大慶礦產鉆探工程中表層套管封固技術研究及應用

李 寬

（山東省第六地質礦產勘查院，山東 威海 264200）

大慶718礦產勘探項目位于黑龍江省大慶市大興鄉，由于施工區域位于大慶地區腹地，因此，在鉆探施工過程中有可能鉆遇淺層氣層。一旦鉆遇淺層的氣層就會發生礦井井涌甚至井噴，這對礦產施工帶來了嚴重的安全隱患，因此在施工中安裝和使用了一套鉆井上的井控防噴設備[1]。在施工過程中一旦遇到井涌或井噴等緊急情況，可以及時地關閉井口進行放噴和壓井等措施，因此，井內表層套管封固的質量和井控設備的正確安裝起到至關重要的作用。本文以ZKTT15井為例，闡述表層套管封固技術在大慶礦井勘探中的應用，該技術有效地克服了因設備能力偏小而造成的固井困難。經多口井的成功施工證明，該方法是大慶地區勘探井施工的有效方法[2，3]。

1 鉆孔概況

1.1 地質概況

ZKTT15號鉆井位于大慶市大興鄉頭臺礦區，該鉆井為礦井取心勘查井，設計井深370m。地層及主要巖性的分布，第四系（0m～50m）以亞粘土及粉砂、細砂、砂礫為主；泰康組（50m～120m）以砂礫巖為主；明水組（120m～164m）以泥巖、細砂巖、砂礫巖為主；四方臺組（164m～352m）以細砂巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主；嫩江組（352m～380m）以粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖、細砂巖為主[4]。

1.2 施工設備及主要器具

鉆機使用XY-5型立軸鉆機，泥漿泵使用NBB-260/7A型泥漿泵,120kW濰柴發電機，2m3水箱，液下攪拌機。

1.3 鉆井結構

該鉆井設計為直井，完井井徑要求≮113mm。設計采用三級成孔結構，使用單管提鉆取心鉆進工藝，一開使用Φ245mm復合片取心鉆頭，鉆深10m下入Φ233mm導管；二開使用Φ113mm復合片取心鉆頭，鉆至132m處鉆遇堅硬完整的泥巖，然后使用Φ200mm復合片三翼導向鉆頭進行擴井，擴井至132m處，鉆井液沖井6h后下入Φ140mm表層套管；表層套管進行水泥封固，候凝48h后安裝井控設備，經相關部門驗收合格后繼續施工；三開使用Φ113mm復合片取心鉆頭，鉆至370m處完井[5]。

1.4 下表層套管

（1）二開擴井完成，下入表層套管之前應認真通井，如果遇到阻卡井段必須反復的掃井劃眼直到順利掃井至井底，確保井眼無阻卡、無垮塌，循環泥漿6h，確保井內無塵砂。

（2）提鉆丈量鉆具確定實際井深，在上提鉆具過程中要時刻往井內回灌鉆井液，以防止因液柱壓力下降而引起井壁掉塊、坍塌等事故。

（3）套管到達現場后必須按順序統一排列、編號；套管全部按標準通徑、丈量和清洗，清洗后不留污漬，由鉆井技術人員對編號、長度的數據分別核對、檢查無誤。

（3）套管吊上鉆臺時，必須戴護絲，嚴禁碰撞；套管母扣均勻涂抹套管絲扣密封脂；要求有專業技術人員使用專用液壓大鉗按標準扭矩給套管上扣；下部5根套管及附件要求清洗出絲扣本色，使用套管絲扣粘結劑粘結，然后再進行焊接[6]。

（4）現場施工人員根據井內情況，確定扶正器加入位置和數量，必須保證井內套管居中，防止水泥漿環竄槽。

（5）要嚴格控制套管下放速度，每根套管下放時間不少于30s。套管及其附件按設計要求和作業指令下到位，井內灌滿泥漿，套管頭與固井管線和替漿管線連接好后，開泵后逐漸提高排量，以35L/min～106L/min的排量（由小到大）循環洗井一周以上，徹底清洗井內的沉砂和掉塊，以滿足固井施工要求[7]。

2 固井技術

2.1 固井相關計算

（1）所需泥漿漿體積的計算：

式中：h1為泥漿塞高度，取15m；h2為井眼口袋高度，取2m；L為設計封填泥漿套管的長度，130m；DHi為第i次開鉆鉆頭直徑（要根據地層情況考慮不同地層的超徑系數），0.2m；DSi為自外向里第i層套管的外徑，0.14m；di為第i層套管的內徑，m；K1為泥漿附加系數，取1.1。

