大慶礦產(chǎn)鉆探工程中表層套管封固技術(shù)研究及應(yīng)用

李 寬

（山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 威海 264200）

大慶718礦產(chǎn)勘探項(xiàng)目位于黑龍江省大慶市大興鄉(xiāng)，由于施工區(qū)域位于大慶地區(qū)腹地，因此，在鉆探施工過程中有可能鉆遇淺層氣層。一旦鉆遇淺層的氣層就會(huì)發(fā)生礦井井涌甚至井噴，這對礦產(chǎn)施工帶來了嚴(yán)重的安全隱患，因此在施工中安裝和使用了一套鉆井上的井控防噴設(shè)備[1]。在施工過程中一旦遇到井涌或井噴等緊急情況，可以及時(shí)地關(guān)閉井口進(jìn)行放噴和壓井等措施，因此，井內(nèi)表層套管封固的質(zhì)量和井控設(shè)備的正確安裝起到至關(guān)重要的作用。本文以ZKTT15井為例，闡述表層套管封固技術(shù)在大慶礦井勘探中的應(yīng)用，該技術(shù)有效地克服了因設(shè)備能力偏小而造成的固井困難。經(jīng)多口井的成功施工證明，該方法是大慶地區(qū)勘探井施工的有效方法[2，3]。

1 鉆孔概況

1.1 地質(zhì)概況

ZKTT15號鉆井位于大慶市大興鄉(xiāng)頭臺礦區(qū)，該鉆井為礦井取心勘查井，設(shè)計(jì)井深370m。地層及主要巖性的分布，第四系（0m～50m）以亞粘土及粉砂、細(xì)砂、砂礫為主；泰康組（50m～120m）以砂礫巖為主；明水組（120m～164m）以泥巖、細(xì)砂巖、砂礫巖為主；四方臺組（164m～352m）以細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主；嫩江組（352m～380m）以粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖為主[4]。

1.2 施工設(shè)備及主要器具

鉆機(jī)使用XY-5型立軸鉆機(jī)，泥漿泵使用NBB-260/7A型泥漿泵,120kW濰柴發(fā)電機(jī)，2m3水箱，液下攪拌機(jī)。

1.3 鉆井結(jié)構(gòu)

該鉆井設(shè)計(jì)為直井，完井井徑要求≮113mm。設(shè)計(jì)采用三級成孔結(jié)構(gòu)，使用單管提鉆取心鉆進(jìn)工藝，一開使用Φ245mm復(fù)合片取心鉆頭，鉆深10m下入Φ233mm導(dǎo)管；二開使用Φ113mm復(fù)合片取心鉆頭，鉆至132m處鉆遇堅(jiān)硬完整的泥巖，然后使用Φ200mm復(fù)合片三翼導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行擴(kuò)井，擴(kuò)井至132m處，鉆井液沖井6h后下入Φ140mm表層套管；表層套管進(jìn)行水泥封固，候凝48h后安裝井控設(shè)備，經(jīng)相關(guān)部門驗(yàn)收合格后繼續(xù)施工；三開使用Φ113mm復(fù)合片取心鉆頭，鉆至370m處完井[5]。

1.4 下表層套管

（1）二開擴(kuò)井完成，下入表層套管之前應(yīng)認(rèn)真通井，如果遇到阻卡井段必須反復(fù)的掃井劃眼直到順利掃井至井底，確保井眼無阻卡、無垮塌，循環(huán)泥漿6h，確保井內(nèi)無塵砂。

（2）提鉆丈量鉆具確定實(shí)際井深，在上提鉆具過程中要時(shí)刻往井內(nèi)回灌鉆井液，以防止因液柱壓力下降而引起井壁掉塊、坍塌等事故。

（3）套管到達(dá)現(xiàn)場后必須按順序統(tǒng)一排列、編號；套管全部按標(biāo)準(zhǔn)通徑、丈量和清洗，清洗后不留污漬，由鉆井技術(shù)人員對編號、長度的數(shù)據(jù)分別核對、檢查無誤。

