頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作常見問題及對策

劉祖林楊保軍曾雨辰

（1.中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽 457164；2.深圳市百勤石油技術有限公司，廣東深圳 518054）

頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作常見問題及對策

劉祖林1楊保軍1曾雨辰2

（1.中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南濮陽 457164；2.深圳市百勤石油技術有限公司，廣東深圳 518054）

泵送橋塞+射孔聯作分段壓裂近年來在國內外頁巖氣藏及致密氣藏開發中廣泛應用。在頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作分段壓裂實踐中遇到了泵送橋塞因壓力高而不能泵送、橋塞坐封不丟手、橋塞坐封時電纜不點火、電纜點火后橋塞不坐封、射孔槍不響或2簇射孔只射1簇、連續油管射孔意外丟手等各種問題。針對所出現的問題進行原因分析，制定了防范措施和解決方案，現場實施后各頁巖氣井水平井段的壓裂改造施工得以完成，所取得的經驗和教訓可供今后同類井施工借鑒和參考。

頁巖氣；水平井；泵送橋塞射孔聯作；事故處理；預防措施

頁巖儲層具有典型的低孔低滲物性特征，國外頁巖氣開發的成功經驗表明，水平井及分段大型壓裂改造是頁巖氣開發的主體技術［1-3］。泵送橋塞+電纜射孔聯作分段壓裂技術作為一種水平井分段改造的主要技術，近年來在國內頁巖氣水平井多級分段壓裂施工中廣泛應用并取得了巨大成功［4-7］,但施工中也出現了一些問題，對施工造成了影響。因而如何防范問題的出現并在出現問題后迅速解決顯得尤為重要。

1 工藝過程及工具性能

1.1 工藝過程

泵送橋塞+電纜射孔聯作分段壓裂技術工藝過程為：（1）通井、刮管，確保井筒內干凈、通暢；（2）連續油管傳輸，進行第1段射孔；（3）光套管壓裂第1段；（4）通過電纜下入射孔槍+橋塞聯作管串，過造斜段后泵入液體將工具串推送到位，電點火坐封橋塞，上提電纜至射孔位置射孔，起出電纜和射孔槍，光套管壓裂第2段（投球式橋塞在壓裂前先投球隔離下層）；（5）重復上述橋塞坐封、射孔、壓裂過程，依次完成后續各段壓裂；（6）各段壓裂完成后，用連續油管鉆掉橋塞進行排液、試氣。對于帶通道的橋塞，可以根據需要先排液再鉆橋塞。該工藝適用于套管固井完井的水平井分段壓裂，涉及到快鉆式復合橋塞、橋塞泵送及坐封技術、橋塞與射孔槍分離技術。

1.2 橋塞坐封工具及橋塞性能參數

1.2.1 橋塞坐封工具 目前已施工的頁巖氣水平井多采取每段2簇或3簇射孔，2簇的工具管串結構見圖1。其中，坐封工具、橋塞多為國外產品。

圖1 2簇射孔管串組合

中原石油工程有限公司井下特種作業公司完成的6口壓裂井分別使用了貝克休斯公司Baker-20和斯倫貝謝公司CPST橋塞坐封工具。橋塞坐封工具參數見表1。

1.2.2 橋塞 現場使用了Magnum和Obsidian橋塞。Magnum橋塞由復合材料制成，Obsidian橋塞主要為鋁質材料。橋塞材質輕、易鉆，耐壓35～105 MPa可選，耐溫93～232 ℃可選，完成壓裂的6口井均選用了耐壓70 MPa的橋塞，有全堵塞式橋塞、投球式橋塞及單流閥式橋塞3種。橋塞技術性能參數見表2。

表1 國外公司橋塞坐封工具技術參數

表2 橋塞技術參數

已施工井中，涪頁HF-1井使用了1只全堵塞式橋塞，延頁平1井使用單流閥式橋塞，其余各井各段均使用投球式橋塞；焦頁1HF井、彭頁3HF井均因施工出現問題，各多使用1只橋塞。

2 存在問題及對策

2.1 現場應用情況

從2012年2月至2013年1月完成了6口頁巖氣水平井泵送橋塞+電纜射孔聯作分段壓裂施工，主要施工參數見表3。每段正常壓裂施工時間2～3 h，各段工具組裝、起下電纜、泵送橋塞、坐封、射孔、拆卸防噴盒時間為4～8 h。但施工中出現的各種問題，使得施工周期延長，因此需要防范意外情況的出現并在出現問題后及時加以解決。

