水平井无内管免钻塞分级注水泥完井方法

摘要

本发明提供了一种水平井无内管免钻塞分级注水泥完井方法。所述完井方法包括将免钻塞完井装置下入完井管柱、胀封管外封隔器、打开注水泥通道、循环注灰实施固井、关闭注水泥通道、打捞免钻内套的实施步骤，可以顺利完成通井，并避免钻塞及洗井过程对管柱造成的伤害。本发明在水平井裸眼防砂完井领域取得了突破性进展，提升了完井技术水平，对各油田的持续稳产高产起到了积极推动作用。

说明书

技术领域

本发明涉及石油完井方法，具体涉及一种水平井无内管免钻塞分级注水泥完井方法。

背景技术

随着油田开发的不断深入，挖潜增效的措施也在进一步提高。为了开发薄油层，水平井、 大斜度井等特殊工艺井越来越多，各种方式的完井也应运而生。目前在水平井完井技术中， 为了使油层具有较大的裸露面积，避免水泥浆对油层的损害，有效的保护油气层，多采用精 密滤砂管完井方式。该完井方式在钻井过程中需要采用筛管顶部注水泥分级固井工艺。分级 注水泥器是下防砂筛管的主要配件，加在防砂筛管的上端，随管柱一起入井，主要作用是隔 断防砂筛管内外通道，固井时阻止水泥浆进入防砂管柱内和管柱外，保证管外不被固住，管 内无水泥，保持畅通。分级注水泥器的不足之处是在固井后，要下钻将分级注水泥器的附件 （胶塞、滑套和盲板）逐一钻除，以打通管柱内道。在完井钻塞过程中，由于受钻井井深轨迹 和重力作用的影响，产生钻进偏移，造成套管不均匀局部月牙形磨损，降低了套管的屈服强 度及产生自由段松脱扣现象；同时，在生产过程中受后期注汽、出砂等复杂苛刻工矿的影响， 产生塑形变形和断裂而造成套管损坏；另外，由于钻胶塞、分级箍等附件位于井下管柱大井 斜角度位置，实施钻塞时存在管内附件清理不净、磨损套管或自由段脱扣、破坏水泥环及后 期通井不畅遇阻遇卡等问题。因此，在钻磨过程中，不仅容易损伤套管，影响了固井质量， 而且作业耗时长，延长了建井周期。

为了避免钻塞带来的一系列问题，已经有人研制出了免钻分级注水泥器，常见的有两种。 第一种是自通径免钻塞分级注水泥器，即在注水泥结束后，通过憋压使分级注水泥器的内部 结构自行脱落，靠重力下行至井底，从而达到免钻塞的目的。但是，自通径免钻塞分级注水 泥器对井斜要求非常严，在井斜超过20度的井中，分级注水泥器的内部结构就很难脱落，难 以下行至井底；在水平井中更加无法实现自行脱落。第二种是用钻具将内套捞出，专利 201110127641.X公开了一种水平井筛管顶部注水泥免钻塞的工具及方法。但是这种打捞式免 钻装置在功能、性能及工艺整体性方面存在以下几个方面不足：

（1）注水泥开关结构的下部在低压易漏失地层易形成局部低压区，造成注灰通道在裸眼 封座封之前打开，导致水泥窜入内管造成底部留塞，增加作业费用，严重影响油井生产；

（2）双级裸眼封封隔器采用同一阀系控制，即两个裸眼封胶筒座封采用串联方式相连。 这种结构对于不规则及扩径井眼、疏松地层以及封隔器胶筒在下入过程中破损等复杂情况的 适应性较差，由于一个胶筒无法座封会导致另外一个胶筒无法座封，从而造成固井的失败；

（3）裸眼封隔器的控制阀系采用内外压差控制方式，即：当井筒与环空压力差达到一定 值时，封隔器座封。但是，在管柱的下入过程中，压力往往不稳定；在这种情况下，内外压 差控制方式容易造成封隔器误座封，而这种误座封在井口无法观察到，从而导致继续强行下 入造成封隔器的破损；

