中國石油川慶鉆探工程公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司（陜西西安710000）

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水平井連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)分析及應(yīng)用

來國榮，安崇清，范琳沛

中國石油川慶鉆探工程公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司（陜西西安710000）

水平井連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)目前在長慶油田得到大規(guī)模應(yīng)用，增產(chǎn)提速效果明顯。重點(diǎn)介紹了連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)，對施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工作情況分析連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)的難點(diǎn)和易出現(xiàn)的問題，提出優(yōu)化鉆模橋塞設(shè)計(jì)、利用連續(xù)油管鉆磨水平井水力泵送橋塞、優(yōu)化工藝參數(shù)、合理施加鉆壓等解決對策?，F(xiàn)場采用連續(xù)油管進(jìn)行鉆磨橋塞，達(dá)到了快速、安全施工的目的。

水平井；連續(xù)油管；鉆磨橋塞；復(fù)合橋塞

水平井水力泵送橋塞分段壓裂工藝技術(shù)是北美非常規(guī)油氣藏大規(guī)模開發(fā)的主體技術(shù)[1]，壓后為恢復(fù)井筒暢通，方便后續(xù)作業(yè)，需要將井內(nèi)復(fù)合橋塞依次鉆磨掉。連續(xù)管以其尺寸小、無節(jié)箍、起下速度快、管柱撓性大等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)邊鉆邊沖連續(xù)作業(yè)，具有帶壓、快速、高效等優(yōu)勢，是水平井鉆磨復(fù)合橋塞的可行性工藝技術(shù)。近年來，長慶油田引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，在低滲透油藏的開發(fā)中發(fā)揮了積極的作用。

1 連續(xù)油管鉆磨橋塞工藝技術(shù)

1.1 連續(xù)油管鉆磨橋塞工具結(jié)構(gòu)

連續(xù)油管鉆磨橋塞地面設(shè)備組成：連續(xù)油管車、注入頭、防噴盒、防噴管、工作窗、防噴器、井口修井四通等[2]，如圖1所示。

圖1 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)示意圖

目前，國內(nèi)連續(xù)油管鉆磨工具大部分依靠租賃或進(jìn)口，尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，尤其是螺桿馬達(dá)和磨鞋等核心工具。通常采用的井下動力鉆具組合為：連續(xù)油管接頭、雙回壓閥、液壓丟手、雙啟動循環(huán)閥、雙向震擊器、螺桿馬達(dá)和磨鞋，如圖2所示。

圖2 連續(xù)油管井下管串

1.2 連續(xù)油管鉆磨橋塞工藝

連續(xù)油管鉆磨橋塞工藝原理[3]：連續(xù)油管作業(yè)機(jī)驅(qū)動連續(xù)油管及其前端的鉆磨工具到達(dá)目標(biāo)位置后，通過地面壓裂泵車泵注工作液進(jìn)入工具串驅(qū)動螺桿馬達(dá)，帶動磨鞋轉(zhuǎn)動，再通過合理工作壓差和鉆壓控制，對井內(nèi)橋塞進(jìn)行削磨，形成的碎屑在高壓水射流沖擊作用下迅速離開井底而流向環(huán)空，通過工作液循環(huán)帶出井筒，從而達(dá)到保持井筒暢通、溝通產(chǎn)層的目的。液體循環(huán)流程如圖3所示。

技術(shù)特點(diǎn)：其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在管柱同徑，可連續(xù)下入井筒內(nèi)不需要接單根，很好地解決了水平井鉆磨因接單根而引起的卡鉆問題，也消除了接單根時(shí)可能引起的液體落地問題，且有利于儲層保護(hù)，降低井控風(fēng)險(xiǎn)。鉆磨過程如圖4所示。

圖3 液體循環(huán)流程圖

圖4 連續(xù)油管鉆磨橋塞流程

1.3 復(fù)合橋塞

復(fù)合材料橋塞[4]被用于水平井和垂直井的多層壓裂設(shè)計(jì)，是致密油氣藏勘探開發(fā)中非常重要的工具，其非金屬化的設(shè)計(jì)大大節(jié)省了磨銑時(shí)間，主要由中心管、擋環(huán)、襯套、卡瓦、楔體、密封組件和可溶球等組成，如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料橋塞

1.4 工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

1）連續(xù)油管鉆磨橋塞工具串較長，下鉆過程中可能會遇到瞬間遇阻折斷工具串或連續(xù)油管。解決措施：工具間應(yīng)避免明顯的臺階面，同時(shí)應(yīng)控制工具串入井速度，

2）鉆磨過程中容易出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。解決措施：根據(jù)所選螺桿馬達(dá)的性能，合理施加鉆壓；如果出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，應(yīng)先停泵，待泵壓下降且穩(wěn)定后再上提連續(xù)油管。

3）鉆磨時(shí)容易引起地層吐砂，導(dǎo)致砂卡、砂埋等。解決措施：合理控制井口回壓。

4）易發(fā)生卡鉆、磨穿套管或無進(jìn)尺等問題。解決措施：根據(jù)井口壓力和井身結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)性能和尺寸的管柱和工具，并合理組合。

