水平井常規油管井下動力鉆塞技術研究

安 杰，趙 樂，唐梅榮，王文雄，王 丹

(中油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

引 言

水平井速鉆橋塞體積壓裂［1］是國外非常規油氣藏改造的主體技術［2－3］，實現了致密油氣資源的高效開發。長慶油田累計實施水平井速鉆橋塞體積壓裂43口井367段1480簇，單井產量較直井提高5～10倍，施工周期縮短50%以上，增產提速效果明顯。該工藝壓裂后需要鉆塞，國外主要采用連續油管設備鉆塞［4］，由于在長水平段存在“自鎖點”，無法有效鉆進，且長慶油田溝壑縱橫的道路條件，難以滿足大型設備動遷的條件，且費用昂貴，因此，連續油管鉆塞受限。大修鉆銑作業在直井修井、鉆水泥塞中應用較多［5－7］，但在水平井鉆磨復合橋塞中尚無經驗可借鑒，且存在井控安全風險和難點。因此，壓裂后鉆塞成為制約速鉆橋塞體積壓裂技術擴大應用的技術瓶頸，為解決這一問題，開展了在水平井中使用常規油管井下動力鉆磨復合橋塞的研究。

1 工藝管柱結構及工藝原理

工藝管柱采用常規油管井下動力裝置:常規倒角油管+反循環閥+雙瓣單向閥+C5LZ95X7.0Ⅱ－W螺桿馬達+六刃高效磨鞋(圖1)。

圖1 工藝管柱結構圖

工藝原理:地面流程中(圖2)，鉆磨液經過沉砂罐、低壓過濾器凈化處理后，由地面壓裂泵車提供動力進行循環，通過高壓過濾器再次凈化后，經油管傳遞到井下工具，由螺桿馬達將泵車提供的水力液壓能轉換成動能，帶動磨鞋高速旋轉，對井內復合橋塞進行削磨，將其磨銑成細小碎屑，碎屑被具有高流速和懸浮性能的鉆磨液從環空攜帶出來，直至鉆完橋塞，達到清理井筒的作用［8－9］。

2 鉆磨工藝關鍵技術

2.1 YQY易鉆復合橋塞

鉆磨效率的提高，主要決定于橋塞的可鉆性，因此，自主研發了YQY易鉆復合橋塞(圖3)。

(1)結構和原理。YQY易鉆復合橋塞主要由中心管、卡環、卡瓦、錐體、密封組件、接頭、破裂銷釘和壓裂可溶解球等構成。工作原理:利用電纜將其輸送到井筒預定位置，火藥爆破產生的能量促使坐封工具與橋塞脫離，同時在壓力作用下上下卡瓦緊固在套管內壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封。

圖2 工藝地面流程圖

圖3 YQY易鉆復合橋塞

(2)技術特點。YQY復合橋塞在材料和結構上進行了優化設計，保障了橋塞的易鉆性。普通橋塞使用金屬材料，密度大，不利于返屑，且強度高鉆磨困難。YQY復合橋塞采用“復合材料+金屬”設計思路，優選碳纖維增強環氧樹脂復合材料，具有高強度、低密度、易鉆磨等特點，節省了鉆磨時間，輕量化磨屑有利于返排，不堵塞管柱。采用“防護膠筒+密封膠筒”組合密封，單向雙卡瓦錨定，保證了橋塞坐封穩定性，上、下接頭的設計可相互咬合，防止鉆磨時橋塞堆積旋轉打滑，提高了鉆磨效率。

(3)主要技術參數。最大外徑為108 mm，最小內通徑為20 mm，長度為800 mm，在120℃環境中可耐壓70 MPa。室內模擬實際工況進行鉆塞實驗，鉆磨時間小于30 min。

2.2 高效磨鞋的研發

鉆復合橋塞與鉆水泥塞和井下落物不同，針對以往磨鞋成本高、效率低、返屑通道窄、易磨損的缺陷，設計研發了低成本六刃高效磨鞋(圖4)。

技術特點:磨鞋本體為整體銑制，內腔中有斜向直通式水道;底部布置“L”型導流槽六刃翼，齒柄間隙相位為60°，合理的布局使得鉆磨碎屑粒度適中，返屑效果好，不易卡鉆;磨料采用高品質的合金YD材料，刀翼基體的前立面上并排敷焊合金。該磨鞋導流能力強，效率高，不卡鉆，機械壽命可達85 h，單次作業可鉆除13個橋塞。

圖4 高效磨鞋結構示意圖

技術參數:本體外徑為95.3 mm，合金部分最大外徑為116 mm，水眼個數為6個，水眼尺寸為12 mm，紐扣合金硬度為90.5～91.0 HRA，YD合金硬度為89.0～91.0 HRA，上接頭螺紋(公)規格為73 mmREG。

