劉文新，張長(zhǎng)茂，鮑洪智，李硯智，宋少輝

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北衡水 053000)

YR－3井井身井管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及固井技術(shù)

劉文新，張長(zhǎng)茂，鮑洪智，李硯智，宋少輝

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北衡水 053000)

以YR－3井為例，闡述了牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽飶南路規(guī)r－白云巖完整地層鉆取地?zé)崴畷r(shí)的多級(jí)成井結(jié)構(gòu)及固井技術(shù)。該技術(shù)可有效地克服因地層漏失造成的孔壁坍塌及因設(shè)備能力偏小而造成的固井困難。經(jīng)多眼井施工證明，該方法是牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽锛邦愃频貙拥責(zé)峋┕さ挠行Х椒ā?/p>

地層漏失;坍塌;多級(jí)成井結(jié)構(gòu);水泥固井

1 概述

地?zé)崴鄰氖規(guī)r－白云巖地層中鉆取，其上部經(jīng)常覆蓋第四系、第三系及其它古老地層。近年來，由于地下水的大量開采，造成一些地區(qū)石灰?guī)r－白云巖地層水位嚴(yán)重下降，當(dāng)鉆遇該地層時(shí)經(jīng)常遇到泥漿嚴(yán)重漏失，若采用一次性下管，會(huì)導(dǎo)致上部松散地層坍塌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成埋鉆事故。為保證施工安全，在鉆至取水層前需兩三次下入不同徑別的井管作為技術(shù)套管進(jìn)行對(duì)接，同時(shí)為穩(wěn)固井管、封堵地層、防止不同水層間的相互污染，需要進(jìn)行水泥固井。2009年，我隊(duì)施工的YR－3井就是上述地層的典型地?zé)峋┕ぃ摼┕ど疃?200 m，出水溫度80℃，施工工期90天，質(zhì)量?jī)?yōu)良。

YR－3井位于河北省牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽飽|部邊緣，地處河北省永清縣境內(nèi)。河北省牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽餅槿A北地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)的地?zé)岬刭|(zhì)條件最好的地?zé)崽?，該地?zé)崽锬掀鸷颖笔⌒劭h，北至河北省固安縣牛馱鎮(zhèn)一帶，地?zé)崽锓譃?個(gè)大的熱儲(chǔ)層:一是上第三系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層，含水層以中細(xì)砂巖為主，膠結(jié)松散，底界深度500～1000 m，成井后水溫在45～55℃之間;二是基巖熱儲(chǔ)層，包括青白口系、薊縣系鐵嶺組和霧迷山組。其中薊縣系鐵嶺組和霧迷山組為主要熱儲(chǔ)層，目前已大量開發(fā)利用，地?zé)峋饕植荚谛劭h縣城、白洋淀溫泉城和固安縣牛馱鎮(zhèn)一帶;主要巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和燧石條帶白云巖，可鉆性6～11級(jí)，出水溫度65～91℃。近年來，隨著地?zé)峋當(dāng)?shù)量的迅速增多，地?zé)崴拇罅块_采，水位大幅下降。據(jù)資料顯示，雄縣縣城、白洋淀溫泉城和牛馱鎮(zhèn)一帶大部分地?zé)峋撵o水位已由1995年開發(fā)初期的自流量20～110 m3h，水頭高10～22 m，降至目前靜水位60多米以深;地?zé)崽镩_發(fā)初期的一些井，由于泵室管下得少(100 m左右)，已出現(xiàn)或面臨抽不上來水的境況;同時(shí)由于水位下降(熱儲(chǔ)層壓力下降)，部分井在剛鉆開基巖風(fēng)化殼時(shí)就出現(xiàn)了因泥漿驟然漏失而造成上部松散地層坍塌的問題。YR－3井薊縣系取水層埋藏較深，上覆地層復(fù)雜，為牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽镙^難施工的一眼地?zé)峋?，施工工藝頗具代表性?，F(xiàn)將該井施工中的井身井管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及井管固井技術(shù)措施作一介紹，以供參考。

2 地層情況

0～410 m，第四系覆蓋層;410～900 m，上第三系明化鎮(zhèn)組地層;900～1400 m，寒武系地層;1400～1700 m，青白口系地層;1700～2200 m，薊縣系鐵嶺組及霧迷山組灰?guī)r－白云巖地層。

