易鉆橋塞座封和射孔連作在長北氣田分層壓裂中的應用及效果分析

王　沖，李　浩，賈進孝，孟令濤，趙宏波

（1．中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021；2．中國石油長慶油田分公司長慶實業集團公司，陜西西安　710021；3．中國石油長慶油田分公司勘探部，陜西西安　710021）

易鉆橋塞座封和射孔連作在長北氣田分層壓裂中的應用及效果分析

王沖1，李浩1，賈進孝2，孟令濤3，趙宏波1

（1．中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021；2．中國石油長慶油田分公司長慶實業集團公司，陜西西安710021；3．中國石油長慶油田分公司勘探部，陜西西安710021）

鄂爾多斯盆地長北氣田發育多套低滲透含氣層系，其改造需要分層壓裂。常規分層壓裂的缺點是從第2段開始，在對每一段進行射孔前都需要用電纜下橋塞封堵下面層段之后起出電纜，再下射孔槍射孔，這樣每射孔一個層段需要下兩趟電纜，延長了外來流體對儲層的浸泡時間，并增大了儲層的傷害和施工風險。為了解決該問題，在長北氣田試驗了易鉆橋塞座封和射孔連作在分層壓裂中的應用。該工藝的施工過程包括四步，首先，將橋塞與射孔槍連接在一起，在自身重力或者采用水力泵送等方式輸送橋塞和射孔槍到達目的深度后，地面給電信號座封橋塞，同時橋塞與射孔槍丟手，上提射孔槍到目標位置射孔；其次，壓裂對應井段；再次，重復前兩步施工過程，壓裂完所有施工層段之后磨橋塞；最后，洗井。新工藝下一趟電纜可以完成一個層段的橋塞座封和射孔，明顯縮短了施工周期，減少了鉆井液、完井液、壓裂液和洗井液對儲層的浸泡時間和傷害。試驗證明，易鉆橋塞座封和射孔連作分層壓裂后氣井產量明顯高于采用傳統方法分層壓裂后的氣井產量；該工藝的成功實施，初步探索出了低孔低滲儲層的有效改造技術手段，為鄂爾多斯盆地多層系氣層高效開發積累了寶貴的經驗。

橋塞；座封；射孔；壓裂；磨橋塞

鄂爾多斯盆地屬于多旋回克拉通沉積盆地［1，2］，發育多套含油氣層系［3］，其中在榆林氣田上古生界的本溪組、太原組、山西組和石盒子組均發現了較好的含氣顯示［4］。目前，國際上對多套含油氣層系的改造以采用分層壓裂方法為主；其施工過程需要對每一層段進行射孔和壓裂，最后再鉆磨橋塞和試氣。而對上部層段射孔的常規方法是首先電纜下橋塞，使其座封在已壓裂層段之上后起出電纜，其次再用電纜下射孔槍射孔。由于每射孔一個層段需要下兩次電纜，延長了施工時間，增加了外來流體對儲層的浸泡時間，加深了其對儲層的傷害和增大了施工風險。鑒于以上原因，最近幾年在榆林氣田實驗了易鉆橋塞座封與射孔連作技術在分層壓裂中的應用，并取得了較好的實驗效果，現在對其做如下詳述。

1　易鉆橋塞座封和射孔

1.1易鉆橋塞座封和射孔連作的概念和優點

1.1.1易鉆橋塞座封和射孔連作的概念所下橋塞與射孔槍連接在一起，在自身重力或者采用水力泵送等方式輸送橋塞和射孔槍到達目的深度后，首先座封橋塞，然后再上提射孔槍到射孔段進行射孔的工藝叫作座封橋塞和射孔連作。

1.1.2易鉆橋塞座封和射孔連作的優點

（1）榆林氣田上古生界氣層屬于多層系低孔低滲儲層，多層系合采和大規模分層壓裂是該區氣井增產的有效手段；易鉆橋塞座封和射孔連作技術具有準確的壓裂分段、無限制的分段級數和磨阻小等優勢，能夠滿足多層系合采和大規模分層壓裂開發的條件。

