鉆孔結構設計確定之後,需進行套管結構設計,其主要內容是套管的級配、上返水力計算、套管內外扶正與密封、套管座及尾管設置等。套管結構設計是安全鉆進的重要保障。
(壹)套管的級配
深孔及特深孔鉆探壹般設計4～6層套管。每層套管的內外徑規格及級配關系原則上應符合《地質巖心鉆探規程》所對應的口徑要求。目前我國地質巖心鉆探口徑系列及套管級配關系如表3-5所列。
表3-5 地質巖心鉆探鉆進口徑與套管級配推薦表
在實際施工中,根據地層的復雜程度,可將上部套管直徑加大,以增加套管預留層數。套管層間級配壹般是上壹層套管最小內徑要比下壹層套管串最大外徑≥5mm。為了減少擴孔次數,上壹級鉆進孔徑應滿足下壹級套管下孔要求。若套管下入後需用水泥固井,套管外徑與孔壁環狀間隙應不小於20mm。套管內徑與鉆具之間的級配原則是環狀間隙不大於10mm(金剛石鉆進應在3～5mm之間),以保證鉆具回轉過程中的穩定性。
(二)鉆具與套管、孔壁環狀間隙水力計算
設計深孔套管結構時,要根據不同孔深條件下鉆具、套管及鉆孔的環狀間隙核算水力參數,以確定安全鉆進的最佳排量。
1.沖洗液流量計算
鉆進過程中,沖洗液流量應滿足攜帶巖粉、冷卻鉆頭的需要。根據鉆孔結構和鉆具級配參數,可按下式計算正循環所需流量:
深部巖心鉆探技術與管理
式中:v為沖洗液上返速度;D為鉆孔內徑;d為鉆桿外徑。
繩索取心系列口徑所需最小流量推薦值見表3-6。
表3-6 繩索取心系列口徑所需要的最小流量推薦值
註:表中流量推薦值以沖洗液上返流速分別為:清水1.5m/s,泥漿1m/s計算。
在實際施工中,由於上部套管內徑較大,鉆孔局部超徑、漏失等情況,實際流量要略大於計算值。采用孔底動力時,其流量必須滿足鉆具正常工作所需要求。
2.沖洗液循環阻力損失計算
鉆進過程中,當沖洗液流量壹定時,循環阻力損失主要受循環通道總長度、鉆孔環狀間隙大小、鉆具形態、沖洗液密度和流變參數等影響。沖洗液循環阻力損失如公式(3-2)所示:
P=k(P1+P2+P3+P4)(3-2)
式中:P1、P2、P3、P4分別為流經鉆桿、環狀間隙、地面管路、孔底鉆具時的阻力損失,k值壹般取1.1～1.4。當孔深增加到壹定深度後,P1和P2占了總阻力損失的絕大部分。
鉆桿內沖洗液循環阻力損失可由公式(3-3)計算:
深部巖心鉆探技術與管理
式中:P1為循環壓力降;ρ為沖洗液密度;v為沖洗液上返速度;ηe為沖洗液塑性黏度;d為鉆桿內徑。
鉆孔環空間隙中循環壓力降可由公式(3-4)計算:
深部巖心鉆探技術與管理
式中:P2為循環壓力降;l為鉆孔深度;v為上返速度;ηe為沖洗液塑性黏度;D為鉆孔內徑;d為鉆桿外徑。
實際施工中影響壓力損失因素較多,公式的理論計算值有壹定誤差。在安徽廬樅科學鉆探現場,孔深3000m的N系列口徑鉆孔,采用無固相沖洗液鉆進的循環阻力損失達8MPa左右。可通過加大鉆頭外徑(增加鉆孔環狀間隙)、降低泥漿黏度等措施來降低沖洗液循環阻力損失。
(三)內套管及活動套管設置
套管與鉆孔孔壁接觸,以護壁為主要目的稱之為外套管。外套管內下入的套管稱之為內套管,分為固定式和活動式內套管。固定式內套管壹部分置於套管內,其余則延伸至地層中,以分層護壁為目的,壹般在終孔前不從鉆孔中提出。活動式內套管主要解決套管與鉆具合理級配和預留口徑問題。
金剛石鉆探的鉆孔內活動套管設置如圖3-5所示。
圖3-5 金剛石鉆探鉆孔內活動套管設置示意圖
深孔鉆探設計套管串時須預留若幹口徑,所以多采用下活動式內套管的方法。根據現場鉆進口徑條件可下入多層或單層活動式內套管。多層活動套管具有穩定性好、減少對外套管敲擊、保護外套管等優點,但費用增大,提拔內套管很麻煩,處理層間內套管夾卡事故難度大。單層活動套管可節約套管費用,降低提拔內套管的風險,但內外套管環狀間隙較大,穩定性差,對外套管有壹定的敲擊作用。活動套管下入的次數及規格視鉆進口徑而定。在實際施工中,壹般選擇單層活動式內套管,以扶正措施解決內套管穩定性問題。
