頁巖氣水平井帶壓打撈作業(yè)設(shè)計與實踐

張 平

(中石油川慶鉆探公司工程技術(shù)處)

儲層改造是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何優(yōu)化壓裂、提高人工縫網(wǎng)的復(fù)雜程度是頁巖氣效益開發(fā)必須解決的難題之一[1-3]。為獲得理想產(chǎn)量，常常采用大液量、大排量的體積壓裂技術(shù)，但同時也帶來了嚴重的套管變形問題，截至2018年6月，長寧-威遠區(qū)塊共壓裂180口井，其中79口井疑似套變，占比44%，套管變形給后續(xù)泵送橋塞和鉆磨沖洗橋塞帶來了極大風(fēng)險[4-5]。

2016年1月至2018年6月長寧-威遠區(qū)塊在正常泵送橋塞時發(fā)生異常遇卡75井次，其中通過加大返排力度并配合過提電纜解卡62井次，通過連續(xù)油管成功打撈9井次，由于連續(xù)油管提升能力有限、無法旋轉(zhuǎn)，因此有4井次打撈失敗，反而造成井底落魚增加[6]。由于帶壓作業(yè)機和連續(xù)油管作業(yè)一樣具有不壓井、不放噴、不泄壓、零污染、周期短等優(yōu)點，而且相比連續(xù)油管更具可旋轉(zhuǎn)、抗拉強度高、抗內(nèi)壓外擠強度高的優(yōu)越性，因此頁巖氣水平井采用帶壓作業(yè)機打撈具有較大優(yōu)勢，是連續(xù)油管的有益補充，W204H11-5井打撈就是一次成功的嘗試。

一、 W204H11-5井基本概況

1. 井的基本情況

W204H11-5井完鉆井深5 750 m，采用?139.7 mm套管完井，套管下入深度5 737.48 m，水泥返高至地面，人工井底5 697 m。該井造斜點深3 192 m，實際入靶點(A點)3 750 m，實際出靶點(B點)5 750 m，垂深3 576.34 m，水平井段全長2 000 m。全井共分37段壓裂，壓裂井段3 750～5 697 m，層位龍馬溪組。

2. 壓裂情況

2018年2月23日，完成第17段壓裂后，泵送第18段橋塞射孔聯(lián)作管串至4 556.11 m(距離橋塞目的位置4 808 m相差251.89 m)處， 泵送遇阻、上提遇卡，解卡無效后從弱點處拉斷，第一次落魚長14.11 m，魚頂井深4 542 m，落魚結(jié)構(gòu)：?43 mm打撈頭0.5 m+?83 mm加重2.2 m+?83 mm加重2.47+?73 mm加強套0.52 m+?73 mm CCL 0.44 m+?89 mm槍接頭0.28 m+?89 mm槍0.8 m+?89 mm槍接頭0.45 m+?89 mm槍0.8 m+?89 mm槍接頭0.45 m+?89 mm槍0.8 m+?89 mm槍接頭0.45 m+?89 mm槍0.8 m+?89 mm槍接頭0.48 m+?97橋塞工具1.98 m+?99.2 mm座封筒0.32 m+?99.2 mm橋塞0.375 m。

2018年2月26日 采用連續(xù)油管打撈橋塞，最大上提至300 kN，未解卡，實施丟手,新增加落魚1.03 m,于是在落魚上部重新下入一只橋塞，完成后續(xù)16段壓裂。

3. 連續(xù)油管打撈情況

完成全部壓裂后，連續(xù)油管帶?106 mm磨鞋下至4 540 m探得魚頂，然后連續(xù)油管帶?102 mm可退式打撈筒，采用?89 mm震擊加速器、?89 mm震擊器組合帶?106 mm不可退式打撈筒兩次、?68 mm GS撈矛打撈均未獲落魚。

