水平井連續油管鉆磨橋塞技術分析及應用

中國石油川慶鉆探工程公司長慶井下技術作業公司（陜西西安710000）

■大家談

水平井連續油管鉆磨橋塞技術分析及應用

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作業公司（陜西西安710000）

水平井連續油管鉆磨橋塞技術目前在長慶油田得到大規模應用，增產提速效果明顯。重點介紹了連續油管鉆磨橋塞技術，對施工參數進行優化選擇，并結合現場實際工作情況分析連續油管鉆磨橋塞技術的難點和易出現的問題，提出優化鉆模橋塞設計、利用連續油管鉆磨水平井水力泵送橋塞、優化工藝參數、合理施加鉆壓等解決對策。現場采用連續油管進行鉆磨橋塞，達到了快速、安全施工的目的。

水平井；連續油管；鉆磨橋塞；復合橋塞

水平井水力泵送橋塞分段壓裂工藝技術是北美非常規油氣藏大規模開發的主體技術[1]，壓后為恢復井筒暢通，方便后續作業，需要將井內復合橋塞依次鉆磨掉。連續管以其尺寸小、無節箍、起下速度快、管柱撓性大等特點，可實現邊鉆邊沖連續作業，具有帶壓、快速、高效等優勢，是水平井鉆磨復合橋塞的可行性工藝技術。近年來，長慶油田引進該項技術，在低滲透油藏的開發中發揮了積極的作用。

1 連續油管鉆磨橋塞工藝技術

1.1 連續油管鉆磨橋塞工具結構

連續油管鉆磨橋塞地面設備組成：連續油管車、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 連續油管作業機示意圖

目前，國內連續油管鉆磨工具大部分依靠租賃或進口，尚未實現國產化，尤其是螺桿馬達和磨鞋等核心工具。通常采用的井下動力鉆具組合為：連續油管接頭、雙回壓閥、液壓丟手、雙啟動循環閥、雙向震擊器、螺桿馬達和磨鞋，如圖2所示。

圖2 連續油管井下管串

1.2 連續油管鉆磨橋塞工藝

連續油管鉆磨橋塞工藝原理[3]：連續油管作業機驅動連續油管及其前端的鉆磨工具到達目標位置后，通過地面壓裂泵車泵注工作液進入工具串驅動螺桿馬達，帶動磨鞋轉動，再通過合理工作壓差和鉆壓控制，對井內橋塞進行削磨，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空，通過工作液循環帶出井筒，從而達到保持井筒暢通、溝通產層的目的。液體循環流程如圖3所示。

技術特點：其優點主要表現在管柱同徑，可連續下入井筒內不需要接單根，很好地解決了水平井鉆磨因接單根而引起的卡鉆問題，也消除了接單根時可能引起的液體落地問題，且有利于儲層保護，降低井控風險。鉆磨過程如圖4所示。

圖3 液體循環流程圖

圖4 連續油管鉆磨橋塞流程

1.3 復合橋塞

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

圖5 復合材料橋塞

1.4 工藝技術難點分析

1）連續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油管。解決措施：工具間應避免明顯的臺階面，同時應控制工具串入井速度，

2）鉆磨過程中容易出現憋泵現象。解決措施：根據所選螺桿馬達的性能，合理施加鉆壓；如果出現憋泵現象，應先停泵，待泵壓下降且穩定后再上提連續油管。

3）鉆磨時容易引起地層吐砂，導致砂卡、砂埋等。解決措施：合理控制井口回壓。

4）易發生卡鉆、磨穿套管或無進尺等問題。解決措施：根據井口壓力和井身結構選擇相應性能和尺寸的管柱和工具，并合理組合。

2 鉆磨工藝參數優化設計

2.1 鉆壓設計

連續油管鉆磨橋塞過程中，可根據油管懸重和地面泵壓來確定鉆壓的大小[3]。總結現場作業情況，隨著鉆壓的提高，雖然可短時間內提高鉆磨速度，但是產生的磨屑尺寸較大，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，造成反復鉆磨，引起跳鉆，導致磨鞋底部切削齒掉落，使磨鞋的切削能力減弱，從而撕扯復合橋塞的橡膠，產生更大的磨屑，如此反復，形成惡性循環。因此，采用“低鉆壓、高轉速、小進尺”設計思路，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。結合現場實際工作經驗，綜合推薦鉆壓為1.0~1.5t。

