免钻免捞筛管顶部固井工艺研究与现场试验
宋本岭, 黄志刚, 张伟, 王振, 史为纪     
中国石油海洋工程有限公司渤星公司, 天津 300451
摘要: 常规筛管顶部固井工艺兼有筛管和尾管固井工艺的优点,但是固井后需要钻除管内附件。为提高筛管顶部固井工艺效率,优化了内、外管柱的结构,使用皮碗封隔器和滑套式分级箍代替常规筛管顶部固井工艺中的盲板和压差式分级箍,通过移动内管柱位置实现坐挂、注水泥、循环等操作,固井后提出内管柱时将残留附件一次带出,套管内不会残留盲板和分级箍内套,通径满足后续作业需要,实现了固井后免钻免捞,并可通过调整皮碗封隔器尺寸实现不同复合尺寸套管筛管完井。该工艺在渤海湾海上合作区块的X井进行了现场试验,完成了φ177.8 mm尾管+φ139.7 mm筛管复合管柱的筛管顶部尾管注水泥固井作业,固井候凝后直接投产,无需钻塞,节约了钻机时间。
关键词: 筛管     固井     尾管     免钻塞    
Study and Field Testing on the Top Cementing Technology of Screen Pipe Free from Drilling and Fishing
SONG Benling, HUANG Zhigang, ZHANG Wei, WANG Zhen, SHI Weiji     
Boxing Branch, CNPC Offshore Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China
Abstract: Top cementing technology with conventional screen pipes can combine advantages of the screen pipe and liner cementing, but internal accessories need to be removed upon completion of cementing operations. To improve the top cementing efficiency of the screen pipe, the internal and external pipe string structure was optimized with a rubber cup packer and a sliding sleeve staged collar. They were used to replace the blind plate and differential-pressure type staged collar in the top cementing with conventional screen pipe. The internal pipe string was moved to achieve setting, cementing, circulation and other process operations and all the residual accessories were brought out when the internal pipe string was lifted after cementing. Thus, the blind plate and staged collar would not be retained in the casing and the diameter could meet requirements for follow-up operation to avoid drilling and fishing after cementing. At the same time, screen pipe completion of different composite casings could be performed by adjusting the sizes of rubber cup packers. This technology has been used for field tests in Well X in the offshore cooperation block of Bohai Bay to complete top cementing operation with φ177.8 mm liner +φ139.7 mm screen pipe. The well can be directly put into production after waiting on cement setting. Without the need for plug drilling, the drilling time can be effectively minimized.
Key words: screen pipe     cementing     liner     drill-free plug    

筛管顶部尾管注水泥固井工艺组合了筛管顶部注水泥与尾管注水泥工艺,将筛管+套管复合管柱通过尾管悬挂器悬挂于技术套管上,对管串中的套管部分通过注水泥进行封固。该工艺兼具筛管完井和尾管完井的优点:筛管段泄油面积大、对产层污染小,尾管段封固上部非产层段或进行射孔分段开采[1-4];采用尾管悬挂方式可节约大量套管,降低注水泥过程中环空流动摩阻;在油井投产后可根据需要将套管回接至井口,以延长生产周期。该固井工艺在深井筛管完井中应用较多,但是存在一些缺点和风险:使用的特殊工具多、液压操作压力级别多,容易出现误剪切销钉导致固井失败;由于不能提前打开分级箍,无法中途循环,对井身质量要求高;固井后需要钻除管内残留部件,不仅增加生产成本,且钻除过程中易造成套管内壁磨损、产生毛刺,井底沉积的金属碎块也会给后期投产作业造成安全隐患[5-6]。目前,主要是通过优化所使用特殊工具的结构来实现筛管顶部注水泥免钻的目的,但要下入专用工具打捞井下部件。为此,笔者对常规筛管顶部固井管柱的结构进行了优化,替换部分常规工具,以真正实现筛管顶部固井后免钻免捞的目的。

1 免钻免捞筛管顶部固井管柱结构

常规筛管顶部固井管柱结构为:送入工具+尾管悬挂器+尾管串+分级箍+管外封隔器+盲板+筛管串。固井前将管外封隔器胀封,然后打开分级箍建立注水泥通道,最后用胶塞将分级箍关闭候凝。候凝结束后,需要下入小尺寸钻具组合,将胶塞、分级箍内套和盲板一并钻除,实现整个管串通径。为节省钻塞时间,多将其中的分级箍、封隔器和盲板3个附件进行了整合改进[7-15],固井后下入配套的打捞工具将内套和盲板等附件打捞出井,免钻但不免捞。

为了真正实现筛管顶部固井免钻免捞,必须解决固井后管内附件残留的问题,并且不能影响工艺实施效果。通过对常规筛管顶部固井管柱的结构和关键工具进行优化组合,将固井后管内残余附件一次提出,并且注替水泥时的局部密封、分级箍操作不受影响。免钻免捞筛管顶部固井管柱组合由内管柱和外管柱两部分组成。