表3 6口頁巖氣水平井壓裂施工參數

2.2 存在問題

6口井施工共用時95 d完成76段壓裂施工，正常施工時間50 d，處理橋塞坐封及射孔故障問題38 d，處理井口閘門問題7 d。6口井施工共進行74次電纜起下橋塞射孔，連續油管補射孔9次，一次性坐封、射孔成功63次。出現的主要問題為：連續油管射孔意外丟手1次，高壓異常橋塞不能泵送3次，橋塞不坐封1次，橋塞坐封不丟手2次，射孔槍落井4次，射孔槍2簇射孔實際只完成1簇射孔3次等。

2.2.1 連續油管射孔意外丟手

（1）事故描述。連續油管傳輸射孔中，射孔正常，但連續油管起出井口后，發現射孔管串落井。

（2）原因分析。連續油管連接2只射孔槍，分別進行環空加壓射孔和油管加壓射孔，但油管加壓射孔時，未考慮連續油管內外壓差較大，導致連續油管下端連接射孔槍的液壓丟手銷釘剪斷，造成射孔槍意外丟手落井。

（3） 處理實例。焦頁1HF井分15段進行壓裂改造。2012年11月6日第1段壓裂施工結束，因泵送橋塞壓力高達65～69 MPa，受電纜防噴管、防噴器70 MPa工作壓力的限制，泵送排量小，不能正常完成泵送橋塞作業，采用連續油管傳輸射孔方式對第2段進行射孔。11月8日，連續油管下至第1簇射孔段3 545 m，連續油管打壓至21 MPa，環空打壓至39.9 MPa，環空壓力降至25.4 MPa，井口有震感，連續油管懸重由65 kN下降至60 kN，第1簇射孔成功；上提連續油管至第2簇射孔位置打壓，壓力由21.4 MPa升至54.8 MPa后突然降至23 MPa，懸重在55～70 kN波動，井口有震感，第2簇射孔完成；隨后起出連續油管，發現液壓丟手、接頭及射孔槍全部落井，起管過程井筒內保持壓力15～20 MPa。

連續油管射孔管串為Roll-on接頭+單流閥+液壓丟手（球座式）+變扣接頭+壓力點火頭+接頭+第1簇射孔槍+接頭+第2簇射孔槍+接頭+壓力點火頭+堵頭，總長5.71 m。井內落魚工具管串為液壓丟手下半部分、接頭及2級射孔槍。球座實體瞬間承壓為24.9 MPa，連續油管射第2槍時，油管內打壓至54.8 MPa，射孔槍發射后，油管內壓力瞬間降至23 MPa，瞬間壓降為31.8 MPa，大于液壓丟手剪切壓力24.9 MPa，導致意外丟手發生。11月9日，連續油管下打撈工具，多次打撈未成功，但魚頭位置3 580.4 m，已經位于第2段2簇射孔位置的底部，已不影響第2段的壓裂施工。

2.2.2 壓力高導致泵送橋塞困難

（1）問題描述。除第1段外，其余每段的隔離及射孔都用橋塞+射孔聯作工藝。當橋塞及射孔管串進入水平井造斜段時開始小排量泵送，電纜下放速度20～30 m/min，進入水平段后，泵送排量增加至1.2～1.8 m3/min，電纜下放速度20～60 m/min，距橋塞坐封位置100 m時，降低泵送排量和電纜下放速度，至橋塞坐封位置10 m時，停止泵送，橋塞及射孔槍依靠運動慣性達到預定橋塞位置遠端，校深后上提橋塞至預定位置。工具下放全程控制電纜張力在允許范圍內，防止電纜因張力過大而剪斷。但泵送時有時會出現泵壓較高，造成泵送排量降低、工具串下入速度較慢或停止，無法到達預定位置的現象。

（2）原因分析。一是頁巖氣壓裂多使用滑溜水+線性膠壓裂液體系，該體系黏度低，攜砂性能差，水平段井筒內存在的少量沉砂在橋塞運動過程中形成堆積，造成泵送壓力高，電纜下放速度慢，嚴重時泵送壓力達到限壓而停泵，工具停止運動；二是頁巖氣地層均屬于泥頁巖，壓裂時大量液體進入地層，引起地層黏土膨脹，造成地層堵塞不進液，導致泵送橋塞壓力較高；三是前一段壓裂施工停泵壓力高，無法進行橋塞泵送。

