一种砂岩地热井免钻塞完井管串结构及完井方法与流程

本发明涉及砂岩地热井免钻塞完井技术领域，特别涉及一种砂岩地热井免钻塞完井管串结构及完井方法。

背景技术：

为缩短钻井周期，降低地热井开发成本，自2016年起在陕西区域针对孔隙型砂岩地热井采用了滤水管顶部注水泥施工工艺。该工艺在油气井中的应用已经比较普遍，工艺成熟，工具结构安全可靠，针对地热井特点，将液压式尾管悬挂器改为微台阶尾管悬挂器，坐挂更加安全可靠，施工过程更加简单，同时降低了施工成本。但固井结束后双级注水泥器内套、胶塞及盲板的钻除时间较长，一般需要30小时以上(陕西区域目前实施3口井)，而取水层泥浆静止时间对地热井成井产能影响较大，为此在原技术工艺基础上创新研究了免钻塞固井技术。

技术实现要素：

为解决上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种砂岩地热井免钻塞完井管串结构及完井方法。

其技术方案是：一种砂岩地热井免钻塞完井管串结构，应用于井斜≤45°的地热井，由下至上依次包括设置在地热井内的滤水管串、可剪脱球座、管外封隔器、免钻双级注水泥器以及微台阶尾管悬挂器，所述可剪脱球座设置在免钻双级注水泥器的内部，所述滤水管串、管外封隔器、免钻双级注水泥器以及微台阶尾管悬挂器之间通过数个套管组成的套管串依次连接。

进一步地，所述滤水管串、管外封隔器、免钻双级注水泥器以及微台阶尾管悬挂器与套管串的连接端均采用丝扣粘结剂粘结。

进一步地，所述微台阶尾管悬挂器包括尾管悬挂器壳体，所述尾管悬挂器壳体内设置有尾管悬挂器中心管，尾管悬挂器中心管的上端设置有提升短节，所述尾管悬挂器中心管用倒扣螺母与尾管悬挂器壳体固定，在尾管悬挂器中心管的下端外侧设置有承载短节，所述承载短节上设置有悬挂环，所述承载短节与尾管悬挂器中心管的上连接端还设置有密封芯子，以及在尾管悬挂器壳体上端设置有载荷支撑盘，所述尾管悬挂器壳体的上下两端分别设置有尾管悬挂器节箍，所述尾管悬挂器节箍分别与套管串连接。

进一步地，所述免钻双级注水泥器包括注水泥器壳体，所述注水泥器壳体的上下两端分别设置有上接头和下接头，所述注水泥器壳体的内部设置有可剪脱球座，所述可剪脱球座与上接头的连接端处设置有关闭套和打开套，所述关闭套设置在上接头的底部，所述打开套设置在可剪脱球座的上部。

进一步地，所述可剪脱球座包括球座本体，所述球座本体内设置有球座芯子，所述球座芯子与球座本体之间设置有剪钉，以及在所述球座芯子上设置有憋压球。

进一步地，所述管外封隔器包括封隔器中心管，所述封隔器中心管的上下两端分别设置有封隔器节箍，以及在封隔器中心管底部设置有断开杆，所述断开杆处设置有关闭阀、开启阀以及单流阀，所述封隔器节箍分别与套管串连接。

本发明还提供了一种砂岩地热井免钻塞完井方法，包括如下步骤：

步骤1)管串入井：由下至上依次按照滤水管串、可剪脱球座、管外封隔器、免钻双级注水泥器以及微台阶尾管悬挂器顺序下入地热井，免钻双级注水泥器、管外封隔器与套管串连接时应涂丝扣粘结剂；免钻双级注水泥器上下3-5根套管应连续加弹性扶正器；免钻双级注水泥器上下接头同时上扣前必须确定接头上的定位钉到位，上扣扭矩与套管标准扭矩一致；

步骤2)微台阶尾管悬挂器坐挂：套管全部入井后，先灌满泥浆，再接悬挂器，接入时，将胶塞接到尾管悬挂器中心管底端的接箍上，用管钳上紧，将尾管胶塞上涂丝扣油后，缓慢将胶塞和尾管悬挂器中心管插入到套管内；先用链钳将悬挂器与套管引扣，确认无错扣后按标准扭矩上紧，锁死转盘，微台阶尾管悬挂器距离承载短节2m左右时降低下放速度并观察指重表读数，悬重开始下降时测量回缩距，若回缩距与计算值吻合，说明微台阶尾管悬挂器已坐挂；

步骤3)涨封封隔器；投Φ42mm铜球，接方钻杆静止等待铜球到位，憋压10MPa，稳压10min；二次憋压12MPa，稳压10min；三次憋压15MPa，稳压5min涨封封隔器；

步骤4)剪脱球座；继续憋压至18MPa时Φ42mm球座剪脱；Φ42mm铜球下落速度约为100m/min；

步骤5)投球打开双级注水泥器；卸方钻杆投Φ50mm铜球，静止等待Φ50mm铜球到位，憋压5MPa打开免钻双级注水泥器建立正常循环；铜球下行速度约为100m/min；

