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 |
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“
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
|
| 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
该井免钻免捞筛管顶部固井管柱组合的外管柱结构为
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。
| [1] | 徐可彬, 尹爱春, 顾维军. 水平井选择性完井工艺[J]. 石油钻采工艺 , 1998, 20 (4) : 1–8. XU Kebin, YIN Aichun, GU Weijun. Selective completion technology for horizontal well[J]. Oil Drilling&Production Technology , 1998, 20 (4) : 1–8. |
| [2] | 熊友明, 刘理明, 张林, 等. 我国水平井完井技术现状与发展建议[J]. 石油钻探技术 , 2012, 40 (1) : 1–6. XIONG Youming, LIU Liming, ZHANG Lin, et al. Present status and development comments on horizontal well completion techniques in China[J]. Petroleum Drilling Techniques , 2012, 40 (1) : 1–6. |
| [3] | 梅明霞, 周承诗, 王威, 等. 胜利油田稠油油藏水平井防砂工艺技术及应用[J]. 钻采工艺 , 2008, 31 (4) : 47–48. MEI Mingxia, ZHOU Chengshi, WANG Wei, et al. Application of horizontal well sand control technology in heavy oil reservoir of Shengli Oilfield[J]. Drilling&Production Technology , 2008, 31 (4) : 47–48. |
| [4] | 宋开利. 水平井分段采油工艺管柱[J]. 石油机械 , 2003, 31 (8) : 40–41. SONG Kaili. Section oil production pipe string of horizontal well[J]. China Petroleum Machinery , 2003, 31 (8) : 40–41. |
| [5] | 刘业文. 水平井筛管顶部注水泥完井事故与复杂情况分析[J]. 西部探矿工程 , 2009, 21 (8) : 69–71. LIU Yewen. Analysis of screen top cementing completion accident and complex situation in horizontal well[J]. West-China Exploration Engineering , 2009, 21 (8) : 69–71. |
| [6] | 王兆会, 陈嘉陵, 王新东. HW9801水平井复杂情况的处理及分析[J]. 石油钻探技术 , 2006, 34 (3) : 81–83. WANG Zhaohui, CHEN Jialing, WANG Xindong. Drilling problems and solutions in horizontal Well HW9801[J]. Petroleum Drilling Techniques , 2006, 34 (3) : 81–83. |
| [7] | 杨海波, 余金陵, 魏新芳, 等. 水平井免钻塞筛管顶部注水泥完井技术[J]. 石油钻采工艺 , 2011, 33 (3) : 28–30. YANG Haibo, YU Jinling, WEI Xinfang, et al. Research on plug-drilling-free screen top cementing technology for horizontal well completion[J]. Oil Drilling&Production Technology , 2011, 33 (3) : 28–30. |
| [8] | 冯德杰, 李国锋, 赵勇. φ139.7 mm筛管顶部注水泥免钻塞固井完井技术[J]. 石油钻探技术 , 2014, 42 (5) : 131–134. FENG Dejie, LI Guofeng, ZHAO Yong. φ139.7 mm plug-drilling-free well cementing completion technology[J]. Petroleum Drilling Techniques , 2014, 42 (5) : 131–134. |
| [9] | 皇甫洁, 张全胜, 李文波. 水平井筛管顶部注水泥技术的应用[J]. 钻采工艺 , 2007, 30 (4) : 161–162. HUANGFU Jie, Zhang Quansheng, Li Wenbo. Research and application of cementing technique on top screens in horizontal well[J]. Drilling&Production Technology , 2007, 30 (4) : 161–162. |
| [10] | 宋显民, 张立民, 李良川, 等. 水平井和侧钻水平井筛管顶部注水泥完井技术[J]. 石油学报 , 2007, 28 (1) : 119–121. SONG Xianmin, ZHANG Limin, LI Liangchuan, et al. Top screen pipe cementing technology of casing and liner in horizontal well and sidetracking horizontal well[J]. Acta Petrolei Sinica , 2007, 28 (1) : 119–121. |
| [11] | 聂翠平, 李相方, 刘贵喜, 等. 一种新型免钻塞分级注水泥接箍的研制与应用[J]. 钻采工艺 , 2012, 35 (3) : 57–59. NIE Cuiping, LI Xiangfang, LIU Guixi, et al. Development and application of a new undrilled dop stage cementing tool[J]. Drilling&Production Technology , 2012, 35 (3) : 57–59. |
| [12] | 秦金立, 赵斌, 阮臣良. 系列新型双级注水泥器的设计与应用[J]. 石油钻探技术 , 2007, 35 (6) : 79–81. QIN Jinli, ZHAO Bin, RUAN Chenliang. Design and application of a novel two-stage cementing collar[J]. Petroleum Drilling Techniques , 2007, 35 (6) : 79–81. |
| [13] | 田启忠, 李娜, 刘建新, 等. 一种不钻塞完井分级注水泥器的研制及应用[J]. 石油机械 , 2013, 41 (4) : 82–85. TIAN Qizhong, LI Na, LIU Jianxin, et al. Development and application of a drilling plug-free staged cementer[J]. China Petroleum Machinery , 2013, 41 (4) : 82–85. |
| [14] | 齐月魁, 单桂栋, 曲庆利, 等. 水平井筛管完井快速钻塞工艺[J]. 石油钻采工艺 , 2009, 31 (6) : 56–60. QI Yuekui, SHAN Guidong, QU Qingli, et al. Fast plug-drilling technology for horizontal well completion[J]. Oil Drilling&Production Technology , 2009, 31 (6) : 56–60. |
| [15] | 魏海军. 双级箍固井技术在固2井盐膏层中的应用[J]. 断块油气田 , 2006, 13 (2) : 62–64. WEI Haijun. Application of double-stage collar cementing technique in the gypsum beds of Well Gu 2[J]. Fault-Block&Gas Field , 2006, 13 (2) : 62–64. |
| [16] | 严焱诚, 薛丽娜, 朱礼平, 等. 复合套管固井在川西水平井中的应用[J]. 天然气工业 , 2009, 29 (2) : 67–69. YAN Yancheng, XUE Lina, ZHU Liping, et al. Application of compound casing strings to horizontal wells cementing in West Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry , 2009, 29 (2) : 67–69. |