当发生卡钻时，需要 查明卡钻的机理和 原因，以便实施相 应的解卡程序和补 救措施。少数情况一小时内即可 使钻具解卡，严重卡钻时，如果 完全解卡的话，可能需要几天时 间。越早的查明卡钻的机理，就 可越快地采取正确的应对措施， 钻具解卡的几率就越高。事实上， 50% 的卡钻 4 小时内就可解卡； 而不到 10% 的卡钻 4 小时后即可 解卡。如图 1 所示，如果这一统 计数据能告诉我们一些情况的话， 那就是时间在解卡过程中起到了 关键影响。在最坏的情况下，当 解卡失败时，钻井工程师需要考 虑另一种行动方案，即实施侧钻 作业，并向该方案追加额外费用。 通过理解卡钻的机理及其先 导征兆，人们也可根据钻井作业 期间透露出的迹象和趋势提前预 测卡钻。倘若做得好的话，这种 预测可为现场作业人员提供更多 机会，避免发生严重的卡钻事故。 本文详述了卡钻机理、传统做法， 此类事故的预防、诊断和补救方 法，识别卡钻的先期迹象和征兆， 以及之前发表的预测该地区发生 卡钻事故的著作。作为一种预测 卡钻事故的方法，本文还展示了 一个钻井数据异常的实时自动检 测模型，给出了模型的验证测试 结果，并从数据和物理学角度对 测试结果进行了讨论。
 
研究机理做好预防迅速处治
 
不管钻具能否下放、旋转或 循环泥浆，当其无法从井中起出 时，被认为是钻具被卡死，或发 生了卡钻事故。换句话说，只要 钻具不能以最大允许的抗拉强度 从井中起出，就会被视为卡钻。 这是由于不同类型的卡钻所致， 例如压差卡钻时，通常循环不能 中断；发生键槽卡钻时，事故期 间一般仍能下放钻具。因此，卡 钻事故通常会根据卡钻的机理进 行分类，也就是，阻止钻具起出 井筒的力或工具，卡钻主要分为 三大类：井眼阻塞与桥接类卡钻， 井筒几何形状类卡钻和压差卡钻。 因井眼阻塞、桥接或井筒几 何形状导致的机械卡钻几乎占到 了卡钻事故的 68%~70%，剩余 30%~32% 是因压差卡钻所致。 当钻遇漏层时，由于钻井液未能 将岩屑带走脱离井底，导致井眼 阻塞，因此发生井漏后很容易造 成卡钻或钻具被卡住。接单根期 间，当钻具静止一段时间后开始 移动时也很容易发生卡钻。图 2和图 3 分别给出了三种最常见的 卡钻机理以及卡钻前最常见的钻 井作业。 即将发生卡钻时的第一个响 应动作最为关键，即使事故初期 钻具移动或旋转的可能性有限， 随着时间的推移，事故会退变为 钻具在任何方向都无法移动。除 了时间成本损失外，这就是为什 么这类事故中时间是关键的另一 个原因。因此，正确判断和报告 卡钻事故，确保在正确的地点和 时间采取正确的应对措施至关重 要。根据最初的判断所采取的措 施可能是能否解卡、或钻具被埋 和选择侧钻、或弃井几种选项之 间的决定性因素。错误的初始判 断容易导致局面失控，最终钻具 会丢弃在井内或被埋。因此，了 解卡钻的不同机理、先导征兆、 以及如何判断卡钻的每种类型至 关重要。本节简要介绍一下卡钻 的机理，针对每种卡钻普遍采用 的预防措施和处治方法做出简述。
 
