大庆矿产钻探工程中表层套管封固技术研究及应用

李 宽

（山东省第六地质矿产勘查院，山东 威海 264200）

大庆718矿产勘探项目位于黑龙江省大庆市大兴乡，由于施工区域位于大庆地区腹地，因此，在钻探施工过程中有可能钻遇浅层气层。一旦钻遇浅层的气层就会发生矿井井涌甚至井喷，这对矿产施工带来了严重的安全隐患，因此在施工中安装和使用了一套钻井上的井控防喷设备[1]。在施工过程中一旦遇到井涌或井喷等紧急情况，可以及时地关闭井口进行放喷和压井等措施，因此，井内表层套管封固的质量和井控设备的正确安装起到至关重要的作用。本文以ZKTT15井为例，阐述表层套管封固技术在大庆矿井勘探中的应用，该技术有效地克服了因设备能力偏小而造成的固井困难。经多口井的成功施工证明，该方法是大庆地区勘探井施工的有效方法[2，3]。

1 钻孔概况

1.1 地质概况

ZKTT15号钻井位于大庆市大兴乡头台矿区，该钻井为矿井取心勘查井，设计井深370m。地层及主要岩性的分布，第四系（0m～50m）以亚粘土及粉砂、细砂、砂砾为主；泰康组（50m～120m）以砂砾岩为主；明水组（120m～164m）以泥岩、细砂岩、砂砾岩为主；四方台组（164m～352m）以细砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主；嫩江组（352m～380m）以粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩、细砂岩为主[4]。

1.2 施工设备及主要器具

钻机使用XY-5型立轴钻机，泥浆泵使用NBB-260/7A型泥浆泵,120kW潍柴发电机，2m3水箱，液下搅拌机。

1.3 钻井结构

该钻井设计为直井，完井井径要求≮113mm。设计采用三级成孔结构，使用单管提钻取心钻进工艺，一开使用Φ245mm复合片取心钻头，钻深10m下入Φ233mm导管；二开使用Φ113mm复合片取心钻头，钻至132m处钻遇坚硬完整的泥岩，然后使用Φ200mm复合片三翼导向钻头进行扩井，扩井至132m处，钻井液冲井6h后下入Φ140mm表层套管；表层套管进行水泥封固，候凝48h后安装井控设备，经相关部门验收合格后继续施工；三开使用Φ113mm复合片取心钻头，钻至370m处完井[5]。

1.4 下表层套管

（1）二开扩井完成，下入表层套管之前应认真通井，如果遇到阻卡井段必须反复的扫井划眼直到顺利扫井至井底，确保井眼无阻卡、无垮塌，循环泥浆6h，确保井内无尘砂。

（2）提钻丈量钻具确定实际井深，在上提钻具过程中要时刻往井内回灌钻井液，以防止因液柱压力下降而引起井壁掉块、坍塌等事故。

（3）套管到达现场后必须按顺序统一排列、编号；套管全部按标准通径、丈量和清洗，清洗后不留污渍，由钻井技术人员对编号、长度的数据分别核对、检查无误。

（3）套管吊上钻台时，必须戴护丝，严禁碰撞；套管母扣均匀涂抹套管丝扣密封脂；要求有专业技术人员使用专用液压大钳按标准扭矩给套管上扣；下部5根套管及附件要求清洗出丝扣本色，使用套管丝扣粘结剂粘结，然后再进行焊接[6]。

（4）现场施工人员根据井内情况，确定扶正器加入位置和数量，必须保证井内套管居中，防止水泥浆环窜槽。

（5）要严格控制套管下放速度，每根套管下放时间不少于30s。套管及其附件按设计要求和作业指令下到位，井内灌满泥浆，套管头与固井管线和替浆管线连接好后，开泵后逐渐提高排量，以35L/min～106L/min的排量（由小到大）循环洗井一周以上，彻底清洗井内的沉砂和掉块，以满足固井施工要求[7]。

2 固井技术

2.1 固井相关计算

（1）所需泥浆浆体积的计算：

式中：h1为泥浆塞高度，取15m；h2为井眼口袋高度，取2m；L为设计封填泥浆套管的长度，130m；DHi为第i次开钻钻头直径（要根据地层情况考虑不同地层的超径系数），0.2m；DSi为自外向里第i层套管的外径，0.14m；di为第i层套管的内径，m；K1为泥浆附加系数，取1.1。