（2）相比封隔器座封后打開滑套壓裂，易鉆橋塞座封和射孔連作技術在分段射孔壓裂后可以迅速鉆磨橋塞，保證井筒暢通，利于后期作業的實施。相比噴砂射孔壓裂技術，則易鉆式橋塞分段射孔壓裂的改造強度和力度要更大，更適用于低滲透儲層的改造。

（3）易鉆橋塞分段射孔壓裂由于采用射孔、壓裂連作，比常規先射孔，再下管柱壓裂的方法大幅提高作業時效和節約成本。

1.2易鉆橋塞座封和射孔連作工具組成

易鉆橋塞和射孔連作工具主要由地面設備（吊車、電纜車、動滑輪）和井下工具串（磁定位測井儀器、點火頭+射孔槍、點火頭+易鉆橋塞）組成（見圖1）。

1.2.1易鉆橋塞座封易鉆橋塞座封系統主要由點火系統組成（見圖2）。其中點火系統主要作用是點火，壓力傳遞系統的主要作用是傳遞壓力，動力轉換系統主要作用是把內部的壓力通過插板轉換成外部滑套的推力，座封丟手系統的主要作用是在橋塞座封之后使得電纜和橋塞分離。

圖2　易鉆橋塞座封系統組成圖Fig.2 The seating and sealing system diagram of the easy drilling bridge plug

座封工具和橋塞是通過丟手螺栓兩端的螺紋組裝在一起，座封工具上端的點火頭與電纜絞車的磁性定位器螺紋相連接。作業時用電纜提起工具送入井內，根據磁性定位測井儀器發出的電信號找到橋塞的座封位置，確定座封位置后繼續下放10 m左右，再上提至原位置點火座封和丟手。點火成功后，電纜張力會有1 kN左右的變化，井口監控人員手摸電纜可明顯感覺到震動，說明橋塞已座封并丟手。點火座封橋塞和丟手3 min后，上提座封工具10 m，再緩慢下放探頂，若遇阻，再次證明橋塞座封和丟手成功。上提工具20 m之后，用泵車試壓，試驗壓力為26 MPa，穩壓30 min不降即可。另外，座封位置一般選在被封堵層和待射孔層之間的夾層的下部（見圖1）。

圖1　易鉆橋塞座封和射孔連作工具組成圖Fig.1 The continuous operation-tool's constitutional diagram of the easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating

橋塞座封原理：當橋塞上提到座封位置之后，接通地面電源，通過電纜點火引爆發火雷管，發火雷管引燃二次火藥，二次火藥燃燒后引燃主裝動力火藥并產生高溫高壓氣體。高溫高壓氣體產生向下和向上兩個方向相反、大小相等的推力，向下的推力依次推動上活塞、液壓油、下活塞、活塞桿、插板、滑套和座封套筒向下運動；向上的推力依次推動火藥室、上液缸、中間阻尼接頭、下液缸、下接頭、內導管、調整短節、拉力桿和丟手螺栓向上運行。這兩個方向的力同時作用在橋塞上、下錐體上，推動上、下卡瓦沿中心管作上、下相對運動并擠壓膠筒，使膠筒軸向壓縮、徑向膨脹封住套管。隨著壓力進一步增大，上下卡瓦分別沿其內部的應力槽裂開成六片卡住套管而實現座封。座封之后壓力持續增大，當火藥產生的座封拉力超過丟手螺栓的拉斷力時，丟手螺栓被拉斷，橋塞與工具分離而完成丟手［5］。

1.2.2射孔橋塞座封、丟手和試壓之后，上提電纜并找到待射孔段以上的標志套管，再下放電纜到待射孔段頂部（見圖2），用磁定位測井識別射孔段上部最近一個接箍位置，結合射孔槍最上部彈孔到磁定位測井的距離計算出射孔段對應的深度，再下放或者上提射孔槍到對應深度（通常帶有GR測井儀器，通過GR曲線進一步確定射孔階段），確認無誤之后通過電纜點火射孔。

