煤田超大口徑套管固井技術(shù)

姚平均 李韶利 陳道元 茍 明 安文龍 路來賓

（中原油田固井工程處，河南濮陽 457331）

我國是一個(gè)煤炭資源大國，煤炭資源相當(dāng)豐富，國家處于安全的考慮，要求開采者采取先抽后掘進(jìn)行開采，不斷改善地下開采場所的工作環(huán)境。安全和工作環(huán)境促使煤礦鉆大口徑井以抽排瓦斯和向地下送風(fēng)降溫，改善通風(fēng)環(huán)境，然而大口徑井鉆成后，固井難度較大，主要表現(xiàn)為：（1）鉆井使用的都是小型鉆機(jī)，鉆機(jī)負(fù)荷較小，只能滿足鉆井要求，而大口徑套管負(fù)荷較大，下入過程中鉆機(jī)難以承受過大的載荷，容易造成井架垮塌和井下復(fù)雜事故；（2）套管內(nèi)、外環(huán)空單位面積上的體積大，在注水泥過程中容易造成管內(nèi)混漿，管外竄槽現(xiàn)象；（3）大套管抗擠毀壓力低，使用高密度水泥漿固井容易形成較大的壓差，從而造成套管被擠毀現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)以上問題，通過采用水泥浮力塞［1］、套管充空氣［2］、內(nèi)插管井口密封［3-4］、優(yōu)選水泥漿體系和優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)。減輕了管柱重量［5-7］，滿足了小鉆機(jī)下大口徑套管的要求，解決了井漏、套管被擠毀、水泥漿竄槽等一系列技術(shù)難題，現(xiàn)場進(jìn)行了9口井的實(shí)際應(yīng)用，下套管及固井作業(yè)全部正常，地下巷道挖開后檢查封固質(zhì)量良好。

1 套管下入技術(shù)

煤田鉆井一般采用1 500 m的小型鉆機(jī)，大口徑鉆井采用?780 mm鉆頭鉆進(jìn)，下入?630 mm×18 mm套管，套管下深一般在1 000 m左右，套管負(fù)荷重，鉆機(jī)提升能力有限，為使原鉆機(jī)能滿足下套管作業(yè)要求，使套管順利下至預(yù)定位置，對(duì)下套管作業(yè)進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 通井

通井采用?780 mm鉆頭+?760 mm扶正器，對(duì)阻卡井段進(jìn)行反復(fù)劃眼，通井排量為鉆進(jìn)排量的1.2～1.3倍，將井內(nèi)沉砂充分帶至地面。第1次通井后停2～3 d進(jìn)行二次通井，因?yàn)橄绿坠艽蠹s需要3 d時(shí)間，目的是檢驗(yàn)井眼內(nèi)是否還存在阻卡和沉砂現(xiàn)象，以保證套管下入順利。

1.2 合理設(shè)計(jì)管柱結(jié)構(gòu)

由于套管重量大，采用浮箍裝置結(jié)構(gòu)下套管會(huì)造成鉆機(jī)提升能力不夠或套管內(nèi)掏空過多造成管柱被擠毀現(xiàn)象發(fā)生，兼顧二者采用了浮力塞管柱結(jié)構(gòu)，并對(duì)套管掏空段進(jìn)行充空氣作業(yè)，管柱結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 管柱示意圖

（1）浮力塞結(jié)構(gòu)。將一根套管在管壁上均勻焊上?6 mm的鋼筋，然后用水泥澆鑄成一個(gè)整體，下浮力塞為實(shí)心，上浮力塞中心加根?19 mm的空心鋼管，并在頂端裝一閘門，用于向管內(nèi)充氣，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 浮力塞結(jié)構(gòu)

（2）浮力塞位置設(shè)計(jì)。浮力塞設(shè)計(jì)安放原則一要滿足鉆機(jī)提升能力， 二要使套管重量大于浮力，使套管能自動(dòng)下落，三要保證掏空段套管不被擠毀，根據(jù)這一原則進(jìn)行浮力塞安放位置設(shè)計(jì)。

①下浮力塞設(shè)計(jì)。下浮力塞下入深度首先應(yīng)考慮該處套管抗擠毀能力，以套管抗擠毀能力作為節(jié)點(diǎn)推算下浮力塞位置。

式中，p為套管抗外擠壓力， MPa；H為套管下深，m；ρ為鉆井液密度，g/cm3；L為下浮力塞長度m。

②上浮力塞設(shè)計(jì)。上浮力塞設(shè)計(jì)以考慮鉆機(jī)允許提升能力和套管自由下落作為節(jié)點(diǎn)推算浮力塞位置，滿足鉆機(jī)提升能力條件。

滿足套管自由下落條件

式中，F(xiàn)1為下浮力塞浮力，kN；F2為上浮力塞以上套管浮力，kN；F3為兩浮力塞間套管浮力，kN；F4為套管重力，kN；h為上浮力塞長度，m；D為套管外徑，cm；d為套管內(nèi)徑，cm；ρ1為鋼材密度，g/cm3；L1為上浮力塞允許下入深度，m。

假如L1＞h，如果按L1位置放置上浮力塞，那么套管下入過程中就不會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)下落，只能在h的位置放置上浮力塞，但管柱總重力會(huì)大于鉆機(jī)提升能力，下完上浮力塞后可以采取間斷灌漿以促使套管自由下落而鉆機(jī)又不超負(fù)荷的辦法；假如L1＜h，可以將上浮力塞安放在L1與h之間的任意位置，說明鉆機(jī)提升能力可以滿足下套管要求。

