連續管作業技術在頁巖氣井增產改造中的應用*

向 剛

（川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都 610213）

0 前 言

當前，國內已探明非常規油氣藏分布廣泛，資源潛力巨大。2011 年，國土資源部統計數據顯示，我國可開采頁巖氣資源潛力為25 萬億 m3[1-2]，開發潛力巨大。川渝地區長寧—威遠國家級頁巖氣示范區探明頁巖氣地質儲量超過3 000億 m3。在頁巖氣開采過程中，常采用平臺化鉆井模式，水平井套管完井，后期采用橋塞分段[3-4]進行大規模體積壓裂儲層改造；壓裂完成后，鉆磨橋塞，迅速返排，實現快速投產。

連續油管作業具有工藝種類多、可帶壓作業、井筒適應性強[5-6]等特點，在壓裂前提供通刮洗井、首段射孔，為增產奠定改造基礎；壓裂過程中可提供輔助坐封橋塞，同時也能沖砂解堵，有助于及時處理異常復雜情況，確保改造順利；壓裂后帶壓鉆磨橋塞，可掃清井筒障礙實現快速返排投產。本研究針對連續管作業過程中存在的多種工藝技術類型及其風險問題，分析了不同工藝對連續管和工具組合串的選擇，探討了不同工藝關鍵風險控制，為連續管在頁巖氣井增產改造中的規模化應用奠定了基礎。

1 連續管和作業工具的選擇

1.1 連續管的選擇

川渝地區頁巖氣井鉆井井深4 500～6 200 m，在開采過程中常采用外徑139.7 mm 厚壁套管，套管內徑為114.3 mm。為提高作業效率和保障施工安全，連續管應同時滿足排量、抗扭、承壓等方面的要求，常用CT110 鋼級連續管，其性能參數見表1。此外，連續管的屈服扭矩應大于螺桿馬達制動扭矩的2倍以上；同時，在選擇連續管時應考慮有足夠強度以應對突發情況。根據水平井段連續管屈曲行為分析，結合川渝地區的地質特征和施工要求以及所面臨的高壓環境，川渝地區作業通常選擇Φ50.8 mm、CT110 鋼級的連續管。

表1 常用CT110鋼級連續管性能參數

1.2 作業工具的選擇

工具組合串的優化對作業工藝起關鍵性作用，不同工藝常選擇不同工具組合。常用井下工具有連接接頭、單流閥、液壓丟手、通井規、震擊器、螺桿馬達、磨鞋以及處理復雜情況的水力振蕩器、各種打撈工具等。

（1）連接接頭。連接接頭分為外卡瓦式和內造坑式，根據組合串是否抗扭矩進行選擇。接頭抗拉能力應滿足連續管和連接接頭二者最小承載能力的80%；承壓能力應與井控裝置的壓力等級相符；對于產生扭矩的作業，接頭所承受的最大扭矩應大于螺桿馬達制動扭矩的2倍及以上。

（2）單流閥、丟手工具。單流閥是必不可少的內防噴工具，丟手工具可防止工具串遇卡時造成井下情況復雜化。單流閥入井前試驗壓力值應與井控裝置的壓力試驗值相同，丟手工具連接前需檢查剪切銷釘的數量，使用投球丟手類工具前應檢查投球直徑。

（3）震擊器。井筒碎屑卡在震擊器以下、工具串和套管壁之間時，震擊器可產生上、下兩個方向的附加震擊力，從而有助于解卡，特別是長水平段井作業，受工作液摩擦阻力限制，施工排量往往不高，導致水平段碎屑上返困難，在起下油管時會發生明顯的卡阻現象，而使用震擊器有助于連續管的正常起下。

（4）螺桿馬達。研究表明，當環空返速達到0.8 m/s 及以上時，更有利于保障頁巖氣井增產改造前通刮洗井和鉆塞作業產生的鉆屑返排。螺桿馬達具備很好的過載性能和硬轉速特性[7-8]，地面泵注壓力的變化直接反映井下螺桿馬達的扭矩情況，應根據泵注壓力變化適時減小鉆壓以減小切削力矩，從而防止鉆具超載。根據作業井深及套管內徑，為了保障鉆屑順利返排，Φ50.8 mm 連續管作業宜選用外徑≥ 73 mm 的螺桿馬達，泵注排量為360～420 L/min，不同型號的螺桿馬達常用參數見表2。

表2 某類型Φ73 mm螺桿馬達常用參數

（5）磨鞋。鉆磨橋塞實質是橋塞在磨鞋擠壓下以滑移變形方式被切削，在鉆壓作用下能夠自銳地吃入橋塞，在扭矩作用下向前移動剪切橋塞，因此要求磨鞋切削平穩、鉆壓適中、扭矩較低。川渝地區針對所選橋塞普遍使用4～6刀翼的鑲齒和堆焊組合型平底磨鞋，磨鞋尺寸應取井筒內徑的94%～96%。A 井使用的分段可鉆式復合橋塞和配套磨鞋如圖1所示。

