浮力下管技術(shù)在天津東麗CGSD-01地?zé)嵴{(diào)查井中的應(yīng)用

許本沖，和國磊，宋志彬，馬漢臣，秦如雷

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 工程概況

CGSD-01井是由中國地質(zhì)調(diào)查局部署的地調(diào)項(xiàng)目“京津石地?zé)豳Y源調(diào)查”和“天津潘莊凸起構(gòu)造區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查”，由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所(以下簡稱勘探所)在天津市東麗區(qū)組織實(shí)施的一口4000 m深的地?zé)嵴{(diào)查井。通過施工該井，對(duì)摸清天津東麗湖地區(qū)深部熱儲(chǔ)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與空間分布、物性特征，獲取系列地?zé)?水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)深層地?zé)豳Y源及其可利用性具有重要意義。

2 鉆井設(shè)備

該井由勘探所自主研制的4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)XD-40完成一開鉆井、下套管以及二開鉆井的工作，由于鉆機(jī)提升系統(tǒng)能力不足，后續(xù)施工更換ZJ40型鉆機(jī)進(jìn)行，直至完井。

XD-40型地質(zhì)巖心鉆機(jī)主要參數(shù)見表1。

3 井身結(jié)構(gòu)

CGSD-01井開孔?660.4 mm，鉆至井深76 m，下入?508 mm表層套管74.22 m；一開?444.5 mm鉆至井深1469.84 m，下入?339.7 mm套管1463.67 m；二開?311.2 mm鉆至井深2262.75 m。在1405.24～2262.75 m井段下入?244.5 mm套管857.51 m；三開?215.9 mm鉆至井深4051.68 m，在2111.72～4051.68 m井段下入?177.8 mm套管1939.96 m。井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 XD-40型地質(zhì)巖心鉆機(jī)參數(shù)表[1]Table 1 Parameters of XD-40drill rig

圖1 CGSD-01井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of Well CGSD-01

4 浮力下管理論分析

由于XD-40型鉆機(jī)最大鉤載為1350 kN，一開套管直徑和下入深度較大，常規(guī)下套管工藝無法保證套管安全下入孔底，因此采用浮力下套管工藝進(jìn)行施工，即下管時(shí)套管內(nèi)掏空一定深度，不全部灌滿泥漿，使套管產(chǎn)生浮力，減少鉆機(jī)鉤載。浮力下套管示意圖如圖2所示。

圖2 一開浮力下管示意圖Fig.2 Setting the first tier casing with buoyancy

4.1 套管浮力計(jì)算[2-4]

根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)，一開套管串結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 一開套管串結(jié)構(gòu)(自下至上)Table 2 Tier-1casing string(bottom-up)

計(jì)算套管全部入井后浮重M1：

M1=M-(ρ泥漿M/ρ套管)

(1)

式中：ρ泥漿——泥漿密度，取1.2 g/cm3；M——套管總質(zhì)量，取132 t；ρ套管——套管密度，取7.85 g/cm3。

計(jì)算出套管在井內(nèi)浮重M1=111.8 t。

根據(jù)技術(shù)要求，套管浮箍反向承壓能力為5 MPa，即允許套管內(nèi)泥漿液面比套管外環(huán)空泥漿液面高度低值h：

h=100P/ρ泥漿

(2)

式中：P——浮箍反向承壓，取5 MPa。

經(jīng)計(jì)算，h=416.7 m?？紤]到套管下放時(shí)慣性力的影響，取套管內(nèi)泥漿液面比環(huán)空液面低400 m。

此時(shí)，套管浮重M2為：

(3)

式中：h1——套管內(nèi)外液面高度差，取400 m；D——套管外徑，取339.7 mm；t——套管壁厚，取10.92 mm。

此時(shí)套管在井內(nèi)浮重M2=73.7 t，滿足XD-40型鉆機(jī)鉤載的安全載荷。

4.2 套管抗擠毀強(qiáng)度校核

套管擠毀損壞不僅與地質(zhì)條件、固井工藝及套管柱設(shè)計(jì)有關(guān)，還與套管本身性能密切相關(guān)。已有的研究結(jié)果表明，套管的鋼級(jí)、徑厚比、屈服強(qiáng)度、幾何缺陷和殘余應(yīng)力等因素對(duì)套管的抗外壓擠毀性能都有影響[5-8]。在鋼級(jí)和規(guī)格一定的情況下，幾何缺陷和殘余應(yīng)力對(duì)套管抗擠性能的影響程度還不確定[8-10]。本工程案例校核套管強(qiáng)度，不考慮上述影響因素對(duì)結(jié)果的影響。

從現(xiàn)有計(jì)算公式來看，套管抗擠毀強(qiáng)度和套管材料的屈服強(qiáng)度有直接關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度越高，其抗擠毀能力越高，反之亦然[11-12]。由于N80材質(zhì)的機(jī)械性能高于J55材質(zhì)，因此選取J55鋼級(jí)壁厚10.92 mm的套管進(jìn)行抗擠毀強(qiáng)度校核。

根據(jù)API 5CT標(biāo)準(zhǔn)取值，J55材質(zhì)屈服強(qiáng)度σs=379 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=517 MPa，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3[13-16]。