2.3 鉆磨工藝參數優化

(1)鉆壓設計。采用“低鉆壓、高轉速、小進尺”設計方式，盡可能將橋塞鉆磨成細小的碎屑，便于鉆磨液攜帶返出井口。鉆壓等于入井管柱重力減去井口拉力，將管柱劃分為微單元進行受力分析，向上迭代計算靜態條件下拉力及動態條件下的摩阻力，綜合推薦鉆壓為0.8～2.4 kN，司鉆送鉆量每次控制在1～2 cm。

(2)排量優化。以壓裂陶粒為研究對象，采用牛頓－雷廷格計算法和莫爾計算法分別計算直井段砂粒沉降速度、斜井段環空止動返速和水平段砂粒的瞬時啟動流速，獲得砂粒的瞬時啟動流速后，計算直井段、斜井段、水平段不同階段的排量，確定出最小理論排量為492 L/min。

在滿足上返攜屑最小流速的前提下盡可能采取大排量，排量大則轉速增大，容易帶出碎屑，不易卡鉆，最大排量按照螺桿馬達額定排量的0.95計算。試驗表明排量在750～800 L/min，返出碎屑有橡膠塊、復合材料、鋁合金和卡瓦鐵塊等，基本包含復合橋塞所有材質，現場返屑效果較好。

(3)泵壓控制。為避免鉆壓過大導致憋泵和油管反轉現象，設置預警泵壓。通過現場試驗制定經驗公式:鉆磨泵壓為自由循環泵壓上浮1.5～2.0 MPa(根據螺桿馬達額定最大壓降決定)。

3 現場應用

現場試驗9口井，最長水平段長1604 m，鉆磨橋塞77個，其中一趟鉆施工5口井，單趟鉆具可鉆磨13個橋塞，施工成功率為100%，鉆磨效率較高，成本較連續油管降低60%。

以西平242－62井為例。該井生產套管為?139.7 mm，井深為3883 m，水平段長1500 m，井眼軌跡較為復雜，入井YQY橋塞13個。入井鉆具組合為:?73 mm倒角油管+?98 mm反循環閥+?98 mm雙瓣單流閥+?95 mmC5LZ95X7.0Ⅱ－W螺桿馬達+?116 mm六刃高效磨鞋。施工參數:采取“沖削式”鉆塞技術模式，鉆壓為1.6～1.8 kN，排量為 780～800 L/min，泵壓為 11.5～13.5 MPa。施工效果:使用一趟鉆具鉆磨13個橋塞，施工成功率為100%，鉆磨周期為5 d，現場應用表明該技術鉆磨復合橋塞效果較好。

4 結論與認識

(1)形成了水平井常規油管井下動力鉆塞技術，在長水平段、復雜井眼軌跡井通過配接正確鉆磨工具、控制合理參數能夠順利完成油管鉆磨復合橋塞作業，施工成功率為100%。

(2)研發的YQY易鉆復合橋塞耐高壓、耐高溫，在結構設計和材料優選等方面充分考慮可鉆性，從而大幅度提高了鉆磨工作效率。

(3)常規油管鉆塞井下工具組合具有簡單、安全、實用的特點;研發的六翼“L”型導流槽高效平底磨鞋，導流能力強，不易卡鉆、憋泵，耐磨性較好，可一趟鉆鉆磨13個橋塞。

(4)形成了油管鉆塞“沖削式”技術模式——“低鉆壓、高轉速、大排量、高流速沖洗”。推薦排量為750～800 L/min，鉆壓為0.8～2.4 kN。

［1］郝春城.快鉆橋塞多層壓裂工藝在C27井的應用及認識［C］//謝文彥，張方禮.第五屆全國特種油氣藏技術研討會優秀論文集.沈陽:遼寧科學技術出版社，2012:673－675.

［2］雷群，王紅巖，趙群，等.國內外非常規油氣資源勘探開發現狀及建議［J］.天然氣工業，2008，28(12):7－10.

［3］趙榮華，李斌，萬愛娥.復合橋塞在水平井分段壓裂中的應用［J］.江漢石油職工大學學報，2012，25(5):53－55.

［4］李宗田.連續油管技術手冊［M］.北京:石油工業出版社，2003:125－129.

［5］聶海光.油氣田井下作業修井工程［M］.北京:石油工業出版社，2002:231－244.

［6］王海濤.中基性火山巖側鉆水平井裸眼分段壓裂工藝［J］. 大慶石油地質與開發，2012，31(1):106 －108.

［7］才博，丁云宏，盧擁軍，等.提高改造體積的新裂縫轉向壓裂技術及其應用［J］.油氣地質與采收率，2012，19(5):108－110.

［8］任生軍，丁潔茵，李學平，等.高壓氣井橋塞鉆磨技術［J］. 西部探礦工程，2012，12(6):74 －76.

［9］蘇義腦.水平井螺桿鉆具的受力特征［J］.石油鉆采工藝，1999，21(1):6 －15.