石油鉆井用可鉆式浮箍浮鞋在煤礦回灌井中的應(yīng)用

郭再峰

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì),河北邯鄲 056201)

石油鉆井用可鉆式浮箍浮鞋在煤礦回灌井中的應(yīng)用

郭再峰

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì),河北邯鄲 056201)

將石油專用的可鉆式浮箍浮鞋用于煤礦大口徑鉆孔下套管及固井工作中,替代傳統(tǒng)的打水泥座或焊鋼板浮力塞加單向注漿閥下套管固井工藝,簡(jiǎn)化了下套管和固井施工程序,節(jié)約工程成本,保證了成井質(zhì)量。介紹了這種方法在冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦回灌 1號(hào)孔和 2號(hào)孔的應(yīng)用情況及效果。

可鉆式浮箍浮鞋;下套管;固井;大口徑鉆孔

1 概述

浮箍浮鞋是石油鉆探成井技術(shù)中的專用元件,安全可靠,它主要作用是引導(dǎo)套管柱順利入井,調(diào)整套管柱所受的浮力,達(dá)到減輕鉆塔載荷的目的,待套管下入到設(shè)計(jì)的位置后,再下入注漿插頭,使用專用固井車固井,從而保證固井質(zhì)量。

我單位以往在煤礦大口徑鉆孔施工中遇到下入直徑大、噸位重的套管并要求固井等情況時(shí),一般施工工藝是采用水泥將注漿接頭固定在套管底部制成水泥塞或采用鋼板將注漿接頭焊接在套管底部制成浮力塞,用以增大套管在孔內(nèi)的浮力,達(dá)到減輕鉆塔載荷的目的。用水泥制作的水泥塞在大噸位的套管下放中安全系數(shù)低,只適合用于淺孔的套管下放,鋼板浮力塞安全系數(shù)高,但是兩種浮力塞注漿結(jié)束后都需要掃除浮力塞,另外還得取出注漿接頭,時(shí)間長(zhǎng),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以,如何安全順利下入套管及高質(zhì)量的固井成為大口徑成井施工中的關(guān)鍵工序。

2008年,我單位承攬施工了冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦回灌 1號(hào)孔和 2號(hào)孔,設(shè)計(jì)孔深 1200 m,要求下入 “325 mm×12 mm無縫鋼管封隔奧陶系灰?guī)r以上地層,并要求水泥固井及耐壓試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為 4 MPa,時(shí)間為 30 min。為解決傳統(tǒng)方法存在的問題,我們采用了石油浮箍浮鞋下套管和固井技術(shù),從實(shí)際應(yīng)用效果來看,該方法安全可靠,簡(jiǎn)化了下套管和固井施工程序,節(jié)約工程成本,保證了成井質(zhì)量。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)及成孔情況

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

一開 0～146 m,孔徑 508 mm,下入 “426 mm ×8 mm螺旋管作為表層套管,隔離地表松散復(fù)雜地層和地表淺水層,使淡水層不受鉆井液污染。

二開 146～830 m,孔徑 394 mm,下入 “325 mm×12 mm無縫鋼管作為生產(chǎn)套管,封隔奧陶系灰?guī)r以上地層,該層生產(chǎn)套管需要水泥固井,為檢驗(yàn)固管質(zhì)量在孔口做耐壓試驗(yàn),壓力為 4MPa,穩(wěn)定時(shí)間 30 min。

三開 830～910 m,孔徑 295 mm,下入 “273 mm×8 mm無縫鋼管制作的花管,作為過濾管。

四開 910～1200 m,孔徑 244 mm,為裸孔。

2.2 成孔情況

經(jīng)過 3個(gè)月的施工,鉆進(jìn)到 831 m,進(jìn)入下 “325 mm×12 mm生產(chǎn)套管關(guān)鍵階段。

2.2.1 圓孔

用 “325 mm×12 mm×10 m套管分上中下幫筋加焊 6組肋骨條,加工成 “390 mm的筒狀鉆具,筋上焊上大八角硬質(zhì)合金做成圓孔器下入孔內(nèi),從146 m處開始圓孔,將孔內(nèi)的螺旋及彎曲順直,另外將孔壁的泥皮清洗掉。圓孔時(shí)低轉(zhuǎn)速,壓力要保持均勻,圓孔至 831 m后開始調(diào)漿。