（3）處理實例。涪頁HF-1井泵送第1個橋塞時，泵壓55.7～65 MPa，排量0.4～1.4 m3/min，泵送速度3～14 m/min，耗時5 h，泵送液體272.6 m3才將橋塞送至預定位置。焦頁1HF井第11段施工順利結束，停泵壓力27.1 MPa，橋塞+射孔管串下放至造斜段開始泵送，泵壓由35.2 MPa上升至64.9 MPa，電纜下放速度由8 m/min降至1～2 m/min，停泵上提電纜100 m，重新泵送橋塞，排量0.9 m3/min，泵壓65 MPa，電纜下放速度5 m/min，壓力持續升高接近70 MPa限壓，導致停泵。反復多次泵送，均因泵送壓力高導致工具串無法到位。元頁HF-1井第4段停泵壓力70.1 MPa，60 min后試擠，排量0.5 m3/min，壓力70 MPa；6 h后試擠，排量0.5 m3/min，壓力仍達到70 MPa，不具備泵送橋塞條件。

涪頁HF-1井泵送橋塞困難，但橋塞仍泵送到位，完成橋塞坐封及射孔，隨后該段正常壓裂施工。焦頁1HF井第11段壓裂后泵送橋塞有遇阻顯示，后采用連續油管補射1簇31個工程孔，起出連續油管后，重新進行橋塞+射孔管串泵送，泵送壓力32～65 MPa，排量0.5～0.8 m3/min，電纜下放速度6～12 m/ min，完成橋塞坐封和3簇射孔。元頁HF-1井第4段停泵壓力高，采用連續油管補射工程孔，重新泵送橋塞+射孔管串，泵送壓力50.9～63.4 MPa，排量0.5～1.2 m3/min，電纜下放速度18～20 m/min，完成橋塞坐封及2簇射孔。

2.2.3 橋塞坐封不丟手

（1）問題描述。橋塞正常點火，有坐封顯示，上提電纜，張力較高，橋塞未能丟手。

（2）原因分析。Baker-20坐封工具活塞兩端因面積不一致導致上下壓力不平衡，如果地層壓力高會導致活塞克服內外壓差后推力不足，導致橋塞坐封后不能順利丟手。

（3） 處理實例。涪頁HF-1井第1段壓裂完成后，電纜下入第1級橋塞及射孔槍泵送到位，點火后電纜張力有變化，手觸電纜有震感，橋塞坐封。但上提電纜時，電纜張力上升較大，反復多次上提電纜顯示橋塞丟手未丟開，最終加大電纜上提拉力，造成電纜馬龍頭斷開解卡。射孔方根據地層壓力計算了坐封工具對橋塞點火坐封、丟手推力的大小，更換了點火火藥類型，重新確認點火方式，在后續各段施工中，橋塞坐封、丟手正常。

2.2.4 橋塞及射孔槍落井

（1）問題描述。橋塞+射孔管串在泵送過程中，張力突然增加后迅速降低，表明工具管串落井。

（2）原因分析。泵送橋塞所需要的泵送排量取決于套管內徑、工具外徑以及電纜的下井速度。泵入液體作用于工具串上的推力需要克服工具串和電纜與套管之間的摩擦力才能使管串在斜井段和水平段向前移動。管串移動時，電纜保持一定張力，泵速過大和電纜移動速度過快易導致電纜張力突然加大，使得電纜弱點斷開，造成橋塞+射孔管串落井。泵送排量與電纜張力控制是泵送橋塞成功的關鍵技術。橋塞+射孔管串在井筒內不同井段的電纜正常起下速度見表4。

表4 泵送電纜速度

（3）處理實例。元頁HF-1井第3段橋塞+射孔管串：電纜頭+加重桿+磁定位+射孔槍+橋塞坐封工具+橋塞推筒+橋塞，工具串總長13.01 m，泵送時橋塞移動速度30 m/min，射孔方要求將泵送排量從1.0 m3/min提高至1.8 m3/min，泵壓由54 MPa上升至56 MPa，電纜張力顯示從4.6 kN上升至6.6 kN，1 min后張力降為0，磁定位信號丟失，停泵。電纜上提下放多次，無磁信號，判斷橋塞+射孔管串落井。

該井所用電纜分16股鋼絲，外徑8.1 mm，馬龍頭連接電纜9股鋼絲，弱點設置拉力17.0 kN。因為所用電纜為舊電纜，鋼絲拉力減弱；泵送排量1.0 m3/min時，電纜張力正常，排量突然提高，導致電纜下放速度未及時跟上，電纜張力突然增加導致馬龍頭弱點處斷開，橋塞+射孔管串落井。后用連續油管帶卡瓦打撈筒進行多次打撈才得以成功，影響工期8 d。