步骤6)循环；逐渐提排量至固井替浆排量，观察泵压及岩屑返出情况，循环两个周期时间后，若泵压稳定，无岩屑返出，可以进行丢手；

步骤7)倒扣丢手；循环正常后，将悬重提至中和点，坐钻杆卡瓦，正转3圈，观察钻具回转，若回转圈数不大于0.5圈，则继续正转不少于25圈，若回转圈数大于0.5圈，可根据现场情况适当调整倒扣位置，倒扣结束后上提钻具判断丢手是否成功，如果上提钻具悬重等于上部送入钻具重量并保持不变，则丢手成功；丢手成功后将钻具放回，使悬挂器下压10t左右；

步骤8)固井，碰压关孔；

A:接水泥头和固井管线，固井管线试压；

B:注水泥浆，释放钻杆胶塞，确保挡销开启充分；

C:替浆至大小胶塞复合前1～2m³将排量控制在1m³左右，复合后再恢复正常替浆排量；

D:替浆到量前2-3m³，将排量降至0.5-1m³/min，直到碰压，碰压时附加8-10MPa，关闭免钻双级注水泥器；

E:释放压力，检查回流，检查免钻双级注水泥器关闭情况；

步骤9)起钻:固井结束后直接起钻至井口。

本发明具有如下有益效果：

1)可剪脱球座与免钻双级注水泥器滑套采用大间隙密封技术，剪脱的内套均小于套管内径，可在自重作用下向井底滑动。

2)可剪脱球座与免钻双级注水泥器内套剪脱后内径均可保证152.4mm钻头顺利通过。

3)将双级箍改为投球开孔的机械式双级箍，将开孔方式改为投球开孔，可剪脱球座剪脱后管内憋压，采用直接憋压开孔的压差式双级注水泥器；

4)同时开孔铜球座于双级注水泥器内部，可防止水泥下沉影响内套滑脱。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中微台阶尾管悬挂器的结构示意图；

图3为本发明中免钻双级注水泥器的结构示意图；

图4为本发明中管外封隔器的结构示意图；

图5为本发明中管外封隔器的结构示意图；

具体实施方式

为了本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获取的其他实施例，都属于本发明专利的保护范围。

参照图1至图5，一种砂岩地热井免钻塞完井管串结构，应用于井斜≤45°的地热井，由下至上依次包括设置在地热井内的滤水管串、可剪脱球座4、管外封隔器3、免钻双级注水泥器2以及微台阶尾管悬挂器1，所述可剪脱球座4设置在免钻双级注水泥器2的内部，所述滤水管串、管外封隔器3、免钻双级注水泥器2以及微台阶尾管悬挂器1之间通过数个套管组成的套管串依次连接。

所述滤水管串、管外封隔器3、免钻双级注水泥器2以及微台阶尾管悬挂器1与套管串的连接端均采用丝扣粘结剂粘结。

所述微台阶尾管悬挂器1包括尾管悬挂器壳体，所述尾管悬挂器壳体内设置有尾管悬挂器中心管16，尾管悬挂器中心管16的上端设置有提升短节10，所述尾管悬挂器中心管16用倒扣螺母12与尾管悬挂器壳体固定，在尾管悬挂器中心管16的下端外侧设置有承载短节15，所述承载短节15上设置有悬挂环14，所述承载短节15与尾管悬挂器中心管16的上连接端还设置有密封芯子13，以及在尾管悬挂器壳体上端设置有载荷支撑盘11，所述尾管悬挂器壳体的上下两端分别设置有尾管悬挂器节箍，所述尾管悬挂器节箍分别与套管串连接。

所述免钻双级注水泥器包括注水泥器壳体，所述注水泥器壳体的上下两端分别设置有上接头20和下接头24，所述注水泥器壳体的内部设置有可剪脱球座4，所述可剪脱球座4与上接头的连接端处设置有关闭套21和打开套22，所述关闭套21设置在上接头20的底部，所述打开套22设置在可剪脱球座4的上部，以及在注水泥器壳体设置有循环孔25。

所述可剪脱球座4包括球座本体，所述球座本体内设置有球座芯子40，所述球座芯子40与球座本体之间设置有剪钉41，以及在所述球座芯子40上设置有憋压球23。

所述管外封隔器3包括封隔器中心管51，所述封隔器中心管51的上下两端分别设置有封隔器节箍50，以及在封隔器中心管51底部设置有断开杆53，所述断开杆53处设置有关闭阀54、开启阀56以及单流阀55，所述封隔器节箍50分别与套管串连接。

本发明还提供了一种砂岩地热井免钻塞完井方法，包括如下步骤：

步骤1)管串入井：由下至上依次按照滤水管串、可剪脱球座4、管外封隔器3、免钻双级注水泥器2以及微台阶尾管悬挂器1顺序下入地热井，免钻双级注水泥器2、管外封隔器3与套管串连接时应涂丝扣粘结剂；免钻双级注水泥器2上下3-5根套管应连续加弹性扶正器；免钻双级注水泥器2上下接头同时上扣前必须确定接头上的定位钉到位，上扣扭矩与套管标准扭矩一致；