2　壓裂

壓裂就是利用壓裂車組將一定黏度的液體以足夠高的排量沿井筒注入油氣層，由于注入速度遠遠大于油氣層的吸液速度，所以多余的液體在井底憋起高壓，當此壓力和進入油氣層的液體使井壁上某處的巖石所受的應力超過巖石破裂強度后，油氣層就會在此處開始破裂形成裂縫。形成裂縫后，繼續將帶有支撐劑的攜砂液注入裂縫，裂縫繼續延伸并在裂縫中充填支撐劑；停泵后，由于支撐劑對裂縫的支撐作用，可在地層中形成足夠長、有一定導流能力的填砂裂縫。該填砂裂縫與井眼連通，穿透過鉆井過程中形成的近井地帶的污染區，增大了油氣井的泄流面積，改變了地層中的流體流動路徑，從而有利于提高單井產量和油氣田采收率。

由于研究區含有多個含氣層系，故在第一個層位壓裂之后，首先，采用橋塞座封和射孔連作技術，在壓裂段上部座封橋塞封隔已壓裂段，之后上提射孔槍到待射孔段射孔；其次，對待壓裂段壓裂。

3　鉆磨橋塞

易鉆橋塞除極少量配件外，均采用類似硬性塑料性質的復合材料制成，其強度、耐壓、耐溫與同類型金屬橋塞相當或優于金屬橋塞，且密度較小，所以可鉆性強和更容易循環帶出地面［6］。在壓裂完各施工井段之后，利用連續油管帶磨銑鉆具組合鉆磨易鉆橋塞。磨銑鉆具組合主要包括磨銑、電動機、循環接頭、液壓丟手、背壓閥和快速接頭（見圖3）。

圖3　磨銑工具組合圖Fig.3 The combination figure of the milling tool

磨銑的主要作用是研磨橋塞，其尺寸在井眼允許范圍之內，盡量選最大；電動機的主要作用是在水力作用下驅動磨銑轉動；液壓丟手的作用是當磨銑被卡之后從地面投球而使井下工具脫手，這時候電動機及以下工具在井內，而其上工具可隨連續油管一起可被起到地面；背壓閥為一單流閥，可阻止井底流體經過連續油管內到達井口；快速接頭主要用來快速連接連續油管和磨銑工具組合。

在鉆磨橋塞過程中，主要會遇到如下兩個問題，其一是在壓裂過程中，井筒中可能存在較多壓裂砂未進入裂縫；其二是由于壓裂會在人工裂縫周圍形成局部高壓帶，在鉆橋塞的時候，如果井口無背壓，當打開井口或橋塞被鉆穿之后，會在裂縫和井底之間形成較高的壓差，使得裂縫中的大量支撐劑快速流入井筒而其閉合。以上問題，除了導致壓裂的效果降低外，還會在井筒中積累大量支撐劑，這些支撐劑必須在鉆磨橋塞時被帶出井口。因為螺桿電動機的最大排量是定值，所以只靠增大排量的方法不可能將大量砂子帶出井；應該通過選擇合適尺寸的油嘴并適當增加井口背壓減少裂縫出砂來排砂，油嘴尺寸的選擇與井口背壓間的關系如下列公式［7］：

