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发布时间：2022-04-20 11:31
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时间：2023-06-22 02:34
钻孔结构设计确定之后,需进行套管结构设计,其主要内容是套管的级配、上返水力计算、套管内外扶正与密封、套管座及尾管设置等。套管结构设计是安全钻进的重要保障。
(一)套管的级配
深孔及特深孔钻探一般设计4～6层套管。每层套管的内外径规格及级配关系原则上应符合《地质岩心钻探规程》所对应的口径要求。目前我国地质岩心钻探口径系列及套管级配关系如表3-5所列。
表3-5 地质岩心钻探钻进口径与套管级配推荐表
在实际施工中,根据地层的复杂程度,可将上部套管直径加大,以增加套管预留层数。套管层间级配一般是上一层套管最小内径要比下一层套管串最大外径≥5mm。为了减少扩孔次数,上一级钻进孔径应满足下一级套管下孔要求。若套管下入后需用水泥固井,套管外径与孔壁环状间隙应不小于20mm。套管内径与钻具之间的级配原则是环状间隙不大于10mm(金刚石钻进应在3～5mm之间),以保证钻具回转过程中的稳定性。
(二)钻具与套管、孔壁环状间隙水力计算
设计深孔套管结构时,要根据不同孔深条件下钻具、套管及钻孔的环状间隙核算水力参数,以确定安全钻进的最佳排量。
1.冲洗液流量计算
钻进过程中,冲洗液流量应满足携带岩粉、冷却钻头的需要。根据钻孔结构和钻具级配参数,可按下式计算正循环所需流量:
深部岩心钻探技术与管理
式中:v为冲洗液上返速度;D为钻孔内径;d为钻杆外径。
绳索取心系列口径所需最小流量推荐值见表3-6。
表3-6 绳索取心系列口径所需要的最小流量推荐值
注:表中流量推荐值以冲洗液上返流速分别为:清水1.5m/s,泥浆1m/s计算。
在实际施工中,由于上部套管内径较大,钻孔局部超径、漏失等情况,实际流量要略大于计算值。采用孔底动力时,其流量必须满足钻具正常工作所需要求。
2.冲洗液循环阻力损失计算
钻进过程中,当冲洗液流量一定时,循环阻力损失主要受循环通道总长度、钻孔环状间隙大小、钻具形态、冲洗液密度和流变参数等影响。冲洗液循环阻力损失如公式(3-2)所示:
P=k(P1+P2+P3+P4)(3-2)
式中:P1、P2、P3、P4分别为流经钻杆、环状间隙、地面管路、孔底钻具时的阻力损失,k值一般取1.1～1.4。当孔深增加到一定深度后,P1和P2占了总阻力损失的绝大部分。
钻杆内冲洗液循环阻力损失可由公式(3-3)计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:P1为循环压力降;ρ为冲洗液密度;v为冲洗液上返速度;ηe为冲洗液塑性黏度;d为钻杆内径。
钻孔环空间隙中循环压力降可由公式(3-4)计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:P2为循环压力降;l为钻孔深度;v为上返速度;ηe为冲洗液塑性黏度;D为钻孔内径;d为钻杆外径。
实际施工中影响压力损失因素较多,公式的理论计算值有一定误差。在安徽庐枞科学钻探现场,孔深3000m的N系列口径钻孔,采用无固相冲洗液钻进的循环阻力损失达8MPa左右。可通过加大钻头外径(增加钻孔环状间隙)、降低泥浆黏度等措施来降低冲洗液循环阻力损失。
(三)内套管及活动套管设置
套管与钻孔孔壁接触,以护壁为主要目的称之为外套管。外套管内下入的套管称之为内套管,分为固定式和活动式内套管。固定式内套管一部分置于套管内,其余则延伸至地层中,以分层护壁为目的,一般在终孔前不从钻孔中提出。活动式内套管主要解决套管与钻具合理级配和预留口径问题。
金刚石钻探的钻孔内活动套管设置如图3-5所示。
图3-5 金刚石钻探钻孔内活动套管设置示意图