3 井身井管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 井身井管結(jié)構(gòu)

圖1 YR－3井井身井管結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)計(jì)原則

(1)考慮出水量及牙輪鉆頭直徑要求，取水層井徑應(yīng)不小于152.4 mm;地層穩(wěn)定，采用裸眼。

(2)該地區(qū)對(duì)生產(chǎn)井要求上部技術(shù)套管(泵室管)直徑≮339.7 mm，長(zhǎng)度≮300 m。

(3)鉆遇寒武系地層后，可能存在灰?guī)r裂隙而導(dǎo)致泥漿漏失，從而造成上部松散地層坍塌，二開深度設(shè)計(jì)到寒武系地層頂部。

(4)寒武系、青白口系地層中的泥灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖遇水易膨脹、坍塌，應(yīng)下入技術(shù)套管保護(hù)。三開深度設(shè)計(jì)到薊縣系完整灰?guī)r－白云巖頂部。

(5)石油套管應(yīng)與牙輪鉆頭尺寸合理配合。

(6)為穩(wěn)固井管、保證密封，井管對(duì)接長(zhǎng)度≮30 m。

考慮以上主要因素，該井設(shè)計(jì)為四開結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮受施工場(chǎng)地及固井設(shè)備能力限制，第二、三次下管后采用穿鞋－戴帽水泥固井。

4 施工設(shè)備

GZ－2000型鉆機(jī)，TBW－1200/7B型泥漿泵，配套電動(dòng)機(jī)，備用發(fā)電機(jī)。

5 水泥固井

5.1 水泥選擇

固井水泥一般選擇API中的A級(jí)(普通型)、G級(jí)油井水泥。YR－3井選擇A級(jí)油井水泥，其深度范圍0～1830 m，溫度77℃以內(nèi)。主要物理性能:水灰比0.46時(shí)，初級(jí)稠度＜30;稠化時(shí)間＞90 min (在45℃、27.2 MPa試驗(yàn)條件下);抗壓強(qiáng)度12.66 MPa(在38℃、常壓、24 h養(yǎng)護(hù)條件下)。

5.2 水泥漿配置

現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好30 m3左右的水泥池(大于一次固井配制水泥漿量)，水泥池平時(shí)儲(chǔ)存鉆井用清水，固井時(shí)做配制水泥漿用。

(1)配制1 m3水泥漿需用水泥量計(jì)算公式:

式中:Q——需用水泥質(zhì)量，t;ρc——水泥密度，g/cm3; ρw——配漿水密度，g/cm3;ρs——水泥漿密度，g/cm3。

(2)配制1 m3水泥漿用水量計(jì)算公式:

式中:m——水灰比;Vw——用水量，m3。

(3)計(jì)算環(huán)空水泥漿用量時(shí)應(yīng)考慮不同地層的超徑系數(shù)。

(4)常用不同密度水泥漿的水灰比、體積與質(zhì)量換算見表1。表1中取干水泥重度為3.15 g/cm3。

表1 常用不同密度水泥漿的水灰比、體積與質(zhì)量換算

(5)現(xiàn)場(chǎng)水泥漿配制可采用以下幾種方法:①按規(guī)定水灰比在攪拌機(jī)中少量攪拌，均勻后放入水泥池，達(dá)到用量后用泥漿泵一次性注入井內(nèi);②水泥池中放入所需水量，邊倒入干水泥邊用泥漿泵高壓回水噴槍攪拌，均勻后用泥漿泵注入井內(nèi)(若水泥漿用量大可分2次以上攪拌注入);③將泥漿泵回水噴槍連接在放于水泥池邊的攪拌漏斗下部的水管上，泥漿泵吸水管放入水泥池水中，開啟泥漿泵，倒入漏斗內(nèi)的干水泥經(jīng)漏斗下部高速水流沖刷、混合至水泥池，達(dá)到用量后再用泥漿泵回水噴槍直接攪拌均勻后注入井內(nèi)。

