卡效果较差。此外，完井作业或大修作业时，因套铣管与井内环空间隙较小、裸眼井段井壁稳定性较差等原因导致套铣卡钻风险高，若遇卡井段井斜大，钻柱内的通径不能满足长距离电缆输送化学切割。为了减少作业成本、降低作业风险，合理采用松扣技术是最有效的措施。

图1 砂砾岩和泥岩缩径卡钻

图2 泥包卡钻

图3 狗腿型键槽和壁阶型键槽

2 钻柱松扣技术

钻柱松扣包括倒扣和爆炸松扣。目前对钻柱松扣技术的研究，多侧重于机械或液压倒扣器[9]以及卡点计算方面的研究。通常情况下，作业时井下钻柱并不带有倒扣器，发生卡钻事故后，通过原钻柱倒扣、爆炸松扣或者爆炸切割将卡点以上钻柱安全取出来，再根据井况选择是否采用倒扣器进行打捞。无论机械倒扣器还是液压倒扣器，其外径尺寸较大且内部含有齿轮，对大修作业中的出砂井、注聚井以及防砂管柱内中心管的解卡并不适用。

2.1 倒扣技术

倒扣是处理卡钻事故及打捞井下落鱼的关键技术[10–11]，根据倒扣的钻具螺纹旋向不同，分为反扣钻具倒扣与正扣钻具倒扣。倒扣时，中和点位置的丝扣轴向受力平衡，既不受拉也不受压，故该位置是倒扣时最易开扣的地方，利用原钻柱倒扣或重新下入打捞工具进行倒扣前，需对卡点位置进行测量。

卡点深度测定方法主要有两种：基于胡克定律的数学公式法和下电缆测卡仪电测法。由于井内测井仪器或服务工具昂贵，前期解卡无效后利用原钻柱倒扣，倒扣前常选择电缆测卡仪来精确测定卡点深度；而大修作业时的砂卡、硬物卡等卡钻事故，测定不同上提拉力下的钻柱伸长量后，多采用方便快捷的数学公式法来测定卡点深度。

2.1.1 反扣钻具倒扣技术

卡钻事故发生后，利用原钻柱倒扣，若卡点以上钻柱长度仍较长，可采取反扣钻具倒扣，尽可能多的取出卡点以上钻柱。由于海上修井机、模块钻机或者钻井平台所用的转盘驱动或顶驱驱动方式均为正转，故反扣钻具倒扣技术钻具组合从下到上通常为：反扣打捞工具+反扣钻柱+安全接头+正扣钻柱+方钻杆或顶驱，其中安全接头可由倒扣器代替，但倒扣扭矩需在倒扣器安全范围之内（图4a）。

通过对渤海油田近十年使用的反扣打捞工具进行分析，可退式卡瓦打捞筒应用效果最好，表1为常用反扣打捞工具的适用情况。

表1 不同反扣打捞工具适用范围

因井内遇卡钻柱多为右旋螺纹，反扣打捞钻具对于井深、井斜及摩阻等限制较少。倒扣打捞作业时，只要不超过打捞钻具的安全系数即可，且倒扣扭矩大，成功率高，缺点是反扣打捞工具抓住落鱼后，由于井口动力驱动源如方钻杆、顶驱等常为右旋螺纹，若倒扣不成功，工具脱手较为困难，该技术适用于油管、钻杆、套管及防砂管柱等各类右旋螺纹连接的落鱼。

若倒扣打捞失败，可在安全接头处脱手打捞钻柱，安全接头可由倒扣器来代替，需注意以下几点：

（1）若井内落鱼进行过大扭矩憋扭，须慎重使用倒扣器，若落鱼丝扣连接强度高于倒扣器或者上部钻柱屈服的强度，此时倒扣会使井况更加复杂。

（2）若井内落鱼出现砂埋，则不宜使用倒扣器，倒扣作业时应避免大负荷上击作业。

（3）若鱼顶有断口不齐、形状不整或鱼头破坏等现象，需利用平底磨鞋修整鱼头后再进行打捞。

（4）倒扣作业前需确定卡点位置，使倒扣上提拉力处于中和点位置，且有效的倒扣扭矩和拉力处于钻柱安全范围内。

（5）倒扣时，逐圈缓慢反转钻柱，若倒扣扭矩较大且反转圈数与回转圈数差值较小，可适当上下活动钻柱以传递扭矩，若扭矩逐渐降低，重复上述步骤继续倒扣和传递扭矩，期间可根据上提悬重、扭矩及泵压等参数来判断倒扣是否成功。

