煤田超大口径套管固井技术

姚平均 李韶利 陈道元 苟 明 安文龙 路来宾

（中原油田固井工程处，河南濮阳 457331）

我国是一个煤炭资源大国，煤炭资源相当丰富，国家处于安全的考虑，要求开采者采取先抽后掘进行开采，不断改善地下开采场所的工作环境。安全和工作环境促使煤矿钻大口径井以抽排瓦斯和向地下送风降温，改善通风环境，然而大口径井钻成后，固井难度较大，主要表现为：（1）钻井使用的都是小型钻机，钻机负荷较小，只能满足钻井要求，而大口径套管负荷较大，下入过程中钻机难以承受过大的载荷，容易造成井架垮塌和井下复杂事故；（2）套管内、外环空单位面积上的体积大，在注水泥过程中容易造成管内混浆，管外窜槽现象；（3）大套管抗挤毁压力低，使用高密度水泥浆固井容易形成较大的压差，从而造成套管被挤毁现象发生。针对以上问题，通过采用水泥浮力塞［1］、套管充空气［2］、内插管井口密封［3-4］、优选水泥浆体系和优化浆柱结构。减轻了管柱重量［5-7］，满足了小钻机下大口径套管的要求，解决了井漏、套管被挤毁、水泥浆窜槽等一系列技术难题，现场进行了9口井的实际应用，下套管及固井作业全部正常，地下巷道挖开后检查封固质量良好。

1 套管下入技术

煤田钻井一般采用1 500 m的小型钻机，大口径钻井采用Ø780 mm钻头钻进，下入Ø630 mm×18 mm套管，套管下深一般在1 000 m左右，套管负荷重，钻机提升能力有限，为使原钻机能满足下套管作业要求，使套管顺利下至预定位置，对下套管作业进行了优化。

1.1 通井

通井采用Ø780 mm钻头+Ø760 mm扶正器，对阻卡井段进行反复划眼，通井排量为钻进排量的1.2～1.3倍，将井内沉砂充分带至地面。第1次通井后停2～3 d进行二次通井，因为下套管大约需要3 d时间，目的是检验井眼内是否还存在阻卡和沉砂现象，以保证套管下入顺利。

1.2 合理设计管柱结构

由于套管重量大，采用浮箍装置结构下套管会造成钻机提升能力不够或套管内掏空过多造成管柱被挤毁现象发生，兼顾二者采用了浮力塞管柱结构，并对套管掏空段进行充空气作业，管柱结构见图1。

图1 管柱示意图

（1）浮力塞结构。将一根套管在管壁上均匀焊上Ø6 mm的钢筋，然后用水泥浇铸成一个整体，下浮力塞为实心，上浮力塞中心加根Ø19 mm的空心钢管，并在顶端装一闸门，用于向管内充气，结构见图2。

图2 浮力塞结构

（2）浮力塞位置设计。浮力塞设计安放原则一要满足钻机提升能力， 二要使套管重量大于浮力，使套管能自动下落，三要保证掏空段套管不被挤毁，根据这一原则进行浮力塞安放位置设计。

①下浮力塞设计。下浮力塞下入深度首先应考虑该处套管抗挤毁能力，以套管抗挤毁能力作为节点推算下浮力塞位置。

式中，p为套管抗外挤压力， MPa；H为套管下深，m；ρ为钻井液密度，g/cm3；L为下浮力塞长度m。

②上浮力塞设计。上浮力塞设计以考虑钻机允许提升能力和套管自由下落作为节点推算浮力塞位置，满足钻机提升能力条件。

满足套管自由下落条件

式中，F1为下浮力塞浮力，kN；F2为上浮力塞以上套管浮力，kN；F3为两浮力塞间套管浮力，kN；F4为套管重力，kN；h为上浮力塞长度，m；D为套管外径，cm；d为套管内径，cm；ρ1为钢材密度，g/cm3；L1为上浮力塞允许下入深度，m。

假如L1＞h，如果按L1位置放置上浮力塞，那么套管下入过程中就不会产生自动下落，只能在h的位置放置上浮力塞，但管柱总重力会大于钻机提升能力，下完上浮力塞后可以采取间断灌浆以促使套管自由下落而钻机又不超负荷的办法；假如L1＜h，可以将上浮力塞安放在L1与h之间的任意位置，说明钻机提升能力可以满足下套管要求。