5.3 固井技術(shù)措施

5.3.1 0～330 m井段

(1)因井管內(nèi)徑較大，泵量相對(duì)較小，如果從密封井口直接壓入水泥漿，水泥漿在管內(nèi)下流速度較慢，易形成竄流，因此不能從密封井口直接向井管內(nèi)注入水泥漿。

(2)鉆桿下深至320 m左右，井口密封，注完替漿水后井管底部應(yīng)留有3～5 m水泥漿柱，保證井管底部的固井質(zhì)量。關(guān)閉高壓閥門，防止水泥漿倒返。水泥漿柱上部至鉆桿底部要留有一定高度的水柱，以防因替漿水計(jì)算誤差、實(shí)際注入量誤差，導(dǎo)致因替漿水偏少鉆桿被水泥固住，或替漿水偏多水泥漿被完全頂出井管。

(3)待水泥凝固2 h左右后，打開高壓閥門及回水閥門，若返水則關(guān)閉閥門繼續(xù)候凝，至水泥漿達(dá)到初凝不返后，打開密封提出鉆桿。

(4)候凝時(shí)間必須確保水泥石強(qiáng)度達(dá)3.5 MPa以上時(shí)方可鉆掉水泥塞。

5.3.2 300～910 m井段

實(shí)際施工中由于各種條件限制，經(jīng)常無法使用大型固井設(shè)備，而現(xiàn)場(chǎng)由于泥漿泵額定泵壓(7 MPa)所限，難以實(shí)現(xiàn)244.5 mm技術(shù)套管全段水泥固井。在有效穩(wěn)固井管、防止不同水層相互污染的情況下，需要采用穿鞋－戴帽的固井方法。水泥漿從244.5 mm技術(shù)套管底外環(huán)隙上返300 m，套管頂外環(huán)隙壓入100 m，完全封堵第四系地層，防止第四系、第三系地層水層間的相互污染。

(3)先后注入前置液、水泥漿、替漿液。

(4)倒扣后鉆桿上提1～2 m，待水泥漿初凝一段時(shí)間后開始戴帽注水泥漿。

(5)井口封閉前將鉆桿內(nèi)的泥漿用清水替出(用清水易于壓漏含水層)。

(6)井口封閉后泵入清水直至壓漏含水層(壓漏泵壓一般為3～6 MPa)，如遇壓漏困難，可將泵壓憋至額定泵壓值后保持一段時(shí)間，泵壓會(huì)慢慢下降，證明已壓漏地層，待泵壓下降至穩(wěn)定后先注人適量隔離液，然后開始戴帽注入水泥漿。

(7)泵入替漿液，打開井口密封，提出鉆桿，待水泥漿候凝。

(8)檢驗(yàn)固井質(zhì)量，要求泵壓6 MPa，30 min內(nèi)泵壓下降小于0.5 MPa。

5.3.3 880～1710 m井段

采用穿鞋－戴帽固井方法。穿鞋水泥環(huán)高度300 m，戴帽水泥環(huán)高度100 m。水泥固井主要目的是為了穩(wěn)固177.8 mm技術(shù)套管，封堵、隔離寒武系與青白口系灰?guī)r水。固井方法與244.5 mm技術(shù)套管固井方法相同。

5.4 相關(guān)技術(shù)措施

(1)下管前如遇漏失地層要調(diào)整泥漿性能進(jìn)行堵漏;基巖微小縫隙漏失用單封、鋸末及其它堵漏材料堵漏;基巖大裂隙用水泥堵漏。必要時(shí)在水泥漿中加入適量堵漏劑。

(2)為保證井內(nèi)井管居中，防止水泥漿環(huán)竄槽，管外應(yīng)下入扶正器。

(3)固井前泥漿泵工作正常，備好備用動(dòng)力源。(4)替漿水計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)際注入量準(zhǔn)確。

