大口徑井套管安全下放關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

莫海濤，郝世俊

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤礦地面大口徑井將地面、井下直接連通，可作為下放電纜、抽排瓦斯（水）、通風(fēng)降溫、應(yīng)急救援等的通道[1-3]。根據(jù)大口徑井的主要用途，大部分完井直徑在φ500～φ1 500 mm 之間；在施工方法方面，受限于井下巷道布設(shè)、使用及運(yùn)輸條件等的實(shí)際情況，絕大部分煤礦地面大口徑井采用正向鉆進(jìn)工藝施工后下套管固井、完井[4]。

由于完井井徑大，配套使用的套管外徑也較大，主要選用無(wú)縫鋼管、螺旋鋼管或直縫鋼管。與石油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的螺紋連接套管不同，大口徑套管采用焊接連接下放。套管外徑大，為確保管材穩(wěn)定，其壁厚也較厚，因此下入井內(nèi)的套管總質(zhì)量大，一般均超過(guò)鉆機(jī)提升力。鑒于大口徑套管特殊的尺寸、較大的質(zhì)量、焊接連接等特點(diǎn)，其下放工藝具有獨(dú)特性，包括通井、提吊、焊接、下放等過(guò)程與常規(guī)石油套管下放有本質(zhì)區(qū)別。

大量的實(shí)例表明，大口徑套管下放過(guò)程中若出現(xiàn)事故，處理難度極大，廢井風(fēng)險(xiǎn)極高[5]。因此，需對(duì)大口徑套管下放過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)予以重視，采取專門的措施保障套管安全下放。

1 通 井

由于大口徑井揭露的井壁裸露面積大，為維護(hù)井壁穩(wěn)定性需適當(dāng)提高泥漿黏度，由此可能形成較厚泥皮[6]；同時(shí)，掉塊造成局部井徑擴(kuò)大，也有可能形成“臺(tái)階”阻礙套管下放。諸多不確定因素要求在大口徑套管下放前須進(jìn)行通井，以檢查、修復(fù)井壁，確保套管順暢下放。石油行業(yè)通井一般可理解為劃眼，但大口徑井通井不能簡(jiǎn)單的用劃眼替代，應(yīng)盡可能模擬套管實(shí)際下放的作業(yè)環(huán)境，通井管選用單根套管。由于大口徑套管外徑大，通井作業(yè)的鉆具連接方式有其特殊性。大口徑井通井作業(yè)鉆具連接示意圖如圖1。

圖1 通井作業(yè)鉆具連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of work over operation drilling tools

通井鉆具加工及作業(yè)要求如下：

1）通井管利用單根套管加工，長(zhǎng)度小于單根鉆桿長(zhǎng)度，便于加工及通井作業(yè)。

2）套管外壁鑲焊硬質(zhì)合金塊。

3）將鉆桿居中穿過(guò)套管，上下兩端焊接穩(wěn)固板，使鉆桿穩(wěn)定在套管中軸線。

4）鉆桿上部接鉆具，下部接擴(kuò)孔鉆頭。鉆頭直徑略大于套管外徑。

2 提 吊

大口徑井套管下放時(shí)的提吊工具主要有2 種：吊卡和提吊棒。

2.1 吊 卡

石油套管已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列，相應(yīng)的吊卡也應(yīng)用廣泛。借用石油套管吊卡原理，可加工大直徑吊卡用于套管下放。采用吊卡下放套管的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作方便，但需在套管兩端首先焊接管箍；另外，由于大口徑井屬特殊用途井，井眼尺寸和套管規(guī)格需根據(jù)鉆井實(shí)際需求設(shè)計(jì)，暫無(wú)通用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列，因此為某個(gè)大口徑井套管下放而專門加工的吊卡不具有使用的普遍性。

2.2 提吊棒

提吊棒是大口徑套管下放過(guò)程中專用的工具，相比于特制吊卡，適用性廣泛。提吊棒實(shí)質(zhì)就是鐵棒，大口徑套管提吊棒使用示意圖如圖2。使用提吊棒時(shí)，需將套管兩端處打孔，切下的管壁圓塊在套管下放時(shí)還需焊接補(bǔ)上；兩孔位于套管同一截面直徑線的兩端，孔徑略大于棒直徑。

圖2 井口套管提吊棒使用示意圖Fig.2 Schematic diagram of lifting iron bar usi ng at wellhead

提吊棒成對(duì)使用，長(zhǎng)度應(yīng)大于井口支架的距離，兩端加工安全銷孔，安設(shè)銷釘，防止提吊鋼絲繩脫落。1 根用于提吊已下入井內(nèi)的套管，另1 根用于提吊準(zhǔn)備焊接的套管。提吊棒材質(zhì)和直徑的選擇是關(guān)鍵，其依據(jù)是確保不會(huì)受套管重力作用產(chǎn)生的剪切力過(guò)大而發(fā)生剪切破壞。根據(jù)剪切應(yīng)力公式[7]：

