曹學(xué)軍，傅 偉，李小波，彭翰林，周 陽，曾曉建，呂占春

中石化西南石油工程有限公司

0 引言

頁巖氣作為一種分布廣、資源量巨大的天然氣資源，是當(dāng)前重要的清潔化石能源之一[1-2]。目前國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)主要采用了“水平井鉆井+泵送橋塞、射孔聯(lián)作、分段改造”工藝，以提高作業(yè)效率和改造效果，降低開發(fā)成本[3-4]。橋塞作為該工藝實(shí)施的關(guān)鍵工具之一，已從復(fù)合可鉆型、大通徑型發(fā)展到可溶解型，在國內(nèi)外頁巖油氣田得到了廣泛應(yīng)用[5]。盡管可溶橋塞在壓裂后的返排液環(huán)境下可自行溶解，無需鉆掃作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)井筒全通徑投產(chǎn)采輸[6]，但受橋塞的溶解殘留物及地層巖屑、出砂等影響，為確保井眼暢通仍需進(jìn)行掃塞通井，以確保井筒清潔。威榮頁巖氣開發(fā)中，大量采用可溶橋塞進(jìn)行分段改造，壓裂后清潔井筒時(shí)受井口壓力高、橋塞不溶解物、巖屑、出砂等影響，掃塞通井作業(yè)面臨遇阻、卡鉆等技術(shù)難題及爆管等井控風(fēng)險(xiǎn)。

1 威榮深層頁巖氣高壓掃塞通井難點(diǎn)分析

威榮深層頁巖氣具有埋藏深(垂深3 550～3 880 m)、地層壓力高(地壓系數(shù)1.94～2.13)、地層溫度高(120～140 ℃)、壓后停泵壓力高(65 MPa)、水平段長等特點(diǎn)[7-9]。通過對威榮頁巖氣區(qū)塊前期可溶橋塞井鉆掃通井作業(yè)統(tǒng)計(jì)，已完成的41口井出現(xiàn)卡鉆、爆管等異常情況25次，嚴(yán)重影響了掃塞通井作業(yè)的安全和效率，不利于頁巖氣低成本高效開發(fā)。通過研究分析，威榮深層頁巖氣掃塞通井作業(yè)存在以下難點(diǎn)。

(1)長時(shí)間高壓作業(yè)影響連續(xù)油管使用壽命，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。威榮區(qū)塊掃塞通井時(shí)井口壓力高達(dá)35～50 MPa，較涪陵焦石壩一期高20～30 MPa，循環(huán)泵壓高達(dá)45～65 MPa。另由于連續(xù)油管使用壽命與作業(yè)壓力、規(guī)格等密切相關(guān)[10]，根據(jù)軟件模擬同一規(guī)格連續(xù)油管(?44.45 mm，壁厚2.77 mm、鋼級(jí)90、滾筒直徑213 cm、導(dǎo)軌半徑183 cm)在壓力超過21 MPa后，其使用壽命快速遞減超過50%(圖1)。前期現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)爆管6井次，對連續(xù)油管性能和使用管理提出了更高要求。

圖1 不同壓力下連續(xù)油管直至損壞的起下鉆次數(shù)

(2)井口溫度高易導(dǎo)致井控設(shè)備密封失效，存在井控風(fēng)險(xiǎn)。例如YY1-2HF井鉆塞井口溫度最高達(dá)104 ℃，造成了井口防噴器、防噴盒、防噴管等密封件老化損壞(圖2)，對密封材料性能要求高。

圖2 YY1-2HF井損壞的連續(xù)油管防噴器膠芯

(3)井口壓力高，連續(xù)油管承壓能力有限，限制了循環(huán)泵壓、排量。較低的排量不能有效攜帶出水平段井筒的固相物，易導(dǎo)致段塞堆積而卡管柱，前期因井口高壓出現(xiàn)異常卡鉆11井次。