最后采用?89 mm震擊加速器、?89 mm震擊器組合帶?92 mm不可退打撈筒，下至4 540 m撈獲落魚，通過上提下放、大油嘴放噴、浸泡8%濃度NaCl溶液2次，均無法解卡，最后通過投球丟手完成丟手，新增井下落魚1.35 m，包括?73 mm液壓丟手部分×0.3 m+?79 mm變扣接頭0.15 m+?93 mm變扣接頭0.20 m+?92 mm不可退式打撈筒×0.7 m。因此落魚總長16.49 m，最大外徑99.2 mm，魚頂井深4 540.97 m。

4. 生產(chǎn)情況

采用帶壓作業(yè)機打撈期間，該井處于生產(chǎn)狀態(tài)，井口壓力17～18 MPa，產(chǎn)量9×104m3/d，產(chǎn)水3 m3/h，流動溫度32℃。采氣井口組合：130-105手動平板閥+130-105液動平板閥+130-105手動平板閥。

二、工程方案

鑒于?50.8 mm、CT110、壁厚4.8～5.2 mm的變徑連續(xù)油管地面最大上提至350 kN，最大下壓至-100 kN，已經(jīng)達到三軸應(yīng)力極限，無法再用連續(xù)油管打撈。

常規(guī)作業(yè)機打撈需要壓井，可能會傷害產(chǎn)層，會影響頁巖氣生產(chǎn)，基建工作量大，綜合費用高，因此決定采用帶壓作業(yè)機不壓井打撈。

1. 打撈管柱設(shè)計

通過模擬計算，采用?73 mm、S135、壁厚9.19 mm鉆桿打撈，在井口壓力18 MPa的狀態(tài)下，?73 mm鉆桿可以下至落魚深度4 540 m，且不發(fā)生自鎖，在4 540 m處，?73 mm鉆桿可加最大鉆壓102.5 kN，在4 540 m處，?73 mm鉆桿可加最大過提力263.6 kN。

由于?73 mm鉆桿內(nèi)通徑較小，一旦內(nèi)堵塞失效，將無法實現(xiàn)二次堵塞，因此提高內(nèi)堵塞井控安全，管柱內(nèi)采用兩級雙活瓣單流閥，三級屏障采用70 MPa剪切閘板防噴器[7-8]；魚頂為?73 mm液壓丟手，該工具外徑規(guī)則、通徑較小，因此優(yōu)先選擇螺旋可退式打撈筒；考慮到落魚、打撈工具可能因套管變形、沉砂等卡鉆風(fēng)險，設(shè)計了震擊器和加速器。打撈工具組合為：?98 mm打撈筒+?73 mm震擊器+?73 mm單流閥+?73 mm加速器+?73 mm單流閥+?73 mm鉆桿，打撈工具總長5.24 m，見表1。

表1 打撈工具參數(shù)表

2. 井口防噴器組合

通過上述打撈管柱設(shè)計，如果撈獲落魚，則打撈工具與落魚總長為21.73 m，而井下落魚管柱外徑不規(guī)則，且射孔槍部分不能使用卡瓦夾持，因此采用懸掛法蘭配合帶壓作業(yè)機與防噴管配合作業(yè)導(dǎo)出落魚，懸掛法蘭置于頂部。

井口防噴器組合采用三級屏障[7-8]。一級屏障為工作防噴器組合：35 MPa環(huán)形防噴器、70 MPa雙工作閘板防噴器、70 MPa平衡/泄壓系統(tǒng)和48 t/70 MPa懸掛法蘭；二級屏障為安全防噴器組合:70 MPa單閘板防噴器、70 MPa雙閘板防噴器；三級屏障為剪切閘板防噴器，壓力等級為70 MPa。

3. 帶壓作業(yè)機選型

采用?73 mm、S135、壁厚9.19 mm鉆桿打撈，在井口壓力18 MPa的狀態(tài)下，鉆桿受到的截面力為75 kN，井筒及防噴器密封元件的摩擦力按截面力的20%計算，則下入管柱時最大下推力為90 kN；起鉆時，預(yù)計最大上提拉力將達到911.9 kN，附加1.4系數(shù)[9]，需要1 260 kN以上舉升力的帶壓作業(yè)機，因此選擇ISS 340K帶壓作業(yè)機，該機最大提升力1 540 kN，最大下壓力840 kN，轉(zhuǎn)盤最大扭矩32 627 N·m，液缸行程3.5 m，適用管徑：31.75～193.67 mm。

