浮力下管技术在天津东丽CGSD-01地热调查井中的应用

许本冲，和国磊，宋志彬，马汉臣，秦如雷

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)

1 工程概况

CGSD-01井是由中国地质调查局部署的地调项目“京津石地热资源调查”和“天津潘庄凸起构造区地热资源调查”，由中国地质科学院勘探技术研究所(以下简称勘探所)在天津市东丽区组织实施的一口4000 m深的地热调查井。通过施工该井，对摸清天津东丽湖地区深部热储的地质结构与空间分布、物性特征，获取系列地热-水文地质参数，评价深层地热资源及其可利用性具有重要意义。

2 钻井设备

该井由勘探所自主研制的4000 m地质岩心钻机XD-40完成一开钻井、下套管以及二开钻井的工作，由于钻机提升系统能力不足，后续施工更换ZJ40型钻机进行，直至完井。

XD-40型地质岩心钻机主要参数见表1。

3 井身结构

CGSD-01井开孔Ø660.4 mm，钻至井深76 m，下入Ø508 mm表层套管74.22 m；一开Ø444.5 mm钻至井深1469.84 m，下入Ø339.7 mm套管1463.67 m；二开Ø311.2 mm钻至井深2262.75 m。在1405.24～2262.75 m井段下入Ø244.5 mm套管857.51 m；三开Ø215.9 mm钻至井深4051.68 m，在2111.72～4051.68 m井段下入Ø177.8 mm套管1939.96 m。井身结构如图1所示。

表1 XD-40型地质岩心钻机参数表[1]Table 1 Parameters of XD-40drill rig

图1 CGSD-01井井身结构Fig.1 Casing program of Well CGSD-01

4 浮力下管理论分析

由于XD-40型钻机最大钩载为1350 kN，一开套管直径和下入深度较大，常规下套管工艺无法保证套管安全下入孔底，因此采用浮力下套管工艺进行施工，即下管时套管内掏空一定深度，不全部灌满泥浆，使套管产生浮力，减少钻机钩载。浮力下套管示意图如图2所示。

图2 一开浮力下管示意图Fig.2 Setting the first tier casing with buoyancy

4.1 套管浮力计算[2-4]

根据钻井设计，一开套管串结构如表2所示。

表2 一开套管串结构(自下至上)Table 2 Tier-1casing string(bottom-up)

计算套管全部入井后浮重M1：

M1=M-(ρ泥浆M/ρ套管)

(1)

式中：ρ泥浆——泥浆密度，取1.2 g/cm3；M——套管总质量，取132 t；ρ套管——套管密度，取7.85 g/cm3。

计算出套管在井内浮重M1=111.8 t。

根据技术要求，套管浮箍反向承压能力为5 MPa，即允许套管内泥浆液面比套管外环空泥浆液面高度低值h：

h=100P/ρ泥浆

(2)

式中：P——浮箍反向承压，取5 MPa。

经计算，h=416.7 m。考虑到套管下放时惯性力的影响，取套管内泥浆液面比环空液面低400 m。

此时，套管浮重M2为：

(3)

式中：h1——套管内外液面高度差，取400 m；D——套管外径，取339.7 mm；t——套管壁厚，取10.92 mm。

此时套管在井内浮重M2=73.7 t，满足XD-40型钻机钩载的安全载荷。

4.2 套管抗挤毁强度校核

套管挤毁损坏不仅与地质条件、固井工艺及套管柱设计有关，还与套管本身性能密切相关。已有的研究结果表明，套管的钢级、径厚比、屈服强度、几何缺陷和残余应力等因素对套管的抗外压挤毁性能都有影响[5-8]。在钢级和规格一定的情况下，几何缺陷和残余应力对套管抗挤性能的影响程度还不确定[8-10]。本工程案例校核套管强度，不考虑上述影响因素对结果的影响。

从现有计算公式来看，套管抗挤毁强度和套管材料的屈服强度有直接关系，材料的屈服强度越高，其抗挤毁能力越高，反之亦然[11-12]。由于N80材质的机械性能高于J55材质，因此选取J55钢级壁厚10.92 mm的套管进行抗挤毁强度校核。