（2）所需干泥浆质量的计算：

配制1m3的泥浆所需材料质量为：

式中：ρc为材料的密度，3.15g/cm3；ρw为水的密度，1.0g/cm；m为水灰比,取0.45。

所需干泥浆的质量为：

式中：K2为地面损失系数，取1.05。

（3）所需水的体积的计算公式：

（4）顶替容积的计算公式：

式中：VDi为顶替容积，；di为第i层套管的内径，0.13m；L为孔口至泥浆塞顶部的长度，115m。

（5）注入泥浆时间的计算公式：

式中：VTi为所需泥浆体积，m3；Qc为泥浆泵的排量，106L/min；t1为泥浆注入时间，min。

（6）顶替时间及防凝时间：

顶替时间：

式中：VDi为顶替容积，m3；Qc为泥浆泵的排量，106L/min；t2为顶替时间，min。

防凝时间：

式中：t1为泥浆注入时间，min；t2为顶替时间，min；t为泥浆防凝时间，min。

注入泥浆设计结果：

表1 注泥浆设计参数

2.2 固井施工工艺流程

（1）施工前必须检查和确认泥浆泵、套管头与固井管线的连接是否符合施工要求；在施工前对泥浆泵和备用泥浆泵进行了检修，并更换了缸套和活塞，以保证泥浆泵在工作过程中达到设计排量。

（2）按设计要求进行清水试压，套管头与固井管线丝扣连接处发生刺漏，更换密封胶垫并在公扣上绕缠聚四氟乙烯密封带，固井施工管线不再发生刺漏，试压合格后方可施工。

（3）施工现场用两个标准2×1×1m3的水箱进行泥浆的搅拌，在水箱里可以精确地控制清水量和泥灰材料量，利用液下泵对泥浆进行均匀充分的搅拌。在搅拌泥浆的过程中随着泥灰材料不断加入，泥浆越来越稠，这时必须要减慢倒入速度，否则会在水箱底部进行沉淀无法搅拌均匀，从而影响泥浆的标准比例。

（4）在注泥浆之前应先注入一定量的前置液（清水），前置液的作用是稀释和分散钻井液，达到清洗孔壁和套管外壁作用，可以提高水泥环与井壁、套管外壁胶结的强度。前置液应具有较高的流动性，易达到紊流，利于清洗钻井液。前置液的使用一定要适量，否则会冲塌井壁，造成井内事故。

（5）用泥浆泵将定量的泥浆全部灌注到孔内，然后用定量的清水进行替浆，替浆时必须确保替浆量的准确性，可以在规则的水箱中提前存放所需量的替浆；施工全过程安排人员在泥浆出口坐岗，及时发现并汇报出口返出情况；泥浆返出井口之后停止替浆，关闭套管头阀门进行环空憋压候凝（图1）。

（6）如遇到地层漏失或矿井内井壁扩径严重等情况，替浆顶替结束后泥浆仍无法反出井口，此时可以采用穿鞋-戴帽的固井方法，禁忌继续顶替泥浆，保证井底和下部套管外环空存有泥浆，关闭套管头阀门进行候凝。候凝24小时后围绕井口套管挖出一个长1m、宽1m、深2m的坑，将一块长1m、宽1m的钢板中心切割出一个与套管直径相同的圆洞，并将该钢板套上套管放入坑底，再将钢板与套管焊接，在坑内灌满混凝土候凝。在该矿区施工期间ZKTT18号井采用该种固井方法，同样达到了井下的试压要求。

表2 固井内工艺流程表

图1 套管憋压候凝

图2 液控管线的安装

3 固井质量

3.1 试压目的

检查及测试井口防喷器、井控管汇及地面循环系统的承压强度、连接质量和设备整体强度，以确保被试压的设备在整个过程中不出现漏失。

3.2 注水试压实验

注水试压实验由矿产勘查服务公司的专业试压车进行试压试验，试压车向孔内注入10MPa压力，停止注压之后稳压30min，压力无下降（图3），各项指标达到设计要求，验收合格。

3.3 扫水泥塞

三开进行下钻扫孔，扫孔至118m处钻遇泥浆塞，钻进一个回次后提钻取心，取上来的水泥柱完整坚硬、凝固较好（图4），并且再次证明本次表层套管的固井质量优质合格。

图3 注水试压实验

图4 孔内取出的水泥柱

4 总结

（1）该种矿井钻探固井工艺借鉴了小井眼固体矿产钻探中的封孔技术，在实际现场的施工过程中设备齐全，技术通俗易懂、简单方便、便于掌握，有利于提高施工的效率，降低施工的成本。

（2）在矿井下固井前应该充分考虑固井质量的相关因素，要采取有效措施，做好严密的方案设计，将相关控制量计算精准，严格按照设计方案进行施工会达到更好的固井效果。三个月的时间里我单位在该矿区矿井共计施工6个孔，固井质量的优质合格率达到了100%，为今后类似的工程施工积累了丰富的经验。

（3）这种固井工艺适用于地层比较简单稳定的浅层套管的封固，对于较深地层比较复杂的油气井来说固井的标准和要求十分严格，因为固井的质量直接影响到矿井的寿命和采收率，严重的直接导致矿井报废，所以该固井工艺在较浅的固体矿产勘查孔的表层套管封固中发挥了重要作用。