（4）裸眼封隔器缺少肩部防突保护，座封时对扩径井眼的适应性较差，易发生爆破破损； 同时受井口压力及液柱压力变化等因素的影响，循环、座封以及固井时，整体管柱始终处于 轴向蠕动状态，也易导致胶筒与地层磨损而引起破损；

（5）裸眼封隔器的一头是活动头，这是因为座封时活动头必须随着胶筒的鼓胀发生轴向 移动；这种结构满足了胶筒座封的要求，但在管柱下入过程中，如果发生沉砂、坍塌等使管 柱在下压过程中受阻，会造成活动头的上移，从而导致胶筒径向扩张和磨损；

（6）关闭胶塞和盲堵分两次打捞，增加了一次管柱起下，影响了工作时效；

（7）关闭胶塞在压塞时，难以彻底刮除套管壁上的水泥残留，从而导致关闭胶塞顶部的 打捞鱼头由于灰塞沉积而打捞困难甚至无法打捞，从而需要钻除作业，造成施工复杂，影响 工作时效。

发明内容

为克服现有技术的诸多缺陷，本发明提供了一种水平井双级密封碰压可捞式完井装置以 及水平井无内管免钻塞分级注水泥完井方法。所述水平井双级密封碰压可捞式完井装置具有 结构简单、性能可靠、作业方便、施工周期短、固井完毕无需钻磨，可直接下钻打捞的优点， 主要用于水平井、大位移井、定向井完井与固井等领域。

本发明的技术方案：

水平井双级密封碰压可捞式完井装置，包括免钻塞装置、碰压胶塞和打捞装置，所述免 钻塞装置包括注水泥开关和封隔器；所述注水泥开关的上端与套管相连，所述注水泥开关的 下端与封隔器的上端相连，所述封隔器的下端与筛管相连；所述注水泥开关为单流阀式注水 泥开关或盲堵式注水泥开关，所述单流阀式注水泥开关的底端设置有单流阀座，所述单流阀 座包括单流阀和盲堵，所述盲堵式注水泥开关的底端设置有盲堵。

优选的是，所述盲堵式注水泥开关包括盲堵、碰压座以及位于二者之间的弹簧、卡瓦和 筒体，所述筒体由内到外依次为内筒、上接头和外筒，所述上接头靠近盲堵的一端设有关闭 套；所述盲堵与弹簧、卡瓦之间为卡瓦座，所述盲堵将弹簧和卡瓦固定在卡瓦座内；所述卡 瓦座、内筒、关闭套、上接头、外筒和碰压座相邻的二者之间均通过密封圈达到密封。

优选的是，所述单流阀式注水泥开关包括单流阀、碰压座以及位于二者之间的弹簧、卡 瓦和筒体，所述筒体由内到外依次为内筒、上接头和外筒，所述上接头靠近单流阀座的一端 设有关闭套；所述单流阀座远离碰压座的一端设有压板、半球座以及限位在二者之间的固定 杆、固定套、心轴和半球；所述单流阀座与弹簧、卡瓦之间为卡瓦座，所述单流阀座将弹簧 和卡瓦固定在卡瓦座内；所述卡瓦座、内筒、关闭套、上接头、外筒和碰压座相邻的二者之 间均通过密封圈达到密封；所述压板固定在固定杆上，所述固定杆与半球座相互固定，所述 半球座固定在单流阀座中，所述半球与心轴之间固定连接。

优选的是，所述内筒与卡瓦座接触的部分设有内孔I，所述内筒与碰压座接触的部分设有 内孔II，所述上接头上设有内孔III，所述内孔III位于内孔I和内孔II之间；所述卡瓦座通 过剪销固定在内筒内孔I中，所述内筒通过剪销固定在上接头内孔III中，所述关闭套通过剪 销固定在上接头上，所述碰压座通过剪销固定在内筒内孔II中。