1.1 内管柱结构

常规筛管顶部固井管柱组合的内管柱只有悬挂器中心管和空心胶塞,钻杆胶塞与空心胶塞复合后下行至分级箍憋压关闭分级箍,胶塞留在分级箍处,必需钻除2个胶塞和盲板。免钻免捞筛管顶部固井管柱组合的内管柱结构为:钻杆+尾管中心管+皮碗封隔器(上)+配长油管+剪切式循环阀+皮碗封隔器(中)+配长油管+分级箍打开工具+传压孔短节+配长油管+皮碗封隔器(下)+内管球座+配长油管+插入管。其中,插入头延长后插入引鞋,建立内管至裸眼环空的循环通道。悬挂器中心管密封芯与皮碗封隔器组合实现悬挂器的液压坐挂和液压丢手操作(简称悬挂器操作),其基本管柱结构见图 1

图 1尾管悬挂器操作的基本管柱结构 Fig.1Basic pipe string structure of liner hanger

皮碗封隔器(中)+配长油管+分级箍打开工具+传压孔短节+配长油管+皮碗封隔器(下)的组合实现管外封隔器胀封、滑套式分级箍打开关闭、建立注水泥通道等(简称分级箍操作),其基本管柱结构见图 2。皮碗封隔器组具有单向密封特性,与内管循环阀配合可实现固井后冲洗循环套管内和悬挂器顶的超返水泥浆。

图 2分级箍操作的基本管柱结构 Fig.2Basic pipe string structure of a staged collar
1.2 外管柱结构

常规筛管顶部固井管柱组合的外管柱结构为尾管悬挂器+套管+压差式分级箍+管外封隔器+盲板+筛管+引鞋。为了能够与免钻免捞筛管顶部固井管柱组合的内管柱配合、减少液压操作,对外管柱进行了以下改进:取消盲板,将压差式分级箍替换为滑套式分级箍(MPC),引鞋替换为插入式引鞋。改进后的外管柱结构为悬挂器+套管+滑套式分级箍(MPC)+管外封隔器+1~2根过渡套管+筛管串+插入式引鞋。滑套分级箍(MPC)采用专用工具打开和关闭,减少了一次液压操作。为实现筛管顶部固井的目的,尾管悬挂器、滑套式分级箍、管外封隔器的通径需满足内管柱安全通过和投产作业的要求。

2 固井工艺流程

与常规筛管顶部固井管柱组合相比,免钻免捞筛管顶部固井管柱组合有很大变动,因而其操作流程也有相应的改变,内管柱和外管柱工具相互配合实现固井工艺的安全实施,具体操作步骤可分为下入管柱,坐挂尾管、胀封封隔器和打开分级箍,注替水泥浆,关闭分级箍循环和起钻候凝。

1) 下入管柱。按顺序下入外管柱:引鞋、筛管串、过渡套管、管外封隔器、滑套式分级箍和套管,然后在外管柱中依次下入内管柱,最终通过悬挂器将内外管柱组合成一体。应确保内外管柱组合后内管插入头能够插入引鞋,分级箍操作部分位于过渡套管中。用钻具将复合管柱下至设计井深,由于内管柱延伸至套管鞋处,可实现从套管鞋处循环洗井及下套管时中途循环。

2) 坐挂尾管、胀封封隔器和打开分级箍。从钻杆内投球至内管球座处,憋压使悬挂器坐挂及丢手,通过上提内管柱将悬挂器内部的密封解封并封闭中心管上的传压孔,继续上提使皮碗封隔器(中)-皮碗封隔器(下)部分处于管外封隔器和分级箍的位置,再次憋压胀封封隔器,然后利用内管柱上的操作工具打开滑套式分级箍,建立注替水泥浆的通道。

3) 注替水泥浆。根据固井设计注入前置液和水泥浆,为实现胶塞免钻,不使用空心胶塞和钻杆胶塞,需要通过定量顶替的方式将水泥浆顶替到位。与常规筛管顶部固井工艺相比,由于钻杆和油管的内径小使顶替量大大减少,并且能够保证顶替水泥浆时掺混较少。

4) 关闭分级箍、循环。利用内管柱上的分级箍操作工具永久关闭滑套式分级箍,防止水泥浆倒返,如果悬挂器有顶部封隔器,此时可对悬挂器封隔器进行压胀。通过憋压将内管循环阀打开,建立超返水泥浆的循环通道,将超返水泥浆循环出井。

5) 起钻、候凝。将内管柱起出,内管柱上的工具一起被提出,外管柱内没有任何残留附件,候凝结束后即可投产作业。

3 固井工艺特点

1) 内管插入套管鞋后建立了筛管管鞋处的循环通道。内管柱插入引鞋后建立了与裸眼环空的通道,可实现井口至裸眼全环空循环,下套管过程中出现遇阻等井下复杂情况时,可进行中途循环,提高下套管作业的安全性。管串下到位后循环钻井液,筛管段的裸眼环空得到净化,有效防止投产后出现筛管堵塞。

2) 实现了免钻免捞。内管柱密封都通过皮碗封隔器完成,起出内管柱后外管柱内没有需要钻除的部分,不需打捞或钻附件,真正实现了免钻免捞,节约了生产时间,也避免了对后续作业造成的风险。