步骤2)微台阶尾管悬挂器坐挂：套管全部入井后，先灌满泥浆，再接悬挂器，接入时，将胶塞接到尾管悬挂器中心管底端的接箍上，用管钳上紧，将尾管胶塞上涂丝扣油后，缓慢将胶塞和尾管悬挂器中心管插入到套管内；先用链钳将悬挂器与套管引扣，确认无错扣后按标准扭矩上紧，锁死转盘，微台阶尾管悬挂器距离承载短节2m左右时降低下放速度并观察指重表读数，悬重开始下降时测量回缩距，若回缩距与计算值吻合，说明微台阶尾管悬挂器已坐挂；

步骤3)涨封封隔器；投Φ42mm铜球，接方钻杆静止等待铜球到位，憋压10MPa，稳压10min；二次憋压12MPa，稳压10min；三次憋压15MPa，稳压5min涨封封隔器；

步骤4)剪脱球座；继续憋压至18MPa时Φ42mm球座剪脱；Φ42mm铜球下落速度约为100m/min；

步骤5)投球打开双级注水泥器；卸方钻杆投Φ50mm铜球，静止等待Φ50mm铜球到位，憋压5MPa打开免钻双级注水泥器建立正常循环；铜球下行速度约为100m/min；

步骤6)循环；逐渐提排量至固井替浆排量，观察泵压及岩屑返出情况，循环两个周期时间后，若泵压稳定，无岩屑返出，可以进行丢手；

步骤7)倒扣丢手；循环正常后，将悬重提至中和点，坐钻杆卡瓦，正转3圈，观察钻具回转，若回转圈数不大于0.5圈，则继续正转不少于25圈，若回转圈数大于0.5圈，可根据现场情况适当调整倒扣位置，倒扣结束后上提钻具判断丢手是否成功，如果上提钻具悬重等于上部送入钻具重量并保持不变，则丢手成功；丢手成功后将钻具放回，使悬挂器下压10t左右；

步骤8)固井，碰压关孔；

A:接水泥头和固井管线，固井管线试压；

B:注水泥浆，释放钻杆胶塞，确保挡销开启充分；

C:替浆至大小胶塞复合前1～2m³将排量控制在1m³左右，复合后再恢复正常替浆排量；

D:替浆到量前2-3m³，将排量降至0.5-1m³/min，直到碰压，碰压时附加8-10MPa，关闭免钻双级注水泥器；

E:释放压力，检查回流，检查免钻双级注水泥器关闭情况；

步骤9)起钻:固井结束后直接起钻至井口。

在进行下管串之前，应注意如下事项：

1)下套管前通好井，调整泥浆性能，确保井内无井涌、井漏、垮塌、阻卡，确保套管能顺利下到设计深度；

2)校核指重表和泵压表，保证灵敏、指示准确；

3)通井或刮管期间，起钻到坐挂位置测量钻具上提、下放的悬重及摩阻并做好记录；

4)计算回缩距，留好钻余；根据计算的钻余事先排好入井管串。机械式双级注水泥器及管外封隔器应放在井径规则、地层稳定的地方，

5)套管要使用符合标准的通径规通径；

6)钻具入井前要使用符合标准的通径规进行通径(直径要求大于70mm)，所有送入钻具(含转换接头、短钻杆)内不得有直角台阶；

7)管外封隔器的断开杆在入井前应拆除。

本发明在下管串之前，还需进行管串抗拉强度校核、管串密封能力校核以及下入过程中工具安全性校核。

1)管串抗拉强度校核。

套管浮重：

其中ρ为钢材在泥浆中的浮力系数，无因次；c为套管线重，kg/m；L为套管长度，m。

管内憋压附加载荷：

其中P为管内最大憋压值，MPa，此处取双级注水泥器内套剪脱压力20MPa；A为套管内截面积，mm²，g为重力加速度,m/s²。

管串最大载荷：

W1+W2＝123.79t

其中ρ为钢材在泥浆中的浮力系数，无因次，c为套管线重kg/m,L为套管长度m。

7"套管抗拉强度(N80)：273.97t>123.79t，安全。

13 3/8"×7"微台阶尾管悬挂器额定负荷：240t>123.79t，安全。

2)管串密封能力校核。

管内外压差：

P1＝ΔρgL＝(1.80-1.10)×10³×9.8×1500＝10.3MPa

其中Δρ为管内外液体密度差，kg/m3；g为重力加速度,m/s2；L为液柱高度m。

循环压耗：P2＝6MPa(经验值)

固井时最高压力：P1+P2＝16.3MPa

滑套剪脱压力为20MPa

薄弱点双级注水泥器密封能力为25MPa，安全。

3)下入过程中工具安全性校核。

假设套管下放过程中泥浆与套管以相同速度下行，套管刚刚停止下放时泥浆在惯性作用下仍向下流动，这时，在双级注水泥器球座上下形成节流压差：

其中ρ为泥浆密度，kg/m³；Q为泥浆流量m³/s；Cd为流量系数，无因次；d为流道内径，m²。此处假定每根套管下放时间为15s，流量系数取0.6。

双级注水泥器：开孔压力5MPa≥节流压差0.28MPa，下入过程中无开孔风险。