优选的是，所述封隔器为双级并联裸眼封隔器，所述双级并联裸眼封隔器由裸眼封隔器 I和裸眼封隔器II通过螺纹并联构成，所述裸眼封隔器I和裸眼封隔器II采用两套控制阀系 分别独立控制。

优选的是，所述控制阀系采用上下压差和内外压差两种控制方式。

优选的是，所述裸眼封隔器包括胶筒，所述胶筒的两端设有肩部保护装置，所述肩部保 护装置为钢碗式肩部防突保护装置。

优选的是，所述碰压胶塞由可捞心轴、橡胶皮碗和防松螺帽组成，所述橡胶皮碗被防松 螺帽通过螺纹连接固定在可捞心轴上，所述橡胶皮碗的数量为5-8个。

优选的是，所述关闭胶塞由硬刮塞和软塞组成。

优选的是，所述打捞装置包括引鞋、控制环、螺旋卡瓦、本体、盘根和上接头。所述引 鞋通过螺纹连接将控制环固定在本体内孔中，所述螺旋卡瓦与本体为宽距螺纹连接，并可前 后移动，所述盘根被上接头通过螺纹连接固定在本体内孔中。

第一种为用于井深1000米以内的水平井双级密封碰压可捞式完井装置，特点为结构简 单、操作严格。现场实施工艺管柱由上至下依次由套管、盲堵式注水泥开关、双级并联裸眼 封隔器和筛管连接而成。注水泥开关连接在双级并联裸眼封隔器上端，盲堵安装在注水泥开 关的底部，注水泥开关上端接套管，双级并联裸眼封隔器下端接筛管。下套管时需要10根一 灌浆，套管下到位后，憋压，胀封双级并联裸眼封隔器，打开注水泥开关，注灰、投胶塞、 替浆、碰压、关闭注水泥开关，起钻下打捞筒打捞。

第二种为用于井深1000～3000米之间的水平井双级密封碰压可捞式完井装置，特点为结 构复杂，操作方便。现场实施工艺管柱由上至下依次由套管、单流阀式注水泥开关、、双级并 联裸眼封隔器和筛管连接而成。注水泥开关连接在双级并联裸眼封隔器上端，单流阀安装在 注水泥开关的底部，注水泥开关上端接套管，双级并联裸眼封隔器下端接筛管。下入时不需 灌泥浆，套管下到位后，憋压，胀封双级并联裸眼封隔器，打开注水泥开关，注灰、投胶塞、 替浆、碰压、关闭注水泥开关，起钻下打捞筒打捞。本方案下钻时无需灌浆，安全性大大提 高。

本发明还提供了一种水平井无内管免钻塞分级注水泥完井方法，即固井施工方案。本固 井施工方案主要针对春10-22平1、平2、平3砂岩高孔高渗稀油水平井。

该工艺钻井过程中包括将免钻塞完井装置下入完井管柱、胀封管外封隔器、打开注水泥 通道、循环注灰实施固井、关闭注水泥通道、打捞免钻内套的实施步骤，可以顺利完成通井， 并避免钻塞及洗井过程对管柱造成的伤害。

一、前期准备工作：

1、检查施工设备：免钻工具主体、水泥头和打捞工具。

2、交流施工数据：（1）获取施工井工序进展情况、施工井井斜数据、免钻塞完井装置的 定位数据、下入井下各套管串及其他工具的数据以及井下复杂地质条件的数据；（2）提供免 钻塞完井装置基本数据，包括工具长度、工具外径、工具留井通径和打捞工具外径等。

3、免钻固井要求：（1）在精密虑砂筛管上方，免钻工具下方加入不少于2根光管，以防 止有水泥遗漏到筛管；（2）固井装置位置选在井径好的，角度平缓处；（3）固井车打完水泥 后，下10L清水清洗管壁内侧的水泥灰，以便胶塞的顺利下入；（4）候凝5小时后放压，井 队及时组织打捞施工。