(4)井筒固相物類型多，主要有橋塞未完全溶解物、膠皮塊、銷釘、膠結(jié)物、壓裂砂、巖屑等，水平段掃塞通井清潔難度大，對液體性能和掃塞參數(shù)要求高。

(5)水平段井筒堵塞存在圈閉壓力，掃通時(shí)圈閉壓力突然釋放易發(fā)生管柱遇卡的復(fù)雜情況。壓力釋放時(shí)，若堵塞物呈段塞狀，整體上移會(huì)對工具串形成上頂，導(dǎo)致管串彎曲變形而造成復(fù)雜情況；若堵塞物呈松散狀，將大量而快速地進(jìn)入管串與套管環(huán)空間隙，若不能及時(shí)返出，固相堆積易造成卡鉆。當(dāng)大量堵塞物返出地面時(shí)，易在地面流程的捕屑器、節(jié)流位置形成堵塞；當(dāng)循環(huán)超壓停泵時(shí)，返液中斷會(huì)導(dǎo)致井筒上部液體中固相物沉淀而引起卡埋管串。

2 威榮深層頁巖氣高壓掃塞通井工藝優(yōu)化

針對上述難題，開展掃塞通井管柱、掃塞工具串組合、工作液體系、施工參數(shù)和配套預(yù)防技術(shù)等優(yōu)化研究，為威榮深層頁巖氣井在高壓下安全、快速掃塞通井提供了技術(shù)支撐。

2.1 連續(xù)油管高壓掃塞通井工具及管柱優(yōu)化

2.1.1 連續(xù)油管管柱優(yōu)化

受地形及道路限制，國內(nèi)通常采用?50.8 mm連續(xù)油管作為作業(yè)管柱.鑒于威榮區(qū)塊掃塞通井時(shí)作業(yè)井口壓力高(35～50 MPa)、井深(大于5 500 m)，在選擇作業(yè)管柱時(shí)綜合考慮作業(yè)井口壓力、循環(huán)壓力、作業(yè)深度等需求。通過連續(xù)油管軟件模擬同一規(guī)格(?50.8 mm、壁厚5.18 mm、滾筒直徑193 mm)、不同鋼級(jí)(90級(jí)、100級(jí)、110級(jí))的連續(xù)油管在不同壓力條件下，由完好至損壞的起下鉆次數(shù)。由圖3可知，高鋼級(jí)(110級(jí))連續(xù)油管在較高壓力情況下使用壽命更長，同等情況下可降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。作業(yè)前選擇連續(xù)油管時(shí)，應(yīng)根據(jù)已使用的壓力和次數(shù)，模擬剩余使用壽命，不能滿足高壓井作業(yè)要求時(shí)應(yīng)及時(shí)停用或報(bào)廢，確保作業(yè)安全。

圖3 不同鋼級(jí)連續(xù)油管不同壓力情況下

2.1.2 工具串優(yōu)化

根據(jù)改造期間泵送作業(yè)判斷井筒套變情況，從預(yù)防卡鉆的方面優(yōu)選工具尺寸及管串組合。對于無套變的井，優(yōu)選與套管間隙6～8 mm的磨鞋，根據(jù)實(shí)際掃塞通井情況由大到小更換不同外徑的磨鞋[14]；考慮井眼軌跡，為實(shí)現(xiàn)一趟鉆高效通井，需要添加水力振蕩器。為此，優(yōu)選的掃塞通井工具組合為(自上而下)：?50.8 mm連續(xù)油管+?73 mm連接器+?73 mm單流閥+?73 mm液壓丟手+?73 mm震擊器+?73 mm水力振蕩器+?73 mm/?80 mm螺桿馬達(dá)+磨鞋。對于套變井，在套變段以上按照未套變井選擇，套變段以下視套變程度選擇，最簡組合為(自上而下)：?50.8 mm連續(xù)油管+?54 mm連接器+?54 mm單流閥+?54 mm液壓丟手+?54 mm噴嘴，配合金屬減阻劑輔助進(jìn)行掃塞通井。

2.2 工作液體系及參數(shù)優(yōu)化

為降低循環(huán)泵壓、提高排量、增加攜屑能力，降低掃塞通井卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，要求工作液具有低摩阻、高攜砂的性能。針對不同井況及作業(yè)要求，選擇不同性能的工作液體系組合：