式中：Δp-油嘴節流壓降，MPa；Q-泵的注入量，m3/min；ρ-流體速度，103kg/m3；C-孔眼系數，無量綱；A-油嘴節流面積，m2。

在鉆磨橋塞的連續油管選擇方面，根據井深條件，應該充分考慮其摩阻、前端推力、扭矩等關鍵參數，防止施工參數超過額定值而扭斷油管或使油管發生形變。

4　實例分析

到目前為止，長北氣田有7口井實施了易鉆橋塞座封和射孔連作技術在分層壓裂技術工藝中的試驗，均取得了較好的成果，現在以CB20-4井為例，進行具體說明。

CB20-4井為一口評價井（見圖4），30″導管下入深度7.3 m，9-5/8″表層套管下入深度290 m，3-1/2″套管固井完井。從下到上依次有三個射孔段，第一射孔段在太2段，射一槍，射孔井段是2 969.6 m～2 972.6 m；第二射孔段在山1段，射兩槍，第一槍位置2 885.9 m～2 886.9 m，第二槍位置2 873.5 m～2 874.5 m，采用限流壓裂；第三射孔段在盒8+盒7段，射三槍，第一槍位置2 822 m～2 823 m，第二槍位置2 741 m～2 742 m，第三槍位置2 735.7 m～2 736.7 m，也采用限流壓裂。在第一射孔段和第二射孔段、第二射孔段和第三射孔段之間分別座封易鉆橋塞，座封位置分別為2935m和2845m。下面主要以第二個橋塞座封、第三段壓裂和磨橋塞為例進行說明。

圖4　CB20-4井井身結構示意圖Fig.4 The well structure diagram of the CB20-4

4.1橋塞座封、丟手和射孔

按照橋塞座封操作規程，作業時用電纜提起工具送入井內，根據磁性定位測井儀器發出的電信號找到橋塞座封位置2 845 m，之后繼續下放到2 855 m，再上提至2 845 m點火座封和丟手橋塞，點火后電纜張力有1 kN左右的變化，且井口手摸電纜明顯感覺到震動，說明橋塞已座封并丟手。點火座封橋塞和丟手3 min后，上提座封工具到2 835 m，再緩慢下放，于2 845 m探到橋塞頂部，再次證明橋塞座封和丟手成功。再上提工具到2 825 m，用泵車試壓，打壓到28 MPa，停泵后穩壓在26 MPa，30 min不降（見圖5），說明橋塞座封良好。之后上提電纜，以著陸短接為標志套管，完成了第三射孔段的三槍射孔。

4.2壓裂

射孔之后，緊接著進行壓裂，注前置液70 m3，施工排量4 m3/min，施工油壓36.85 MPa～24.8 MPa，最大砂比720 kg/m3，混砂液量176.2 m3，頂替液量13.3 m3，停泵后油壓22.7 MPa，停泵后套壓0 MPa，入井總液量259.5 m3。地層破裂時井口壓力41 MPa，套管摩阻損失壓力約為8 MPa，裂縫延伸的井口壓力為22.7 MPa，裂縫閉合時井口壓力18 MPa。

圖5　橋塞座封后試壓圖Fig.5 The pressure testing curve after the bridge plug seat sealing

4.3鉆磨橋塞

因為CB20-4井完井套管為3-1/2″，其內徑為2.992″，著陸短接所在位置管柱內徑最小，為2.813″（見圖4），鑒于此，依據實際情況，選用了1.5″連續油管、2.0″磨跣和2″電動機。磨銑工具組合入井前，井口壓力為3.5 MPa，為了防止裂縫吐砂，工具入井和磨銑橋塞過程，依據公式（1），始終將井口背壓保持在3.5 MPa左右。另外，施工參數和注意事項如下：

（1）每隔5 min計量一次計量罐中液體體積，始終保持返出液量與泵排量相當，避免井底壓力過高而使裂縫張開而吐砂；

（2）下鉆速度不超過30 m/min，據橋塞50 m前下降到5 m/min以下，并打入2 m3左右稠漿清掃井筒，避免下鉆速度過快而導致磨銑沖入砂橋而卡鉆或堵塞磨銑水眼；