根據(jù)公式[17-18]：

(4)

(5)

計(jì)算出：套管外壓失穩(wěn)壓力Pe=16.4 MPa，套管內(nèi)表面屈服壓力Py=27.2 MPa。

400 m泥漿液位差產(chǎn)生的外壓PH：

PH=ρ泥漿gh1

(6)

式中：g取9.8 N/kg。

經(jīng)計(jì)算PH=4.7 MPa，小于套管的外壓失穩(wěn)壓力Pe和內(nèi)表面屈服壓力Py，因此套管不會(huì)因?yàn)榄h(huán)空泥漿的外壓擠壓產(chǎn)生變形損毀。

5 作業(yè)程序及注意事項(xiàng)[19-20]

下套管固井作業(yè)對(duì)后續(xù)鉆井、完井的順利進(jìn)行有著重要的影響，下管作業(yè)前需要做好充分的準(zhǔn)備工作，作業(yè)中需要人員、設(shè)備緊密配合，確保下管作業(yè)萬無一失。

下套管作業(yè)程序主要包括兩大部分，下套管前的準(zhǔn)備工作和下套管作業(yè)。

5.1 下套管前準(zhǔn)備工作

(1)對(duì)鉆機(jī)提升系統(tǒng)進(jìn)行徹底檢查和維護(hù)保養(yǎng)，包括絞車及操控裝置、鉆塔、天車和游車等部件，根據(jù)套管規(guī)格準(zhǔn)備井口工具，確保設(shè)備狀態(tài)良好，工具齊全，對(duì)發(fā)電機(jī)等應(yīng)急設(shè)施進(jìn)行檢查，確保工作正常。

(2)套管入場后，要整齊平放在管架上，碼放高度不超過3層。

(3)對(duì)套管螺紋和護(hù)絲進(jìn)行檢查，確保套管螺紋沒有缺陷，連接可靠。

(4)對(duì)套管進(jìn)行編號(hào)，使用標(biāo)準(zhǔn)通徑規(guī)對(duì)入井套管逐根通徑，丈量每根套管長度，并做好記錄。

(5)對(duì)全井段進(jìn)行同徑套管通井，確保井眼暢通、井壁平滑，套管能夠一次性準(zhǔn)確下放到位。

(6)對(duì)井內(nèi)泥漿進(jìn)行維護(hù)，添加適量潤滑劑，減小下套管時(shí)的摩阻，降低井內(nèi)事故發(fā)生的概率。

5.2 下套管作業(yè)及注意事項(xiàng)

(1)按照場地編號(hào)順序提吊套管，并對(duì)入井套管的編號(hào)、長度進(jìn)行記錄和校核。

(2)套管對(duì)扣之前不得卸下端部護(hù)絲；防止螺紋磕碰損壞。

(3)卸掉護(hù)絲后需擦干凈套管外螺紋表面殘余污物，然后在外螺紋上均勻涂抹專用螺紋脂。

(4)對(duì)扣時(shí)慢速下放套管，垂直對(duì)扣，人工扶正套管，對(duì)扣成功并入扣2～3圈后，再用套管鉗上扣，嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《下套管作業(yè)規(guī)程》(SY/T 5412-2016)和廠家技術(shù)規(guī)范，按照不同鋼級(jí)的套管額定扭矩上緊螺紋。

(5)平穩(wěn)提放套管，控制下放速度，避免沖擊載荷，每下入10根套管，向套管內(nèi)灌注5～6 m3泥漿，嚴(yán)禁沉渣進(jìn)入套管堵塞或卡死浮箍、浮鞋逆止閥。

6 施工過程

2018年1月9日，CGSD-01井進(jìn)行一開下套管作業(yè)(參見圖3)。按作業(yè)程序?qū)?、引扣，涂抹專用螺紋脂。下放速度控制在0.3 m/s，遇阻噸位不超過40 kN。靠近浮箍、浮鞋的套管，每2根灌孔一次；下入200 m套管后，每10根套管灌孔一次。當(dāng)套管下至1065 m時(shí)，停止向套管內(nèi)灌注泥漿，繼續(xù)下管至設(shè)計(jì)深度。套管下到設(shè)計(jì)深度后，接循環(huán)系統(tǒng)，小泵量頂通，循環(huán)泥漿2 h后進(jìn)行固井作業(yè)。下管用時(shí)30 h，下到設(shè)計(jì)深度時(shí)套管懸重74.2 t，與設(shè)計(jì)吻合。

圖3 CGSD-01井一開下套管Fig.3 Running in hole of tier-1casing of Well CGSD-01

7 結(jié)語

CGSD-01井一開鉆穿第四系和新近系地層，鉆孔口徑和深度較大，下入套管串尺寸大，質(zhì)量大，對(duì)鉆機(jī)載荷能力要求高，浮力下管工藝可有效減輕下套管作業(yè)對(duì)鉆機(jī)的負(fù)荷需求，保障工程的順利進(jìn)行。落實(shí)各種技術(shù)保障措施，可有效提高下套管作業(yè)的質(zhì)量和效率。嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行作業(yè)，保證作業(yè)安全和作業(yè)質(zhì)量，避免因操作不當(dāng)造成井下套管事故或安全生產(chǎn)事故。