高压气地下储气井新型的正循环固井装置及固井方法

摘要

高压气地下储气井新型的正循环固井装置及固井方法，其特征是：由底封头(1)、不锈钢堵头(2)、堵头压杆(3)、第二道堵头(4)、套管接箍(5)、密封圈(6)、螺栓(7)、固井连接头(8)组成；第二道堵头(4)套接在堵头压杆(3)的上端外部，在底封头(1)的上段外圈套接套管接箍(5)。本发明实现了双密封，使密封更加可靠安全，第一道密封采用锥面密封，第二道密封采用3－5时套管扣密封。固井时，连接固井泵将水泥浆灌入，水泥浆从底封头(1)底部的孔(11)进入入储气钢管外环空间，装满整个外环空间，从而实现正循环固井。

说明书

技术领域

本发明涉及高压储气井进行储气井钢管井筒外环空注水泥施工过程中的一种正循环固井装置及固井方法。

背景技术

储存压缩天然气的高压气地下储气井相对其他储气装置由于具有安全性高，风险低等诸多优点，广泛应用于CNG加气站、城市天然气调峰站等场所。储气井自2002年纳入国家标准规范以来在全国发展迅猛，由于近年来石油价格高升，天然气作为石油的替代能源既环保又经济使其用途非常广泛，目前已基本取代了储气瓶、储气罐在加气站、调峰站的地位。

作为储气井建造过程中的影响储气井日后运行安全关键工施工序“固井”，在目前施工过程中采用的固井方法，都不同程度的存在着一些难于克服的不足。

现有储气井固井方法的种类和不足：

1.利用软白水带从套管的外环空实现固井，该种固井存在如下缺点：

①下套管过程中由于操作者的疏忽和失误容易造成对白水带的损坏。

②该种固井方法对地层的要求较高，一般适用于地层结构较稳定的且为轻泥浆钻井的地层时方能保证较好的固井质量。反则反之。但该种固井的优点是施工难度低，成本低且井筒的质量容易得到保证。

③白水带自身强度低，较难满足储气井对井深的要求。

2.利用钻杆实现正循环固井，这种方式应该是目前储气井固井方法的发展方向，但由于要在底封头开孔和实现封堵，设计和施工难度都非常大，因此目前现有的几种正循环固井方式都存在不足：

①固井后井内残留水泥较难清洗影响对底封头的密封质量。

②一般在固井后，多为用丝堵实现对底封头的封堵，由于井的深度原因，上扣难度较大容易造成螺纹错扣，而影响密封易泄漏。

③对操作的要求极高。由于操作者的疏忽和失误容易将因试压不合格造成储气井及储气井井位报废的巨大的经济损失，施工风险极高。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高压气地下储气井新型的正循环固井装置。该装置是对目前的几种固井装置的重要革新，除了实现本发明固井质量好以外，密封性高，能够二次密封，固井后水泥浆对储气井钢管内壁无污染等，极大的降低了储气井施工报废的风险。

本发明的另一目的是提供一种高压气地下储气井新型的正循环固井方法。

高压气地下储气井新型的正循环固井装置，其特征是：由底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3、第二道堵头4、套管接箍5、密封圈6、螺栓7组成；底封头1的底部有孔11，不锈钢堵头2的底端圆柱体与孔11的直径相同且伸进孔11中，不锈钢堵头2的底端圆柱体外圈安装有密封圈6，不锈钢堵头2的中部为锥型，不锈钢堵头2的上端与堵头压杆3的底部用螺栓7连接，堵头压杆3的内圈为圆筒形状，堵头压杆3的上段外圈安装密封圈10，堵头压杆3的中段外圈有丝扣31，底封头1内壁的中段有丝扣31；第二道堵头4的形状为圆筒帽形，第二道堵头4套接在堵头压杆3的上端外部，第二道堵头4的上部固定连接螺母12，在底封头1的上段外圈套接套管接箍5。

所述的高压气地下储气井新型的正循环固井装置，其特征是：第二道堵头4为3-5时规格的堵头。

所述的高压气地下储气井新型的正循环固井装置，其特征是：固井连接头8为套筒形状，固井连接头8的上端为喇叭口形状，喇叭口上有丝扣81，固井连接头8下端内外设置有密封圈10。

高压气地下储气井新型的正循环固井方法，其特征是：顺次进行以下步骤

步骤1、钻竖井；竖井深20-300米；

步骤2、在地面装配，将底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3、接箍5竖直装配后，旋紧堵头压杆3将不锈钢堵头2压紧底封头1的孔11；固井之前第二道堵头4未安装。

