當發生卡鉆時，需要 查明卡鉆的機理和 原因，以便實施相 應的解卡程序和補 救措施。少數情況一小時內即可 使鉆具解卡，嚴重卡鉆時，如果 完全解卡的話，可能需要幾天時 間。越早的查明卡鉆的機理，就 可越快地采取正確的應對措施， 鉆具解卡的幾率就越高。事實上， 50% 的卡鉆 4 小時內就可解卡； 而不到 10% 的卡鉆 4 小時后即可 解卡。如圖 1 所示，如果這一統 計數據能告訴我們一些情況的話， 那就是時間在解卡過程中起到了 關鍵影響。在最壞的情況下，當 解卡失敗時，鉆井工程師需要考 慮另一種行動方案，即實施側鉆 作業，并向該方案追加額外費用。 通過理解卡鉆的機理及其先 導征兆，人們也可根據鉆井作業 期間透露出的跡象和趨勢提前預 測卡鉆。倘若做得好的話，這種 預測可為現場作業人員提供更多 機會，避免發生嚴重的卡鉆事故。 本文詳述了卡鉆機理、傳統做法， 此類事故的預防、診斷和補救方 法，識別卡鉆的先期跡象和征兆， 以及之前發表的預測該地區發生 卡鉆事故的著作。作為一種預測 卡鉆事故的方法，本文還展示了 一個鉆井數據異常的實時自動檢 測模型，給出了模型的驗證測試 結果，并從數據和物理學角度對 測試結果進行了討論。
 
研究機理做好預防迅速處治
 
不管鉆具能否下放、旋轉或 循環泥漿，當其無法從井中起出 時，被認為是鉆具被卡死，或發 生了卡鉆事故。換句話說，只要 鉆具不能以最大允許的抗拉強度 從井中起出，就會被視為卡鉆。 這是由于不同類型的卡鉆所致， 例如壓差卡鉆時，通常循環不能 中斷；發生鍵槽卡鉆時，事故期 間一般仍能下放鉆具。因此，卡 鉆事故通常會根據卡鉆的機理進 行分類，也就是，阻止鉆具起出 井筒的力或工具，卡鉆主要分為 三大類：井眼阻塞與橋接類卡鉆， 井筒幾何形狀類卡鉆和壓差卡鉆。 因井眼阻塞、橋接或井筒幾 何形狀導致的機械卡鉆幾乎占到 了卡鉆事故的 68%~70%，剩余 30%~32% 是因壓差卡鉆所致。 當鉆遇漏層時，由于鉆井液未能 將巖屑帶走脫離井底，導致井眼 阻塞，因此發生井漏后很容易造 成卡鉆或鉆具被卡住。接單根期 間，當鉆具靜止一段時間后開始 移動時也很容易發生卡鉆。圖 2和圖 3 分別給出了三種最常見的 卡鉆機理以及卡鉆前最常見的鉆 井作業。 即將發生卡鉆時的第一個響 應動作最為關鍵，即使事故初期 鉆具移動或旋轉的可能性有限， 隨著時間的推移，事故會退變為 鉆具在任何方向都無法移動。除 了時間成本損失外，這就是為什 么這類事故中時間是關鍵的另一 個原因。因此，正確判斷和報告 卡鉆事故，確保在正確的地點和 時間采取正確的應對措施至關重 要。根據最初的判斷所采取的措 施可能是能否解卡、或鉆具被埋 和選擇側鉆、或棄井幾種選項之 間的決定性因素。錯誤的初始判 斷容易導致局面失控，最終鉆具 會丟棄在井內或被埋。因此，了 解卡鉆的不同機理、先導征兆、 以及如何判斷卡鉆的每種類型至 關重要。本節簡要介紹一下卡鉆 的機理，針對每種卡鉆普遍采用 的預防措施和處治方法做出簡述。
 