式中：τ 為剪切應(yīng)力，MPa；F 為剪切力，N；A 為提吊棒橫截面積，m2；［σ］為許用應(yīng)力，MPa。

直接下放套管時(shí)，剪切力等于套管重力的1/2。以下放φ720 mm×20 mm 的套管500 m（套管自重約172.63 t）為例，若采用Q235 材質(zhì)的圓鋼棒（最小抗剪強(qiáng)度計(jì)124 MPa[7-8]），則圓鋼棒直徑須大于47 mm。使用鋼絲繩提吊套管下放穩(wěn)定在井口支架上后，用同樣方法提吊另1 根套管與井口套管焊接。焊接穩(wěn)固后，提吊上部套管，抽出井口套管提吊棒，將其切下來(lái)的管壁圓塊焊接封堵穿孔，再將2 根套管提吊入井。以此類推，下放所有套管。

3 套管的對(duì)正與焊接

大口徑套管采用焊接連接下放，焊接的要求主要有2 點(diǎn)：一是焊縫質(zhì)量好；二是套管同軸。焊縫質(zhì)量通常參考GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》執(zhí)行，采用氬弧焊或二保焊對(duì)接焊接。套管同軸是確保套管順利下放的基本要求，有利于提高套管柱的整體性，也是大口徑井作為連通通道的根本保證。理論上套管軸線應(yīng)與套管端口面垂直，只需提吊將2 套管對(duì)接后即可焊接。但由于套管加工過(guò)程中的誤差，簡(jiǎn)單的將2 根套管端口對(duì)正焊接并不能確保同軸。為了確保套管同軸，大口徑套管連接處采用焊接扶正板，消除上部套管對(duì)接時(shí)的錯(cuò)位。套管連接時(shí)安設(shè)扶正板示意圖如圖3。

圖3 套管連接時(shí)安設(shè)扶正板示意圖Fig.3 Schematic diagram of casing pipe connection with centralizing plates

4 提吊浮力法下套管

大口徑套管質(zhì)量一般超出鉆機(jī)的提升能力，不可直接提吊下放。提吊浮力法下套管就是使用鉆機(jī)提吊下套管的同時(shí)，借用套管在井內(nèi)所受浮力，以抵消超出鉆機(jī)提升力以外的套管自重，使鉆機(jī)以不大的提升力下放套管[9]，同時(shí)也可降低提吊棒受剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)。提吊浮力法下套管原理圖如圖4。

圖4 提吊浮力法下套管原理圖Fig.4 Schematic diagram of lifting-buoyancy method for casing running

從圖4 提吊浮力法原理可知，套管底部浮力塞能夠防止井內(nèi)泥漿進(jìn)入套管內(nèi)腔，由此產(chǎn)生向上的浮力F。從理論上分析，套管下放過(guò)程中在鉛錘方向主要受3 個(gè)力的作用：鉆機(jī)提升力T、上浮力F、自重G。上浮力F 和自重G 隨著套管下入長(zhǎng)度H（深度）增加而加大，鉆機(jī)提升力T 不能高于其額定提升力Tmax，且須保留一定范圍的事故處理能力余地。

套管下放過(guò)程中的主要受力的關(guān)系為：

式中：ρs為鋼材密度，取7.85×103kg/m3；δ 為套管壁厚，m；D 為套管外徑，m；H 為套管長(zhǎng)度，m；ρl為井內(nèi)泥漿密度，一般為（1.05～1.10）×103kg/m3。

設(shè)套管外徑與壁厚的關(guān)系為D=xδ，則假如套管所受浮力與其自重相等，由式（1）有G-F=0，即：

取ρs=7ρ1，代入D=xδ，可得：

由此可知，大口徑套管壁厚只要小于其外徑的1/27，在提吊浮力法下放過(guò)程中所受泥漿浮力都會(huì)大于套管自重。以外徑720 mm 的鋼管為例，壁厚小于27 mm 都可適用，提吊浮力法在大口徑套管下放過(guò)程中的應(yīng)用廣泛。

5 套管抗擠強(qiáng)度校核

由提吊浮力法原理可知，一般情況下，大口徑套管下放過(guò)程中所受浮力均大于套管自重，必須適時(shí)向套管內(nèi)部注入泥漿（或清水），使套管與內(nèi)腔泥漿自重大于浮力，保證順利下放。但需注意：不向套管內(nèi)注入泥漿，則浮力大于套管自重，套管無(wú)法下放；向套管內(nèi)注入泥漿時(shí)，又須嚴(yán)格控制注入量，以減小鉆機(jī)提升力。因此，向套管內(nèi)注入的泥漿量不能過(guò)大，套管內(nèi)泥漿液面不能過(guò)高。這樣就引起套管空置段長(zhǎng)度增加，在環(huán)空泥漿壓力作用下，套管受一定的液柱壓力，空置套管段存在受擠壓變形風(fēng)險(xiǎn)。大口徑套管下放過(guò)程中，受外壓擠毀模式的計(jì)算方式分2種類型[10]。