二、完井作业的施工

1、将免钻塞完井装置下入完井管柱

（1）下入免钻完井装置以前，用外径φ121mm的通径规进行套管通径，以保障套管的清 洁入井、无弯曲变形和数据丈量准确；锁死转盘，将筛管灌满泥浆，连接套管时要求打牢背 钳，防止管串旋转，同时保证各连接扣上牢密封，以保证免钻工具的连接质量。

（2）将免钻完井装置缓慢平稳下放入井，防止井口装置对免钻完井装置的挤压和碰撞。

2、胀封管外封隔器

连接套管水泥头、地面管线及固井设备，管线连接前通好管腔防止杂物入井。

（1）用泵车打压推进盲堵装置或单流阀座到位，并起压到6MPa稳压5分钟，以确保充 分胀封封隔器；如果有降压，应及时补压。

（2）继续起压到8Mpa，稳压2分钟，关闭胶筒胀封通道（即封隔器水眼通道）。

3、打开注水泥通道

继续打压到10～16MPa，当泵车压力表显示的压力瞬间开始下降时，套管外返液，注水 泥通道开启（水眼打开，建立循环），记录开启压力。

4、循环注灰实施固井

按正常程序固井注入水泥浆，泥浆泵小排量缓慢开泵循环，待压力稳定后加大排量正常 循环。

5、关闭注水泥通道

（1）打完水泥浆后，卸开管线清洗余灰，同时从水泥头加入10L清水做隔离液，以释放 顶替胶塞，起压后碰压20MPa，稳压4分钟观察压力稳定情况。

（2）释放压力至10～12MPa，进行二次碰压以检查关闭套是否真正关闭，二次碰压的附 加压力应大于第一次2～3MPa；随后带压8～10MPa10分钟。如果稳不住压，根据液柱平 衡压力关井候凝。

6、打捞免钻内套

（1）精确丈量计算打捞筒的下入深度，确保每根钻具内径通畅。

（2）连接打捞钻具并下井，所述钻具为“打捞筒＋钻杆柱＋方钻杆”的组合，下放钻具 到免钻工具顶部600mm处停止下放，处理套管内残余灰之后再开动转盘缓慢下探直到汇接位 置。

（3）加压5吨，上提钻具试提6吨，继续下压7～8吨，正式上提，指重表指数在原负荷 基础上升高12～16吨时，指重表瞬间下降到原负荷，随后再缓慢下放钻柱到原打捞位置，负 荷没有降低，表明免钻内套已经捞起。

7、通井施工要求

采用φ118mm铣锥或钻头通井至多功能洗井阀顶部，起钻。通井到免钻工具下放位置时， 如有遇阻、卡现象时钻具反复提拉几次，处理一下即可通过。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述的单流阀式注水泥开关通过在单流阀座的盲堵上加设单流阀，实现了大 循环通道，在循环及座封时充分保证井筒及环空U形管压力系统，消除了注水泥开关在低压 易漏失地层施工时工具下部局部低压区对启动座封压力及打开注灰通道压力的影响；

（2）本发明所述的双级裸眼封封隔器采用两套独立阀系控制，即两个裸眼封胶筒座封是 采用并联方式，这种结构对于复杂情况的适应性较好，即使一个胶筒无法座封，也不会影响 另外一个胶筒的座封，真正实现双保护；

（3）本发明所述的裸眼封控制阀系采用上下压差和内外压差两种控制方式，因此，只有 投入的可捞式盲堵打开裸眼封隔器控制阀系进液通道后，井筒与环空压力差达到一定值时， 封隔器才进行座封；因此在管柱下入过程中，这种座封控制方式不会因为受到管柱压力激动 等影响而导致误座封；

（4）本发明所述的裸眼封隔器的胶筒两端设有钢碗式肩部防突保护，在座封时，钢碗随 胶筒一同扩张，利用刚性结构对胶筒实现承托和锚定，提高了胶筒承压能力和扩径率，对扩 径率达到100%的井眼适应性较好；