井眼阻塞與橋接類卡鉆
 
當鉆具周圍的環空井眼被巖 屑或井壁垮塌塞住時，就會出現 井眼阻塞和橋接，致使鉆具移動 受阻、循環受限或遇阻，這被認 為是最成問題的卡鉆機理，也被 認為是卡鉆后解卡幾率最低或最 難解卡的井下工況。井眼阻塞或 橋接的主要原因是井眼凈化不佳， 也就是當巖屑、水泥塊或落物未 被完全清除出井眼，從而使這些 物質沉降并卡在環空井眼內，導 致其壓實在鉆具周圍。 橋接是指大一點的巖屑或塌 屑搭接在鉆具與井壁之間的環空， 致使鉆具移動受阻的卡鉆情形； 而阻塞或充填是指較小的巖屑因 其堵住了鉆具與井壁之間的環空 而使鉆具遇卡的情形。大斜度井 或水平井鉆進期間，由于重力的 因素，更多的巖屑沉降并堆積在 井眼的低側，這使得清除這些巖 屑更加困難。因此，相比直井， 大斜度井或水平井的井眼凈化更 為關鍵，也更具挑戰。所以，在 鉆大斜度井時，為了保持有效的 井眼凈化，需要考慮更多的因素。 井眼阻塞另一個潛在的原因 就是井筒不穩定。井筒不穩定會 指引起井壁脫落或井眼坍塌。當 鉆具因井眼坍塌導致卡鉆時，如 果說有機會解卡的話，那就需要 進行充分的井眼凈化，將塌屑循 環清除出井眼，才有可能使鉆具 解卡。井筒不穩定會造成最嚴重 的卡鉆工況，如果情況如此，鉆 井工程師會選擇打撈或側鉆。這 可能是由于化學或機械應力的頁 巖、疏松的砂巖、或裂縫和斷層 所致。 影響井筒穩定的因素還包括： 巖石強度、各向異性應力或非均 質應力、泥漿密度、泥漿失水、 井眼軌跡、以及井筒幾何形狀等。 井筒幾何形狀將在下一節進一步 討論。圖 4、圖 5 分別列舉了不 同原因所致井眼阻塞與橋接的井 下工況。其中圖 4 示意的是因井 眼凈化差造成井眼阻塞所致鉆具 遇卡的情形；圖 5 示意的是因井 眼坍塌及凈化不佳所致鉆頭卡死 的情形。 由于井眼阻塞與井眼凈化差 有著很強的關聯性，因此最好的 方法是通過有效的井眼凈化來防 止井眼阻塞，而這是通過實施以 下措施來實現的。保持泥漿良好 的流變性能，特別是塑性粘度、 屈服點和凝膠強度，確保足夠的 泥漿排量和水力學特性，以保持 必要的環空流速將巖屑攜帶至地 面；確保井眼循環凈化時鉆具上 提、下放和旋轉自如；確保鉆具 的偏心距，盡可能使鉆具位于井 筒的中心，確保鉆具周圍環空流速均勻、相近；控制機械鉆速， 避免鉆進期間產生過多巖屑和固 體顆粒，超出循環系統攜帶和處 置巖屑的能力；定期進行循環短 起下作業，因為這能凈化井眼、 擦拭膨脹的粘土、劃眼問題井段。 至于如何處治井眼阻塞，可 以考慮采取以下措施使鉆具脫困： 首先嘗試泥漿循環，在鉆具尚未 卡死時盡可能使環空暢通，重獲 正常循環；施加向下的力，直至 恢復循環；嘗試旋轉鉆具；在大 井斜情況下，先泵入低粘漿液， 接著泵入加重的漿液；低粘液會 擾亂巖屑床，使其流動起來，隨 后加重的漿液會將巖屑帶至地 面；在井斜較小的情況下，只需 使用加重的漿液即可將巖屑攜帶 至地面。
 
井筒幾何形狀類卡鉆
 
討論的第二類是因井筒幾何 形狀導致的卡鉆，這類卡鉆包括 因井眼形狀不規則、狗腿或鍵槽 等因素，上提鉆具時，井底鉆具 組合（BHA）與井筒之間出現嚴 重摩阻或阻力過大導致的卡鉆現 象。具體來說，當 BHA 上提或 下放至井筒形狀極不規則的井段 時，卡鉆發生了；這可能是由于 幾個原因造成的，Mitchell 先生 2011 年在他的“無事故鉆井”一 書中將其分為四種情形狗腿、巖 石壁架、井眼縮徑、擠壓地層。 大多數井筒幾何形狀類卡鉆 都是因狗腿所致，因為這類卡鉆 可能會導致鉆具越卡越死，如遭 遇鍵槽、巖石壁架，或因高扭矩 和側向載荷的情形；狗腿還可能 給固井、下套管、測井帶來麻煩， 甚至還可能導致采油設備故障。 值得注意的是，狗腿也增加了其 它類型卡鉆的風險，不論是壓差 卡鉆還是井眼阻塞類卡鉆。圖 6 示意了鍵槽是如何被切成狗腿的， 因高狗腿度、高鉆具張力和旋轉、 長時間旋轉導致的幾種鍵槽。 Mitchell 在其書中還指出了 另一種類型的卡鉆，這就是“剛 性組件卡鉆”，這類卡鉆通常在 鉆定向井時經常會遇到，圖 7 示 意了一個強制鉆具進入狗腿所引 起的側向載荷，導致鉆具卡死的 情形。 圖 6 圖 7 P+E 在嚴重狗腿的情況下，用來 保持造斜角的 BHA 可能會被向 下壓入或擠入狗腿，致使側載荷 過高，從而導致鉆具卡死，無法 上提。當鉆具相比張力更易于壓 縮時，特別容易發生這種情況。 如果能合理的設計下井的剛性鉆 具，細心考慮井眼的狗腿井段， 這類卡鉆可以適當地得到控制。 如果遵循以下程序，因井筒 幾何形狀導致的卡鉆一般可以得 到預防：應避免尖利的狗腿，鉆 進時如果懷疑有狗腿，應考慮劃 眼短起下，以消除鍵槽或盡力使 鍵槽處圓滑，讓鉆具能順暢通過； 如果起下鉆期間懷疑有狗腿或鍵 槽，可在鉆具中增加一個鍵槽擦 除器，安排一次短起下擦除鍵槽； 在鉆鹽層時，如果無法避開鹽層， 鉆進時應格外小心；在這種情況 下，應采用高比重泥漿鉆進，只 要壓力梯度允許，泥漿比重應盡 可能高一點；要仔細定位 BHA， 在縮徑井段起下 BHA 時，應使 用帶刀翼的扶正器。 因井筒幾何形狀導致卡鉆的 幾種解卡方法：在鉆具卡死之前， 以鉆具移動相反的方向震擊鉆具； 如果鉆具未解卡，泵入一定量的 潤滑或解卡劑可以幫助降低井筒 與遇卡部件之間的摩擦力；如果 遇卡鉆具處于碳酸鹽地層，泵入 酸液可能有助于溶解 BHA 周圍 的巖石；如果鉆具在鹽層遇卡， 可以泵入淡水溶液溶解卡點周圍 的鹽層。