石油鉆井用可鉆式浮箍浮鞋在煤礦回灌井中的應用

郭再峰

(河北省煤田地質局水文地質隊,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用

郭再峰

(河北省煤田地質局水文地質隊,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,簡化了下套管和固井施工程序,節約工程成本,保證了成井質量。介紹了這種方法在冀中能源峰峰集團梧桐莊礦回灌 1號孔和 2號孔的應用情況及效果。

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中的專用元件,安全可靠,它主要作用是引導套管柱順利入井,調整套管柱所受的浮力,達到減輕鉆塔載荷的目的,待套管下入到設計的位置后,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,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的浮力,達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低,只適合用于淺孔的套管下放,鋼板浮力塞安全系數高,但是兩種浮力塞注漿結束后都需要掃除浮力塞,另外還得取出注漿接頭,時間長,費時費力。所以,如何安全順利下入套管及高質量的固井成為大口徑成井施工中的關鍵工序。

2008年,我單位承攬施工了冀中能源峰峰集團梧桐莊礦回灌 1號孔和 2號孔,設計孔深 1200 m,要求下入 “325 mm×12 mm無縫鋼管封隔奧陶系灰巖以上地層,并要求水泥固井及耐壓試驗,試驗壓力為 4 MPa,時間為 30 min。為解決傳統方法存在的問題,我們采用了石油浮箍浮鞋下套管和固井技術,從實際應用效果來看,該方法安全可靠,簡化了下套管和固井施工程序,節約工程成本,保證了成井質量。

2 鉆孔結構及成孔情況

2.1 鉆孔結構

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無縫鋼管作為生產套管,封隔奧陶系灰巖以上地層,該層生產套管需要水泥固井,為檢驗固管質量在孔口做耐壓試驗,壓力為 4MPa,穩定時間 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

經過 3個月的施工,鉆進到 831 m,進入下 “325 mm×12 mm生產套管關鍵階段。

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合金做成圓孔器下入孔內,從146 m處開始圓孔,將孔內的螺旋及彎曲順直,另外將孔壁的泥皮清洗掉。圓孔時低轉速,壓力要保持均勻,圓孔至 831 m后開始調漿。

2.2.2 調漿

將孔內的泥漿指標調整為: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鉆桿送入孔內進行探孔,探孔時嚴禁強蹾硬擰。如果探孔過程中套管遇阻,則提鉆進行圓孔。

3 施工重點及解決方法

3.1 施工重點

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

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,增加絲扣的抗拉強度。

(2)根據套管的直徑、質量大小和卡瓦的特點,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短節做 3個提頭,上部割孔用穿杠提升。

(4)由于 “325 mm套管實際下入質量為 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。根據該孔技術要求,經技術論證,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空鉆井液流動,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,減輕鉆塔負荷。它還是套管的下部結構,用來引導套管入井。它作為注水泥的通道,又能防止水泥漿倒流入套管內。對于 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 (稱為內管注水泥)。

該產品分為 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內,下部接上套管引鞋,因為不需要昂貴的外殼,因此價格便宜。回壓閥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,可引導注漿插頭快速插入 (見圖 4)。注漿插頭直徑與浮箍內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、浮鞋結構圖

由于石油專用浮鞋都是定型產品,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,所以要對其進行改制。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(即套管母扣內徑),將注漿插頭扶正器的直徑車成比 “325 mm×12 mm套管內徑小 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,將會造成無法固井,下套管與固井將會失敗,因此必須保證泥漿含砂量 <3%,再根據孔內沉渣深度相應加深孔深,保證下入鋼管達到設計深度,其次,浮鞋距離孔底應在 015～1 m之間,確保孔底返漿暢通。

(2)對接浮鞋。下管前將改制后的浮鞋對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,然后再接上第二根套管,將其壓緊。

(4)下套管。下管過程中,根據計算套管重力 G與浮力 F的關系,當重力 G大于浮力 F時套管才能下入。由于孔內泥漿不能進入套管中,所以當套管下到一定深度,套管內空較多時,浮力過大,所以應及時向套管內注清水。在下套管過程中拉力表提升力保持在 100～120 kN范圍內,隨時往套管內注入清水,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,當接近浮箍時,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接,觀察懸重變化。先加壓 10～20 kN循環,根據循環泵壓、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,所以插頭插入后必須開泵循環泥漿,將孔內掉落的泥皮及沉淀的巖粉循環出來。開動除砂器清除巖粉,循環泥漿,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。為保證固井質量,我隊特聘大港油田固井工程公司專業隊伍進行固井,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質量,保證固井質量。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狀間隙返出孔口后,再泵入清水進行替漿。替漿量為注漿管線的容積,經計算為 6178 m3。替漿完畢后,將管內鉆具提出并進行泥漿循環,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。凝固水泥 72 h后,下入 “295 mm牙輪鉆頭掃除浮鞋及浮箍,進行耐壓試驗經檢測達到了要求。試驗完畢后,開始正常鉆進,施工鉆孔下段。由于準備充分,措施得當,此次下套管過程安全順利,固井一次成功。

6 結語及建議

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

(2)隨著國民經濟的持續快速發展,煤炭的需求將進一步增加,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。通過本次采用該項技術在兩個回灌孔下管及固井工程中的實際應用,未來浮箍浮鞋在煤礦大口徑服務鉆孔中的應用前景將十分廣闊。

(3)在具體施工過程中應注意前面提到的連接和一些具體細節管理,可以根據管材直徑設計定做各種規格的浮箍浮鞋。總之,應在施工中及時總結經驗,使該項技術在煤礦大口徑服務孔中得到推廣及應用。

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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),河北邢臺人,河北省煤田地質局水文地質隊副總工程師,探礦工程專業,從事煤田地質勘探、水文地質勘探工作,河北省邯鄲市峰峰礦區峰鋼街 20號,guozaifeng@163.com。