步骤3、在地面进行水压试验：在地面接通管线进行水试压，对装配好的底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3的组装件进行水压试验，至水压为33Mpa-42Mpa，稳压10-50分钟，检测无渗漏为合格，如果水压不合格，说明底封头1和不锈钢堵头2质量不合格或者安装不合格，更换底封头1和不锈钢堵头2，重新安装后进行水压试验直至合格；

步骤4、在井中安装固井装置，将装配好的底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3的组装件沿井口下放倒井底；然后进行下套管作业：根据井的深度确定套管接箍5和钢管的个数，将套管接箍5套在底封头1上，将钢管套在套管接箍5上，顺次逐级安装套管接箍5和钢管；

步骤5、进行强度试验，主要检测套管的强度，从地面水管向井内灌水，逐步加压至水压为33Mpa-42Mpa；稳压3-8小时，水压无压降为合格；如果不合格，则取出套管，更换套管，以防储气井及套管报废，直至合格；

步骤6、进行正循环固井作业，按照下面的步骤进行：

A、将固井连接头8套在堵头压杆3上，

B、固井时，旋转钻杆，将钻杆与固井连接头8连接，连接面在丝扣81处，钻杆与固井连接头8连接后，将钻杆逐根下到井底，使钻杆连接紧固，固井连接头8为套筒形状，固井连接头8的上端为丝扣81连接头形状；固井时，下钻过程中用B型钳将每根钻杆扭紧，通过固井连接头8前端导向82进入堵头压杆3的上部如图示位置，固井连接头8内外设置有密封圈10用于封堵水泥浆防止水泥浆进入套管内；

C、反转钻杆将不锈钢堵头2退出底封头1的底孔11，(退扣长度控制在30mm--60mm左右，以保证堵头压杆3与底封头1不脱扣)，连接固井泵将水泥浆灌入，沿图示箭头方向，水泥浆灌入从上向下依次为：固井专用接头8的内腔83--堵头压杆3的内腔31--堵头压杆3上的孔9--底封头1的内腔22--底封头1底部的孔11--底封头1的外部23，直至注入储气钢管外环空间，装满整个外环空间，从而实现正循环固井；

D、固井完成后，注入清水替出钻杆内水泥浆，清洗钻杆及底封头底孔11，清水量大于钻杆内容积，关上地面水泥浆管线阀门后，防止水泥浆回入钻杆内，正向旋转钻杆，扭紧堵头压杆3以压紧不锈钢堵头2，实现第一次密封；上提钻杆取出钻杆，取出固井连接头8；

步骤7、第二次密封：第二道堵头4为规格为3-5时的堵头，成锥面密封堵头，其密封原理同第一次密封，其结构是，丝扣部分为3-5时的套管长园扣，密封性高，第二道堵头4前端设有导向端13以保证上扣时不容易错扣；通过钻杆将第二道堵头4送入井内，正向旋转钻杆，扭紧丝扣，扭矩符合API扭矩标准要求；由于有第一次密封的作用，水泥浆不可能回到储气钢管内，因此保证了丝扣部分的清洁及密封效果。

高压气地下储气井新型的正循环固井方法，与原有技术相比本发明的有益效果是：

1.有别于靠传统的正循环固井装置靠回压凡尔密封，本发明保证在下套管过程中钻井泥浆不返入套管内，极大地提高了储气井密封性、可靠性。

2.有别于传统正循环固井在固井后需在井底上扣容易出现错扣，造成套管和井位报废的巨大风险。本发明第一次密封由于在固井退扣时，堵头压杆3与底封头1不脱扣，因此避免了传统正循环固井后井底对扣时容易错扣造成储气钢管串报废的巨大风险。

3.本发明由于其特殊结构，防止了水泥浆回到钢管内，因此保证了丝扣部分的清洁及密封效果。克服了传统正循环固井不易解决的难题。

4.本发明实现了双密封，使密封更加可靠安全，第一道密封采用锥面密封，不锈钢堵头2的中部为锥型；第二次密封：第二道堵头4为规格为3-5时的堵头，结构是：丝扣部分为3-5时的套管长园扣，密封性高，第二道堵头4前端设有导向端13以保证上扣时不容易错扣，第二道堵头4的形状为圆筒帽形，第二道堵头4套接在堵头压杆3的上端外部，第二道堵头4的上部有固定连接螺母12；通过钻杆将第二道堵头4送入井内正向旋转钻杆扭紧丝扣，扭矩符合API扭矩标准要求。第一道密封形式对密封面的条件的要求不高，装置保证了第二道密封处的清洁干净。由于有第一次密封的作用，水泥浆不可能回到储气钢管内，因此保证了丝扣部分的清洁及密封效果。