4. 井口裝置強度校核

根據(jù)井口防噴器組合、帶壓作業(yè)主機重量以及預(yù)計解卡最高拉力，井口裝置PFF130-105平板閥以及FZ18-70防噴器預(yù)計承受的壓重將達到1 250 kN。

4.1 防噴器強度校核

FZ18-70 閘板防噴器的殼體材料為4130，其化學(xué)成分和力學(xué)性能參見材料規(guī)范JSBW-006，材料的屈服強度Rp0.2=517 MPa。采用四節(jié)點的四面體單元，單元的平均長度為12 mm，分別共劃分63 733 個單元，建立殼體有限元模型。通過模型分析，在頂部施加1 500 kN和井口壓力為18 MPa時，殼體最大應(yīng)力值為72.8 MPa，小于材料的屈服強度，不會發(fā)生塑性變形。同樣可以得出豎直方向的最大位移值為0.14 mm，水平方向的最大位移值為0.04 mm，該位移變形量不會影響密封效果。因此FZ18-70 閘板防噴器在頂部端面承受1 500 kN載荷、井口壓力為18 MPa 時可以安全使用。

4.2 油管頭上螺栓抗拉強度計算[10]

該井口上法蘭采用M39×3螺栓材料,許用應(yīng)力[σL]為601.75 MPa，以安裝在油管頭上部法蘭平面為支點，上部最大偏離3°，偏離的重量按25 t計(25 000 kg/2.5 m)，通過計算油管頭外部單側(cè)彎曲載荷達1 156 204 N·m，在偏離的狀態(tài)下螺栓有2只受力σL達到2 711.95 MPa，因此：σL>[σL]，計算應(yīng)力值遠大于材料許用應(yīng)力，故M39×3螺栓抗拉強度不能夠滿足要求。

實際作業(yè)過程中，管柱提升負荷達到1 100 kN后，檢查井口螺栓，發(fā)現(xiàn)2只螺栓絲扣已經(jīng)完全放松，證明該計算結(jié)果確實發(fā)生了。

圖1 井口裝置穩(wěn)定簡化模型

4.3 井口裝置穩(wěn)定性校核

作業(yè)時，井口薄弱環(huán)節(jié)主要在130-105平板閥處，這時可以將井口閥門以上設(shè)備簡化為內(nèi)徑130 mm、外徑為244 mm的的金屬細長圓桿處理，簡化模型見圖1。按歐拉變形公式(1)計算在1 500 kN的下壓力作用下該圓筒體的最大無支撐長度為14.5 m[11]。帶壓作業(yè)機距離地面高度為18.45 m，為確保安全采用四級繃繩；方井內(nèi)套管頭支撐環(huán)上再加裝支撐座，以穩(wěn)定套管升高短節(jié)、減輕套管上的壓重；在防噴器處安裝支撐座以分擔井口整體壓重。

(1)

5. 其它工程參數(shù)計算

5.1 截面力

井下流體垂直作用在管柱橫截面上的力稱為截面力，又叫上頂力，按式(2)經(jīng)過計算?73 mm鉆桿本體截面力為75 kN。

(2)

式中：Fwp—管柱的上頂力，kN；S—管柱截面積，mm2；D—防噴器密封管柱的外徑，mm；pwh—井口壓力， MPa。

5.2 中和點

對于天然氣井，下打撈管柱時鉆桿內(nèi)不灌水，按式(3)計算中和點深度為464 m。

(3)

式中：L—中和點長度，m；pwh—井口壓力，MPa；D—管柱外徑，mm；m—管柱線重，kg/m。

5.3 無支撐長度

在帶壓作業(yè)下壓入井管柱時，管柱在軸向上受壓不產(chǎn)生彎曲變形的長度稱為無支撐長度。按式(1)，在井口壓力18 MPa、下入?73 mm鉆桿的安全無支撐長度為3.2 m。