深孔钻探设计套管串时须预留若干口径,所以多采用下活动式内套管的方法。根据现场钻进口径条件可下入多层或单层活动式内套管。多层活动套管具有稳定性好、减少对外套管敲击、保护外套管等优点,但费用增大,提拔内套管很麻烦,处理层间内套管夹卡事故难度大。单层活动套管可节约套管费用,降低提拔内套管的风险,但内外套管环状间隙较大,稳定性差,对外套管有一定的敲击作用。活动套管下入的次数及规格视钻进口径而定。在实际施工中,一般选择单层活动式内套管,以扶正措施解决内套管稳定性问题。
钻探过程中,若遇到其他措施无法护壁必须下套管的复杂地层,可提出活动套管再扩孔下入下一级套管。
(四)套管固定密封与扶正设计
1.套管固定与密封
深部钻探往往孔内下有多层套管,如套管层间不用水泥固管,就存在套管密封问题。套管密封目的是防止复杂地层孔壁沉渣流入孔内,同时防止钻屑进入内外套管间隙造成套管卡夹事故。套管的密封主要集中在地表套管口和孔内套管底两大部位。
一般孔口套管(亦称导向管)是焊接在一块钢板上并用水泥固牢,作为各层套管的承托。其他各层套管口与法兰盘连接固定,各法兰盘间设置橡胶密封圈(或胶皮垫)作为管口密封(图3-6)。钻进含油气地层时,孔口套管需安装防喷套管头。
图3-6 孔口套管密封装置示意图
1—防护套;2—法兰盘;3—固定螺栓;4—固定销;5—密封垫;6—承托钢板;7—水泥底座;8—套管
套管底部密封常采用特殊设计的套管靴(套管座),套管靴上部连接套管,下部坐落在岩层上,活动套管一般承托在外套管靴上,固定式内套管也常带套管靴,坐落在延伸的下段岩层上。套管底部的固定与密封装置如图3-7所示。
图3-7 套管底部固定与密封装置示意图
(a)外套管靴;(b)活动套管座
套管底部应坐在较完整的硬岩层上,并以斜面锥度作为密封面。施工时,先用小一级口径钻5～10m深的引导孔(亦可作沉渣孔),再用锥形钻头修0.5m深的锥形面,以便外套管靴能吻合坐入。岩石较软或破碎时,需将外套管靴用水泥固定,透孔后再下入内套管。
套管串下孔时,丝扣部位应采用环氧树脂或厌氧胶粘接以增强密封性及连接强度,防止套管脱扣。
2.套管扶正器设计
为了使孔内套管居中,增加其稳定性和刚性,需要在套管柱上安装扶正器。对固孔套管的扶正器而言,除了上述作用外,还有助于克服水泥浆窜槽,减少套管压差卡钻危险,提高水泥固井质量,减少套管与孔壁的摩擦阻力。
套管扶正器主要类型有:弹性扶正器、刚性扶正器、半刚性扶正器等,如图3-8所示。应根据孔深、孔斜、套管外环间隙等参数来选择套管扶正器。要求扶正器的过水断面大,弹性好,强度高,与孔壁接触面积小,并具有上下活动及转动性能。固孔用套管扶正器一般选择弹性扶正器,对于孔斜角较大的钻孔采用半刚性扶正器;地层复杂孔段尽量选用螺旋形扶正器。
图3-8 常用扶正器类型
弹性扶正器:(a)弓形;(b)螺旋形;(c)双弓形;(d)半刚性;刚性扶正器:(e)直形;(f)螺旋形;(g)、(h)扶正圈
活动套管的扶正器与固孔套管扶正器作用有所不同,它没有水泥环固结支撑(根据工程需要可提出孔外),因此,不仅要求扶正器对套管柱有很好的扶正稳定作用,而且要有良好的抗震和减震作用。
施工中一般在承压套管段选择刚性扶正器,受拉套管段选用半刚性扶正器。因小口径金刚石钻探的钻孔与套管、套管与套管之间环空很小,无法使用标准的扶正器产品。小口径钻探的经验表明,采用金属扶正器一旦在孔内或活动套管环空中断裂,便会造成很难处理的事故。我们曾用在套管上焊接金属材料的刚性扶正器,一般钻进2～3天即发生套管折断事故,导致无法正常钻进。针对这一问题,安徽省地矿局313地质队探矿工程技术研究所设计了一种弹塑性套管扶正器(图3-9)。这种扶正器用尼龙棒车制而成(也可压膜成型),兼有弹性和刚性,对套管有良好的抗震、减震作用。由于它不是金属材料,一旦发生套管事故也很容易处理。该扶正器先后在霍邱周集铁矿区深部钻探研究ZK1725试验孔、汶川地震断裂带科学钻探 WFSD-3孔、国家深部钻探项目赣州于都3000m科学钻探NLSD-1孔和安徽庐枞3000m科学钻探LZSD-1孔中使用,没有发生折断、卡夹等套管事故,活动套管起拔自如,应用效果很好。