附图说明

附图1是本发明高压气地下储气井新型的正循环固井装置的轴向剖视图。

附图2是本发明高压气地下储气井新型的正循环固井固井方法在本固井装置中应用时，本固井装置轴向剖视图。

具体实施方式，

下面结合附图对本发明作详细说明：

见图1，高压气地下储气井新型的正循环固井装置，其特征是：由底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3、第二道堵头4、套管接箍5、密封圈6、螺栓7组成；底封头1的底部有孔11，不锈钢堵头2的底端圆柱体与孔11的直径相同且伸进孔11中，不锈钢堵头2的底端圆柱体外圈安装有密封圈6，不锈钢堵头2的中部为锥型，不锈钢堵头2的上端与堵头压杆3的底部用螺栓7连接，堵头压杆3的内圈为圆筒形状，堵头压杆3的上段外圈安装密封圈10；第二道堵头4的形状为圆筒帽形，第二道堵头4套接在堵头压杆3的上端外部，第二道堵头4的上部固定连接螺母12，在底封头1的上段外圈套接套管接箍5。

如图1所示：装置由底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3、第二道堵头4、套管接箍5、密封圈6、螺栓7等组成。

见图2，高压气地下储气井新型的正循环固井方法，其特征是：顺次进行以下步骤

步骤1、钻竖井；竖井深20-300米；

步骤2、在地面装配，将底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3、接箍5竖直装配后，旋紧堵头压杆3将不锈钢堵头2压紧底封头1的孔11；固井之前第二道堵头4未安装。

步骤3、在地面进行水压试验：在地面接通管线进行水试压，对装配好的底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3的组装件进行水压试验，至水压为33Mpa-42Mpa，稳压10-50分钟，检测无渗漏为合格，如果水压不合格，说明底封头1和不锈钢堵头2质量不合格或者安装不合格，更换底封头1和不锈钢堵头2，重新安装后进行水压试验直至合格；

步骤4、在井中安装固井装置，将装配好的底封头1、不锈钢堵头2、堵头压杆3的组装件沿井口下放倒井底；然后进行下套管作业：根据井的深度确定套管接箍5和钢管的个数，将套管接箍5套在底封头1上，将钢管套在套管接箍5上，顺次逐级安装套管接箍5和钢管；

步骤5、进行强度试验，主要检测套管的强度，从地面水管向井内灌水，逐步加压至水压为33Mpa-42Mpa；稳压3-8小时，水压无压降为合格；如果不合格，则取出套管，更换套管，以防储气井及套管报废，直至合格；

步骤6、进行正循环固井作业，按照下面的步骤进行：

A、将固井连接头8套在堵头压杆3上，

B、固井时，旋转钻杆，将钻杆与固井连接头8连接，连接面在丝扣81处，钻杆与固井连接头8连接后，将钻杆逐根下到井底，使钻杆连接紧固，固井连接头8为套筒形状，固井连接头8的上端为丝扣81连接头形状；固井时，下钻过程中用B型钳将每根钻杆扭紧，通过固井连接头8前端导向82进入堵头压杆3的上部如图示位置，固井连接头8内外设置有密封圈10用于封堵水泥浆防止水泥浆进入套管内；钻杆是内壁为圆柱体的钢管。

C、反转钻杆将不锈钢堵头2退出底封头1的底孔11，(退扣长度控制在30mm--60mm左右，以保证堵头压杆3与底封头1不脱扣)，连接固井泵将水泥浆灌入，沿图示箭头方向，水泥浆灌入从上向下依次为：转杆内壁--固井专用接头8的内腔83--堵头压杆3的内腔31--堵头压杆3上的孔9--底封头1的内腔22--底封头1底部的孔11--底封头1的外部23，直至注入储气钢管外环空间，装满整个外环空间，从而实现正循环固井；

D、固井完成后，注入清水替出钻杆内水泥浆，清洗钻杆及底封头底孔11，清水量大于钻杆内容积，关上地面水泥浆管线阀门后，防止水泥浆回入钻杆内，正向旋转钻杆，扭紧堵头压杆3以压紧不锈钢堵头2，实现第一次密封；上提钻杆取出钻杆，取出固井连接头8；

步骤7、第二次密封：第二道堵头4为规格为3-5时的堵头，成锥面密封堵头，其密封原理同第一次密封，其结构是，丝扣部分为3-5时的套管长园扣，密封性高，第二道堵头4前端设有导向端13以保证上扣时不容易错扣；通过钻杆将第二道堵头4送入井内，正向旋转钻杆，扭紧丝扣，扭矩符合API扭矩标准要求；由于有第一次密封的作用，水泥浆不可能回到储气钢管内，因此保证了丝扣部分的清洁及密封效果。

实施例1：步骤3中加压为36Mpa，稳压10分钟；步骤5中加压至水压为37Mpa，稳压4小时。

实施例2：步骤3中加压为40Mpa，稳压30分钟；步骤5中加压至水压为39Mpa，稳压6小时。