大口径井套管安全下放关键技术及应用

2021-03-04莫海涛郝世俊

煤矿安全 2021年2期

莫海涛，郝世俊

（1.煤炭科学研究总院，北京100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

煤矿地面大口径井将地面、井下直接连通，可作为下放电缆、抽排瓦斯（水）、通风降温、应急救援等的通道[1-3]。根据大口径井的主要用途，大部分完井直径在φ500～φ1 500 mm 之间；在施工方法方面，受限于井下巷道布设、使用及运输条件等的实际情况，绝大部分煤矿地面大口径井采用正向钻进工艺施工后下套管固井、完井[4]。

由于完井井径大，配套使用的套管外径也较大，主要选用无缝钢管、螺旋钢管或直缝钢管。与石油标准规格的螺纹连接套管不同，大口径套管采用焊接连接下放。套管外径大，为确保管材稳定，其壁厚也较厚，因此下入井内的套管总质量大，一般均超过钻机提升力。鉴于大口径套管特殊的尺寸、较大的质量、焊接连接等特点，其下放工艺具有独特性，包括通井、提吊、焊接、下放等过程与常规石油套管下放有本质区别。

大量的实例表明，大口径套管下放过程中若出现事故，处理难度极大，废井风险极高[5]。因此，需对大口径套管下放过程中的关键技术予以重视，采取专门的措施保障套管安全下放。

1 通井

由于大口径井揭露的井壁裸露面积大，为维护井壁稳定性需适当提高泥浆黏度，由此可能形成较厚泥皮[6]；同时，掉块造成局部井径扩大，也有可能形成“台阶”阻碍套管下放。诸多不确定因素要求在大口径套管下放前须进行通井，以检查、修复井壁，确保套管顺畅下放。石油行业通井一般可理解为划眼，但大口径井通井不能简单的用划眼替代，应尽可能模拟套管实际下放的作业环境，通井管选用单根套管。由于大口径套管外径大，通井作业的钻具连接方式有其特殊性。大口径井通井作业钻具连接示意图如图1。

图1 通井作业钻具连接示意图Fig.1 Schematic diagram of work over operation drilling tools

通井钻具加工及作业要求如下：

1）通井管利用单根套管加工，长度小于单根钻杆长度，便于加工及通井作业。

2）套管外壁镶焊硬质合金块。

3）将钻杆居中穿过套管，上下两端焊接稳固板，使钻杆稳定在套管中轴线。

4）钻杆上部接钻具，下部接扩孔钻头。钻头直径略大于套管外径。

2 提吊

大口径井套管下放时的提吊工具主要有2 种：吊卡和提吊棒。

2.1 吊卡

石油套管已有标准规格系列，相应的吊卡也应用广泛。借用石油套管吊卡原理，可加工大直径吊卡用于套管下放。采用吊卡下放套管的优点是现场操作方便，但需在套管两端首先焊接管箍；另外，由于大口径井属特殊用途井，井眼尺寸和套管规格需根据钻井实际需求设计，暂无通用的标准尺寸系列，因此为某个大口径井套管下放而专门加工的吊卡不具有使用的普遍性。

2.2 提吊棒

提吊棒是大口径套管下放过程中专用的工具，相比于特制吊卡，适用性广泛。提吊棒实质就是铁棒，大口径套管提吊棒使用示意图如图2。使用提吊棒时，需将套管两端处打孔，切下的管壁圆块在套管下放时还需焊接补上；两孔位于套管同一截面直径线的两端，孔径略大于棒直径。

图2 井口套管提吊棒使用示意图Fig.2 Schematic diagram of lifting iron bar usi ng at wellhead

提吊棒成对使用，长度应大于井口支架的距离，两端加工安全销孔，安设销钉，防止提吊钢丝绳脱落。1 根用于提吊已下入井内的套管，另1 根用于提吊准备焊接的套管。提吊棒材质和直径的选择是关键，其依据是确保不会受套管重力作用产生的剪切力过大而发生剪切破坏。根据剪切应力公式[7]：

式中：τ 为剪切应力，MPa；F 为剪切力，N；A 为提吊棒横截面积，m2；［σ］为许用应力，MPa。

直接下放套管时，剪切力等于套管重力的1/2。以下放φ720 mm×20 mm 的套管500 m（套管自重约172.63 t）为例，若采用Q235 材质的圆钢棒（最小抗剪强度计124 MPa[7-8]），则圆钢棒直径须大于47 mm。使用钢丝绳提吊套管下放稳定在井口支架上后，用同样方法提吊另1 根套管与井口套管焊接。焊接稳固后，提吊上部套管，抽出井口套管提吊棒，将其切下来的管壁圆块焊接封堵穿孔，再将2 根套管提吊入井。以此类推，下放所有套管。

3 套管的对正与焊接

大口径套管采用焊接连接下放，焊接的要求主要有2 点：一是焊缝质量好；二是套管同轴。焊缝质量通常参考GB/T 31032—2014《钢质管道焊接及验收》执行，采用氩弧焊或二保焊对接焊接。套管同轴是确保套管顺利下放的基本要求，有利于提高套管柱的整体性，也是大口径井作为连通通道的根本保证。理论上套管轴线应与套管端口面垂直，只需提吊将2 套管对接后即可焊接。但由于套管加工过程中的误差，简单的将2 根套管端口对正焊接并不能确保同轴。为了确保套管同轴，大口径套管连接处采用焊接扶正板，消除上部套管对接时的错位。套管连接时安设扶正板示意图如图3。