圖1 A井所用分段可鉆式復合橋塞和配套磨鞋

2 連續管施工過程及參數分析

2.1 連續管傳輸射孔

頁巖氣井套管完井，首段壓裂前和套變井段選用連續管傳輸射孔的方式溝通產層，建立改造通道。工藝實施時須特別注意以下幾點：①連續管被異常擠毀變形；②井筒憋壓導致射孔槍異常起爆；③緩慢加壓起爆。A 井第1 段第3 簇連續管傳輸射孔數據曲線如圖2所示，對比觀察發現，壓力上漲越緩慢，起爆時壓力和懸重波動越明顯；此外，隨著套管壓力和泵注壓力緩慢增加，當壓力達到起爆壓力值時正常射孔，套管和地層連通，壓力瞬間釋放，泵注壓力略微下降，但由于地層尚未壓開，壓力釋放空間和釋放速度有限，泵注壓力和套管壓力逐漸增大。

圖2 A井第1段第3簇連續管傳輸射孔施工曲線

2.2 連續管輔助坐封橋塞

當電纜無法泵送橋塞時，常選擇連續管輔助輸送坐封橋塞。連續管輔助坐封橋塞現場作業時須注意以下幾點：①連續管和工具串的最小內通徑必須能保證橋塞座封工具的鋼球到達球座；②根據橋塞座封工具剪切銷釘的丟手壓力，設置好泵注設備的超壓停泵保護壓力；③橋塞座封后應驗證橋塞座封成功與否。A 井第7 段連續管輔助坐封橋塞施工曲線如圖3所示。連續管輔助橋塞座封過程分為大排量泵送鋼球、候球入座、座封、丟手和驗封5 個階段。球入座后，泵注壓力瞬間上漲，隨著橋塞座封，因膠皮脹開隔絕上下層段，套管壓力開始緩慢下降（球籠式復合橋塞），當座封壓差達到橋塞丟手壓差后，橋塞丟手，連續管上提下放至坐封位置硬遇阻，驗封成功。

圖3 A井第7段連續管設置橋塞施工曲線

2.3 連續管鉆磨橋塞

隨著套管完井水平井橋塞分段儲層改造技術在頁巖氣井中的推廣，連續管鉆磨橋塞技術也得到快速發展。該技術使用連續管為輸送載體，螺桿馬達為驅動裝置，磨鞋作為橋塞切削工具，磨除橋塞保持全井筒暢通，實現快速返排投產。

A井完鉆井深為5 360 m，水平段長2 200 m，套管內徑為114.3 mm，最大井斜為98.22°，采用復合橋塞分段完成19段壓裂施工，鉆塞前套管壓力為34.5 MPa。選用Φ50.8 mm連續管作為井下鉆磨橋塞組合工具串和工作液的輸送載體，A井鉆磨橋塞組合工具如圖4所示，根據螺桿馬達的性能參數，選擇泵注排量為380～410 L/min、能夠持續泵注的設備。

圖4 A井鉆磨橋塞組合工具串

2.3.1 鉆磨時泵注壓力與油管懸重的關系

對比分析螺桿馬達的理論工作特性和實際工作特性可知，螺桿馬達帶負荷工作時，泵注壓力會增大0.5～1.5 MPa；鉆塞時應將泵注壓力的變化值作為井下工況的監視器和主要參考指標；隨著水平段的延伸，鉆壓只能作為其輔助參考指標。A 井第2 個橋塞正常鉆磨時泵注壓力及油管懸重的變化曲線如圖5 所示，由圖5 可知，當鉆壓逐步升高時，螺桿馬達處于帶負荷工作狀態，地面泵注壓力平穩略有升高，鉆磨正常。

圖5 A井鉆磨第2個橋塞時泵注壓力、油管懸重與時間的關系曲線

2.3.2 螺桿馬達制動工況

螺桿馬達出現制動時，進入其中的工作液在壓力作用下，全部由轉子和變形后的定子橡膠襯套間的縫隙漏失，轉子和傳動軸承受最大扭矩，密封線承受最大壓差，嚴重影響螺桿馬達的使用壽命。A井第2個橋塞時馬達制動施工曲線如圖6所示，從圖6可看出，泵注壓力瞬間陡增至螺桿馬達最大工作壓力時，馬達失速制動，扭矩達到最大值，此工況對馬達壽命和工具串連接部位抗扭能力影響極大。因此，作業時應緩慢施加鉆壓，避免出現馬達制動的情況，出現該工況應該立即停止泵注盡快釋放扭矩，將工具串提離制動工況位置，再恢復泵注，待各項參數穩定后恢復磨銑作業。