(1)低摩阻低黏度的降阻水，其降阻率≥80%，黏度6～8 mPa·s，以降低通掃泵壓，實(shí)現(xiàn)大排量循環(huán)。

(2)膠液降阻率≥50%，黏度30～50 mPa·s，用于每通掃2～3支可溶橋塞后，短起時(shí)作為攜帶液強(qiáng)化清潔井筒。

(3)金屬減阻劑，適用于作業(yè)時(shí)降低連續(xù)油管與套管之間的摩擦阻力，緩解“自鎖”。

(4)泡沫液，具有高黏度、低密度(≤0.9 g/cm3)性能，適用于采輸一段時(shí)間后的低壓漏失井。

2.3 連續(xù)油管掃塞參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 鉆壓優(yōu)化

鉆壓對掃塞效率、螺桿馬達(dá)及連續(xù)油管壽命尤其重要，施加鉆壓過大會(huì)增加馬達(dá)超壓、停轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，且降低設(shè)備使用壽命，并增加連續(xù)油管彎曲磨損風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)水平井中連續(xù)油管螺旋屈曲載荷公式[11]，即式(1)，計(jì)算?50.8 mm連續(xù)油管在?114.3 mm套管鉆掃時(shí)鉆壓為14～18 kN。作業(yè)時(shí)通過上下活動(dòng)管串，觀察指重表和泵壓變化實(shí)測摩阻，調(diào)整施加鉆壓值確保其有效性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，推薦鉆壓為5～7.5 kN。

(1)

式中:F—鉆壓，kN；

E—楊氏模量，N/m2；

I—連續(xù)油管截面慣性矩，m4；

w—連續(xù)油管單位長度重力，N/m；

r—連續(xù)油管截面形心至井眼軸心的徑向距離，m。

2.3.2 排量優(yōu)化

掃塞通井時(shí)，排量的確定應(yīng)綜合考慮工作液降阻性能、連續(xù)油管尺寸和長度、選用的螺桿馬達(dá)性能、泵注設(shè)備及返屑要求，一方面要發(fā)揮螺桿馬達(dá)能力(最大排量的80%～90%)，另一方面?50.8 mm連續(xù)油管鉆掃液體返速應(yīng)大于0.76 m/s[12-14]。根據(jù)計(jì)算，不同泵注排量下?50.8 mm連續(xù)油管與?114.3 mm套管環(huán)空流體對應(yīng)的上返速度見表1，由表1可知排量為0.4 m3/min即可滿足返屑要求；同時(shí)為降低爆管風(fēng)險(xiǎn)，延緩連續(xù)油管損傷，優(yōu)選以泵壓小于50 MPa為限的排量，通過加大油嘴至6～8 mm，增大返排液量(實(shí)測在0.1 m3/min以內(nèi))以輔助提升攜屑能力，確保返屑清潔要求。

表1 不同泵注排量下連續(xù)油管與?114.3 mm

2.4 配套技術(shù)優(yōu)化

2.4.1 橋塞溶解助溶技術(shù)

優(yōu)選溶解性能好的全可溶金屬橋塞，減少不溶物量。壓后燜井期間，采用小油嘴(防出砂)間歇放噴的方式返排一個(gè)井筒容積液體，提升橋塞處的井筒溫度將有助于加速溶解；同時(shí)，流體流動(dòng)可將橋塞表面溶解物帶離井筒，促進(jìn)橋塞溶解，防止溶解物堆積以及溶解物與流體內(nèi)礦物成分反應(yīng)而生成新的沉淀物。

2.4.2 井筒清潔、防卡技術(shù)優(yōu)化

初期采用小油嘴控制排液速度，降低地層出砂風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)選具備倒劃眼功能的鉆頭/磨鞋；選擇低摩阻工作液，保證在限定泵壓下具備較高的循環(huán)排量；掃塞通井時(shí)采用6～8 mm油嘴增大返排排量，提升攜屑能力；強(qiáng)化操作控制措施，鉆壓5～7 kN，每掃完2～3支橋塞短起管串，充分循環(huán)清潔后再加深掃塞，禁止一次性通過多支橋塞，避免因井筒內(nèi)液體攜帶固相物多而形成高液柱壓力，從而造成泵車超壓停泵或壓漏地層，導(dǎo)致循環(huán)異常中斷、固相物快速沉淀而卡鉆等故障復(fù)雜情況。

2.4.3 作業(yè)井口高溫應(yīng)對措施優(yōu)化

防噴裝置選用耐溫120 ℃的高溫密封件(常規(guī)密封件耐溫93 ℃)；優(yōu)化設(shè)計(jì)雙通道泵注管線，一方面保證連續(xù)油管泵注循環(huán)沖洗，另一方面從連續(xù)油管防噴器旋塞通道口泵注低溫液體，經(jīng)采氣井口通道進(jìn)入測試管線，從而降低井口裝置和地面測試管線的溫度，井口注入排量q注由式(5)確定。