2.2.2 調(diào)漿

將孔內(nèi)的泥漿指標(biāo)調(diào)整為:密度 1108～1115 g/cm3,pH值為 8,粘度為 20～22 s之間,失水量 12～14 mL/30 min,含砂量≯3%,泥皮厚度 <115 mm,加入 1 t粉狀鉆井潤滑劑,調(diào)漿過程中清理孔底沉渣,沉渣厚度≯300 mm。

2.2.3 探孔

為保證下管暢通無阻,先用 “325 mm×12 mm的生產(chǎn)套管 3小根接成 30 m左右的管柱,上部連接“127 mm鉆桿送入孔內(nèi)進(jìn)行探孔,探孔時(shí)嚴(yán)禁強(qiáng)蹾硬擰。如果探孔過程中套管遇阻,則提鉆進(jìn)行圓孔。

3 施工重點(diǎn)及解決方法

3.1 施工重點(diǎn)

在下入 “325 mm×12 mm×830 m套管時(shí),由于套管直徑大、噸位重、下入深度深,固井質(zhì)量要求高,又要求耐壓,所以成為本次施工中的重點(diǎn)。

3.2 解決方法

(1)為快速下入 “325 mm ×12 mm的無縫鋼管,套管兩端分別加工成公、母扣,扣長(zhǎng)由原來的 65 mm增加至 90 mm,,螺距也由原來的 4 mm方扣改成 6 mm的方扣,其目的是擰扣速度快,增加絲扣的抗拉強(qiáng)度。

(2)根據(jù)套管的直徑、質(zhì)量大小和卡瓦的特點(diǎn),特制專用的井口支架和井口板,井口支架由 22a槽鋼焊接成井字形狀,井口板由 22 mm厚的鋼板制成。用石油 CMS-XL型套管卡瓦制作卡具。

(3)用 “325 mm套管 400 mm短節(jié)做 3個(gè)提頭,上部割孔用穿杠提升。

(4)由于 “325 mm套管實(shí)際下入質(zhì)量為 7715 t,而我們采用的A型 27 m鉆塔承載能力為 700 kN,所以必須加裝浮力塞,用以減輕鉆塔載荷,確保下管安全。根據(jù)該孔技術(shù)要求,經(jīng)技術(shù)論證,決定采用石油專用的可鉆、插入式浮箍浮鞋作為浮力塞。

4 浮鞋浮箍的選用及改制

浮鞋浮箍的作用是在下套管過程中保持環(huán)空鉆井液流動(dòng),使套管順利下井;在下套管過程中可掏空一定量的鉆井液,在浮力的作用下,可使套管柱懸浮,減輕鉆塔負(fù)荷。它還是套管的下部結(jié)構(gòu),用來引導(dǎo)套管入井。它作為注水泥的通道,又能防止水泥漿倒流入套管內(nèi)。對(duì)于 103/4in(“273 mm)以上套管注水泥,為了減少混漿,快速注入水泥,一般采用鉆桿接注漿插頭插入浮箍 (浮鞋)來注水泥 (稱為內(nèi)管注水泥)。