圖6 A井鉆磨第2個橋塞時螺桿馬達制動曲線

2.3.3 磨鞋磨損分析

在鉆塞作業井底流場中，靠近磨鞋底面的空間存在逆向流，在線流急劇變化處存在渦流[9]。對于A井選用的球籠式雙卡瓦復合橋塞，卡瓦為鑄鐵，本體為復合材料，密封件為高溫膠筒。滑溜水作為鉆塞工作液，泵注排量為380～410 L/min。工具組合串如圖4 所示，螺桿馬達轉速為375～405 r/min，磨鞋選用硬質合金齒堆焊的Φ105 mm五刀翼平底磨鞋。磨鞋鉆磨13只橋塞入井前后形貌如圖7所示，通過分析磨鞋的沖蝕部位、形成的溝槽狀和環狀痕跡，判定逆向流動和渦流是造成沖蝕的主要原因。轉動切屑過程中，被切屑的鉆屑與工作液形成固液兩相流，鉆屑作為磨料參與到鉆頭底面的逆向流中，對鉆頭不斷磨蝕；當逆向流遇到牙齒阻擋時形成繞流，在齒柱墩的背部形成渦旋，繞流和渦旋將導致牙齒和周圍的鉆頭體遭到沖蝕，沖蝕坑一旦形成，將加劇渦流，產生更迅速的沖蝕最終導致掉齒或斷齒。因此，采用堆焊和鑲齒相結合、增加中心水眼、優化邊緣返屑槽等方式，可提高磨鞋的抗磨損能力。

圖7 A井鉆磨橋塞作業磨鞋入井前后對比

2.3.4 磨銑效率統計分析

A 井起下三次共完成18 只橋塞的鉆磨：第一趟鉆塞13 只，第二趟完成強磁打撈卡瓦鑄鐵，第三趟完成最后5 只鉆塞。單只橋塞鉆磨時間統計結果如圖8 所示，由圖8 可知，隨著單只磨鞋磨銑橋塞數量的增加，磨鞋沖蝕磨損變得越來越嚴重，磨銑效率也大幅度降低；此外，隨著水平段長度的增加，連續管在水平段質量增加，同時隨著鉆屑在水平段的堆積，施加到磨銑面上的有效鉆井壓力也越來越小，螺桿馬達的輸出扭矩降低，切削變得越來越困難，導致單只橋塞的磨銑時間變長，磨銑效率降低。因此，實時統計單只橋塞鉆塞時間、判斷磨鞋磨損情況、及時清理井筒鉆屑，是提高鉆塞效率的關鍵。

圖8 A井單只橋塞鉆磨時間統計曲線

3 連續管作業要點及認識

在川渝地區頁巖氣開發過程中，連續管傳輸射孔、輔助坐封橋塞、鉆磨橋塞、套變等異常復雜情況處理存在較大作業風險，特別是在川南地區高溫、高壓、長水平段井中的作業施工難度更大，在施工時應重點考慮以下問題：

（1）傳輸射孔需提前考慮連續管能否被擊毀、射孔槍能否提前起爆、起爆方式的選擇、射孔槍點火成功后地面能否正確判斷等。

（2）輔助座封橋塞需提前考慮橋塞是否提前座封、泵注啟動座封工具投球、橋塞座封丟手、驗封等。

（3）鉆塞作業需根據橋塞材質特性，選擇適合的螺桿馬達和切削磨鞋，優化參數提高效率。依據螺桿馬達的性能，合理施加鉆壓，避免出現馬達制動工況，制動后應先停泵，待泵壓下降且穩定后再上提油管。

（4）控制井口回壓，防止地層流動，避免地層吐砂，導致管串被砂卡、砂埋；回壓控制應保證出口排量略大于泵注排量，有足夠的液體攜帶鉆屑返排；回壓控制更有利于防止圈閉壓力釋放，工具串異常折斷或卡鉆。

（5）鉆磨作業應充分循環攜帶碎屑避免卡鉆，時刻檢查并保持返排流程完好暢通。返排流程上需安裝碎屑捕撈器，以減少對油嘴和地面節流管匯的傷害。

（6）高溫、高壓、長水平段連續管作業井控風險較大，油管疲勞消耗增加，需掌握油管疲勞數據，合理降低油管內壓，從而保護油管。

（7）壓裂過程中若發生套管變形，宜先鉆磨變形點以下橋塞，再進行后續壓裂改造，防止套管變形加劇造成橋塞鉆磨難度加大或無法鉆磨，影響后續作業；小磨鞋鉆塞鉆屑較大，特別是膠筒不易鉆碎，整塊膠筒易穿到工具串上，上提通過變形點時易遇卡，是小尺寸磨鞋鉆磨的主要風險；套管嚴重變形井鉆磨，提高短起過變形點的頻率和增加清理井筒頻次可以有效減小連續管鉆磨卡鉆風險。

4 結論與建議

（1）連續管能夠帶壓作業、工藝類型多、井筒適應性強等特點使其在頁巖氣開發、鉆井、測井、增產、試油等階段均可發揮巨大作用。

（2）頁巖氣井增產改造對連續管和工具的性能提出了更高要求，作業前必須結合井況優選連續管、入井工具和工作液，制定作業方案。

（3）連續管在頁巖氣井增產改造中面臨工藝新、控制難、風險高等問題，應全過程監管保障作業順利。關鍵崗位人員應具備工況實時分析、復雜情況處置的能力。

（4）套管變形井連續管作業需從工藝、工具、設備、地面流程等方面論證技術可行性，結合套變程度制定有針對性的作業方案。