（2）所需干泥漿質量的計算：

配制1m3的泥漿所需材料質量為：

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

所需干泥漿的質量為：

式中：K2為地面損失系數，取1.05。

（3）所需水的體積的計算公式：

（4）頂替容積的計算公式：

式中：VDi為頂替容積，；di為第i層套管的內徑，0.13m；L為孔口至泥漿塞頂部的長度，115m。

（5）注入泥漿時間的計算公式：

式中：VTi為所需泥漿體積，m3；Qc為泥漿泵的排量，106L/min；t1為泥漿注入時間，min。

（6）頂替時間及防凝時間：

頂替時間：

式中：VDi為頂替容積，m3；Qc為泥漿泵的排量，106L/min；t2為頂替時間，min。

防凝時間：

式中：t1為泥漿注入時間，min；t2為頂替時間，min；t為泥漿防凝時間，min。

注入泥漿設計結果：

表1 注泥漿設計參數

2.2 固井施工工藝流程

（1）施工前必須檢查和確認泥漿泵、套管頭與固井管線的連接是否符合施工要求；在施工前對泥漿泵和備用泥漿泵進行了檢修，并更換了缸套和活塞，以保證泥漿泵在工作過程中達到設計排量。

（2）按設計要求進行清水試壓，套管頭與固井管線絲扣連接處發生刺漏，更換密封膠墊并在公扣上繞纏聚四氟乙烯密封帶，固井施工管線不再發生刺漏，試壓合格后方可施工。

（3）施工現場用兩個標準2×1×1m3的水箱進行泥漿的攪拌，在水箱里可以精確地控制清水量和泥灰材料量，利用液下泵對泥漿進行均勻充分的攪拌。在攪拌泥漿的過程中隨著泥灰材料不斷加入，泥漿越來越稠，這時必須要減慢倒入速度，否則會在水箱底部進行沉淀無法攪拌均勻，從而影響泥漿的標準比例。

（4）在注泥漿之前應先注入一定量的前置液（清水），前置液的作用是稀釋和分散鉆井液，達到清洗孔壁和套管外壁作用，可以提高水泥環與井壁、套管外壁膠結的強度。前置液應具有較高的流動性，易達到紊流，利于清洗鉆井液。前置液的使用一定要適量，否則會沖塌井壁，造成井內事故。

（5）用泥漿泵將定量的泥漿全部灌注到孔內，然后用定量的清水進行替漿，替漿時必須確保替漿量的準確性，可以在規則的水箱中提前存放所需量的替漿；施工全過程安排人員在泥漿出口坐崗，及時發現并匯報出口返出情況；泥漿返出井口之后停止替漿，關閉套管頭閥門進行環空憋壓候凝（圖1）。

（6）如遇到地層漏失或礦井內井壁擴徑嚴重等情況，替漿頂替結束后泥漿仍無法反出井口，此時可以采用穿鞋-戴帽的固井方法，禁忌繼續頂替泥漿，保證井底和下部套管外環空存有泥漿，關閉套管頭閥門進行候凝。候凝24小時后圍繞井口套管挖出一個長1m、寬1m、深2m的坑，將一塊長1m、寬1m的鋼板中心切割出一個與套管直徑相同的圓洞，并將該鋼板套上套管放入坑底，再將鋼板與套管焊接，在坑內灌滿混凝土候凝。在該礦區施工期間ZKTT18號井采用該種固井方法，同樣達到了井下的試壓要求。

表2 固井內工藝流程表

圖1 套管憋壓候凝

圖2 液控管線的安裝

3 固井質量

3.1 試壓目的

檢查及測試井口防噴器、井控管匯及地面循環系統的承壓強度、連接質量和設備整體強度，以確保被試壓的設備在整個過程中不出現漏失。

3.2 注水試壓實驗

注水試壓實驗由礦產勘查服務公司的專業試壓車進行試壓試驗，試壓車向孔內注入10MPa壓力，停止注壓之后穩壓30min，壓力無下降（圖3），各項指標達到設計要求，驗收合格。

3.3 掃水泥塞

三開進行下鉆掃孔，掃孔至118m處鉆遇泥漿塞，鉆進一個回次后提鉆取心，取上來的水泥柱完整堅硬、凝固較好（圖4），并且再次證明本次表層套管的固井質量優質合格。

圖3 注水試壓實驗

圖4 孔內取出的水泥柱

4 總結

（1）該種礦井鉆探固井工藝借鑒了小井眼固體礦產鉆探中的封孔技術，在實際現場的施工過程中設備齊全，技術通俗易懂、簡單方便、便于掌握，有利于提高施工的效率，降低施工的成本。

（2）在礦井下固井前應該充分考慮固井質量的相關因素，要采取有效措施，做好嚴密的方案設計，將相關控制量計算精準，嚴格按照設計方案進行施工會達到更好的固井效果。三個月的時間里我單位在該礦區礦井共計施工6個孔，固井質量的優質合格率達到了100%，為今后類似的工程施工積累了豐富的經驗。

（3）這種固井工藝適用于地層比較簡單穩定的淺層套管的封固，對于較深地層比較復雜的油氣井來說固井的標準和要求十分嚴格，因為固井的質量直接影響到礦井的壽命和采收率，嚴重的直接導致礦井報廢，所以該固井工藝在較淺的固體礦產勘查孔的表層套管封固中發揮了重要作用。