該產(chǎn)品分為 3部分:浮鞋 (圖 1)、浮箍 (圖 2)及注漿插頭 (圖 3)。浮箍浮鞋均為鋁合金,采用尼龍浮球式封閉。浮鞋即是將回壓閥直接裝在套管短節(jié)內(nèi),下部接上套管引鞋,因?yàn)椴恍枰嘿F的外殼,因此價(jià)格便宜?；貕洪y全部由鋁合金等可鉆性材料制成,可以直接用牙輪鉆頭鉆除回壓閥,密封可靠。浮箍也是一種回壓閥,上部帶有錐形窩,可引導(dǎo)注漿插頭快速插入 (見圖 4)。注漿插頭直徑與浮箍?jī)?nèi)徑相同并帶有密封圈,外壁有 4條鋼板做為扶正器,上部為 “127mm鉆桿母扣。

圖 1 浮鞋

圖 2 浮箍

圖 3 注漿插頭

圖 4 浮箍、浮鞋結(jié)構(gòu)圖

由于石油專用浮鞋都是定型產(chǎn)品,而該孔需下入的套管直徑為 “325 mm,沒有與之配套的浮鞋浮箍,所以要對(duì)其進(jìn)行改制。選用 137/8in(“352 mm)浮鞋及浮箍,將浮鞋的外管改用“325 mm×12 mm的套管,長(zhǎng)度為 400 mm,絲扣改為螺距 6 mm的方扣,將浮箍外徑在車床上車成 “312 mm(即套管母扣內(nèi)徑),將注漿插頭扶正器的直徑車成比 “325 mm×12 mm套管內(nèi)徑小 6 mm即 “295 mm。

5 工作步驟

(1)浮箍浮鞋確保在孔底順利打開,若浮箍浮鞋在孔底打不開,將會(huì)造成無法固井,下套管與固井將會(huì)失敗,因此必須保證泥漿含砂量 <3%,再根據(jù)孔內(nèi)沉渣深度相應(yīng)加深孔深,保證下入鋼管達(dá)到設(shè)計(jì)深度,其次,浮鞋距離孔底應(yīng)在 015～1 m之間,確?？椎追禎{暢通。

(2)對(duì)接浮鞋。下管前將改制后的浮鞋對(duì)接在第一根套管底部。

(3)加入浮箍。第一根套管下入后將浮箍加入套管上端母絲扣內(nèi),然后再接上第二根套管,將其壓緊。

(4)下套管。下管過程中,根據(jù)計(jì)算套管重力 G與浮力 F的關(guān)系,當(dāng)重力 G大于浮力 F時(shí)套管才能下入。由于孔內(nèi)泥漿不能進(jìn)入套管中,所以當(dāng)套管下到一定深度,套管內(nèi)空較多時(shí),浮力過大,所以應(yīng)及時(shí)向套管內(nèi)注清水。在下套管過程中拉力表提升力保持在 100～120 kN范圍內(nèi),隨時(shí)往套管內(nèi)注入清水,以防止壓差過大,擠扁套管或損壞浮箍浮鞋。

(5)下入注漿管路。下完套管后,浮鞋距孔底應(yīng)在 015～1 m,將套管用卡瓦固定在井口支架上,然后下入 “127 mm鉆桿,鉆桿底部接上注漿插頭,當(dāng)接近浮箍時(shí),接上立軸,開泵沖洗浮箍上部 (可能有泥沙),停泵后慢慢插入與浮箍對(duì)接,觀察懸重變化。先加壓 10～20 kN循環(huán),根據(jù)循環(huán)泵壓、水泥漿密度,最后確定加壓值,目的是防止插頭被頂出浮箍。本次注漿加壓 20 kN。

(6)循環(huán)泥漿。由于在套管下入過程中孔壁上的泥皮有很多被套管掛入孔內(nèi),所以插頭插入后必須開泵循環(huán)泥漿,將孔內(nèi)掉落的泥皮及沉淀的巖粉循環(huán)出來。開動(dòng)除砂器清除巖粉,循環(huán)泥漿,固井前的泥漿性能為:密度 1108～1110 g/cm3,粘度 19～20 s,失水量 15～18 mL/30 min,含砂量 2%,pH值8。

