新型篩管頂部注水泥工藝及配套裝置分析

徐明會，金 磊，張新亮

(中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州253034)

篩管頂部注水泥技術是一種應用于水平井或者大斜度井的完井工藝。因上部套管分層開采的要求，或者為防止環空油氣上竄，并防止水泥漿侯凝過程中沉降，需要在管柱的大斜度段或水平段配置1段篩管，其它部分配置常規套管直至井口。其管串結構為：篩管串(或部分套管串)+盲板+管外封隔器+分級注水泥器+套管串(如圖1)。

常規的工藝方案為：首先將復合完井管柱(篩管+套管)下至設計井深，然后通過向管內憋壓，漲封管外封隔器，再將分級注水泥器的循環孔打開，建立循環通道，最后完成上部套管串的固井作業。其中，盲板既能實現上部套管憋壓，又能在固井過程中隔離盲板以上的水泥漿，避免水泥漿進入篩管內部；管外封隔器可以隔離頂部套管與裸眼井壁之間的環空，有效封隔目的層，并防止固井時水泥漿進入篩管環空而污染油氣層[1-7]。但是，采用盲板隔離上下部管串，將在管柱內形成封閉空間，導致分級注水泥器在打開循環孔之前無法實現鉆井液循環，若發生下放遇阻或者井漏等復雜狀況，缺少處理手段，只能被迫起套管。另外，由于管柱在下放過程中引起液柱振動，產生一定的壓力波動，容易導致分級注水泥器提前開孔、管外封隔器無法漲封等一系列問題，影響最后的固井施工。為避免施工風險，減少管柱內外的壓力差，在下套管作業過程中需要及時向井內補充鉆井液，增加了下套管的施工作業時間[8-11]。

為了解決這些問題，設計了2種新型篩管頂部注水泥裝置。本文分析了這2種裝置的工藝原理，以及結構特點。

圖1 傳統篩管頂部注水泥工藝管柱結構

1 技術方案

國外工具(如圖2)采用機械式分級注水泥器中的重力塞結構，完成分級注水泥器開孔及封隔器進液漲開等工序。由于井斜大時，重力塞傾斜導致密封效果差，因此該裝置受井況條件影響大[12]。

a 總體結構 b 分級箍膨脹狀態 c 打開塞局部圖

國內有學者[13]提出使用水力激蕩壓力釋放短節，但是僅從局部解決了管柱下入過程的壓力激動造成壓差式分級注水泥器提前打開的問題，沒有設計1套完整的裝置，從根本上解決多工具組合適配性差等問題。

本文提出1種新型的篩管頂部注水泥工藝，既避免傳統盲板結構帶來的諸多弊端，又增強對井況的適應能力，能應用于直井、大斜度井、水平井等各種井況。設計的新型篩管頂部注水泥裝置集管外封隔器、分級注水泥器、平衡閥、球座于一體，用平衡閥和球座部件代替常規工藝管柱里的盲板部件，改變了傳統管柱工藝中出現的“死腔”方式，避免了在下放管柱過程中產生水擊壓力。若發生管柱遇阻，可以通過循環解阻等方式幫助套管下放，避免傳統工藝的施工風險。為簡化結構，避免傳統管柱的冗雜附件，采用一體式結構，內部各部件均使用易鉆除的鋁合金材料，既能保證各結構的強度，也便于后續鉆除內套，并實現鉆除后與套管一致的內部通徑，利于后續的完井作業。

工藝技術方案要求：

1) 管柱結構為：篩管串+篩管頂部注水泥裝置+套管串+固井水泥頭。

2) 管柱下放過程中，因管內外連通，可以實現自動灌漿，避免套管內部封閉空間液柱發生振動而產生水擊壓力的問題。

3) 管柱下放過程若中途遇阻，可以通過開泵循環的方式幫助管柱下放到位，且不受排量、泵壓的限制。

4) 管柱下放到位后，可以進行循環洗井。施工時通過投球憋壓方式打開封隔器進液孔，漲封封隔器膠筒單元；繼續憋壓關閉平衡閥(或隔離滑套)裝置，并同時關閉進液孔，實現液體在封隔器膠筒內部能永久充滿。

5) 關閉平衡閥(或隔離滑套)的同時打開篩管頂部注水泥器的循環孔，再進行固井作業，待碰壓后關閉循環孔，完成整個固井施工流程。

2 新型篩管頂部注水泥裝置結構分析

根據工藝技術方案，并結合現有技術及國外工具優缺點，設計2套獨立的篩管頂部注水泥裝置。通過投入憋壓球，關閉平衡閥，保證管內密封，實現封隔器漲封；繼續在管內憋壓，推動隔離滑套，打開分級注水泥器的循環孔，并使用專用的關閉塞對分級注水泥器進行關閉循環孔作業。