（3）套管吊上鉆臺時(shí)，必須戴護(hù)絲，嚴(yán)禁碰撞；套管母扣均勻涂抹套管絲扣密封脂；要求有專業(yè)技術(shù)人員使用專用液壓大鉗按標(biāo)準(zhǔn)扭矩給套管上扣；下部5根套管及附件要求清洗出絲扣本色，使用套管絲扣粘結(jié)劑粘結(jié)，然后再進(jìn)行焊接[6]。

（4）現(xiàn)場施工人員根據(jù)井內(nèi)情況，確定扶正器加入位置和數(shù)量，必須保證井內(nèi)套管居中，防止水泥漿環(huán)竄槽。

（5）要嚴(yán)格控制套管下放速度，每根套管下放時(shí)間不少于30s。套管及其附件按設(shè)計(jì)要求和作業(yè)指令下到位，井內(nèi)灌滿泥漿，套管頭與固井管線和替漿管線連接好后，開泵后逐漸提高排量，以35L/min～106L/min的排量（由小到大）循環(huán)洗井一周以上，徹底清洗井內(nèi)的沉砂和掉塊，以滿足固井施工要求[7]。

2 固井技術(shù)

2.1 固井相關(guān)計(jì)算

（1）所需泥漿漿體積的計(jì)算：

式中：h1為泥漿塞高度，取15m；h2為井眼口袋高度，取2m；L為設(shè)計(jì)封填泥漿套管的長度，130m；DHi為第i次開鉆鉆頭直徑（要根據(jù)地層情況考慮不同地層的超徑系數(shù)），0.2m；DSi為自外向里第i層套管的外徑，0.14m；di為第i層套管的內(nèi)徑，m；K1為泥漿附加系數(shù)，取1.1。

（2）所需干泥漿質(zhì)量的計(jì)算：

配制1m3的泥漿所需材料質(zhì)量為：

式中：ρc為材料的密度，3.15g/cm3；ρw為水的密度，1.0g/cm；m為水灰比,取0.45。

所需干泥漿的質(zhì)量為：

式中：K2為地面損失系數(shù)，取1.05。

（3）所需水的體積的計(jì)算公式：

（4）頂替容積的計(jì)算公式：

式中：VDi為頂替容積，；di為第i層套管的內(nèi)徑，0.13m；L為孔口至泥漿塞頂部的長度，115m。

（5）注入泥漿時(shí)間的計(jì)算公式：

式中：VTi為所需泥漿體積，m3；Qc為泥漿泵的排量，106L/min；t1為泥漿注入時(shí)間，min。

（6）頂替時(shí)間及防凝時(shí)間：

頂替時(shí)間：

式中：VDi為頂替容積，m3；Qc為泥漿泵的排量，106L/min；t2為頂替時(shí)間，min。

防凝時(shí)間：

式中：t1為泥漿注入時(shí)間，min；t2為頂替時(shí)間，min；t為泥漿防凝時(shí)間，min。

注入泥漿設(shè)計(jì)結(jié)果：

表1 注泥漿設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 固井施工工藝流程

（1）施工前必須檢查和確認(rèn)泥漿泵、套管頭與固井管線的連接是否符合施工要求；在施工前對泥漿泵和備用泥漿泵進(jìn)行了檢修，并更換了缸套和活塞，以保證泥漿泵在工作過程中達(dá)到設(shè)計(jì)排量。

（2）按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行清水試壓，套管頭與固井管線絲扣連接處發(fā)生刺漏，更換密封膠墊并在公扣上繞纏聚四氟乙烯密封帶，固井施工管線不再發(fā)生刺漏，試壓合格后方可施工。

（3）施工現(xiàn)場用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2×1×1m3的水箱進(jìn)行泥漿的攪拌，在水箱里可以精確地控制清水量和泥灰材料量，利用液下泵對泥漿進(jìn)行均勻充分的攪拌。在攪拌泥漿的過程中隨著泥灰材料不斷加入，泥漿越來越稠，這時(shí)必須要減慢倒入速度，否則會(huì)在水箱底部進(jìn)行沉淀無法攪拌均勻，從而影響泥漿的標(biāo)準(zhǔn)比例。