（3）鉆磨橋塞過程中，鉆壓保持在1.2 t～1.5 t，泵排量保持在230 L/min，泵壓保持在30 MPa以下；

（4）每鉆磨完一個橋塞，都必須打稠漿清掃井筒，防止卡鉆。

5　效果分析

長北氣田發育多套含氣層系，目前壓裂改造井段數以2～3段為主。采用易鉆橋塞座封射孔連作和分層壓裂技術后，平均每口井從完井到洗井結束的施工周期縮短3 d～5 d，減少了鉆井液、完井液和壓裂液對地層的傷害，從而有力提高了單井產量。例如CB20-4和CB20-7井位于同一井場，開采層段和每一開采段的地質情況非常相似，兩口井基本同時投產，而前者利用易鉆橋塞座封射孔連作和分層壓裂技術，后者采用常規方法壓裂，而前者產量是后者的2.5倍。

6　總結

（1）鄂爾多斯盆地榆林氣田上古生界發育多套含氣層段，按照常規方法對其分層壓裂過程中，需要先下電纜座封橋塞，再將電纜起出后，重新下電纜射孔，增加了施工的風險和浪費了時間。

（2）易鉆橋塞座封射孔連作和分層壓裂技術有效縮短了施工周期，縮短了鉆井液、完井液和壓裂液對地層的浸泡時間，減輕了外來流體對地層的傷害，從而節約了成本和提高了天然氣井產量，故值得推廣。

［1］ 汪澤成，劉煥杰，張林，等.鄂爾多斯含油氣區構造層序地層研究［J］．中國礦業大學學報，2000，29（4）：432-436.

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［5］ 劉化國，等.電纜式坐封工具及可鉆式橋塞［J］．石油機械，1994，22（11）：53-57.

［6］ 徐克彬，等.高壓復合材料橋塞應用實踐［J］．油氣井測試，2009，18（3）：63-65.

［7］ 任勇，葉登勝，李劍秋，等.易鉆橋塞射孔聯作技術在水平井分段壓裂中的實踐［J］．石油鉆采工藝，2013，35（2）：90-93.

The application and analysis of the continuous operation about easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating in Changbei layered fracturing

WANG Chong1，LI Hao1，JIA Jinxiao2，MENG Lingtao3，ZHAO Hongbo1
（1.Gas Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China；2.The Changshi Group Co.，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China；3.The Exploration Department of PetroChina，Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China）

There are multiple sets of low permeability and low porosity gas reservoirs in Changbei gas field of Ordos basin，hierarchical fracturing were often used in this kinds gas field exploitation.The shortcomings of conventional hierarchical fracturing which need to putthe cable out of the hole after the bridge plug been set to the top of the under gas reservoir primarily and then run the cable in hole to perforate need to run the cable in hole two times for each perforated interval，and extend the time of the external fluid soak reservoir and increase the risk of a reservoir damage and construction risk.In order to save those defects，the continuous operated technology of the easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating were tested in Changbei layered fracturing.In the work progress of the new process as follow.The first，the bridge plug and perforating gun were connected together and were set to target depth，and give electrical signal by engineer to setting bridge plug and release the bridge plug at the same time，and lift the perforating gun up to target depth and the perforating.The second，fracture the target layer.The third，mill bridge plug after all the fracturing finished.Finally，wash well.The new progress make the work time become shorter than before，and reduce the gas reservoir immersion time by the completion fluid，fracturing fluid and flushing fluid，and to reduce the degree of gas reservoir being hurt.Facts have proven that test drilling bridge plug seat sealing and perforating and yield of continuous cropping wells was obviously higher than that of the traditional method of fracturing wells.Successful implementation of the process，a preliminary explore on the block of the low permeability transformation technology，a set of effective reservoir minister，multilayer atmosphere and high for the next step development has accumulated valuable experience.

bridge-plug；seat-sealing；perforation；fracturing；milling bridge plug

TE934.2

A

1673-5285（2016）05-0067-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.018

2016－04-09

王沖，男（1988-），甘肅鎮原人，2011年畢業于成都理工大學石油工程專業，助理工程師，主要從事油氣田開發方面的研究工作，郵箱：59651823@qq.com。