2.2 鉆磨進尺優化

在鉆磨過程中獲得最佳鉆磨進尺是靠經驗、操作手的觀察和作業后的分析：①監測鉆磨復合橋塞的下鉆速度；②持續監測連續油管懸重，保持穩定在最小值；③作業后對鉆速數據進行分析，總結作業規律和經驗。推薦連續油管進尺每次控制在1~2cm。

2.3 排量優化

排量是連續管鉆磨復合橋塞作業過程中最重要的參數，不僅關系到螺桿鉆的工作性能，而且關系到鉆磨效率和攜屑效果。觀察沉砂罐放噴口濾網發現，鉆磨過程中最先上返至地面的是復合材料屑和小尺寸橡膠，隨后金屬碎屑和陶粒返出，說明磨屑的返出規律與其密度大小成反比。由此可知確保壓裂陶粒返出的環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。

1）直井段。牛頓—雷廷格計算公式[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，可計算出鉆磨作業所需最小排量：

式中：R為套管半徑，m；r為油管半徑，m。

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

式中：V2為環空止動返速，m/s；δ為環空流核寬度，m；r1、r2為環空外、內徑，m；τ0為工作液靜切應力，Pa；K為工作液稠度系數，Pa·sn；n為流性指數。

在斜井段，獲得環空止動返速后，可計算出鉆磨作業所需最小排量：

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

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

在水平段，獲得砂粒啟動時的瞬時啟動流速后，可計算出鉆磨作業所需最小排量：

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 連續油管鉆磨橋塞現場應用

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個橋塞，壓裂后關井時間長，鉆磨橋塞前井口壓力1.0MPa，采用連續油管進行井下動力鉆磨。下入連續油管帶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，馬達轉速400~600r/min。每天鉆磨結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。累計工作時間5天，純磨單塞平均用時25min。

3.1 存在問題及解決措施

1）鉆磨前期施加鉆壓高，進尺較大，導致形成碎屑尺寸較大，導致泵壓迅速升高，導致橋塞磨屑堵塞四通閥法蘭部分，造成憋泵，并出現了跳鉆現象。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：上提連續油管，待泵壓下降并穩定后下鉆繼續鉆磨；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，不能出現縮徑情況。

2）鉆磨的時候出現鉆磨5min以上無明顯進尺的情況。

解決措施：上提連續油管5m左右，再下放鉆具，調整平底磨鞋與橋塞的接觸關系，解決了鉆磨無進尺的情況。

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：上提連續油管沿井筒沖洗碎屑和砂子，每鉆完一個橋塞后上提連續油管至入窗點定點循環，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，再下放連續油管進行后續橋塞鉆磨。

3.2 鉆磨效果評價

采用連續油管鉆磨橋塞安全系數高、勞動強度小、施工周期短，鉆磨時間較常規工具油管縮短近50%，提高效率的同時對安全生產起到了積極作用。

4 結論與認識

1）利用連續油管鉆磨水平井水力泵送橋塞，鉆磨速度快，卡鉆風險低，勞動強度小，鉆磨工藝安全、可靠。

2）鉆磨橋塞時應配置兩條返排管線，一條進入沉砂罐，接頭和管線盡量使用大內徑，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場應急管線。

3）連續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遇阻折斷工具串或連續油管，工具間應避免明顯的臺階面，同時控制下入速度。

4）在現場實際操作時，應根據所選馬達的性能，合理施加鉆壓，如果出現憋泵現象，應立即停泵，待泵壓下降后，上提鉆具，等泵壓穩定后再下放鉆具進行鉆磨。

5）連續油管鉆磨橋塞過程中，采用“低鉆壓、高轉速、小進尺”設計思路，選擇鉆壓1.0~1.5t，馬達轉速400~600r/min，進尺每次控制在1~2cm。

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

[2]賀會群.連續管鉆井技術與裝備[J].石油機械,2009,37（7）: 1-6.

[3]安杰,趙樂,唐梅榮,等.水平井常規油管井下動力鉆塞技術研究[J].特種油氣藏,2015,22（2）:140-142,158.

[4]白田增,吳德,康如坤,等.泵送式復合橋塞鉆磨工藝研究與應用[J].石油鉆采工藝,2014,36（1）:123-125.

[5]沈燕來,陳建武.沖砂洗井水力計算方法綜述[J].水動力學研究與進展(A輯),1998，13(3):347-354.

[6]李洪乾,杲傳良,任耀秀，等.水平井鉆井第二洗井區環空止動返速的計算[J].石油鉆探技術，1995,23(S1):27-29.

[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.

horizontal well;coiled tubing;bridge plug drilling and grinding;composite bridge plug

2015-08-04

來國榮（1977-），男，工程師，主要從事油氣井試油壓裂工作。