（5）本发明所述的关闭塞碰压后与盲堵合为一体，只需一次打捞，提高了工作时效；

（6）本发明所述的关闭胶塞采用硬刮塞和软塞的组合结构，这种组合结构在压塞时可以 较彻底的刮除套管壁上的水泥残留；同时采用凝胶式压塞液并掺入缓凝剂，可以有效去除水 泥残留，避免了关闭塞顶部的水泥沉积，充分冲洗鱼头后即可进行打捞；

（7）本发明在水平井裸眼防砂完井领域取得了突破性进展，提升了完井技术水平，对各 油田的持续稳产高产起到了积极推动作用。

附图说明

图1为本发明盲堵式注水泥开关的结构示意图；

图2为本发明单流阀式注水泥开关的结构示意图；

图3为本发明双级并联裸眼封隔器的结构示意图；

图4为本发明碰压胶塞的结构示意图；

图5为本发明打捞筒的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

水平井双级密封碰压可捞式完井装置，包括免钻塞装置、碰压胶塞和打捞装置，所述免 钻塞装置包括注水泥开关和封隔器；所述注水泥开关的上端与套管相连，所述注水泥开关的 下端与封隔器的上端相连，所述封隔器的下端与筛管相连。

所述注水泥开关为单流阀式注水泥开关。所述单流阀式注水泥开关包括单流阀1-2、碰压 座14以及位于二者之间的弹簧3、卡瓦4和筒体，所述筒体由内到外依次为内筒9、上接头 10和外筒11，所述上接头10靠近单流阀座1-2的一端设有关闭套7；所述单流阀座1-2远离 碰压座14的一端设有压板16、半球座22以及限位在二者之间的固定杆17、固定套18、心 轴20和半球21；所述单流阀座1-2与弹簧3、卡瓦4之间为卡瓦座2，所述单流阀座1-2将 弹簧3和卡瓦4固定在卡瓦座2内；所述卡瓦座2、内筒9、关闭套7、上接头10、外筒11 和碰压座14相邻的二者之间均通过密封圈6达到密封；所述压板16固定在固定杆17上，所 述固定杆17与半球座22相互固定，所述半球座22固定在单流阀座1中，所述半球21与心 轴20之间固定连接。所述内筒9与卡瓦座2接触的部分设有内孔I，所述内筒9与碰压座14 接触的部分设有内孔II，所述上接头10上设有内孔III，所述内孔III位于内孔I和内孔II之 间；所述卡瓦座2通过剪销5固定在内筒9内孔I中，所述内筒9通过剪销12固定在上接头 10内孔III中，所述关闭套7通过剪销8固定在上接头10上，所述碰压座14通过剪销13固 定在内筒9内孔II中。

所述封隔器为双级并联裸眼封隔器，所述双级并联裸眼封隔器由裸眼封隔器I和裸眼封 隔器II通过螺纹并联构成，所述裸眼封隔器I F1和裸眼封隔器II F2采用两套控制阀系分别 独立控制。所述控制阀系采用上下压差和内外压差两种控制方式。所述裸眼封隔器包括胶筒， 所述胶筒的两端设有肩部保护装置，所述肩部保护装置为钢碗式肩部防突保护装置。

所述碰压胶塞由可捞心轴J1、橡胶皮碗J2和防松螺帽J3组成，所述橡胶皮碗J2被防松 螺帽J3通过螺纹连接固定在可捞心轴J1上，所述橡胶皮碗J2的数量为5个。

所述打捞装置包括引鞋D1、控制环D2、螺旋卡瓦D3、本体D4、盘根D5和上接头D6。 所述引鞋D1通过螺纹连接将控制环D2固定在本体D4内孔中，所述螺旋卡瓦D3与本体D4 为宽距螺纹连接，并可前后移动，所述盘根D5被上接头D6通过螺纹连接固定在本体D4内 孔中。

