大口徑井套管安全下放關鍵技術及應用

2021-03-04 02:44:22莫海濤郝世俊

煤礦安全 2021年2期

莫海濤，郝世俊

（1.煤炭科學研究總院，北京100013；2.中煤科工集團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）、通風降溫、應急救援等的通道[1-3]。根據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、使用及運輸條件等的實際情況，絕大部分煤礦地面大口徑井采用正向鉆進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，主要選用無縫鋼管、螺旋鋼管或直縫鋼管。與石油標準規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，為確保管材穩定，其壁厚也較厚，因此下入井內的套管總質量大，一般均超過鉆機提升力。鑒于大口徑套管特殊的尺寸、較大的質量、焊接連接等特點，其下放工藝具有獨特性，包括通井、提吊、焊接、下放等過程與常規石油套管下放有本質區別。

大量的實例表明，大口徑套管下放過程中若出現事故，處理難度極大，廢井風險極高[5]。因此，需對大口徑套管下放過程中的關鍵技術予以重視，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，為維護井壁穩定性需適當提高泥漿黏度，由此可能形成較厚泥皮[6]；同時，掉塊造成局部井徑擴大，也有可能形成“臺階”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行通井，以檢查、修復井壁，確保套管順暢下放。石油行業通井一般可理解為劃眼，但大口徑井通井不能簡單的用劃眼替代，應盡可能模擬套管實際下放的作業環境，通井管選用單根套管。由于大口徑套管外徑大，通井作業的鉆具連接方式有其特殊性。大口徑井通井作業鉆具連接示意圖如圖1。

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

通井鉆具加工及作業要求如下：

1）通井管利用單根套管加工，長度小于單根鉆桿長度，便于加工及通井作業。

2）套管外壁鑲焊硬質合金塊。

3）將鉆桿居中穿過套管，上下兩端焊接穩固板，使鉆桿穩定在套管中軸線。

4）鉆桿上部接鉆具，下部接擴孔鉆頭。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

石油套管已有標準規格系列，相應的吊卡也應用廣泛。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點是現場操作方便，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，井眼尺寸和套管規格需根據鉆井實際需求設計，暫無通用的標準尺寸系列，因此為某個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程中專用的工具，相比于特制吊卡，適用性廣泛。提吊棒實質就是鐵棒，大口徑套管提吊棒使用示意圖如圖2。使用提吊棒時，需將套管兩端處打孔，切下的管壁圓塊在套管下放時還需焊接補上；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

提吊棒成對使用，長度應大于井口支架的距離，兩端加工安全銷孔，安設銷釘，防止提吊鋼絲繩脫落。1 根用于提吊已下入井內的套管，另1 根用于提吊準備焊接的套管。提吊棒材質和直徑的選擇是關鍵，其依據是確保不會受套管重力作用產生的剪切力過大而發生剪切破壞。根據剪切應力公式[7]：

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

直接下放套管時，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 材質的圓鋼棒（最小抗剪強度計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。焊接穩固后，提吊上部套管，抽出井口套管提吊棒，將其切下來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：一是焊縫質量好；二是套管同軸。焊縫質量通常參考GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》執行，采用氬弧焊或二保焊對接焊接。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。理論上套管軸線應與套管端口面垂直，只需提吊將2 套管對接后即可焊接。但由于套管加工過程中的誤差，簡單的將2 根套管端口對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，消除上部套管對接時的錯位。套管連接時安設扶正板示意圖如圖3。

圖3 套管連接時安設扶正板示意圖Fig.3 Schematic diagram of casing pipe connection with centralizing plates

4 提吊浮力法下套管

大口徑套管質量一般超出鉆機的提升能力，不可直接提吊下放。提吊浮力法下套管就是使用鉆機提吊下套管的同時，借用套管在井內所受浮力，以抵消超出鉆機提升力以外的套管自重，使鉆機以不大的提升力下放套管[9]，同時也可降低提吊棒受剪切破壞的風險。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泥漿進入套管內腔，由此產生向上的浮力F。從理論上分析，套管下放過程中在鉛錘方向主要受3 個力的作用：鉆機提升力T、上浮力F、自重G。上浮力F 和自重G 隨著套管下入長度H（深度）增加而加大，鉆機提升力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。

套管下放過程中的主要受力的關系為：

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 為套管長度，m；ρl為井內泥漿密度，一般為（1.05～1.10）×103kg/m3。

設套管外徑與壁厚的關系為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程中所受泥漿浮力都會大于套管自重。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程中的應用廣泛。

5 套管抗擠強度校核

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

1）失穩破壞。穩定性不夠，套管呈現彈性失穩破壞。由W.O.Clinedinst 提出的圓管失穩計算公式為[11]：

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

2）屈服破壞。強度不夠，套管發生材料屈服破壞。根據Von Mises 屈服準則有[12]：

式中: py為套管屈服外載荷，MPa；a 為管材屈服強度，MPa。

分別計算出套管失穩強度和屈服強度，選取最小值pmin作為空置管段下深的計算依據，即：

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

6 工程應用

沁水盆地某礦地面大口徑瓦斯抽采井采用二開井身結構設計：一開井徑1 200 mm，井深32 m，固井套管規格φ920 mm×12 mm；二開井徑850 mm，井深482 m，套管規格φ630 mm×15 mm；完井后掘進巷道尋找鉆孔。二開套管材質為J55，自重達109.66 t，超出鉆機提升能力（額定提升力60 t），現場采用提吊浮力法下放套管。

下套管前，按照圖1，利用1 根長6.8 m 套管加工通井工具，順利通井1 次；采用材質Q235B、直徑45 mm 提吊棒提下放套管，滿足式（1）剪切應力要求；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程中，根據式（4）～式（6）計算得臨界空置段管長為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程中浮力、重力與提升力關系。為盡可能保護浮力塞，使其所受壓力不超過額定壓力（20 MPa），保障后續固井正常進行，泥漿的回灌量應精確控制。下套管過程中回灌泥漿的相關參數計算見表1。

下套管過程中鉆機提升力及浮力塞壓差變化如圖5。

由圖5 可知，雖然套管自重超過鉆機提升力，但采用提吊浮力法下套管，適時回灌泥漿，可確保鉆機以不大的提升力安全下放套管，并保護浮力閥，以利于后續內插法固井。