大直径钻孔内插法固井技术应用研究

徐 波

（河南省煤田地质局四队，河南 郑州 450000）

近年来，国内大直径钻井施工技术发展迅速，大直径工程井在矿井瓦斯抽排、输冰降温、强排水、通风、送料、下电缆以及矿山救援逃生等方面得到越来越广泛的应用。大直径钻井工程作为实现功能性用途的矿山建设项目，有着鲜明的工艺技术特点，与一般水文水井、矿产资源钻孔相比，在钻孔垂偏斜度、终孔点位控制、套管安装、套管固井等方面，都具有更高的技术要求[1，2]。

在大直径钻孔施工中，固井工艺直接关系着大直径钻孔的成败，在固井施工过程中，一旦发生事故，会造成很大的经济损失，严重时可能造成钻孔报废。因此，钻孔套管固井工艺的选择，就显得非常重要[3]。现结合工程实践，对大直径钻孔工程施工中内插法固井工艺进行探讨研究。

1 内插法固井技术

图1 固井浮箍结构示意图

内插法固井工艺是针对大直径钻孔套管的固井特点及特殊要求而选取的一种固井技术，是用钻杆下部连接浮箍插入头，插入套管底部的插座内, 加压后打开固定凡尔球，与钻孔环空建立泥浆循环，用注浆泵通过钻杆注水泥浆的方式，向外环空注水泥浆，使水泥浆返出地面，注浆结束后，固定凡尔球回弹，避免水泥浆倒流进套管和钻杆，完成固井。固井浮箍结构示意图如图1所示。

与传统的水泥塞固井工艺相比, 内插法固井具有以下优点：

（1）在套管内水泥浆与钻井液无混浆段, 所以在套管内可以不用清水替浆，减少施工时间。

（2）固井所需水泥浆量较常规固井法少, 节约施工成本。

（3）因使用水泥量少，可以减少因附加水泥量过大而造成的浪费和环境污染。

（4）固井结束后只需要考虑钻杆内的替浆量, 所以不但可以减少水泥使用量, 而且易准确计算替浆量，避免“替空”情况发生，同时还能缩短施工时间。

（5）不需要考虑钻扫水泥塞，减少了施工工序，缩短施工时间，提高固井效率与质量[4]。

基于内插法固井工艺的技术特点，在采用该方法进行固井作业时会出现以下问题：

（1）插入头和浮箍插座之间密封失效，造成密封不严，水泥浆回流入套管，造成钻杆“插旗杆”事故。

（2）钻井液中固相含量高，导致孔底沉沙量过大，或下套管、下固井钻具时孔口落物造成浮箍底口堵塞，无法保证固井质量。

由于固井过程不可逆，针对固井过程中出现的问题，处理不当会产生严重的后果。为了保证固井质量，防止固井事故的发生，应制定相应的技术保障措施，避免在固井过程中发生事故，确保钻孔施工安全与固井质量。

2 工程实例

2.1 工程概况

河南某矿业公司地面注浆站扩能改造送料孔工程，按二开井深结构设计，终孔孔径Φ350mm，完钻井深670m，孔内下入Φ273mm×10mm 注浆套管至670m，套管采用焊接方式连接，二开完井钻孔结构如图2 所示。

为确保输浆管路安装及后续施工作业的安全顺利进行，需要对注浆套管进行水泥浆固井。本钻孔二开井深大，注浆管为螺旋焊管，且为对焊连接，常规石油固井方案混浆段无法控制、施工作业时间长，风险大，且无法保证固井质量，采用常规水泥塞固井方法作业时间长，因此本钻孔注浆套管固井施工采用内插法固井工艺。

2.2 套管结构设计

本钻孔共下入56 根Φ273mm×10mm 注浆套管，全长670m，其中尾管长2.7m，浮箍长0.4m，浮箍下深667.3m，浮箍与上部套管采用焊接方式连接。为保证焊缝强度，在套管上加焊筋板，前20 根套管，每根套管上均匀预焊3 块筋板，后36根套管，每根套管上预焊4 块筋板。套管串结构：尾管+ 浮箍+Φ273mm 套管串。

