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，鉆機負荷較小，只能滿足鉆井要求，而大口徑套管負荷較大，下入過程中鉆機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)場進行了9口井的實際應(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，大口徑鉆井采用?780 mm鉆頭鉆進，下入?630 mm×18 mm套管，套管下深一般在1 000 m左右，套管負荷重，鉆機提升能力有限，為使原鉆機能滿足下套管作業(yè)要求，使套管順利下至預(yù)定位置，對下套管作業(yè)進行了優(yōu)化。

1.1 通井

通井采用?780 mm鉆頭+?760 mm扶正器，對阻卡井段進行反復(fù)劃眼，通井排量為鉆進排量的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進行二次通井，因為下套管大約需要3 d時間，目的是檢驗井眼內(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)下套管會造成鉆機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)，并對套管掏空段進行充空氣作業(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整體，下浮力塞為實心，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。浮力塞設(shè)計安放原則一要滿足鉆機提升能力， 二要使套管重量大于浮力，使套管能自動下落，三要保證掏空段套管不被擠毀，根據(jù)這一原則進行浮力塞安放位置設(shè)計。

①下浮力塞設(shè)計。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。上浮力塞設(shè)計以考慮鉆機允許提升能力和套管自由下落作為節(jié)點推算浮力塞位置，滿足鉆機提升能力條件。

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產(chǎn)生自動下落，只能在h的位置放置上浮力塞，但管柱總重力會大于鉆機提升能力，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又不超負荷的辦法；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)機管線連接在上浮力塞的閘門上，通過壓風(fēng)機向上、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個對稱的圓孔，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根套管對中后進行焊接，焊接好連接部位后再提起套管，抽掉轉(zhuǎn)盤面鋼棒，焊接2個圓孔，下入1根套管，如此反復(fù)進行，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，優(yōu)選出水泥漿40 ℃條件下的性能參數(shù)見表1。

試驗結(jié)果表明：水泥漿具有較高的抗壓強度，較低的濾失水量和較好的流動性能，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)計占環(huán)空高度250～300 m，采用清水做隔離液，以稀釋和充分攜帶環(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

（1）注隔離液時應(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進行放壓，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有效措施。

（3）優(yōu)選水泥漿性能，合理設(shè)計漿柱結(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，同時大幅度地縮短了施工作業(yè)時間。

［1］劉崇建，徐同臺.油氣井注水泥理論技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社 ，2000.

［2］張曉東.現(xiàn)代石油固井工程綜合新技術(shù)指導(dǎo)手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［3］周戰(zhàn)云.井口坐封式內(nèi)管法注水泥工具的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，24（6）：58-60.

［4］段洋溢，錢峰，段保平.TN-Ⅲ型內(nèi)管注水泥器的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1998，20（3）：33-36.

［5］席方柱，屈建省，呂光明，等.深水低溫固井水泥漿的研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32 （1）： 40-44.

［6］陳建兵，安文忠，馬健.套管漂浮技術(shù)在海洋鉆井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2001，23（5）：19-22.

［7］魏周勝，王文斌，陳小榮，等.超低密度早強水泥漿在天然氣井固井中的應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2002，24（6）：15-17.