2 管柱充氣及下入方法

下完上浮力塞后，將壓風(fēng)機(jī)管線連接在上浮力塞的閘門上，通過壓風(fēng)機(jī)向上、下浮力塞間的空套管充氣，充氣壓力一般控制在2 MPa。

大口徑套管無接箍、無絲扣，不能通過吊卡提升、絲扣連接方法進(jìn)行下套管，而要采用一種特殊的方法下套管。首先將套管上端部位割2個(gè)對(duì)稱的圓孔，用鋼棒穿過圓孔，提升系統(tǒng)通過鋼絲繩與鋼棒連接提起套管，將套管放置井內(nèi)，而鋼棒坐在轉(zhuǎn)盤面上，然后再用同樣的方法提起另1根套管，2根套管對(duì)中后進(jìn)行焊接，焊接好連接部位后再提起套管，抽掉轉(zhuǎn)盤面鋼棒，焊接2個(gè)圓孔，下入1根套管，如此反復(fù)進(jìn)行，下完后將套管坐于井底。

3 水泥漿優(yōu)化技術(shù)

為防止井漏和井底套管被擠毀，將漿柱設(shè)計(jì)為兩段，上部為1.50 g/cm3低密度水泥漿，下部為1.85 g/cm3高密度水泥漿。正常井高密度段長設(shè)計(jì)為200 m，有水層存在的井高密度返過水層頂部，假如水層位置較淺，高密度封固段長，則采用三段水泥漿，上部兩段采用低密度水泥漿，最下部使用高密度水泥漿，這樣既可以降低井底液柱壓力，又可以壓穩(wěn)水層固井。室內(nèi)通過大量的試驗(yàn)，優(yōu)選出水泥漿40 ℃條件下的性能參數(shù)見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥漿具有較高的抗壓強(qiáng)度，較低的濾失水量和較好的流動(dòng)性能，完全可以滿足該類型井固井的需要。

4 固井工藝

4.1 內(nèi)插管井口密封固井

套管內(nèi)容積大，很容易出現(xiàn)大量混漿現(xiàn)象，影響環(huán)空封固質(zhì)量。另外，采用常規(guī)固井方法，碰壓膠塞難以加工、替漿時(shí)間較長。采用內(nèi)插管固井可解決以上問題，內(nèi)插管井口密封固井結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 內(nèi)插管井口密封固井結(jié)構(gòu)

下完套管后，用?311 mm的鉆頭將上、下浮力塞鉆穿，通井到底，循環(huán)正常后起鉆，卸下鉆頭將原鉆具下入井內(nèi)，鉆桿底部距離套管循環(huán)孔大約30 m左右，然后將壓帽與鉆具、套管焊接一起，即形成井口密封懸掛，注水泥漿、替漿通過鉆具完成。

4.2 提高頂替效率措施

由于環(huán)空容積大，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流頂替，一般采用塞流頂替，將環(huán)空返速控制在0.4 m/s以下，隔離液設(shè)計(jì)占環(huán)空高度250～300 m，采用清水做隔離液，以稀釋和充分?jǐn)y帶環(huán)空的鉆井液。另外，注完隔離液后注入15 m3密度1.30 g/cm3低密度水泥漿，使環(huán)空漿柱形成密度差，通過浮力效應(yīng)提高頂替效率。

2011年以來在煤田通風(fēng)降溫井，瓦斯抽排井中進(jìn)行了?630 mm大口徑套管固井作業(yè)，最小井深750 m，最大井深1150 m，累計(jì)固井9口，固井作業(yè)全部正常，地下巷道挖開后檢查封固質(zhì)量良好。

5 施工過程注意事項(xiàng)

（1）注隔離液時(shí)應(yīng)將套管閘門打開，排出套管內(nèi)的空氣，見液體從閘門處流出即可關(guān)掉，以防止水泥漿液柱壓力高壓縮鉆具外環(huán)空，造成水泥漿存留在鉆具外面。

（2）鉆具內(nèi)替漿結(jié)束后，應(yīng)從套管閘門處替入大于套管內(nèi)壓縮量的清水，防止壓縮量水泥漿進(jìn)入鉆具外將鉆具固住。

（3）候凝至水泥漿稠化或者水泥漿初凝時(shí)進(jìn)行放壓，每次放出量不得大于1 m3，并觀察壓力變化，如果壓力不升高，并且下降說明環(huán)空水泥漿不發(fā)生倒返，此時(shí)可卸井口起鉆。反之，繼續(xù)關(guān)井，間隔1 h放壓，總放出量應(yīng)控制在小于鉆具下部替入量。

6 結(jié)論

（1）合理設(shè)計(jì)管柱結(jié)構(gòu)、采用浮力塞方法可以有效減輕管柱重量，滿足小鉆機(jī)下大口徑套管的能力。

（2）管柱充空氣可以幫助提高套管抗外擠能力，使套管掏空更多，浮力更大、是大口徑套管減輕管柱重量的一項(xiàng)有效措施。

（3）優(yōu)選水泥漿性能，合理設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)是防止井漏、套管被擠毀、保證固井質(zhì)量的重要條件。

（4）內(nèi)插管井口密封固井防止了水泥漿管內(nèi)混竄，同時(shí)大幅度地縮短了施工作業(yè)時(shí)間。

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