鉆探過程中,若遇到其他措施無法護壁必須下套管的復雜地層,可提出活動套管再擴孔下入下壹級套管。
(四)套管固定密封與扶正設計
1.套管固定與密封
深部鉆探往往孔內下有多層套管,如套管層間不用水泥固管,就存在套管密封問題。套管密封目的是防止復雜地層孔壁沈渣流入孔內,同時防止鉆屑進入內外套管間隙造成套管卡夾事故。套管的密封主要集中在地表套管口和孔內套管底兩大部位。
壹般孔口套管(亦稱導向管)是焊接在壹塊鋼板上並用水泥固牢,作為各層套管的承托。其他各層套管口與法蘭盤連接固定,各法蘭盤間設置橡膠密封圈(或膠皮墊)作為管口密封(圖3-6)。鉆進含油氣地層時,孔口套管需安裝防噴套管頭。
圖3-6 孔口套管密封裝置示意圖
1—防護套;2—法蘭盤;3—固定螺栓;4—固定銷;5—密封墊;6—承托鋼板;7—水泥底座;8—套管
套管底部密封常采用特殊設計的套管靴(套管座),套管靴上部連接套管,下部坐落在巖層上,活動套管壹般承托在外套管靴上,固定式內套管也常帶套管靴,坐落在延伸的下段巖層上。套管底部的固定與密封裝置如圖3-7所示。
圖3-7 套管底部固定與密封裝置示意圖
(a)外套管靴;(b)活動套管座
套管底部應坐在較完整的硬巖層上,並以斜面錐度作為密封面。施工時,先用小壹級口徑鉆5～10m深的引導孔(亦可作沈渣孔),再用錐形鉆頭修0.5m深的錐形面,以便外套管靴能吻合坐入。巖石較軟或破碎時,需將外套管靴用水泥固定,透孔後再下入內套管。
套管串下孔時,絲扣部位應采用環氧樹脂或厭氧膠粘接以增強密封性及連接強度,防止套管脫扣。
2.套管扶正器設計
為了使孔內套管居中,增加其穩定性和剛性,需要在套管柱上安裝扶正器。對固孔套管的扶正器而言,除了上述作用外,還有助於克服水泥漿竄槽,減少套管壓差卡鉆危險,提高水泥固井質量,減少套管與孔壁的摩擦阻力。
套管扶正器主要類型有:彈性扶正器、剛性扶正器、半剛性扶正器等,如圖3-8所示。應根據孔深、孔斜、套管外環間隙等參數來選擇套管扶正器。要求扶正器的過水斷面大,彈性好,強度高,與孔壁接觸面積小,並具有上下活動及轉動性能。固孔用套管扶正器壹般選擇彈性扶正器,對於孔斜角較大的鉆孔采用半剛性扶正器;地層復雜孔段盡量選用螺旋形扶正器。
圖3-8 常用扶正器類型
彈性扶正器:(a)弓形;(b)螺旋形;(c)雙弓形;(d)半剛性;剛性扶正器:(e)直形;(f)螺旋形;(g)、(h)扶正圈
活動套管的扶正器與固孔套管扶正器作用有所不同,它沒有水泥環固結支撐(根據工程需要可提出孔外),因此,不僅要求扶正器對套管柱有很好的扶正穩定作用,而且要有良好的抗震和減震作用。
施工中壹般在承壓套管段選擇剛性扶正器,受拉套管段選用半剛性扶正器。因小口徑金剛石鉆探的鉆孔與套管、套管與套管之間環空很小,無法使用標準的扶正器產品。小口徑鉆探的經驗表明,采用金屬扶正器壹旦在孔內或活動套管環空中斷裂,便會造成很難處理的事故。我們曾用在套管上焊接金屬材料的剛性扶正器,壹般鉆進2～3天即發生套管折斷事故,導致無法正常鉆進。針對這壹問題,安徽省地礦局313地質隊探礦工程技術研究所設計了壹種彈塑性套管扶正器(圖3-9)。這種扶正器用尼龍棒車制而成(也可壓膜成型),兼有彈性和剛性,對套管有良好的抗震、減震作用。由於它不是金屬材料,壹旦發生套管事故也很容易處理。該扶正器先後在霍邱周集鐵礦區深部鉆探研究ZK1725試驗孔、汶川地震斷裂帶科學鉆探 WFSD-3孔、國家深部鉆探項目贛州於都3000m科學鉆探NLSD-1孔和安徽廬樅3000m科學鉆探LZSD-1孔中使用,沒有發生折斷、卡夾等套管事故,活動套管起拔自如,應用效果很好。
圖3-9 彈塑性套管扶正器
