大通徑橋塞與可溶球技術在頁巖氣X井的應用

王海東，唐　凱，歐躍強，鄢　楊，張　良，張清彬

(中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶 400021)*

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大通徑橋塞與可溶球技術在頁巖氣X井的應用

王海東，唐凱，歐躍強，鄢楊，張良，張清彬

(中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶 400021)*

摘要：以頁巖氣水平井—X井的射孔與橋塞聯作工藝為對象，為解決該井分段壓裂后連續油管鉆塞困難，同時提高該井作業時效、降低后續成本，采用了分簇射孔與大通徑橋塞加可溶球聯作的工藝技術。分析了大通徑橋塞技術特點、闡述了作業的基本工藝及在X井應用中的器材優選，包括工藝技術選擇、大通徑橋塞、可溶球、坐封工具、射孔器材以及射孔與橋塞聯作管串設計與通過能力分析等。在常壓、95 ℃清水介子中，對X井采用的?83 mm可溶球進行了溶解測試試驗。試驗結果表明：該可溶球有效壓裂的作用時間大于12 h。通過X井實際作業情況表明了大通徑橋塞與可溶球技術對頁巖氣深井、長水平段井的開發具有重要的意義。

關鍵詞：頁巖氣；水平井；分簇射孔；大通徑橋塞；可溶球

頁巖氣是指位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集[1]。頁巖氣藏因為頁巖基質孔隙度很低，最高僅為4%～5%，滲透率小于1×10-3μm2[2]，為此多級分段壓裂成為了當前頁巖氣藏開發的關鍵技術，其中泵送復合橋塞分簇射孔聯作-分段壓裂工藝是廣泛應用于頁巖氣開發的一種新型工藝，是橋塞封層技術的新發展[3]。其基本作業流程為：按照預先設計的泵送程序，將射孔器和橋塞泵送到目的層，泵送過程中泵送液將被擠入前次打開的地層中。先坐封橋塞，再上提射孔槍，進行多簇射孔，再進行分級(段)壓裂[4]，最后一次性鉆掉所有橋塞。該工藝具有施工安全快捷，可及時進行體積壓裂，占井時間短，能進行復合橋塞分段壓裂技術的試驗性應用，連續油管1次鉆除多個橋塞，整體施工作業效率高的優點[5]。

為了增加頁巖氣的開采產量，頁巖氣井水平段不斷加長，隨之也帶來了后續連續油管鉆塞的作業難度，同時也降低了鉆塞的作業效率。大通徑免鉆橋塞配套技術能夠有效地解決此類問題，并在X井取得了良好的作業效果。

1X井概況與難點

X井為國家級頁巖氣示范區中的1口頁巖氣水平井，該井A靶點位置4 250 m，完鉆井深5 750 m，垂深3 291 m，完鉆層位龍馬溪組，套管外徑139.7 mm，內徑114.3 mm，采用射孔完井方式。根據該井儲層地質條件、巖石力學性質等參數，設計本井射孔與壓裂段共計21段，除第1段采用觸發式滑套壓裂外，其余各段均采用泵送復合橋塞分簇射孔聯作-分段壓裂工藝。

由于X井井深(最深5 750 m)、井斜度大(最大井斜99°)，井眼軌跡基本為“上傾”，若采用常規的復合橋塞作為分段壓裂的封堵工具，則存在后續連續油管鉆塞的技術難題，主要包括：①水平段長，連續油管在“上傾”水平段內輸送困難；②鉆塞困難且風險大，作業時間長、效率低；③現場無滿足作業條件的連續油管，連續油管長度、強度等受到限制。

基于上述情況，特在該井開發中引入大通徑橋塞與配套可溶球技術?；咀鳂I流程為：

1)采用水力泵送方式輸送管串至預定深度，完成橋塞坐封與分簇射孔作業。

2)井口投入配套的可溶球，壓裂液輸送可溶球至橋塞球座處進行暫時封堵。

3)在可溶球的有效封堵時間內進行大排量的壓裂改造作業。

4)壓裂完成后，可溶球逐漸完全溶解，橋塞內的大通道可直接完井投產。

2大通徑橋塞

復合材料橋塞是非常規油氣資源水平井分段完井的關鍵工具，其非金屬化的設計大幅節省了磨銑時間[6]。目前，國內常用的復合橋塞包括大通徑橋塞和普通復合橋塞(如球籠式復合橋塞)。大通徑橋塞(如圖1)與普通復合橋塞主要的區別在于：