2.1 隔離閥一體式結構方案

隔離閥一體式篩管頂部注水泥裝置的結構[14]如圖3所示。

借鑒現有分級注水泥器技術及國外重力塞式結構，對內部平衡閥進行改進，通過平衡閥動作實現封隔器漲封及關閉。采用平衡閥體結構取代傳統工藝管柱中的盲板裝置，可以有效解決管柱內的“死腔壓縮”問題，徹底改變傳統管柱工藝中不能開泵循環的弊端；通過節流孔和旁通孔實現管柱內外部的連通，在下放管柱的過程中將不會受到激動壓力的影響，能起到下放管柱過程中自動灌漿的功能；能實現平衡閥體關閉后的管柱內外隔離，不再聯通，具有盲板的作用和功能；同時，分級注水泥器裝置上的第一進液孔可以永久關閉，有效防止膠筒膨脹以后的密封失效；在管柱下入過程，本體下接頭外端的幾處扶正塊可以保護膨脹膠筒，避免注水泥器本體發生磕碰，增強管柱下入過程中工具的安全性。

1-上接頭；2-注水泥器本體；3-關閉塞座；4-關閉套；5-導向釘；6-打開套；7-第一循環孔；8-限位套；9-平衡閥體；10-上防突環；11-緊固釘；12-第一進液孔； 13-球座；14-鋸形防退齒；15-平衡閥關孔套；16-膨脹膠筒；17-下防突環； 18-下接頭；19-扶正塊；20-第二進液孔；21-第三進液孔；22-第二循環孔；23-導向槽；24-擋塊收縮槽；25-關閉套擋塊；26-密封圈；27-關閉套卡簧；28-關閉套卡簧槽；29-壓力平衡孔；30-打開套剪釘；31-關閉剪釘； 32-平衡閥關閉剪釘；33-旁通孔；34-節流孔。

注水泥器本體通過剪釘連接著關閉套和關閉塞座；平衡閥體與注水泥器本體之間通過螺紋相互連接；平衡閥體上設置節流孔，以及與第一進液孔相互平齊的第二進液孔。平衡閥體的內部設置有平衡閥關孔套，可以實現關閉節流孔；該關孔套通過上述平衡閥內部的關閉剪釘實現跟平衡閥體的相互連接；在平衡閥關孔套的內部設置有旁通孔。

打開套的內壁端設置球座結構，并通過螺紋方式使限位套與關閉套相互連接。打開套的下端外壁緊密貼合在平衡閥體的內壁上，并設置了鋸齒狀的防退結構，而打開套的上端外壁緊密貼合在關閉套的內壁。通過打開套剪釘可以使打開套與限位套相互連接，當剪斷剪釘后，打開套下行，管內鉆井液依次從第三進液孔、第二進液孔以及第一進液孔通過后，直接進入到膨脹膠筒的內部。限位套的作用是將打開套的上端限制在第一循環孔和第二循環孔的底部，保證此處2個循環孔均處于打開狀態。

為避免關閉套下行滑動過程中產生的“死腔壓縮”問題，在打開套上設置壓力平衡孔。在分級注水泥器本體的內壁側設計了2顆導向釘，以防止關閉套發生相對轉動。為避免漲封時膨脹膠筒邊緣的橡膠發生損壞，分別在膨脹膠筒的兩側設置上防突環及下防突環，同時通過上緊固釘及下緊固釘可以將2個防突環各自固定到注水泥器本體上，能增強防突環對膨脹膠筒產生的壓緊作用。下接頭外端設置有扶正塊，實現在下放管柱的過程中對注水泥器本體和膨脹膠筒的有效保護，防止其不被磕碰。

2.2 隔離閥分體式結構方案[15]

隔離閥分體式篩管頂部注水泥裝置的結構如圖4所示。

借鑒部分現有壓差式分級注水泥器技術，上接頭、下接頭、封隔器膠筒單元、注水泥器本體、內部滑套單元等5個部件進行一體化模塊式設計。采用隔離閥(隔離滑套)分體式設計，用投球式隔離閥替代常規盲板的結構，將套管內外連通，避免管柱下放過程中產生水擊壓力。同時，避免了為平衡管柱內外的壓力差而在下放套管時頻繁地向井內補充鉆井液，實現自動灌漿，節約作業時間，降低成本，并減小井下的施工風險。在下放管柱過程中若出現井漏或阻卡，可以進行小排量開泵循環，增加后續處理的手段，徹底改變傳統工藝中禁止開泵循環的弊端。