2.2.5 其他問題 6口井的施工過程中還出現了諸如電纜不點火、射孔槍2簇只射了1簇、電纜點火橋塞不坐封等問題。電纜不點火、射孔槍2簇只射了1簇的原因為：工作人員現場布置射孔槍線路技術不熟練或者操作失誤，造成線路短路。電纜點火橋塞不坐封的原因為：橋塞坐封丟手火藥為三級火藥，只有一、二級火藥燃燒，導致橋塞坐封推筒推力不夠，橋塞未坐封。通過查找原因，進行整改，問題得到解決。

3 認識及建議

（1）泵送橋塞射孔聯作分段壓裂技術在頁巖氣水平井壓裂改造中廣為應用，如果施工中一些技術環節或操作過程出現問題，將嚴重影響施工周期和施工質量，削弱了該項技術的優勢。

（2）針對地層壓力高導致無法泵送橋塞的問題，在壓裂的頂替階段用滑溜水加高黏液體進行過量頂替，減少水平井段內的沉砂；選用合適的防膨劑類型及用量，減少地層黏土膨脹；采用連續油管補射工程孔，建立地層進液通道，可以有效降低橋塞的泵送壓力。

（3）針對地層壓力高導致橋塞坐封不丟手的問題，正確選取火藥類型，優化高壓地層點火方式，能使問題得以解決。

⑷針對相關人員技術不熟練或操作失誤造成的問題，要強化現場施工的質量控制，嚴格操作流程，防范人為問題的出現或在工具串入井前將問題解決。

［1］KETTER A,DANIELS J,HEINZE J,et al.A field study optimizing completion strategies for fracture initiation in Barnett shale horizontal wells［R］.SPE 103232,2006.

［2］LEHMAN L V,SHAH K.The case for and against using ball-drop multistage fracturing systems in unconventional horizontal wells［R］.SPE 145634,2011.

［3］薛承瑾.頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議［J］.石油鉆探技術，2011，39（3）：24-29.

［4］曾雨辰，楊保軍，王凌冰.涪頁HF-1井泵送易鉆橋塞分段大型壓裂技術［J］.石油鉆采工藝，2012，34（5）：75-79.

［5］吳奇，胥云，劉玉章，等.美國頁巖氣體積改造技術現狀及對我國的啟示［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：1-7.

［6］朱秀星，薛世峰，仝興華.水平井射孔與橋塞聯作管串泵送參數控制方法［J］.石油勘探與開發，2013，40（3）：371-376.

［7］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.

（修改稿收到日期 2014-04-06）

〔編輯 朱 偉〕

Common problems of pumping bridge plug and clustering perforation for horizontal shale gas well and countermeasures

LIU Zulin1,YANG Baojun1,ZENG Yuchen2
（1.Downhole Service Company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Puyang,Henan 457164,China;2.Petro-king Oilfield Technology Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518054,China）

In recent years,the pumping bridge plug and clustering perforation technique has been widely used in staged fracturing of shale gas and tight gas reservoirs at home and abroad.In practical operations in horizontal shale gas wells,various problems have been found,such as failed pumping or release of pumping bridge plug due to high pressure,plug setting without cable igniting,plug not set after cable igniting,dumb shooting of the perforating gun or only 1 of 2 clusters shot,and accidental release in coiled tubing perforating.Based on cause analysis for these problems,appropriate preventive measures and solutions are proposed.They have been applied practically to facilitate the fracturing treatment of horizontal shale gas wells.The experiences and lessons thereof will be meaningful references for staged fracturing operations in similar wells.

shale gas;horizontal well;pumping bridge plug perforation;accident treatment;preventive measures

劉祖林，楊保軍，曾雨辰.頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作常見問題及對策［J］.石油鉆采工藝，2014，36（3）：75-78.

TE357.1

：B

1000 - 7393（2014） 03 - 0075 - 04

10.13639/j.odpt.2014.03.019

中原石油工程有限公司科研項目“非常規儲層壓裂施工技術研究”（編號：201222）。

劉祖林，1963年生。1984年畢業于江漢石油學院采油工程專業，2002年獲江漢石油學院油氣田開發工程專業碩士學位，現從事油氣增產技術的研究與管理工作，高級工程師。E-mail：lzl-lzl @263.net。