图3-9 弹塑性套管扶正器
套管扶正器的安装间距也影响着套管柱的稳定性,可参考石油天然气行业SY/T5334—1996标准进行估算。金刚石地质岩心钻探所用套管壁较薄,变形量较大,目前还没有建立这方面的标准,只能凭经验确定套管扶正器间距:外套管(固孔套管)30～40m,活动套管6～9m。基岩段套管与孔壁环状间隙小于30mm固孔时,一般可不设扶正器。
(五)套管引鞋、旋流短节与浮力装置
1.引鞋
引鞋是装在套管柱底部的圆锥形带循环孔的短节,其作用是引导套管入井,防止套管底部插入井壁或刮挤井壁泥饼,并使套管底座居中。套管引鞋一般用铝、生铁、水泥或硬质木料制成,如图3 10所示。
图3-10 引鞋结构示意图
2.旋流短节
旋流短节是接在套管鞋上的一段带有左螺旋排孔的短节(图3-11),一般有8～9个出口方向倾斜向上的孔,孔径25～30mm。其作用是使水泥浆旋流上返,有利于将冲洗液替走,以保证套管鞋附近的注水泥质量。
图3-11 旋流短节结构示意图
3.套管浮力装置
套管浮力装置有浮鞋和浮箍两种形式。在引鞋中装置一个回压阀就成为浮鞋,如图3-12所示。浮箍内部结构与浮鞋基本相同,但没有引导套管下入的圆形凸头(图3-13)。浮鞋与浮箍的主要作用是:阻止冲洗液进入套管并产生浮力减轻升降系统、钻塔及套管连接处的负荷;注水泥结束后阻止水泥浆回流,防止水泥塞上移,保证水泥返高。浮箍上部的球座挡板即为注水泥时胶塞下行的承托环(也称阻流环),下套管时将浮箍装在水泥塞预定位置,在替冲洗液过程中,当胶塞被推到承托环时即遇阻碰压,这时应立即停泵。
图3-12 浮鞋结构图
图3-13 浮箍结构图
浮鞋一般用水泥和铝材料制成,浮箍一般用生铁或铝材料制成。在特殊情况下,浮鞋与浮箍也可同时使用,以保证浮箍不损坏,起到双保险作用,有时为了三保险还加两个浮箍,以满足水泥返高等要求。
地质岩心钻探多采用较为简易的回压凡尔浮箍形式(图3-14),浮箍用生铁制成,其螺纹与套管下部内加厚接箍连接,浮球用胶木或尼龙制成。这种形式结构简单,加工方便成本低。
图3-14 简易回压凡尔式浮箍
(六)尾管设计
尾管是指与主套管(或上层套管)底部相连而口径小1～2级的套管。设置尾管可节约管材(无需从孔底下至孔口),减轻套管重量。
尾管悬挂装置是下尾管的关键器具,它借助液压力或机械力使尾管牢固地连接在上一层套管上,达到护壁和固孔目的。尾管悬挂技术在油气钻井中应用较为广泛,目前主要有封隔式、旋转式、机械式、液压式、膨胀式等尾管悬挂器,如图3-15所示。
在地质岩心钻探中,由于孔径较小,套管间的环状间隙小,尾管悬挂装置横向尺寸受到*,给悬挂装置设计带来难度。近年来,为了适应深部钻探的需要,部分地勘单位也进行了小口径尾管悬挂技术的尝试与研究。安徽省地矿局313地质队探矿工程技术研究所设计的小口径简易尾管悬挂装置在使用中取得了良好的效果。小直径尾管悬挂装置结构如图3-16所示。小口径尾管悬挂装置主要设计尺寸见表3-7。
图3-15 典型尾管悬挂器
(a)卡瓦封隔式;(b)旋转式;(c)机械式;(d)液压式;(e)膨胀式
图3-16 小直径尾管悬挂装置
(a)悬挂座;(b)反脱接头
表3-7 小口径尾管悬挂装置主要设计尺寸
小口径尾管悬挂装置工作原理示于图3-17,该装置利用上层套管座内锥面和尾管悬挂座外锥面相吻合的机构,实现在重力作用下的嵌入自卡来悬挂尾管。为了增加悬挂锥面间的摩擦阻力,在尾管悬挂装置下到位后,从钻杆内投入分水钢球,并投放1kg左右细颗粒(Ф0.5～Ф1.0mm)钢砂或石英砂,用泵将石英砂通过分水口送至上层套管座和尾管悬挂座间隙中。然后正向回转钻杆将反脱接头回扣提出孔口,尾管便安装结束。若尾管安装后需要水泥固井,应提前在尾管下端钻3～4个直径15mm的返浆孔(为保证尾管强度不要在同一横截面钻孔)。注水泥浆时,将钻杆下入尾管底部进行注浆固孔。
图3-17 小直径尾管悬挂装置工作原理示意图