1)大通徑橋塞內部具有較大的流通通道，壓裂改造時需投入可溶球進行暫時封堵橋塞內通道。

2)大通徑橋塞采用了單卡瓦結構，坐封時在橋塞內部安裝通芯式應力丟手工具，并非只采用常規的適配器(坐封筒)進行橋塞丟手坐封，如圖2所示。

3)大通徑橋塞可以不用鉆除，橋塞的內通道可滿足直接完井投產的要求，若后續修井作業需要，可采用(連續)油管進行鉆除、打撈。

1—可溶球；2—鎖緊頂帽；3—膨脹膠圈；4—膠皮；

1—可溶球；2—坐封筒；3—膠皮；

大通徑橋塞與配套可溶球技術在頁巖氣等非常規油氣水平井的開發中具有明顯的技術優勢和特點，主要包括：

1)采用可溶球技術。橋塞坐封后，投入可溶球進行壓裂改造的暫時封堵，可溶球以金屬鋁、功能合金、強化合金等為原料，逐步與周圍介質發生反應并逐步溶解[7]。有效封堵時間長，可溶于清水、鹽水(氯化鈣、氯化鉀)等多種液體。

2)橋塞內通徑大，可免鉆。橋塞內通徑一般在55～75 mm，特別適用于不易鉆除、鉆磨難度大的深井、長水平段井。

3)提高時效、降低風險、節約成本。壓完后可溶球溶解，可直接防噴、排液、求產，免除了連續油管鉆塞的作業成本和風險，縮短了作業周期，單井節約總成本約15%～20%。

4)適應性廣?？蓱糜?14.3～177.8 mm的各型套管內坐封，耐溫150 ℃，耐壓差70 MPa。

3可溶球溶解試驗

大通徑橋塞用可溶球的溶解時間是一個非常重要的參數，為了保證可溶球有效作用時間能夠滿足壓裂作業要求，對X井所采用的密度為2.7 g/cm3,外徑?83 mm實心金屬可溶球，進行常壓、95 ℃的溶解測試試驗，以驗證是否能夠滿足本井壓裂作業的要求。

試驗方法：在恒溫箱內每隔1 h取出可溶球，去除水分后測量外徑和質量，直至完全溶解，試驗相關情況如圖3。

圖3　溶解時間與外徑測量

試驗結果表明：該可溶球完全溶解需要時間約為80 h，根據所測量各個時間節點的外徑數據，可溶球外徑與時間呈直線減小，擬合的曲線如圖4。線

斜率k表示平均溶解速率。根據溶解速率計算出該球的有效作用時間為12 h，能夠滿足作業時間的要求。

圖4　可溶球外徑與時間關系曲線

4現場應用

結合X井井溫與井底壓力，要求配套器材和工具的耐溫150 ℃，耐壓105 MPa，才能保證管串滿足實際井況要求。

4.1器材優選與管串設計

4.1.1大通徑橋塞與可溶球

根據目前國內頁巖氣水平井的開發工藝和模式，結合X井實際井況特點，選擇分簇射孔與大通徑橋塞聯作業工藝完成各段的射孔與橋塞封堵作業。該井完井套管為139.7 mm，內徑114.3 mm，優選匹配的大通徑橋塞與可溶球相關技術參數如表1。

表1　大通徑橋塞技術參數

4.1.2橋塞坐封工具

橋塞的坐封必須采用坐封工具，當工具內的壓力逐漸增大后，推動內部中心活塞桿運動，完成橋塞坐封。目前坐封的方式可分為電纜供電坐封與液壓加壓坐封。根據該井情況，選擇供電坐封方式，坐封工具采用貝克20#工具，相關技術參數如表2。

表2　貝克20#坐封工具技術參數

4.1.3射孔器材

根據X井套管參數，壓裂設計等要求，分簇射孔作業采用電子選發式多級點火裝置完成多次供電作業，選用89型先鋒射孔器達到深穿透的要求，射孔器技術參數如表3。

表3　89型先鋒射孔器技術參數

4.1.4管串設計與通過性分析

設計的分簇射孔與橋塞聯作管串從下至上依次為：大通徑橋塞+橋塞坐封工具+多級點火短節(3支)+射孔器(3支)+磁定位+加重+電纜帽(打撈頭)，如圖5所示。整個聯作管串最大外徑為103.2 mm的大通徑橋塞。

圖5　分簇射孔與橋塞聯作管串示意

根據上述設計的管串相關參數(長度、外徑、重量等)，結合井筒參數(內徑、井斜度、狗腿度等)，進行管串在該井井筒內的通過能力模擬計算。計算結論為：本井3 612 m處能夠通過最長的剛性管串長度為9.9 m，而實際作業管串中剛性管串最長長度為8.5 m，具備在該井筒內的通過性。