（4）在注泥漿之前應(yīng)先注入一定量的前置液（清水），前置液的作用是稀釋和分散鉆井液，達(dá)到清洗孔壁和套管外壁作用，可以提高水泥環(huán)與井壁、套管外壁膠結(jié)的強(qiáng)度。前置液應(yīng)具有較高的流動(dòng)性，易達(dá)到紊流，利于清洗鉆井液。前置液的使用一定要適量，否則會(huì)沖塌井壁，造成井內(nèi)事故。

（5）用泥漿泵將定量的泥漿全部灌注到孔內(nèi)，然后用定量的清水進(jìn)行替漿，替漿時(shí)必須確保替漿量的準(zhǔn)確性，可以在規(guī)則的水箱中提前存放所需量的替漿；施工全過程安排人員在泥漿出口坐崗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并匯報(bào)出口返出情況；泥漿返出井口之后停止替漿，關(guān)閉套管頭閥門進(jìn)行環(huán)空憋壓候凝（圖1）。

（6）如遇到地層漏失或礦井內(nèi)井壁擴(kuò)徑嚴(yán)重等情況，替漿頂替結(jié)束后泥漿仍無法反出井口，此時(shí)可以采用穿鞋-戴帽的固井方法，禁忌繼續(xù)頂替泥漿，保證井底和下部套管外環(huán)空存有泥漿，關(guān)閉套管頭閥門進(jìn)行候凝。候凝24小時(shí)后圍繞井口套管挖出一個(gè)長1m、寬1m、深2m的坑，將一塊長1m、寬1m的鋼板中心切割出一個(gè)與套管直徑相同的圓洞，并將該鋼板套上套管放入坑底，再將鋼板與套管焊接，在坑內(nèi)灌滿混凝土候凝。在該礦區(qū)施工期間ZKTT18號井采用該種固井方法，同樣達(dá)到了井下的試壓要求。

表2 固井內(nèi)工藝流程表

圖1 套管憋壓候凝

圖2 液控管線的安裝

3 固井質(zhì)量

3.1 試壓目的

檢查及測試井口防噴器、井控管匯及地面循環(huán)系統(tǒng)的承壓強(qiáng)度、連接質(zhì)量和設(shè)備整體強(qiáng)度，以確保被試壓的設(shè)備在整個(gè)過程中不出現(xiàn)漏失。

3.2 注水試壓實(shí)驗(yàn)

注水試壓實(shí)驗(yàn)由礦產(chǎn)勘查服務(wù)公司的專業(yè)試壓車進(jìn)行試壓試驗(yàn)，試壓車向孔內(nèi)注入10MPa壓力，停止注壓之后穩(wěn)壓30min，壓力無下降（圖3），各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)收合格。

3.3 掃水泥塞

三開進(jìn)行下鉆掃孔，掃孔至118m處鉆遇泥漿塞，鉆進(jìn)一個(gè)回次后提鉆取心，取上來的水泥柱完整堅(jiān)硬、凝固較好（圖4），并且再次證明本次表層套管的固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)合格。

圖3 注水試壓實(shí)驗(yàn)

圖4 孔內(nèi)取出的水泥柱

4 總結(jié)

（1）該種礦井鉆探固井工藝借鑒了小井眼固體礦產(chǎn)鉆探中的封孔技術(shù)，在實(shí)際現(xiàn)場的施工過程中設(shè)備齊全，技術(shù)通俗易懂、簡單方便、便于掌握，有利于提高施工的效率，降低施工的成本。

（2）在礦井下固井前應(yīng)該充分考慮固井質(zhì)量的相關(guān)因素，要采取有效措施，做好嚴(yán)密的方案設(shè)計(jì)，將相關(guān)控制量計(jì)算精準(zhǔn)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工會(huì)達(dá)到更好的固井效果。三個(gè)月的時(shí)間里我單位在該礦區(qū)礦井共計(jì)施工6個(gè)孔，固井質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)合格率達(dá)到了100%，為今后類似的工程施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（3）這種固井工藝適用于地層比較簡單穩(wěn)定的淺層套管的封固，對于較深地層比較復(fù)雜的油氣井來說固井的標(biāo)準(zhǔn)和要求十分嚴(yán)格，因?yàn)楣叹馁|(zhì)量直接影響到礦井的壽命和采收率，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致礦井報(bào)廢，所以該固井工藝在較淺的固體礦產(chǎn)勘查孔的表層套管封固中發(fā)揮了重要作用。