图3 套管连接时安设扶正板示意图Fig.3 Schematic diagram of casing pipe connection with centralizing plates

4 提吊浮力法下套管

大口径套管质量一般超出钻机的提升能力，不可直接提吊下放。提吊浮力法下套管就是使用钻机提吊下套管的同时，借用套管在井内所受浮力，以抵消超出钻机提升力以外的套管自重，使钻机以不大的提升力下放套管[9]，同时也可降低提吊棒受剪切破坏的风险。提吊浮力法下套管原理图如图4。

图4 提吊浮力法下套管原理图Fig.4 Schematic diagram of lifting-buoyancy method for casing running

从图4 提吊浮力法原理可知，套管底部浮力塞能够防止井内泥浆进入套管内腔，由此产生向上的浮力F。从理论上分析，套管下放过程中在铅锤方向主要受3 个力的作用：钻机提升力T、上浮力F、自重G。上浮力F 和自重G 随着套管下入长度H（深度）增加而加大，钻机提升力T 不能高于其额定提升力Tmax，且须保留一定范围的事故处理能力余地。

套管下放过程中的主要受力的关系为：

式中：ρs为钢材密度，取7.85×103kg/m3；δ 为套管壁厚，m；D 为套管外径，m；H 为套管长度，m；ρl为井内泥浆密度，一般为（1.05～1.10）×103kg/m3。

设套管外径与壁厚的关系为D=xδ，则假如套管所受浮力与其自重相等，由式（1）有G-F=0，即：

取ρs=7ρ1，代入D=xδ，可得：

由此可知，大口径套管壁厚只要小于其外径的1/27，在提吊浮力法下放过程中所受泥浆浮力都会大于套管自重。以外径720 mm 的钢管为例，壁厚小于27 mm 都可适用，提吊浮力法在大口径套管下放过程中的应用广泛。

5 套管抗挤强度校核

由提吊浮力法原理可知，一般情况下，大口径套管下放过程中所受浮力均大于套管自重，必须适时向套管内部注入泥浆（或清水），使套管与内腔泥浆自重大于浮力，保证顺利下放。但需注意：不向套管内注入泥浆，则浮力大于套管自重，套管无法下放；向套管内注入泥浆时，又须严格控制注入量，以减小钻机提升力。因此，向套管内注入的泥浆量不能过大，套管内泥浆液面不能过高。这样就引起套管空置段长度增加，在环空泥浆压力作用下，套管受一定的液柱压力，空置套管段存在受挤压变形风险。大口径套管下放过程中，受外压挤毁模式的计算方式分2种类型[10]。

1）失稳破坏。稳定性不够，套管呈现弹性失稳破坏。由W.O.Clinedinst 提出的圆管失稳计算公式为[11]：

式中: pe为套管失稳外载荷，MPa；E 为管材弹性模量，MPa；μ 为泊松比。

2）屈服破坏。强度不够，套管发生材料屈服破坏。根据Von Mises 屈服准则有[12]：

式中: py为套管屈服外载荷，MPa；a 为管材屈服强度，MPa。

分别计算出套管失稳强度和屈服强度，选取最小值pmin作为空置管段下深的计算依据，即：

得出套管空置段的最大深度Hmax，则套管下放过程中注入套管内泥浆的液面与井口距离不能大于Hmax，并以此作为取值界限，适时注入泥浆，控制好浮力与套管及泥浆自重的关系，保证钻机以不大的提升力安全下放套管。

6 工程应用

沁水盆地某矿地面大口径瓦斯抽采井采用二开井身结构设计：一开井径1 200 mm，井深32 m，固井套管规格φ920 mm×12 mm；二开井径850 mm，井深482 m，套管规格φ630 mm×15 mm；完井后掘进巷道寻找钻孔。二开套管材质为J55，自重达109.66 t，超出钻机提升能力（额定提升力60 t），现场采用提吊浮力法下放套管。

下套管前，按照图1，利用1 根长6.8 m 套管加工通井工具，顺利通井1 次；采用材质Q235B、直径45 mm 提吊棒提下放套管，满足式（1）剪切应力要求；每根套管端口焊接4 块扶正板，套管端口有45°斜坡，采用二保焊焊接；提吊浮力法下放套管过程中，根据式（4）～式（6）计算得临界空置段管长为623.20 m，大于套管最大下深，因此回灌泥浆的主要作用是平衡下套管过程中浮力、重力与提升力关系。为尽可能保护浮力塞，使其所受压力不超过额定压力（20 MPa），保障后续固井正常进行，泥浆的回灌量应精确控制。下套管过程中回灌泥浆的相关参数计算见表1。

下套管过程中钻机提升力及浮力塞压差变化如图5。

由图5 可知，虽然套管自重超过钻机提升力，但采用提吊浮力法下套管，适时回灌泥浆，可确保钻机以不大的提升力安全下放套管，并保护浮力阀，以利于后续内插法固井。