井眼阻塞与桥接类卡钻
 
当钻具周围的环空井眼被岩 屑或井壁垮塌塞住时，就会出现 井眼阻塞和桥接，致使钻具移动 受阻、循环受限或遇阻，这被认 为是最成问题的卡钻机理，也被 认为是卡钻后解卡几率最低或最 难解卡的井下工况。井眼阻塞或 桥接的主要原因是井眼净化不佳， 也就是当岩屑、水泥块或落物未 被完全清除出井眼，从而使这些 物质沉降并卡在环空井眼内，导 致其压实在钻具周围。 桥接是指大一点的岩屑或塌 屑搭接在钻具与井壁之间的环空， 致使钻具移动受阻的卡钻情形； 而阻塞或充填是指较小的岩屑因 其堵住了钻具与井壁之间的环空 而使钻具遇卡的情形。大斜度井 或水平井钻进期间，由于重力的 因素，更多的岩屑沉降并堆积在 井眼的低侧，这使得清除这些岩 屑更加困难。因此，相比直井， 大斜度井或水平井的井眼净化更 为关键，也更具挑战。所以，在 钻大斜度井时，为了保持有效的 井眼净化，需要考虑更多的因素。 井眼阻塞另一个潜在的原因 就是井筒不稳定。井筒不稳定会 指引起井壁脱落或井眼坍塌。当 钻具因井眼坍塌导致卡钻时，如 果说有机会解卡的话，那就需要 进行充分的井眼净化，将塌屑循 环清除出井眼，才有可能使钻具 解卡。井筒不稳定会造成最严重 的卡钻工况，如果情况如此，钻 井工程师会选择打捞或侧钻。这 可能是由于化学或机械应力的页 岩、疏松的砂岩、或裂缝和断层 所致。 影响井筒稳定的因素还包括： 岩石强度、各向异性应力或非均 质应力、泥浆密度、泥浆失水、 井眼轨迹、以及井筒几何形状等。 井筒几何形状将在下一节进一步 讨论。图 4、图 5 分别列举了不 同原因所致井眼阻塞与桥接的井 下工况。其中图 4 示意的是因井 眼净化差造成井眼阻塞所致钻具 遇卡的情形；图 5 示意的是因井 眼坍塌及净化不佳所致钻头卡死 的情形。 由于井眼阻塞与井眼净化差 有着很强的关联性，因此最好的 方法是通过有效的井眼净化来防 止井眼阻塞，而这是通过实施以 下措施来实现的。保持泥浆良好 的流变性能，特别是塑性粘度、 屈服点和凝胶强度，确保足够的 泥浆排量和水力学特性，以保持 必要的环空流速将岩屑携带至地 面；确保井眼循环净化时钻具上 提、下放和旋转自如；确保钻具 的偏心距，尽可能使钻具位于井 筒的中心，确保钻具周围环空流速均匀、相近；控制机械钻速， 避免钻进期间产生过多岩屑和固 体颗粒，超出循环系统携带和处 置岩屑的能力；定期进行循环短 起下作业，因为这能净化井眼、 擦拭膨胀的粘土、划眼问题井段。 至于如何处治井眼阻塞，可 以考虑采取以下措施使钻具脱困： 首先尝试泥浆循环，在钻具尚未 卡死时尽可能使环空畅通，重获 正常循环；施加向下的力，直至 恢复循环；尝试旋转钻具；在大 井斜情况下，先泵入低粘浆液， 接着泵入加重的浆液；低粘液会 扰乱岩屑床，使其流动起来，随 后加重的浆液会将岩屑带至地 面；在井斜较小的情况下，只需 使用加重的浆液即可将岩屑携带 至地面。
 
井筒几何形状类卡钻
 
讨论的第二类是因井筒几何 形状导致的卡钻，这类卡钻包括 因井眼形状不规则、狗腿或键槽 等因素，上提钻具时，井底钻具 组合（BHA）与井筒之间出现严 重摩阻或阻力过大导致的卡钻现 象。具体来说，当 BHA 上提或 下放至井筒形状极不规则的井段 时，卡钻发生了；这可能是由于 几个原因造成的，Mitchell 先生 2011 年在他的“无事故钻井”一 书中将其分为四种情形狗腿、岩 石壁架、井眼缩径、挤压地层。 大多数井筒几何形状类卡钻 都是因狗腿所致，因为这类卡钻 可能会导致钻具越卡越死，如遭 遇键槽、岩石壁架，或因高扭矩 和侧向载荷的情形；狗腿还可能 给固井、下套管、测井带来麻烦， 甚至还可能导致采油设备故障。 值得注意的是，狗腿也增加了其 它类型卡钻的风险，不论是压差 卡钻还是井眼阻塞类卡钻。图 6 示意了键槽是如何被切成狗腿的， 因高狗腿度、高钻具张力和旋转、 长时间旋转导致的几种键槽。 Mitchell 在其书中还指出了 另一种类型的卡钻，这就是“刚 性组件卡钻”，这类卡钻通常在 钻定向井时经常会遇到，图 7 示 意了一个强制钻具进入狗腿所引 起的侧向载荷，导致钻具卡死的 情形。 图 6 图 7 P+E 在严重狗腿的情况下，用来 保持造斜角的 BHA 可能会被向 下压入或挤入狗腿，致使侧载荷 过高，从而导致钻具卡死，无法 上提。当钻具相比张力更易于压 缩时，特别容易发生这种情况。 如果能合理的设计下井的刚性钻 具，细心考虑井眼的狗腿井段， 这类卡钻可以适当地得到控制。 如果遵循以下程序，因井筒 几何形状导致的卡钻一般可以得 到预防：应避免尖利的狗腿，钻 进时如果怀疑有狗腿，应考虑划 眼短起下，以消除键槽或尽力使 键槽处圆滑，让钻具能顺畅通过； 如果起下钻期间怀疑有狗腿或键 槽，可在钻具中增加一个键槽擦 除器，安排一次短起下擦除键槽； 在钻盐层时，如果无法避开盐层， 钻进时应格外小心；在这种情况 下，应采用高比重泥浆钻进，只 要压力梯度允许，泥浆比重应尽 可能高一点；要仔细定位 BHA， 在缩径井段起下 BHA 时，应使 用带刀翼的扶正器。 因井筒几何形状导致卡钻的 几种解卡方法：在钻具卡死之前， 以钻具移动相反的方向震击钻具； 如果钻具未解卡，泵入一定量的 润滑或解卡剂可以帮助降低井筒 与遇卡部件之间的摩擦力；如果 遇卡钻具处于碳酸盐地层，泵入 酸液可能有助于溶解 BHA 周围 的岩石；如果钻具在盐层遇卡， 可以泵入淡水溶液溶解卡点周围 的盐层。