（6）反扣打捞工具为公锥或母锥时，需严格控制倒扣扭矩，当该值超过钻柱上扣扭矩的80%时，打捞工具难以脱手，甚至导致更多钻具或工具落井；

2.1.2 正扣钻具倒扣技术

无论海上油田还是陆地油田，作业时很少备有反扣钻具，当卡钻事故发生后，大多数情况需使用原钻柱进行倒扣后，再根据井况制定下步计划。正扣钻具倒扣的钻柱组合为倒扣打捞工具+安全接头+正扣钻柱+方钻杆或顶驱（图4b），倒扣扭矩一般不超过正常上扣扭矩的70%，故在井深较浅、井斜和摩阻较小的井应用效果良好，尤其油管、防砂管柱等上扣扭矩较小的落鱼。该技术节约资源、无需额外动用反扣钻具、可以迅速处理海上小型平台的卡钻事故，缺点是倒扣作业时钻柱倒开风险较大；不宜用于大斜度井、井眼轨迹复杂的井。

图4 反扣钻具、正扣钻具倒扣钻柱组合

采用正扣钻具倒扣时应注意事项：

（1）倒扣作业前，须了解卡点及其以上的井斜和井眼轨迹复杂程度等参数，若打捞工具具备震击能力，则先进行大力活动、震击解卡，若解卡无效，上提钻柱至中和点，再进行倒扣作业。

（2）对于井深、井斜较大、井眼轨迹复杂的作业井，若倒扣扭矩始终难以传递至卡点附近，可适当上下活动钻柱以传递扭矩。

（3）倒扣过程中，可根据上提悬重、泵压变化和复探遇阻位置等手段综合判断倒扣情况；

（4）若非必要，尽可能避免上下活动钻柱来传递扭矩，以防落鱼多处开扣，增加打捞次数。

（5）倒扣成功起钻时，应锁紧转盘，防止钻柱正转，从而导致打捞工具脱手，落鱼再次落井。

2.2 爆炸松扣技术

受井斜、狗腿以及井眼轨迹影响，倒扣时丝扣开扣点位置不确定，难以采用倒扣将卡点以上钻柱取出，这种情况下，采用爆炸松扣技术效果较好。

爆炸松扣是在被卡钻柱施加反扭矩时，在钻柱内下入导爆索，利用火药爆炸瞬间产生的弹性势能，将炸点附近螺纹倒开的松扣方法。对于水平段较长或大斜度井，需开泵辅助下入爆炸松扣工具串，应注意事项如下：

（1）根据钻柱上提悬重，施加不同拉力，逐段上提钻柱，使卡点以上钻柱自上而下或自下而上处于相应的中和点，并施加正向扭矩逐段紧扣，紧扣扭矩最大值应小于井内钻柱最弱点抗扭强度的80%。

（2）将工具串下至预设位置，对钻柱施加反向扭矩，期间可通过上下活动将反转扭矩尽可能传递至炸点处。因为只有炸点位置处具有充分的反扭矩，才能确保炸后开扣位置在预设位置；若炸点位置井斜及摩阻较大，可采取每反转2～3圈、上下活动钻具6～8次来充分传递扭矩。

（3）对自由段钻柱紧扣和施加反扭矩时，不同钻柱尺寸所旋转圈数见表2。

表2 不同尺寸钻柱所转圈数数据表

3 结论

（1）各类卡钻事故发生后，若前期解卡措施无法有效解卡，钻柱松扣技术是最优选择。

（2）反扣钻具倒扣打捞技术倒扣扭矩大、倒扣成功率高，对井深、井斜及摩阻限制较小，但若倒扣失败，脱手难度较大；正扣钻具倒扣技术工作扭矩需小于正常上扣扭矩的70%，适用于井深较浅、井斜和摩阻小的井，倒扣前可根据井况决定是否先紧扣再倒扣，但不宜用于斜度大、井眼轨迹复杂的井。

（3）爆炸松扣技术适用于井斜和狗腿度大以及井眼轨迹复杂的井，该技术实施前需对钻柱逐段进行紧扣，施加反扭矩时可通过上下活动的方式来传递扭矩。