本发明还提供了一种水平井无内管免钻塞分级注水泥完井装置的固井施工方案。本固井 施工方案主要针对春10-22平1、平2、平3砂岩高孔高渗稀油水平井。

该工艺钻井过程中包括将免钻塞完井装置下入完井管柱、胀封管外封隔器、打开注水泥 通道、循环注灰实施固井、关闭注水泥通道、打捞免钻内套的实施步骤，可以顺利完成通井， 并避免钻塞及洗井过程对管柱造成的伤害。

一、前期准备工作：

1、检查施工设备：免钻工具主体、水泥头和打捞工具。

2、交流施工数据：（1）获取施工井工序进展情况、施工井井斜数据、免钻塞完井装置的 定位数据、下入井下各套管串及其他工具的数据以及井下复杂地质条件的数据；（2）提供免 钻塞完井装置基本数据，包括工具长度、工具外径、工具留井通径和打捞工具外径等。

3、免钻固井要求：（1）在精密虑砂筛管上方，免钻工具下方加入不少于2根光管，以防 止有水泥遗漏到筛管；（2）固井装置位置选在井径好的，角度平缓处；（3）固井车打完水泥 后，下10L清水清洗管壁内侧的水泥灰，以便胶塞的顺利下入；（4）候凝5小时后放压，井 队及时组织打捞施工。

二、完井作业的施工

1、将免钻塞完井装置下入完井管柱

（1）下入免钻完井装置以前，用通径规进行套管通径，以保障套管的清洁入井、无弯曲 变形和数据丈量准确；锁死转盘，将筛管灌满泥浆，连接套管时要求打牢背钳，防止管串旋 转，同时保证各连接扣上牢密封，以保证免钻工具的连接质量。

（2）将免钻完井装置缓慢平稳下放入井，防止井口装置对免钻完井装置的挤压和碰撞。

2、胀封管外封隔器

连接套管水泥头、地面管线及固井设备，管线连接前通好管腔防止杂物入井。

（1）用泵车打压推进盲堵装置或单流阀座到位，并起压到6MPa稳压5分钟，以确保充 分胀封封隔器；如果有降压，应及时补压。

（2）继续起压到8Mpa，稳压2分钟，关闭胶筒胀封通道（即封隔器水眼通道）。

3、打开注水泥通道

继续打压到10～16MPa，当泵车压力表显示的压力瞬间开始下降时，套管外返液，注水 泥通道开启（水眼打开，建立循环），记录开启压力。

4、循环注灰实施固井

按正常程序固井注入水泥浆，泥浆泵小排量缓慢开泵循环，待压力稳定后加大排量正常 循环。

5、关闭注水泥通道

（1）打完水泥浆后，卸开管线清洗余灰，同时从水泥头加入10L清水做隔离液，以释放 顶替胶塞，起压后碰压20MPa，稳压4分钟观察压力稳定情况。

（2）释放压力至10～12MPa，进行二次碰压以检查关闭套是否真正关闭，二次碰压的附 加压力应大于第一次2～3MPa；随后带压8～10MPa10分钟。如果稳不住压，根据液柱平 衡压力关井候凝。

6、打捞免钻内套

（1）精确丈量计算打捞筒的下入深度，确保每根钻具内径通畅。

（2）连接打捞钻具并下井，所述钻具为“打捞筒＋钻杆柱＋方钻杆”的组合，下放钻具 到免钻工具顶部600mm处停止下放，处理套管内残余灰之后，再开动转盘缓慢下探，直到汇 接位置。

（3）加压5吨，上提钻具试提6吨，继续下压7～8吨，正式上提，指重表指数在原负荷 基础上升高12～16吨时，指重表瞬间下降到原负荷，随后再缓慢下放钻柱到原打捞位置，负 荷没有降低，表明免钻内套已经捞起。

7、通井施工要求

采用φ118mm铣锥或钻头通井至多功能洗井阀顶部，起钻。通井到免钻工具下放位置时， 如有遇阻、卡现象时钻具反复提拉几次，处理一下即可通过。