根据API 5CT标准取值，J55材质屈服强度σs=379 MPa，抗拉强度σb=517 MPa，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3[13-16]。

根据公式[17-18]：

(4)

(5)

计算出：套管外压失稳压力Pe=16.4 MPa，套管内表面屈服压力Py=27.2 MPa。

400 m泥浆液位差产生的外压PH：

PH=ρ泥浆gh1

(6)

式中：g取9.8 N/kg。

经计算PH=4.7 MPa，小于套管的外压失稳压力Pe和内表面屈服压力Py，因此套管不会因为环空泥浆的外压挤压产生变形损毁。

5 作业程序及注意事项[19-20]

下套管固井作业对后续钻井、完井的顺利进行有着重要的影响，下管作业前需要做好充分的准备工作，作业中需要人员、设备紧密配合，确保下管作业万无一失。

下套管作业程序主要包括两大部分，下套管前的准备工作和下套管作业。

5.1 下套管前准备工作

(1)对钻机提升系统进行彻底检查和维护保养，包括绞车及操控装置、钻塔、天车和游车等部件，根据套管规格准备井口工具，确保设备状态良好，工具齐全，对发电机等应急设施进行检查，确保工作正常。

(2)套管入场后，要整齐平放在管架上，码放高度不超过3层。

(3)对套管螺纹和护丝进行检查，确保套管螺纹没有缺陷，连接可靠。

(4)对套管进行编号，使用标准通径规对入井套管逐根通径，丈量每根套管长度，并做好记录。

(5)对全井段进行同径套管通井，确保井眼畅通、井壁平滑，套管能够一次性准确下放到位。

(6)对井内泥浆进行维护，添加适量润滑剂，减小下套管时的摩阻，降低井内事故发生的概率。

5.2 下套管作业及注意事项

(1)按照场地编号顺序提吊套管，并对入井套管的编号、长度进行记录和校核。

(2)套管对扣之前不得卸下端部护丝；防止螺纹磕碰损坏。

(3)卸掉护丝后需擦干净套管外螺纹表面残余污物，然后在外螺纹上均匀涂抹专用螺纹脂。

(4)对扣时慢速下放套管，垂直对扣，人工扶正套管，对扣成功并入扣2～3圈后，再用套管钳上扣，严格依据标准《下套管作业规程》(SY/T 5412-2016)和厂家技术规范，按照不同钢级的套管额定扭矩上紧螺纹。

(5)平稳提放套管，控制下放速度，避免冲击载荷，每下入10根套管，向套管内灌注5～6 m3泥浆，严禁沉渣进入套管堵塞或卡死浮箍、浮鞋逆止阀。

6 施工过程

2018年1月9日，CGSD-01井进行一开下套管作业(参见图3)。按作业程序对扣、引扣，涂抹专用螺纹脂。下放速度控制在0.3 m/s，遇阻吨位不超过40 kN。靠近浮箍、浮鞋的套管，每2根灌孔一次；下入200 m套管后，每10根套管灌孔一次。当套管下至1065 m时，停止向套管内灌注泥浆，继续下管至设计深度。套管下到设计深度后，接循环系统，小泵量顶通，循环泥浆2 h后进行固井作业。下管用时30 h，下到设计深度时套管悬重74.2 t，与设计吻合。

图3 CGSD-01井一开下套管Fig.3 Running in hole of tier-1casing of Well CGSD-01

7 结语

CGSD-01井一开钻穿第四系和新近系地层，钻孔口径和深度较大，下入套管串尺寸大，质量大，对钻机载荷能力要求高，浮力下管工艺可有效减轻下套管作业对钻机的负荷需求，保障工程的顺利进行。落实各种技术保障措施，可有效提高下套管作业的质量和效率。严格按照规范要求进行作业，保证作业安全和作业质量，避免因操作不当造成井下套管事故或安全生产事故。