1-上接頭；2-注水泥器本體；3-關閉剪釘；4關閉擋塊槽；5-關閉擋塊；6-關孔滑套；7-循環孔；8-開孔滑套卡槽；9-開孔滑套；10-開孔滑套卡簧；11-限位套；12-關孔滑套限位臺階；13-防突環；14-緊固釘；15-進液孔；16-膨脹膠筒；17-下接頭；18-投球式隔離閥；19-球座；20-隔離滑套；21-隔離閥體；22-隔離閥孔；23-隔離滑套卡簧；24-隔離滑套卡槽；25-扶正塊；26-隔離閥剪釘；27-平衡孔；28-關孔滑套孔；29-關閉塞座限位臺階；30-關閉塞座；31-導向槽；32-導向釘；33-憋壓球；34-關孔滑套卡槽；35-關孔滑套卡簧；36-關閉塞；37-擋塊凹槽；38-擋塊固定孔。

采用投球憋壓的方式實現封隔器膠筒的充分漲封，再繼續憋壓將開孔滑套打開下滑，將注水泥器本體的管體內外實現相互連通，并同時關閉進液孔，保證液體在封隔器膠筒內部永久充滿。為實現膨脹膠筒的進液漲封，在注水泥器本體上設置有進液孔，保證憋壓時管內液體與膨脹膠筒的連通；上接頭及下接頭與注水泥器本體之間分別通過螺紋相互連接；同時在注水泥器本體的外表面設置有均勻分布的循環孔。為避免注水泥器本體和開孔滑套之間發生的“死腔”壓縮問題，在開孔滑套上設計平衡孔，以實現平衡管柱內外壓力的作用。

為保護膠筒在管串下放過程中不受損傷，避免膠皮發生破裂，在膨脹膠筒的上下端面均設置防突環。同時，為保證注水泥器本體及膨脹膠筒在管柱下入時不被磕碰，在下接頭的外端設置有多個扶正塊，提高了管柱下入過程中工具的安全性。該方案對下接頭部件采取模塊化設計，可以根據不同的井下狀況，選用適宜結構及型號的下接頭部件；也可根據實際工藝的不同需要，適宜調整封隔器膠筒單元的長度，滿足實際生產的需求。為簡化工具結構，在直井中宜采用非剪脫式球座設計，待管柱下放到預定位置后，直接投球憋壓，即可實現膠筒膨脹并將開孔滑套下滑打開；在大斜度井中，在可裝配拆卸的下接頭內部獨立設置憋壓和隔離部件。

3 工作原理

3.1 隔離閥一體式結構的工作原理

在管柱下放過程中，旁通孔和節流孔處于打開狀態，管柱內外壓力實現平衡，達到自動灌漿的目的。管柱下放到位后開泵，鉆井液從節流孔和旁通孔的孔道通過，從而進入到下部篩管串內部實現循環過程。待管內循環結束后投入銅球(或木球)，以泵送方式將球送入球座，實現管柱內部憋壓密封。

舉例：憋壓5 MPa剪斷打開套的剪釘，使打開套下行運動，管內的鉆井液依次從第三進液孔、第二進液孔以及第一進液孔通過，到達膨脹膠筒的內部。待膨脹膠筒內部的鉆井液充滿后，持續憋壓至12 MPa，將平衡閥關孔套上的剪釘剪斷，從而關閉平衡閥。平衡閥關孔套和打開套共同向下運動，從而關閉旁通孔和節流孔的循環通道；與此同時第一循環孔和第二循環孔一起打開，使分級注水泥器的內外連通，建立循環通道。為保證第一循環孔和第二循環孔此時均位于打開狀態，通過內部設置的限位套裝置，將打開套的上端限制在第一循環孔以及第二循環孔下端的位置。為確保在漲封完畢后膨脹膠筒不再回退收縮，在打開套下行移動的過程中，第一進液孔也會被永久的關閉。在打開套上設置的壓力平衡孔，可以實現分級注水泥器本體與關閉套內部腔體之間的鉆井液相互連通，避免在關閉套下行時產生“死腔”的壓縮問題。

注水泥漿結束后，釋放關閉膠塞，頂替膠塞，在關閉膠塞替漿至到達關閉塞座前150～200 m時，提前降排量至0.8 m3/min左右；待關閉膠塞到達關閉塞座后，繼續加壓5～8 MPa，保證關閉剪釘一次性充分剪斷。在管內鉆井液持續憋壓的作用力下，關閉膠塞將推動關閉塞座下滑移動，當關閉套的擋塊進入收縮槽后，打開套將下行，從而使第一循環孔關閉。此時，關閉卡簧收縮到卡簧槽內，達到關閉套防退的目的，泄壓放回水，拆水泥頭，相關固井施工順利結束。

