連續油管鉆磨帶圈閉壓力的水泥塞技術

郭彪，李雪飛，唐譽文

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司（四川 成都 610050）

0 引言

水泥塞廣泛應用于油氣井的開發過程中，根據水泥塞的用途可分為完井水泥塞、試油水泥塞、封井水泥塞、堵漏水泥塞、側鉆水泥塞等。從類型上分為暫閉水泥塞和永久水泥塞兩種。在頁巖氣井中，水泥塞主要用于暫閉某一井段，便于井筒試壓或更換井口等作業，之后需要鉆除井內水泥塞，滿足后續射孔、壓裂作業需要；在油氣井測試階段水泥塞主要用于封堵下一層段，實現上一層段的測試作業，測試后需要鉆除水泥塞，測試投產；在修井階段，水泥塞主要用于回填某一井段或封閉廢棄井，修井后，也可能需要鉆除水泥塞。

關于水泥塞的研究方面，目前主要包括：鉆井方面，開展了水平井中連續油管鉆井時巖屑運移規律的數值模擬[1]，分析了鉆井液黏度、鉆屑大小等參數的影響；另一方面，主要是鉆磨橋塞技術[2-4]，對排量、鉆壓、鉆屑返排等進行了研究。而對于鉆磨水泥塞的工藝技術研究較少，連續油管鉆磨水泥塞作業也具有很大的風險，作業期間遇卡可能導致工程復雜，甚至造成井控事件。優化了連續油管鉆磨水泥塞的工藝技術措施，形成一套有效的方案，現場應用效果良好。

1 鉆磨水泥塞風險

1.1 遇卡

連續油管鉆磨水泥塞主要風險是遇卡[5-6]，主要表現在如下幾個方面：

1）水泥未凝固卡鉆，井筒內、外水泥漿凝固時間存在差別導致卡鉆，俗稱“插旗桿”。

2）鉆磨速度較快，導致尺寸較大的鉆屑上返困難，鉆屑沉降卡住工具串，如圖1所示。

3）鉆磨排量偏小，流速降低，導致上返速度不夠，不能帶出水泥屑而沉降堆積卡住工具串[7]。

4）鉆磨遇漏失層，鉆磨液部分進入地層而不能沿著井筒返出，這樣導致水泥屑沉降遇卡。

5）鉆磨液與水泥屑混合而產生團狀物，不能返出而附著在工具串上。

6）泵注設備故障，導致鉆磨中斷，循環停止，無有效的液體返出而帶出水泥屑。

1.2 工具損傷

工具故障，如螺桿馬達落井、失效，導致落魚被埋。鉆水泥塞過程中，水泥塞下面存在較大的圈閉壓力，未控制合理的井口壓力導致水泥塞上下壓差較大而造成工具上頂而折斷[8]，如圖2所示。

圖1 水泥屑沉降

圖2 工具折斷

1.3 井控、安全風險

井控、安全風險主要表現在如下方面：

1）鉆磨期間水泥屑返出不暢，導致井下管串被埋。

2）圈閉壓力突然釋放造成井控裝置密封失效。

3）鉆磨水泥塞后的返排液呈堿性，倘若未經處理循環使用，腐蝕連續油管、泵注流程。

2 工藝優化措施

針對連續油管鉆磨水泥塞作業期間可能出現的風險，分別從工具優選、液體、流程、工作參數等方面優化。

2.1 工具優選

井下工具優選主要包括如下幾個方面：

1）鉆頭，位于工具的最低端，是鉆除水泥塞的關鍵部件，其性能的好壞直接影響施工安全及作業效率。鉆頭用來破碎巖石/水泥塞、形成井眼，根據破巖機理，鉆頭主要分為牙輪鉆頭和PDC鉆頭。牙輪鉆頭主要用于鉆除硬地層，PDC鉆頭因其耐磨性高，多用于軟地層或中等硬度地層，考慮到水泥塞的性能，首選PDC鉆頭，如圖3所示。選用井眼內徑95%左右尺寸的PDC鉆頭。

圖3 PDC鉆頭

2）螺桿馬達，屬于一種容積式馬達，采用液力聯軸節效應不會因憋停而損壞；轉子的同心旋轉降低了振動和鉆頭的振顫，提高鉆井效率，減少井下工具的磨損。頂端帶有防墜落裝置，防止在作業期間工具落井。