Q返=C水×q返×(t2-t)

(2)

Q注=C水×q注×(t-t1)

(3)

Q返=Q注

(4)

(5)

式中：Q返—返出液降溫?zé)崃浚琧al；

C水—水的比熱容；

q返—返出排量，m3/min；

t2—井筒返出液溫度，℃；

t—預(yù)計(jì)降至的溫度，℃；

Q注—注入液升溫?zé)崃浚琧al；

q注—注低溫水排量，m3/min；

t1—注入水溫度，℃。

例如返出流體排量為0.4 m3/min、溫度90 ℃，當(dāng)需要將返出流體溫度降低至60 ℃時(shí)，則通過連續(xù)油管防噴器旋塞通道口泵注10 ℃的冷水，排量為0.24 m3/min。降溫伴注時(shí)調(diào)整油嘴尺寸，按所需排量及井內(nèi)返排量之和折算當(dāng)量油嘴，減小井口回壓變化影響。

2.4.4 防圈閉壓力上頂及超壓措施優(yōu)化

根據(jù)作業(yè)井地層壓力預(yù)測可能的圈閉壓力，計(jì)算與液柱壓力差值(垂深)，合理控制井口回壓，確保對管串的上頂力在5 t以內(nèi)，以防止掃塞通井連通瞬間突然釋放的上頂力導(dǎo)致連續(xù)油管彎曲變形、斷裂等復(fù)雜情況。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例分析

威榮區(qū)塊在壓裂后排液期間，優(yōu)化后的連續(xù)油管高壓掃塞通井工藝技術(shù)已完成10余井次的應(yīng)用，未出現(xiàn)卡鉆、爆管等復(fù)雜情況，掃塞通井由前期的3～5趟鉆縮短至1～2趟鉆，極大地提升了作業(yè)效率，為后期采輸提供了合格的井筒條件，為威榮深層頁巖氣的高效開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

以WY29-7HF井為例，該井完鉆井斜深5 450 m，水平段長1 500 m，地層壓力79.1 MPa、地層溫度133 ℃，用?139.7 mm套管完井及電纜泵送射孔槍+橋塞進(jìn)行分段改造，設(shè)計(jì)壓裂18段，期間在第12段泵送(磁性定位儀CCL深度4 423.5 m)遇阻卡，采用連續(xù)油管通井后下入?73 mm槍射孔暫堵壓裂，總?cè)刖?97 mm可溶橋塞14支。壓后排液期間為確保井筒暢通采用連續(xù)油管掃塞通井。

通過分析井況，該井連續(xù)油管掃塞通井作業(yè)時(shí)采取了以下措施：

(1)燜井期間小油嘴間歇放噴，促進(jìn)橋塞溶解。

(2)優(yōu)選?50.8 mm連續(xù)油管帶水力振蕩器+?78 mm磨鞋通井管柱，采用降阻水混加金屬減阻劑降低摩阻。

(3)在橋塞異常位置反復(fù)確認(rèn)無阻卡后再下探。在井口壓力最高41.5 MPa(泵壓51.2 MPa)、排量0.4 m3/min條件下一趟鉆順利掃塞通井到底，完成了井筒清潔作業(yè)任務(wù)，為后期生產(chǎn)提供了合格的井筒條件。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過優(yōu)化，形成了以降阻水和膠液等組合工作液、橋塞促溶、清潔防卡及井口降溫措施為核心的深層頁巖氣高壓連續(xù)油管掃塞通井工藝技術(shù)，確保了施工的安全高效，為威榮深層頁巖氣的開發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)形成的連續(xù)油管高壓掃塞通井工藝技術(shù)已在威榮區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用10余井次，成功率100%，未出現(xiàn)卡鉆、爆管等復(fù)雜情況，掃塞通井由前期的3～5趟鉆(7 d左右)，縮短至1～2趟鉆(3 d左右)，極大地提升了掃塞作業(yè)效率，顯著降低了作業(yè)成本。

(3)形成的掃塞通井工藝技術(shù)成果已在永川、丁山等類似深層頁巖氣和川西致密氣體積壓裂井廣泛推廣應(yīng)用。