图2 井深结构示意图

2.3 水泥用量及钻杆替浆量计算

2.3.1 水泥用量

根据钻孔结构及套管串结构设计情况，计算得到需要水泥浆总体积为26.97m3，井径扩大率按10% 计算，需要水泥浆共29.67m3。本次固井设计泥浆比重为1.65g/m3，水灰比为0.745:1，计算得共需干水泥28t。

2.3.2 替浆量计算

此次固井采用内插法固井工艺，只在钻杆及管线内有残留的水泥浆，套管内理论上无水泥浆，所以在计算替浆量时，只需要考虑高压管线及钻杆内的水泥浆。经计算管线及钻杆内替浆量为6.28m3。在施工时，要精确控制替浆量，避免发生“替空”质量事故。

2.4 安全技术保障措施

为了提高固井质量，防止固井施工的发生，应制定相应的技术保障措施，避免在固井过程中发生事故，确保本钻孔固井安全与固井质量。具体措施有[5]：

（1）浮箍安装前要严格检查插座、插入头及其密封圈等各部件的质量；并对浮箍各部件进行校核，确保浮箍各附件安全可靠，保证浮箍入井后各部件能正常工作。

（2）在下套管和固井前要做好冲孔工作，充分循环钻井液，减少钻井液固相含量，确保井内无沉砂，同时应尽量减少固定凡尔和凡尔阀座被冲刷的时间，避免浮箍工具失效。

（3）做好技术交底工作，明确在下套管和下钻过程中，要抓牢各种工具，避免杂物掉入套管和钻具内，造成浮箍工具关闭失灵。

（4）当插入头位置距浮箍9m 时，应先开泵循环钻井液，冲洗浮箍上的沉砂，同时缓慢下放固井钻具，使插入头进入插座内，禁止快速下放钻具，破坏浮箍内附件或损坏插入头密封圈，造成密封失灵。

（5）接方钻杆开泵顶通环空内钻井液，同时观察套管密封钢板上压力表读数是否有变化，若有则说明插入头处密封不严密，应查明原因并采取有效措施确保插入头处密封严密可靠。

（6）如果在注水泥浆或者替浆过程中发现井口压力表显示异常，应及时调整注浆排量，查明原因，直到压力正常后再调整至正常排量。

（7）在固井或替浆过程中应确保井口各装置密封可靠，防止因密封问题造成固井事故的发生。

2.5 固井施工流程

本钻孔内插法固井的流程为: 循环钻井液→排空套管内空气→注隔离液→制浆、泵送浆液→替浆→上提钻具、冲洗残留的水泥浆。

具体施工过程：

（1）套管下设到设计位置后，在套管内下入固井钻具，钻杆与套管之间环空在井口处用环形钢板焊接密封。在密封钢板上加装注水阀、排气阀和压力表。

（2）循环泥浆，观察是否有异常现象，确保泥浆循环流畅。

（3）通过注水阀向套管内注清水，打开井口排气阀，排空套管内空气。

（4）从钻轩内注清水6m3作为隔离液，达到隔离泥浆和水泥浆及冲洗孔壁的作用。

（5）使用混合器配制水泥浆时，下灰入混合器开始配浆，并连续测量比重达到1.65g/cm3时，用注浆泵将水泥浆送入井内，直至水泥浆反出地面。

（6）用清水6.28m3替出钻杆内的水泥浆，孔底留水泥塞2.7m。

（7）打开井口密封钢板，上提钻具，开泵冲洗钻具内残留水泥浆后起钻，固井结束。

本次固井施工过程中无异常情况发生，水泥浆密度达到设计要求并全部返出地面，候凝48 小时后用钻具探查水泥塞底面，经甲乙双方确认此次固井达到设计要求，能满足后续施工作业需要。

3 结论

（1）本此钻井工程采用内插法固井工艺，安全顺利的完成了固井任务，保证了固井质量，达到了设计要求，为后续施工作业提供了安全保障。

（2）采用内插法固井工艺，缩减了施工工序，节约了施工成本，提高了施工效率。为今后大直径钻孔固井施工具有一定的借鉴意义。

（3）内插法固井施工时，要确保浮箍装置各附件安全可靠，避免因为固井工具失灵而引起事故。