1）失穩(wěn)破壞。穩(wěn)定性不夠，套管呈現(xiàn)彈性失穩(wěn)破壞。由W.O.Clinedinst 提出的圓管失穩(wěn)計(jì)算公式為[11]：

式中: pe為套管失穩(wěn)外載荷，MPa；E 為管材彈性模量，MPa；μ 為泊松比。

2）屈服破壞。強(qiáng)度不夠，套管發(fā)生材料屈服破壞。根據(jù)Von Mises 屈服準(zhǔn)則有[12]：

式中: py為套管屈服外載荷，MPa；a 為管材屈服強(qiáng)度，MPa。

分別計(jì)算出套管失穩(wěn)強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，選取最小值pmin作為空置管段下深的計(jì)算依據(jù)，即：

得出套管空置段的最大深度Hmax，則套管下放過(guò)程中注入套管內(nèi)泥漿的液面與井口距離不能大于Hmax，并以此作為取值界限，適時(shí)注入泥漿，控制好浮力與套管及泥漿自重的關(guān)系，保證鉆機(jī)以不大的提升力安全下放套管。

6 工程應(yīng)用

沁水盆地某礦地面大口徑瓦斯抽采井采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：一開(kāi)井徑1 200 mm，井深32 m，固井套管規(guī)格φ920 mm×12 mm；二開(kāi)井徑850 mm，井深482 m，套管規(guī)格φ630 mm×15 mm；完井后掘進(jìn)巷道尋找鉆孔。二開(kāi)套管材質(zhì)為J55，自重達(dá)109.66 t，超出鉆機(jī)提升能力（額定提升力60 t），現(xiàn)場(chǎng)采用提吊浮力法下放套管。

下套管前，按照?qǐng)D1，利用1 根長(zhǎng)6.8 m 套管加工通井工具，順利通井1 次；采用材質(zhì)Q235B、直徑45 mm 提吊棒提下放套管，滿足式（1）剪切應(yīng)力要求；每根套管端口焊接4 塊扶正板，套管端口有45°斜坡，采用二保焊焊接；提吊浮力法下放套管過(guò)程中，根據(jù)式（4）～式（6）計(jì)算得臨界空置段管長(zhǎng)為623.20 m，大于套管最大下深，因此回灌泥漿的主要作用是平衡下套管過(guò)程中浮力、重力與提升力關(guān)系。為盡可能保護(hù)浮力塞，使其所受壓力不超過(guò)額定壓力（20 MPa），保障后續(xù)固井正常進(jìn)行，泥漿的回灌量應(yīng)精確控制。下套管過(guò)程中回灌泥漿的相關(guān)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表1。

下套管過(guò)程中鉆機(jī)提升力及浮力塞壓差變化如圖5。

由圖5 可知，雖然套管自重超過(guò)鉆機(jī)提升力，但采用提吊浮力法下套管，適時(shí)回灌泥漿，可確保鉆機(jī)以不大的提升力安全下放套管，并保護(hù)浮力閥，以利于后續(xù)內(nèi)插法固井。

7 結(jié) 語(yǔ)

1）大口徑井套管下放有其特殊性，但只要控制好通井、提吊、焊接、下放等關(guān)鍵技術(shù)，借用浮力，可以較小的提升力安全下放。

表1 下套管回灌泥漿量相關(guān)參數(shù)表Table 1 Parameters table of recharging mud while casing running

圖5 鉆機(jī)提升力及浮力塞壓差變化曲線Fig.5 Diagram of lifting force and pressure

2）套管焊接須采用專業(yè)設(shè)備、聘請(qǐng)專業(yè)人員操作。焊縫質(zhì)量不僅體現(xiàn)在套管端口之間的焊接，同時(shí)提吊棒穿孔的恢復(fù)焊接和扶正板的焊接一樣重要。焊接完成后，套管開(kāi)始下放，焊縫即承受拉力，因此必須確保焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)縫隙，否則后期固井水泥將通過(guò)縫隙進(jìn)入套管內(nèi)部，造成嚴(yán)重事故。

3）泥漿回灌量要精確控制，必要時(shí)縮短取點(diǎn)距離。要兼顧套管自重、泥漿浮力、鉆機(jī)提升力、空置段長(zhǎng)以及浮力塞壓差等的關(guān)系，使各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)控制在安全范圍。