3.2 隔離閥分體式結構的工作原理

在管柱下放過程中，因為注水泥器本體和隔離閥孔之間采取的中空設計，實現了管柱內外鉆井液的相互連通。待下放管柱到預計位置，投入憋壓球，通過開泵小排量循環的方式，將憋壓球泵送進入投球式隔離閥的球座內部，實現上部管串結構的密封。

舉例：憋壓5 MPa使隔離滑套下行，關閉隔離閥孔，對管柱內部持續憋壓，鉆井液將從進液孔通過并注入到封隔器膠筒的內部，實現漲封封隔器的作用。

在完成封隔器膠筒的充分漲封后，繼續憋壓至12 MPa，因為開孔滑套的下端橫截面積要小于其上端的橫截面積，從而在相同的壓力環境作用下，開孔滑套其上端所受的作用力要大于其下端所受的作用力，在壓力差的作用下，開孔滑套將產生下行滑動，而此時通過循環孔和關孔滑套孔將注水泥器內外的鉆井液實現了相互連通。當開孔滑套下行滑動到限位套位置后，到達開孔滑套的下限位置，此刻開孔滑套的卡簧收縮到卡槽的內部，完成開孔滑套的鎖緊防退。開孔滑套下端的延伸部分將同時關閉進液孔，此時整個管串的上部具備了循環和固井準備的條件。

當注水泥漿施工結束后，釋放關閉膠塞，開始替漿，在關閉塞下行到關閉塞座位置時，實現相互間的密封配合，即完成固井替漿的碰壓。在碰壓結束后繼續加壓5～8 MPa，剪斷關孔滑套和關閉塞座之間相互連接的剪釘，關閉擋塊進入到擋塊槽內，關閉塞座下行滑動到關閉塞座限位臺階端面 (此時注水泥器本體和關孔滑套之間的限位已經失效)，在憋壓力的作用下，關閉塞下壓關閉塞座并隨之帶動整個關孔滑套開始下行滑動，實現注水泥器本體上面的循環孔與關孔滑套孔之間的相互錯位，隨即完成關孔動作。在關孔滑套繼續下行滑動到關孔滑套限位臺階端面時，關孔滑套上的卡簧收縮到卡槽內部，實現整個關孔滑套的鎖緊防退，整個篩管頂部注水泥的施工徹底結束。

4 關鍵參數計算

由于隔離閥旁通孔的存在，在管柱下入過程中，2種結構的新型篩管頂部注水泥裝置均上下連通，因此水擊壓力均為0。

在隔離閥一體式結構中，管柱運動瞬間不會對分級注水泥器本體產生抽汲作用，因此該結構在管柱下入過程中不會產生壓力激蕩。

對于隔離閥分體式結構，由于采用壓差分級注水泥器技術，因此在管柱運動瞬間會產生抽汲壓力，按式(1)～(2)計算：

(1)

(2)

式中：psw為鉆井液在管柱內形成的抽汲壓力；D1為套管的內徑；d為篩管串的管柱外徑；D2為裸眼井徑；L1為套管長度；L2為裸眼段中篩管串的長度；v1為套管內部的環空流速；v2為裸眼段內的環空流速；kc為鉆井液的黏附系數，取0.46；f1為套管內的摩擦因數，取0.01；f2為裸眼井段的摩擦因數，取0.01。

泥漿密度1.30 g/cm3，管柱公稱直徑139.7 mm，裸眼井徑215.9 mm，套管長度3 000 m，裸眼段長度500 m。將數據代入式(1)～(2)計算得到

psw=2.044×ρ×v2

(3)

因此，在隔離閥分體式結構中存在抽汲壓力，當瞬時速度達到2.1 m/s時，正向壓差為12 MPa，接近分級注水泥器打開壓力，工具存在提前打開風險。

5 結論

1) 新型篩管頂部注水泥工藝及配套裝置是對傳統技術的改進和創新升級。

2) 針對不同井況和特點，進行一體化集成式研究，設計2套獨立的篩管頂部注水泥裝置，避免傳統篩管頂部注工藝中的多工具適配性差的問題；對井型限制小，可適用于直井、斜井、水平井等。

3) 新型篩管頂部注水泥工藝及配套裝置可以在管柱下入過程進行鉆井液循環，簡化了工具結構，節省作業時間，提高施工的安全性。

4) 在隔離閥一體式結構中，管柱內部不會產生任何壓力激動問題。

5) 在隔離閥分體式結構中，采用模塊化設計，可以根據需要調整封隔器膠筒長度或采用簡化的下接頭結構；但要控制管柱下放速度小于2.0 m/s，避免抽汲壓力造成工具失效。

6) 建議加快室內試驗進度，根據實際需求，選取合適方案，滿足石油工程中的降本增效要求。