3）震擊器，具有上擊和下擊兩種功能的上下雙向震擊器，當磨銑不徹底導致水泥屑沉降遇卡時，通過震擊器產生的上、下兩個方向的附加震擊力，輔助解卡。另外可增加管柱的蠕動，提高鉆磨效率[9]。

4）水力振蕩器，產生壓力脈沖，產生溫和的蠕振動（一般地蠕動振幅為3～10 mm，頻率范圍10～20 Hz，最大沖擊力50 kN，工具壓耗2.5～4.5 MPa）。該工具產生了周期性的軸向力。進而改變鉆柱與井壁之間的摩擦狀態，達到振動減摩的效果。對于長水平段、上傾井、狗腿度較大等連續油管下入困難的井，需要使用該工具。

2.2 液體優選

鉆磨液的性能對鉆磨的影響很大，良好的鉆磨液應具備如下條件：摩擦阻力低、固相含量低、高攜帶能力和低沉降速度。鉆磨工作液：pH值7～9，固相含量≤2%，降阻率≥50%，黏度3～6 mPa·s。膠液：pH值7～9，固相含量≤2%，黏度30～40 mPa·s。

2.3 泵注流程

為了保證鉆磨作業的持續進行，需要安裝兩套高壓過濾器泵注流程，當一套流程出現堵塞的時，可以開啟另一條流程，再拆卸堵塞流程上的高壓過濾器進行清理，如圖4所示。

圖4 泵注流程

2.4 工作參數

2.4.1 施工排量

在紊流狀態下，顆粒在靜水中沉降速度[10]：

式中：ds為顆粒直徑，m；ρs為顆粒密度，kg/m3；ρl為清水密度，kg/m3。

水泥的密度為3.15 g/cm3，顆粒直徑約1～2 mm，對于Φ139.7 mm的套管中采用Φ50.8 mm連續油管鉆磨水泥塞，水平段鉆磨最小排量約370 L/min。

2.4.2 鉆壓

鉆壓即作用在水泥塞面的壓力大小，其大小決定鉆頭的壓入深度，反映了鉆速及鉆屑大小。鉆壓過小時，鉆磨效率低，成本增加。鉆壓過大會導致鉆屑較大上返困難造成遇卡，也會加劇螺桿馬達損壞而造成井下復雜。

直井段連續油管螺旋屈曲載荷公式[11]：

水平井中連續油管螺旋屈曲載荷公式[12]：

式中：rc為連續油管截面形心至井眼軸心的徑向距離，m；E為楊氏模量，N/m2；I為連續油管截面慣性矩，m4；qr為單位長度連續油管重力，N/m。

對于Φ50.8 mm的連續油管，壁厚4.8 mm，套管內徑Φ114.3 mm，計算得到直井段井口作用的最大下壓力3.7 kN；考慮到摩擦系數，水平段井口作用的最大下壓力111 kN，超過上述值可能會對連續油管造成損傷。一般情況，鉆磨水泥塞推薦的鉆壓為3～10 kN。

2.5 關鍵控制點

鉆頭下至距水泥塞面頂部50 m處開泵，循環正常后慢慢下放鉆具，鉆速不大于15 m/h。

水泥塞下部有圈閉壓力時，需要控制井口壓力，防止圈閉壓力突然釋放造成連續油管上頂，工具斷裂。鉆穿水泥塞前15 m左右采用油嘴控制回壓小于圈閉壓力3～8 MPa。每鉆進15 m左右循環劃眼1次，清洗井筒。

3 異常情況處置

連續油管鉆磨水泥塞時，可能出現一些非正常情況，其處置要點如下。

3.1 返排減小

繼續泵注，立即上提連續油管，速度5 m/min左右，這樣可使得沉降的水泥屑在工具周圍活動。若上提速度較快，部分水泥屑來不及滑脫到工具串之下而在工具串（尤其是鉆頭）上部堆積，導致工具拖曳并逐漸遇卡。上提到返排口排出正常或直井段。若上提過程中懸重增加應停止上提，后再嘗試上提，若懸重仍然增加則停止上提，持續泵注，緩慢下放5～10 m，再次嘗試上提。可重復上述過程，直到返出正常且根據井深計算鉆頭處的水泥屑返出完全后再次下入。