4.2作業效果

X井歷時12 d，完成了全部21段射孔與壓裂作業，坐封大通徑橋塞20個，完成53簇射孔，橋塞一次性坐封成功率與射孔發射率均為100%，壓裂注入地層總液量約43 496 m3，最高泵注壓力86 MPa，液體平均注入排量12 m3/min，相關數據如表4。

表4　X井橋塞坐封位置與對應各段注入地層液量

通過現場的應用情況表明，采用大通徑橋塞與可溶球技術作為分段封堵工具，安全高效地完成了X井體積壓裂改造的施工任務。該技術的壓裂暫堵與免鉆特性，很好地解決了目前非常規油氣深井、長水平段、連續油管鉆塞困難、時效低等作業難題。

5結論與建議

1)大通徑橋塞與可溶球技術在頁巖氣水平井“體積壓裂”開發中具有明顯的技術特點，包括橋塞內通徑大，可免鉆，能夠明顯提高作業時效，降低鉆塞的作業風險和成本，尤其是適用于深井、長水平段井作業。

2)對?83 mm可溶球進行了溶解性測試試驗，試驗結果表明該球的有效作用時間能夠滿足X井壓裂作業要求。

3)通過大通徑橋塞技術在X井的現場應用情況，表明了該橋塞的適用性，對今后此類井的作業具有推廣意義。

4)針對目前的大通徑橋塞和可溶球技術，做好應用與評價等相關工作，收集作業情況與問題，持續改進并繼續開發更好的技術和產品。

5)由于我國內頁巖氣埋藏深、井底溫度高、井底施工壓力高等特點，需加大科研攻關力度，改進完善高溫高壓分簇射孔配套器材以及與大通徑橋塞的配套聯作工藝技術，以解決今后的深層頁巖氣的開發難題。

參考文獻：

[1]張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理與分布[J].天然氣工業，2004，24(7)：15-18.

[2]江懷友，宋新民，安曉璇，等.世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述[J].天然氣技術，2008，2(6)：26-30.

[3]申君，王小軍，陳和平.橋塞分段-射孔聯作壓裂技術在新溝非常規油藏的應用[J].江漢石油職工大學學報，2014，27(3)：15-17.

[4]張志強，張林，劉毅，等.分段多簇射孔橋塞聯作技術研究與應用[J].石油儀器，2014，28(1)：13-16.

[5]胡淞，段立進.泵送復合橋塞分段多簇射孔壓裂聯作工藝在長慶油田水平井的應用[C]//北京：建筑科技與管理學術交流會論文集，2014-05-27.

[6]鄒剛，李一寸.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，2014，41(3)：44-47.

[7]任勇，馮長青.長慶油田水平井體積壓裂工具發展淺析[J].中國石油勘探，2015，20(2)：75-80.

Application and Technology of Big Diameter Bridge Plug and Dissolvable Ball in X Well of Shale Gas

WANG Haidong，TANG Kai，OU Yueqiang，YAN Yang，ZANG Liang，ZHANG Qingbin

(LoggingCompany，ChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPC，Chongqing400021，China)

Abstract：X well is a horizontal well of shale gas.The technology of multi-cluster perforation and setting bridge plug are taken as an object in this paper，in order to solve this difficulty of coiled tubing drilling plugs，improve efficiency，and reduce costs，using the technology of multi-cluster perforation，big diameter bridge plug and dissolvable ball in X well.The characteristics of big diameter bridge plug is analyzed and the basic technology and equipment and tool optimization are described，including technology selection，big diameter bridge plug，dissolvable ball，setting tool，perforating gun，gun string design and carrying capacity analysis in X well and so on.In addition，a dissolution test of ?83 mm dissolvable ball in 95 ℃ water mesons and atmospheric pressure is taken and the test result is that the effective fracturing time of dissolvable ball is longer than 12 h.The application of big diameter bridge plug and dissolvable ball in X Well indicates that the technology have a good effect application prospect in long horizontal wells of shale gas.

Keywords：shale gas；horizontal well；multi-cluster perforation；big diameter bridge plug；dissolvable ball

中圖分類號：TE931.2

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.020

作者簡介：王海東(1985-)，男，重慶潼南人，工程師，主要從事石油射孔工藝技術研究與應用工作，E-mail：hd329651168@126.com。

收稿日期：2015-10-25

文章編號：1001-3482(2016)04-0078-04