3) 不使用胶塞。通过内管柱注替水泥浆,顶替量小,减少了管内掺混,实现了定量顶替,避免了常规筛管顶部固井工艺使用复合胶塞造成的胶塞复合不好过量顶替、无碰压显示、卡胶塞等风险。通过皮碗封隔器实现分段压力操作,避免了空心胶塞与分级箍尺寸的配合问题,实现了复合尺寸套管+筛管条件下的筛管顶部固井施工。

4) 固井成功率高。悬挂器与封隔器通过2套内管封隔器组合独立操作,实现了压力操作互不影响,大大降低了同一管柱压力级别过多、销钉质量不稳定引起的工具误响应的概率,保证了复杂固井工艺的安全实施。滑套式分级箍需通过内管串上的专用工具打开和关闭,并且具有锁定机构,避免了压差式分级箍提打开或到位后无法打压开的风险。该工艺具有能够建立环空循环通道的优势,增加了下筛管时遇阻的处理手段,极大地提高了下筛管的安全性,可广泛应用于水平井、分支井、长裸眼井、井壁不稳定条件下的固井作业等[16]

由于免钻免捞筛管顶部固井管柱组合较为复杂,特殊工具多,施工步骤繁琐,也存在一些技术风险:1)由于不能碰压,有替空和留塞的风险,也会在管柱内产生混浆;2)有皮碗胀封失灵的风险,会产生注水泥“短路”或倒流;3)滑套式分级箍有滑套关不上的风险,会发生倒流。因此,在现场固井施工过程中需要做好准备工作,尽可能规避施工风险。

4 现场试验

免钻免捞筛管顶部固井工艺在渤海湾海上合作区块成功应用2井次,其中X井是“大肚子”井眼条件下应用“177.8 mm尾管+139.7 mm筛管”的复合管柱完井,成功解决了“大肚子”井眼条件下单一尺寸套管完井的难题,下面以该井为例详细介绍固井施工情况。

X井设计为四开井身结构,目的层段采用筛管完井,目的层段以上采用尾管固井。该井三开311.1 mm井眼井深2 452.00 m,244.5 mm技术套管下至井深1 903.00 m遇阻,随即固井,四开使用215.9 mm钻头钻至完钻井深2 932.00 m。完井要求封隔器下至井深2 679.00 m,采用“177.8 mm尾管+139.7 mm筛管”的复合管柱完井,封隔器以下筛管完井,封隔器以上套管注水泥封固。该井井身结构见图 3

图 3渤海湾海上合作区块X井井身结构 Fig.3Casing program of Well X in the offshore cooperation block of Bohai Bay

由于分级箍位于四开215.9 mm井眼内,如使用177.8 mm压差式分级箍,其外径约210.0 mm,环空间隙小,常规筛管顶部固井工艺难以实现。与139.7 mm套管通径的滑套式分级箍外径168.4 mm,内通径124.2 mm,244.5 mm×177.8 mm尾管悬挂器空心胶塞与139.7 mm分级箍无法配套使用,常规筛管顶部固井工艺难以实施,最终采用免钻免捞筛管顶部固井工艺。

该井免钻免捞筛管顶部固井管柱组合的外管柱结构为177.8 mm悬挂器+177.8 mm套管+177.8 mm×139.7 mm变径接头+滑套式分级箍(外径168.4 mm)+管外封隔器(最大外径177.8 mm)+139.7 mm套管+139.7 mm筛管+139.7 mm插入式浮鞋(包括密封);内管柱结构为139.7 mm钻杆+ 悬挂器送入工具+皮碗封隔器总成(上)+101.6 mm钻杆+88.9 mm油管+皮碗封隔器总成(中)+分级箍打开工具+皮碗封隔器总成(下)+旁通球座(带循环阀)+73.0 mm油管+密封式插入管。注替水泥浆完成后上提中心管,皮碗封隔器(中)和皮碗封隔器(下)提至177.8 mm套管内,将超返水泥浆冲洗干净,然后起出全部内管串,候凝后外管柱内没有附件残留,可以直接转入投产作业。与采用常规筛管顶部固井工艺相比,节省了组合小钻具、起下钻、钻除附件的时间和钻塞的相关费用,并节省了钻除附件占用钻井平台的日费,也避免了钻塞时震动破坏水泥环,具有显著的经济效益。

5 结 论

1) 免钻免捞筛管顶部固井工艺通过改进、优化内外管柱结构,使用皮碗封隔器、滑套式分级箍实现了固井后免钻免捞,并且通过调整封隔器尺寸可实现复合尺寸套管固井。

2) 免钻免捞筛管顶部固井工艺定量顶替水泥浆时存在替空、注水泥短路、水泥浆倒返等风险,需要通过优化工具结构、提高工具可靠性进行解决。

3) 现场试验表明,免钻免捞筛管顶部固井工艺节省了固井后钻水泥塞和管内附件的钻机占用时间,可提高海上钻完井生产时效,经济效益显著。

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宋本岭, 黄志刚, 张伟, 王振, 史为纪
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石油钻探技术, 2016, 44(4): 72-76.
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http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201604013

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收稿日期: 2016-03-25
改回日期: 2016-06-30

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