套管扶正器的安裝間距也影響著套管柱的穩定性,可參考石油天然氣行業SY/T5334—1996標準進行估算。金剛石地質巖心鉆探所用套管壁較薄,變形量較大,目前還沒有建立這方面的標準,只能憑經驗確定套管扶正器間距:外套管(固孔套管)30～40m,活動套管6～9m。基巖段套管與孔壁環狀間隙小於30mm固孔時,壹般可不設扶正器。
(五)套管引鞋、旋流短節與浮力裝置
1.引鞋
引鞋是裝在套管柱底部的圓錐形帶循環孔的短節,其作用是引導套管入井,防止套管底部插入井壁或刮擠井壁泥餅,並使套管底座居中。套管引鞋壹般用鋁、生鐵、水泥或硬質木料制成,如圖3 10所示。
圖3-10 引鞋結構示意圖
2.旋流短節
旋流短節是接在套管鞋上的壹段帶有左螺旋排孔的短節(圖3-11),壹般有8～9個出口方向傾斜向上的孔,孔徑25～30mm。其作用是使水泥漿旋流上返,有利於將沖洗液替走,以保證套管鞋附近的註水泥質量。
圖3-11 旋流短節結構示意圖
3.套管浮力裝置
套管浮力裝置有浮鞋和浮箍兩種形式。在引鞋中裝置壹個回壓閥就成為浮鞋,如圖3-12所示。浮箍內部結構與浮鞋基本相同,但沒有引導套管下入的圓形凸頭(圖3-13)。浮鞋與浮箍的主要作用是:阻止沖洗液進入套管並產生浮力減輕升降系統、鉆塔及套管連接處的負荷;註水泥結束後阻止水泥漿回流,防止水泥塞上移,保證水泥返高。浮箍上部的球座擋板即為註水泥時膠塞下行的承托環(也稱阻流環),下套管時將浮箍裝在水泥塞預定位置,在替沖洗液過程中,當膠塞被推到承托環時即遇阻碰壓,這時應立即停泵。
圖3-12 浮鞋結構圖
圖3-13 浮箍結構圖
浮鞋壹般用水泥和鋁材料制成,浮箍壹般用生鐵或鋁材料制成。在特殊情況下,浮鞋與浮箍也可同時使用,以保證浮箍不損壞,起到雙保險作用,有時為了三保險還加兩個浮箍,以滿足水泥返高等要求。
地質巖心鉆探多采用較為簡易的回壓凡爾浮箍形式(圖3-14),浮箍用生鐵制成,其螺紋與套管下部內加厚接箍連接,浮球用膠木或尼龍制成。這種形式結構簡單,加工方便成本低。
圖3-14 簡易回壓凡爾式浮箍
(六)尾管設計
尾管是指與主套管(或上層套管)底部相連而口徑小1～2級的套管。設置尾管可節約管材(無需從孔底下至孔口),減輕套管重量。
尾管懸掛裝置是下尾管的關鍵器具,它借助液壓力或機械力使尾管牢固地連接在上壹層套管上,達到護壁和固孔目的。尾管懸掛技術在油氣鉆井中應用較為廣泛,目前主要有封隔式、旋轉式、機械式、液壓式、膨脹式等尾管懸掛器,如圖3-15所示。
在地質巖心鉆探中,由於孔徑較小,套管間的環狀間隙小,尾管懸掛裝置橫向尺寸受到限制,給懸掛裝置設計帶來難度。近年來,為了適應深部鉆探的需要,部分地勘單位也進行了小口徑尾管懸掛技術的嘗試與研究。安徽省地礦局313地質隊探礦工程技術研究所設計的小口徑簡易尾管懸掛裝置在使用中取得了良好的效果。小直徑尾管懸掛裝置結構如圖3-16所示。小口徑尾管懸掛裝置主要設計尺寸見表3-7。
圖3-15 典型尾管懸掛器
(a)卡瓦封隔式;(b)旋轉式;(c)機械式;(d)液壓式;(e)膨脹式
圖3-16 小直徑尾管懸掛裝置
(a)懸掛座;(b)反脫接頭
表3-7 小口徑尾管懸掛裝置主要設計尺寸
小口徑尾管懸掛裝置工作原理示於圖3-17,該裝置利用上層套管座內錐面和尾管懸掛座外錐面相吻合的機構,實現在重力作用下的嵌入自卡來懸掛尾管。為了增加懸掛錐面間的摩擦阻力,在尾管懸掛裝置下到位後,從鉆桿內投入分水鋼球,並投放1kg左右細顆粒(Ф0.5～Ф1.0mm)鋼砂或石英砂,用泵將石英砂通過分水口送至上層套管座和尾管懸掛座間隙中。然後正向回轉鉆桿將反脫接頭回扣提出孔口,尾管便安裝結束。若尾管安裝後需要水泥固井,應提前在尾管下端鉆3～4個直徑15mm的返漿孔(為保證尾管強度不要在同壹橫截面鉆孔)。註水泥漿時,將鉆桿下入尾管底部進行註漿固孔。
圖3-17 小直徑尾管懸掛裝置工作原理示意圖