2 管柱充气及下入方法

下完上浮力塞后，将压风机管线连接在上浮力塞的闸门上，通过压风机向上、下浮力塞间的空套管充气，充气压力一般控制在2 MPa。

大口径套管无接箍、无丝扣，不能通过吊卡提升、丝扣连接方法进行下套管，而要采用一种特殊的方法下套管。首先将套管上端部位割2个对称的圆孔，用钢棒穿过圆孔，提升系统通过钢丝绳与钢棒连接提起套管，将套管放置井内，而钢棒坐在转盘面上，然后再用同样的方法提起另1根套管，2根套管对中后进行焊接，焊接好连接部位后再提起套管，抽掉转盘面钢棒，焊接2个圆孔，下入1根套管，如此反复进行，下完后将套管坐于井底。

3 水泥浆优化技术

为防止井漏和井底套管被挤毁，将浆柱设计为两段，上部为1.50 g/cm3低密度水泥浆，下部为1.85 g/cm3高密度水泥浆。正常井高密度段长设计为200 m，有水层存在的井高密度返过水层顶部，假如水层位置较浅，高密度封固段长，则采用三段水泥浆，上部两段采用低密度水泥浆，最下部使用高密度水泥浆，这样既可以降低井底液柱压力，又可以压稳水层固井。室内通过大量的试验，优选出水泥浆40 ℃条件下的性能参数见表1。

试验结果表明：水泥浆具有较高的抗压强度，较低的滤失水量和较好的流动性能，完全可以满足该类型井固井的需要。

4 固井工艺

4.1 内插管井口密封固井

套管内容积大，很容易出现大量混浆现象，影响环空封固质量。另外，采用常规固井方法，碰压胶塞难以加工、替浆时间较长。采用内插管固井可解决以上问题，内插管井口密封固井结构见图3。

图3 内插管井口密封固井结构

下完套管后，用Ø311 mm的钻头将上、下浮力塞钻穿，通井到底，循环正常后起钻，卸下钻头将原钻具下入井内，钻杆底部距离套管循环孔大约30 m左右，然后将压帽与钻具、套管焊接一起，即形成井口密封悬挂，注水泥浆、替浆通过钻具完成。

4.2 提高顶替效率措施

由于环空容积大，难以实现稳流顶替，一般采用塞流顶替，将环空返速控制在0.4 m/s以下，隔离液设计占环空高度250～300 m，采用清水做隔离液，以稀释和充分携带环空的钻井液。另外，注完隔离液后注入15 m3密度1.30 g/cm3低密度水泥浆，使环空浆柱形成密度差，通过浮力效应提高顶替效率。

2011年以来在煤田通风降温井，瓦斯抽排井中进行了Ø630 mm大口径套管固井作业，最小井深750 m，最大井深1150 m，累计固井9口，固井作业全部正常，地下巷道挖开后检查封固质量良好。

5 施工过程注意事项

（1）注隔离液时应将套管闸门打开，排出套管内的空气，见液体从闸门处流出即可关掉，以防止水泥浆液柱压力高压缩钻具外环空，造成水泥浆存留在钻具外面。

（2）钻具内替浆结束后，应从套管闸门处替入大于套管内压缩量的清水，防止压缩量水泥浆进入钻具外将钻具固住。

（3）候凝至水泥浆稠化或者水泥浆初凝时进行放压，每次放出量不得大于1 m3，并观察压力变化，如果压力不升高，并且下降说明环空水泥浆不发生倒返，此时可卸井口起钻。反之，继续关井，间隔1 h放压，总放出量应控制在小于钻具下部替入量。

6 结论

（1）合理设计管柱结构、采用浮力塞方法可以有效减轻管柱重量，满足小钻机下大口径套管的能力。

（2）管柱充空气可以帮助提高套管抗外挤能力，使套管掏空更多，浮力更大、是大口径套管减轻管柱重量的一项有效措施。

（3）优选水泥浆性能，合理设计浆柱结构是防止井漏、套管被挤毁、保证固井质量的重要条件。

（4）内插管井口密封固井防止了水泥浆管内混窜，同时大幅度地缩短了施工作业时间。

［1］刘崇建，徐同台.油气井注水泥理论技术［M］.北京：石油工业出版社 ，2000.

［2］张晓东.现代石油固井工程综合新技术指导手册［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［3］周战云.井口坐封式内管法注水泥工具的研制与应用［J］.石油钻探技术，2009，24（6）：58-60.

［4］段洋溢，钱峰，段保平.TN-Ⅲ型内管注水泥器的研制及应用［J］.石油钻采工艺，1998，20（3）：33-36.

［5］席方柱，屈建省，吕光明，等.深水低温固井水泥浆的研究［J］.石油钻采工艺，2010，32 （1）： 40-44.

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