2 鉆磨工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鉆壓設(shè)計(jì)

連續(xù)油管鉆磨橋塞過程中，可根據(jù)油管懸重和地面泵壓來確定鉆壓的大小[3]。總結(jié)現(xiàn)場作業(yè)情況，隨著鉆壓的提高，雖然可短時(shí)間內(nèi)提高鉆磨速度，但是產(chǎn)生的磨屑尺寸較大，不易返排，易形成卡堵。較大鉆壓形成的另外一個(gè)問題是形成的大磨屑重量較大，容易聚集到磨鞋底部，造成反復(fù)鉆磨，引起跳鉆，導(dǎo)致磨鞋底部切削齒掉落，使磨鞋的切削能力減弱，從而撕扯復(fù)合橋塞的橡膠，產(chǎn)生更大的磨屑，如此反復(fù)，形成惡性循環(huán)。因此，采用“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)尺”設(shè)計(jì)思路，盡可能將橋塞鉆磨成細(xì)小的碎屑，便于鉆磨液攜帶返出井口。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，綜合推薦鉆壓為1.0~1.5t。

2.2 鉆磨進(jìn)尺優(yōu)化

在鉆磨過程中獲得最佳鉆磨進(jìn)尺是靠經(jīng)驗(yàn)、操作手的觀察和作業(yè)后的分析：①監(jiān)測鉆磨復(fù)合橋塞的下鉆速度；②持續(xù)監(jiān)測連續(xù)油管懸重，保持穩(wěn)定在最小值；③作業(yè)后對鉆速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)作業(yè)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)。推薦連續(xù)油管進(jìn)尺每次控制在1~2cm。

2.3 排量優(yōu)化

排量是連續(xù)管鉆磨復(fù)合橋塞作業(yè)過程中最重要的參數(shù)，不僅關(guān)系到螺桿鉆的工作性能，而且關(guān)系到鉆磨效率和攜屑效果。觀察沉砂罐放噴口濾網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，鉆磨過程中最先上返至地面的是復(fù)合材料屑和小尺寸橡膠，隨后金屬碎屑和陶粒返出，說明磨屑的返出規(guī)律與其密度大小成反比。由此可知確保壓裂陶粒返出的環(huán)空液流返速也能保證其余磨屑上返至地面，因此以壓裂陶粒為研究對象，采用牛頓—雷廷格計(jì)算法分別計(jì)算直井段砂粒沉降速度、斜井段環(huán)空止動返速和水平段砂粒的瞬時(shí)啟動流速，獲得砂粒的瞬時(shí)啟動流速后，計(jì)算直井段、斜井段、水平段不同階段的排量。

1）直井段。牛頓—雷廷格計(jì)算公式[5]為：

式中：V1為砂粒在工作液中的沉降速度，m/s；ds為球形砂粒直徑，m；ρs為砂粒的密度，kg/m3；ρ1為工作液密度，kg/m3。

在直井段，獲得砂粒沉降速度后，可計(jì)算出鉆磨作業(yè)所需最小排量：

式中：R為套管半徑，m；r為油管半徑，m。

2）斜井段。環(huán)空止動返速是阻止巖屑沿圓弧形井壁向下滑動的環(huán)空液流返速[6]。環(huán)空止動返速與斜井段地層巖性參數(shù)和井液流變性能有關(guān)，公式為：

式中：V2為環(huán)空止動返速，m/s；δ為環(huán)空流核寬度，m；r1、r2為環(huán)空外、內(nèi)徑，m；τ0為工作液靜切應(yīng)力，Pa；K為工作液稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流性指數(shù)。

在斜井段，獲得環(huán)空止動返速后，可計(jì)算出鉆磨作業(yè)所需最小排量：

3）水平段。根據(jù)泥砂瞬時(shí)起動流速[7]，考慮到壓裂用陶粒的粒徑分布、球度與圓度、抗破碎能力等區(qū)別于一般泥砂的特點(diǎn)，簡化公式如下：

式中：V3為水平井筒堆積的砂粒啟動時(shí)的環(huán)空流速，m/s；ρs為砂粒的密度，kg/m3；ρ為工作液密度，kg/m3；ξ0為綜合粘結(jié)力參數(shù)，其值與顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，對于一般泥砂取值為1.75×10-6m3/s2；δ為薄膜水厚度參數(shù)，取值為2.31×10-7m；d為砂粒粒徑，m；當(dāng)d≤0.5×10-3m時(shí)，d′取值為0.5×10-3m，當(dāng)0.5×10-3m＜d＜1×10-2m時(shí)，d′=d；Δ=2d；h為水平段套管內(nèi)徑，m；g為重力加速度，取值為9.80m/s2。

在水平段，獲得砂粒啟動時(shí)的瞬時(shí)啟動流速后，可計(jì)算出鉆磨作業(yè)所需最小排量：

因此，鉆磨橋塞所需最小理論排量取Qmin1、Qmin2、Qmin3的最大值。在滿足上返攜屑最小流速的前提下盡可能采取大排量，排量大則返速增大，容易帶出碎屑，不易卡鉆。