(7)注水泥。為保證固井質(zhì)量,我隊(duì)特聘大港油田固井工程公司專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行固井,本次使用石油 S MC-400型高壓固井車 (圖 5)。注漿前將注漿泵高壓管直接與主動(dòng)鉆桿高壓管連接,打前置液。前置液的作用是將水泥漿和孔內(nèi)泥漿隔離開,清除孔壁泥皮,起到隔離、緩沖、清洗的作用,提高水泥和井壁的固結(jié)質(zhì)量,保證固井質(zhì)量。在該孔中采用清水作為前置液,打入量為 10 m3。打入前置液后,開始注漿。該孔固井共用水泥 43 t,灰漿配置密度最大為 1175 g/cm3,最小為 1160 g/cm3,平均為 1168 g/cm3。

圖 5 高壓固井車

(8)替漿。注完水泥漿并看見水泥漿從套管外環(huán)狀間隙返出孔口后,再泵入清水進(jìn)行替漿。替漿量為注漿管線的容積,經(jīng)計(jì)算為 6178 m3。替漿完畢后,將管內(nèi)鉆具提出并進(jìn)行泥漿循環(huán),以確保注漿管路沒有殘存水泥漿液。

(9)凝固水泥及做耐壓試驗(yàn)。凝固水泥 72 h后,下入 “295 mm牙輪鉆頭掃除浮鞋及浮箍,進(jìn)行耐壓試驗(yàn)經(jīng)檢測(cè)達(dá)到了要求。試驗(yàn)完畢后,開始正常鉆進(jìn),施工鉆孔下段。由于準(zhǔn)備充分,措施得當(dāng),此次下套管過程安全順利,固井一次成功。

6 結(jié)語及建議

(1)在梧桐莊礦回灌孔中應(yīng)用浮箍浮鞋,簡(jiǎn)化了下管、固井施工程序,提高了工作效率,既節(jié)約工期還節(jié)約成本。

(2)隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,煤炭的需求將進(jìn)一步增加,在保證煤礦開采量的提升和安全需要的前提下,大口徑服務(wù)鉆孔越來越多,如:排水孔、送料孔、瓦斯抽放孔、電纜孔、注漿孔等,這些都需要下入大直徑厚壁鋼管。通過本次采用該項(xiàng)技術(shù)在兩個(gè)回灌孔下管及固井工程中的實(shí)際應(yīng)用,未來浮箍浮鞋在煤礦大口徑服務(wù)鉆孔中的應(yīng)用前景將十分廣闊。

(3)在具體施工過程中應(yīng)注意前面提到的連接和一些具體細(xì)節(jié)管理,可以根據(jù)管材直徑設(shè)計(jì)定做各種規(guī)格的浮箍浮鞋。總之,應(yīng)在施工中及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),使該項(xiàng)技術(shù)在煤礦大口徑服務(wù)孔中得到推廣及應(yīng)用。

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Application of Drillable Float Collar and Float Shoe for Petroleum Drilling in Recharge Well of Coalm ine

GUO Zai-feng(Hydrographical Geological Team of Hebei Coalfield Geologic Bureau,Handan Hebei 056201,China)

The special petroleum drillable float collar and float shoe are applied in the casing running in large diameter borehole of coalmine and well cementing.With this new technology,the conventional cement base setting or floating plug by welding steel plate to the case+one-way grouting valve is replaced and the procedure of casing running and well cemen-ting are simplified.By these means,the engineering cost is saved and the well quality is guaranteed.The paper introduces the technology application and the effect in recharging hole ofWutongzhuangmine.

drillable float collar and float shoe;casing running;well cementing;large diameter borehole

TD26;TE256

A

1672-7428(2011)06-0033-03

2011-03-02

郭再峰 (1961-),男 (漢族),河北邢臺(tái)人,河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)副總工程師,探礦工程專業(yè),從事煤田地質(zhì)勘探、水文地質(zhì)勘探工作,河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)峰鋼街 20號(hào),guozaifeng@163.com。