三、 打撈作業(yè)

1. 地面功能測試

1.1 打撈模擬試驗

為驗證可退式卡瓦打撈筒打撈的可靠性，在設(shè)備安裝完畢后，用固定卡瓦卡住落魚，下放撈筒進行打撈，下壓30 kN、上提180 kN打撈成功，正轉(zhuǎn)丟手成功，證明工具選擇可靠。

1.2 懸掛法蘭懸掛測試

因為撈出落魚后，需要在懸掛法蘭處懸掛落魚，此時管柱受到75 kN的截面力(上頂力)就靠懸掛法蘭來克服，防止管柱飛出，因此懸掛法蘭的夾緊力就要求非常可靠。為此下放入井工具，用懸掛法蘭卡緊加速器，按順序上緊懸掛法蘭頂絲，逐漸提高上提力至100 kN，加速器無位移變化，牙痕清晰。

1.3 工具氣密封試驗

為驗證鉆具內(nèi)采用兩級雙活瓣單流閥或的氣密封性能，利用井口20 MPa氣體壓力來驗證單流閥、震擊器、加速器在氣體狀態(tài)下是否會泄漏，通過驗證沒有發(fā)現(xiàn)有泄漏，證明工具能滿足密封要求。

2. 打撈作業(yè)

(1)地面檢查鉆桿內(nèi)通徑、清潔、除垢，檢查絲扣密封面，并絲扣清潔、保養(yǎng)。

(2)考慮到防噴器密封元件更換的方便，采用閘板-閘板方式下入鉆桿，防噴器關(guān)閉壓力設(shè)置為7 MPa。

(3)下鉆到位后循環(huán)沖洗魚頭、加壓打撈，因為水平段較長，只有通過泵壓變化和懸重變化以及震擊器震擊判斷是否撈住落魚。

3. 起出落魚

起出打撈管柱，發(fā)現(xiàn)撈出第一次連續(xù)油管打撈時井下新增的射孔槍打撈筒和丟手接頭、第二次連續(xù)油管打撈時丟手接頭打撈筒和丟手接頭，射孔槍沒能撈出。主要原因可能有兩種：①原籃式打撈筒本身并未撈到落魚，下入過程中，因套管變形和井內(nèi)雜質(zhì)卡到套管上了,這是因為籃式撈杯本身是不可退結(jié)構(gòu)，起出后撈杯上沒有拉刮痕跡，而管柱遇阻、震擊特征明顯;②籃式打撈筒撈到落魚，但落魚因套變卡得過死，本次打撈震擊時(預(yù)計600 kN)，將籃式打撈筒的籃式撈杯震擊脫落(410 kN)。

四、認識與建議

(1)獨立式帶壓作業(yè)機打撈作業(yè)，應(yīng)對井口裝置、螺栓、防噴器等進行強度校核、穩(wěn)定性校核，采用可檢測受力大小的支撐座受力、繃繩，加強井口裝置的穩(wěn)定。

(2)應(yīng)確保鉆具質(zhì)量不僅滿足強度需要，更應(yīng)重視鉆具絲扣的氣密封質(zhì)量，最好采用大直徑、雙臺階氣密封扣；同時應(yīng)加強鉆具內(nèi)的清潔程度，防止鉆桿內(nèi)涂層、泥漿沉淀卡到內(nèi)防噴工具上，引起內(nèi)防噴失效；另外需要準備小鉆具的短鉆具，否則容易造成循環(huán)管線連接困難。

(3)作業(yè)參數(shù)可追溯性。由于國內(nèi)帶壓作業(yè)機普遍沒有配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此一旦遇到復(fù)雜，所有作業(yè)參數(shù)不可追溯，給現(xiàn)場處置帶來極大難度，因此有必要配置智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

致謝：現(xiàn)場應(yīng)用中，防噴器組的承載能力計算得到了華北榮盛集團的蘇尚文、屈志明的支持，在此表示感謝！