3.2 水泥屑返出較少或沒有返出

上提使得鉆頭離開鉆磨位置5～10 m。①在螺桿馬達的工作參數范圍內，適當增加泵注排量，根據遲到時間待井筒內的水泥屑返出后再下入鉆磨。②開啟循環閥（若有）以增加足夠的排量使得水泥屑返出。③泵入高黏的膠液，使得水泥屑較好地攜帶出井筒。

3.3 泵壓異常

若泵壓升高，循環情況下，上提并觀察泵壓變化情況，通過分析原因，活動管柱，調整排量或鉆壓的方式來處理。若泵壓下降，首先上提連續油管5～10 m，核實地層壓力系數、原井內管串在該鉆磨位置是否存在漏失情況。其次查看泵注設備上水是否正常，地面泵注流程是否有泄漏。

3.4 井口壓力異常

若井口壓力下降，上提連續油管5～10 m，適當增加油嘴的開度而降低返排流程阻力，在螺桿馬達的工作參數范圍內增加泵注排量，待井筒內的水泥屑基本返出完全后，再下入鉆磨。若井口壓力升高，更換為備用放噴流程，檢查之前的返排流程油嘴是否堵塞。

3.5 鉆磨無進尺

首先泵注膠液，以6 m/min左右的速度短起至造斜段，接下來泵注滑溜水以10 m/min左右的速度再次下入，觀察懸重變化情況。根據鉆磨水泥塞的長度，或者起出，更換為沖砂工具串，泵注膠液循環出井筒內的水泥屑。若下入仍然困難，出現鎖定的現象，結合設計，若距離目的位置較短，可泵注金屬降阻劑降低摩擦力。若距離目的位置較長，可起出油管，在工具串上增加水力振蕩器。

3.6 遇卡

測試鉆磨工具時，分析遇卡位置、可能存在的卡點。在一定的范圍內下壓和上提連續油管，控制上提噸位，配合間斷開啟大油嘴放噴。注氮氣，增加環空的滲透性。環空返注，將環空的堵塞物下推至工具串以下。

4 現場應用情況

Y206H41-8井是部署在長寧背斜構造中奧頂構造南翼的一口頁巖氣水平井，完鉆層位龍馬溪組，采用139.7 mm套管完井，水平段長2 050.0 m。設計壓裂30段，采用可溶性橋塞作為分段工具、主體采用低黏滑溜水體系，壓裂期間發生井口閘門刺漏，注水泥塞時圈閉壓力40 MPa，更換井口閘門后，為下一步壓裂施工需要鉆除井筒內水泥塞。

本次鉆除水泥塞采用連續油管帶鉆磨工具串作業，鉆磨工具串為：Φ50.8 mm連續油管+Φ73 mm連接器+Φ73 mm馬達頭總成+Φ73 mm震擊器+Φ73 mm螺桿馬達+Φ106 mmPDC鉆頭。鉆磨期間，為使得水泥屑盡量返出井筒，鉆磨排量0.42～0.45 m3/min，鉆壓5～10 kN，鉆速≤10 m/h。水泥塞底界4 054 m，2021年11月8日鉆磨水泥塞施工曲線如圖5所示，從4 038 m開始控制井口壓力約35 MPa，鉆磨到4 053 m，泵注5 m3膠液上提短起一次，施工成功率達到100%，每鉆進15～20 m循環劃眼1次，完成了鉆磨水泥塞的目的，最終實現安全鉆磨。

圖5 2021年11月8日鉆磨水泥塞施工曲線

5 結論與建議

連續油管鉆磨水泥塞作業風險較大，對工具選擇及過程控制要求較高，要保證鉆磨水泥塞的安全，需要重點做好如下幾點：

1）鉆磨水泥塞的工具應選擇PDC鉆頭、雙向震擊器等。

2）工作液應滿足低摩阻、高攜砂能力，pH值7～9。

3）鉆磨排量應滿足水泥屑返出的要求，Φ50.8 mm連續油管在Φ139.7 mm套管中鉆磨排量不得低于345 L/min。

4）對于圈閉壓力處的水泥塞，應控制井口合適的回壓以保證井控安全。

5）鉆壓控制，根據水泥塞所處位置（直井段、水平段）在井口施加合適的下壓力，避免連續油管受損。