(5)井口密封處要焊接牢固，不得有砂眼、裂縫。通過注水泥漿前先循環(huán)泥漿或戴帽前的頂漏可檢查井口密封情況，確認(rèn)密封牢固后再注入水泥漿。

(6)注入水泥漿前應(yīng)先注入一定量的前置液，達(dá)到清洗、緩沖、隔離的作用。

(7)戴帽注水泥漿有時(shí)會(huì)遇到以下情況:①地層被壓漏后井內(nèi)靜止液面失去平衡下降，泵壓幾乎為零。如果將鉆桿停留在井管頂部注入水泥漿，井內(nèi)液柱壓力平衡后會(huì)導(dǎo)致水泥漿環(huán)下移，達(dá)不到戴帽效果。應(yīng)通過計(jì)算，將鉆桿上提一定高度后注入水泥漿(提升高度應(yīng)為注入水泥漿后井內(nèi)液柱達(dá)到壓力平衡后液面下降的高度)，以保證液柱壓力平衡后水泥漿環(huán)正好處于戴帽位置。②為保證戴帽注水泥成功，穿鞋水泥環(huán)上部井段應(yīng)留有含水層，含水層位置根據(jù)測(cè)井及鉆進(jìn)泥漿漏失情況確定，必要時(shí)應(yīng)減少穿鞋水泥環(huán)高度，增加戴帽水泥環(huán)高度。

(8)整個(gè)注水泥過程應(yīng)嚴(yán)格控制在水泥漿稠化時(shí)間之內(nèi)(一般不超過2 h)。

6 前置液的注入

在注入水泥漿之前應(yīng)先注入前置液，前置液按其所起作用分為沖洗液和隔離液。沖洗液的作用是稀釋和分散鉆井液，有效沖洗井壁和套管，提高水泥石與套管及地層間的膠結(jié)強(qiáng)度。沖洗液應(yīng)具有較高的流動(dòng)性，易達(dá)到紊流，并且具有很強(qiáng)的沖洗和去污能力。沖洗液的使用一定要適量，否則會(huì)沖垮井壁，造成井內(nèi)事故。本井采用CMC水溶液作為沖洗液，密度為1.02～1.03 g/cm3，用量在環(huán)空中占200 m左右高度。

隔離液是在沖洗液之后注入，其作用是有效隔開沖洗液與水泥漿，能形成平面推進(jìn)型的頂替效果，對(duì)低壓、漏失層可起緩沖作用，具有較高的浮力及拖拽力。隔離液一般為粘稠的液體，其粘度較沖洗液要大，密度稍高，靜切力應(yīng)稍大。本井隔離液采用CMC提粘、重晶石粉提高密度，粘度30 s，密度1.25 g/cm3(鉆井液粘度為25 s、密度為1.18 g/cm3)。

7 提高注水泥質(zhì)量的措施

注水泥過程中由于管外水泥漿充填不完整，會(huì)造成不能有效地封隔不同水層，以及因固井質(zhì)量不良在生產(chǎn)中引起套管的變形，為防止此類現(xiàn)象發(fā)生，就要提高水泥漿的頂替效率，防止注水泥漿過程中發(fā)生竄槽，需要采取以下措施。

(1)保證井管在井內(nèi)居中。采用套管扶正器，改善套管居中條件，在井斜角、方位角變化不太劇烈的井段采用彈性扶正器，在井斜角、方位角變化較大的井段采用剛性扶正器。

(2)條件允許的情況下，在注水泥過程中活動(dòng)套管，活動(dòng)套管時(shí)由于摩擦阻力的存在，會(huì)使鉆井液與套管一起運(yùn)動(dòng)，使鉆井液獲得一個(gè)牽引力，這個(gè)力使死區(qū)的鉆井液獲得一定的流動(dòng)速度，幫助水泥漿替走該區(qū)的鉆井液。YR－3井在第二、三次下管固井時(shí)采用了上下活動(dòng)套管的方法，有利于提高注水泥質(zhì)量。

8 固井工程中的防漏堵漏措施

施工相關(guān)井經(jīng)常遇到的難點(diǎn)是井漏問題，一是下管前鉆進(jìn)中的井漏問題，二是固井過程中的井漏問題，二者屬于同類性質(zhì)。即使下管前進(jìn)行了有效堵漏，尤其是用在泥漿中加入堵漏材料的方法解決石灰?guī)r孔洞地層的大量漏失，固井過程中很可能再次發(fā)生井漏。采用正確的固井措施可以有效預(yù)防固井工程中井漏的發(fā)生。