3 連續(xù)油管鉆磨橋塞現(xiàn)場應(yīng)用

X井是長慶油田2014年采用水力泵送橋塞分段壓裂的一口水平井，泵入8個(gè)橋塞，壓裂后關(guān)井時(shí)間長，鉆磨橋塞前井口壓力1.0MPa，采用連續(xù)油管進(jìn)行井下動力鉆磨。下入連續(xù)油管帶Φ116mm×0.34 m平底磨鞋工具一套，采用工作液配方：0.3%CJ2-6胍膠液+活性水。鉆壓1.0~2.0t，泵排量400L/min，馬達(dá)轉(zhuǎn)速400~600r/min。每天鉆磨結(jié)束將井底工具起到井口檢查工具工作情況，避免碎屑卡埋油管。累計(jì)工作時(shí)間5天，純磨單塞平均用時(shí)25min。

3.1 存在問題及解決措施

1）鉆磨前期施加鉆壓高，進(jìn)尺較大，導(dǎo)致形成碎屑尺寸較大，導(dǎo)致泵壓迅速升高，導(dǎo)致橋塞磨屑堵塞四通閥法蘭部分，造成憋泵，并出現(xiàn)了跳鉆現(xiàn)象。堵塞法蘭橋塞磨屑如圖6所示。

圖6 修井四通法蘭堵塞

解決措施：上提連續(xù)油管，待泵壓下降并穩(wěn)定后下鉆繼續(xù)鉆磨；連接雙放噴管線，防止一端被堵塞造成泵壓升高的情況；將高壓活動彎頭換成三通接口，并保持放噴管線同徑，不能出現(xiàn)縮徑情況。

2）鉆磨的時(shí)候出現(xiàn)鉆磨5min以上無明顯進(jìn)尺的情況。

解決措施：上提連續(xù)油管5m左右，再下放鉆具，調(diào)整平底磨鞋與橋塞的接觸關(guān)系，解決了鉆磨無進(jìn)尺的情況。

3）橋塞碎屑較大，并且在沉砂罐放噴管線口觀測到地層吐砂較多，碎屑和砂子可能會滯后返出。

解決措施：上提連續(xù)油管沿井筒沖洗碎屑和砂子，每鉆完一個(gè)橋塞后上提連續(xù)油管至入窗點(diǎn)定點(diǎn)循環(huán)，并稍微提高泵注工作液排量，使其攜帶出剩余磨屑，確保井筒干凈，再下放連續(xù)油管進(jìn)行后續(xù)橋塞鉆磨。

3.2 鉆磨效果評價(jià)

采用連續(xù)油管鉆磨橋塞安全系數(shù)高、勞動強(qiáng)度小、施工周期短，鉆磨時(shí)間較常規(guī)工具油管縮短近50%，提高效率的同時(shí)對安全生產(chǎn)起到了積極作用。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）利用連續(xù)油管鉆磨水平井水力泵送橋塞，鉆磨速度快，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)低，勞動強(qiáng)度小，鉆磨工藝安全、可靠。

2）鉆磨橋塞時(shí)應(yīng)配置兩條返排管線，一條進(jìn)入沉砂罐，接頭和管線盡量使用大內(nèi)徑，并且不能有縮頸；另一條直接接入返排池，以便在正常管線被堵后作為現(xiàn)場應(yīng)急管線。

3）連續(xù)油管鉆磨橋塞工具串較長，為避免下鉆過程中可能遇到的瞬時(shí)遇阻折斷工具串或連續(xù)油管，工具間應(yīng)避免明顯的臺階面，同時(shí)控制下入速度。

4）在現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)根據(jù)所選馬達(dá)的性能，合理施加鉆壓，如果出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，應(yīng)立即停泵，待泵壓下降后，上提鉆具，等泵壓穩(wěn)定后再下放鉆具進(jìn)行鉆磨。

5）連續(xù)油管鉆磨橋塞過程中，采用“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)尺”設(shè)計(jì)思路，選擇鉆壓1.0~1.5t，馬達(dá)轉(zhuǎn)速400~600r/min，進(jìn)尺每次控制在1~2cm。

[1]鄒剛,李一村,潘南林,等.基于復(fù)合材料橋塞的水平井套管分段壓裂技術(shù)[J].石油機(jī)械,2013,41（3）:44-47.

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[7]竇國仁.再論泥沙起動流速[J].泥沙研究，1999(6):1-9.

本文編輯：王梅

Coiled tubing bridge plug drilling and grinding technology for horizontal wells has been widely applied in Changqing Oilfield,and it has obvious production-increasing and speed-increasing effect.Based on field practice,the difficulties and problems in the application of the coiled tubing bridge plug drilling and grinding technology are analyzed,some countermeasures such as optimizing bridge plug drilling and grinding design,sending the bridge plug in horizontal well by coiled tubing drilling and grinding hydraulic pump,optimizing the process parameters,applying reasonable drilling,are proposed.The field applications of the coiled tubing bridge plug drilling and grinding technology achieve the purpose of fast and safe construction.

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2015-08-04

來國榮（1977-），男，工程師，主要從事油氣井試油壓裂工作。