8.1 固井工程中的防漏措施

(1)控制下管速度，從而控制環(huán)空流阻增加與壓力“激動(dòng)”。

(2)下管過程保持環(huán)空泥漿流動(dòng)，不產(chǎn)生過大結(jié)構(gòu)力。井管下部安裝單向凡爾，下管過程中井內(nèi)泥漿不進(jìn)入井管而從管外環(huán)空返出，可保持環(huán)空泥漿流動(dòng)。

(3)井管下至設(shè)計(jì)井深后，控制小排量頂通，在井下流體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充分破壞后，逐漸增大排量。

(4)水泥漿上返接近預(yù)返高度時(shí)，由于環(huán)空液柱壓力有較大增長(zhǎng)，應(yīng)嚴(yán)格控制頂替排量。

(5)降低水泥漿、泥漿的密度，以減小環(huán)空液柱壓力。必要時(shí)可考慮降低水泥上返高度。

(6)調(diào)節(jié)水泥漿、泥漿的流變性，降低環(huán)空流動(dòng)阻力。

(7)在水泥漿中加入堵漏材料，對(duì)高滲透、微縫地層有防漏效果。

(8)對(duì)井深底部以上100 m以內(nèi)的完全漏失層，下管前必須進(jìn)行水泥堵漏，以保證穿鞋水泥環(huán)高度≮100 m。

8.2 固井工程中的堵漏措施

(1)穿鞋高度內(nèi)如有不完全漏失層，可在該層頂部安裝水泥傘，以托住水泥環(huán)，保證穿鞋水泥環(huán)有一定高度。是否安裝水泥傘應(yīng)根據(jù)漏失層距井底距離確定，必須保證戴帽注水泥時(shí)能壓漏地層。

(2)穿鞋高度內(nèi)如有完全漏失層，水泥環(huán)返高至該層底部。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)地?zé)徙@探設(shè)備施工能力的提高，地?zé)峋┕ど疃炔粩嘣黾?，鉆遇地層越來越復(fù)雜，施工難度也越來越大。采用分級(jí)鉆探、分別(次)下管的施工工藝，一是可以有效解決因施工下部易漏失地層(包括取水層)時(shí)上部不穩(wěn)定地層產(chǎn)生的縮徑、坍塌等問題，二是可以減輕鉆機(jī)提升力。采用穿鞋－戴帽注水泥方法，既可以減小注水泥時(shí)泥漿泵的壓力，彌補(bǔ)泥漿泵額定壓力偏小的問題，還可使井管對(duì)接處得到有效封堵。選用API石油套管和API油井水泥，提高了井管強(qiáng)度和固井質(zhì)量，保證了地?zé)峋删|(zhì)量。

［1］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2000.

［2］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2005.

［3］田京振，李硯智.河北省牛馱鎮(zhèn)地?zé)崽镢@探工藝［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8).

［4］張明昌.固井工藝技術(shù)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2011.

［5］馬忠平，李振杰，等.天津地區(qū)地?zé)徙@井及成井技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(12).

Design of Casing Program for YR－3 Well and the Cementing Technique

LIU Wen-xin，ZHANG Chang-mao，BAO Hong-zhi，LI Yan-zhi，SONG Shao-hui(No.3 Team of Hydrogeology and Engineering Geology，Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration，Hengshui Hebei 053000，China)

With the example of YR－3 well，the paper discussed the multilevel well completion structure and cementing technology of drilling for geothermal water in underlying limestone-dolomite complete formation of Niutuozhen geothermal field.With this technology，borehole collapsing caused by circulation loss and cementing difficulties due to low equipment capacity can be effectively solved.Construction of several wells proved that it is a successful and effective method for Niutuozhen geothermal field and the similar ones.

circulation loss;collapsing;multilevel well completion structure;slurry cementing

TE249

A

1672－7428(2012)06－0035－04

2011－12－15;

2012－02－03

劉文新(1965－)，男(漢族)，河北武邑人，河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事水文水井、地?zé)峋?、油氣井及可溶鹽對(duì)接井等鉆探施工技術(shù)及管理工作，河北省衡水市紅旗大街808號(hào)，lwxswsd@163.com;張長(zhǎng)茂(1964－)，男(漢族)，河北深州人，河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事水文水井、地?zé)峋⒂蜌饩翱扇茺}對(duì)接井等鉆探施工技術(shù)及管理工作，hbssdzgs@126.com。