頁巖氣水平井帶壓打撈作業設計與實踐

張 平

(中石油川慶鉆探公司工程技術處)

儲層改造是頁巖氣開發的關鍵環節，如何優化壓裂、提高人工縫網的復雜程度是頁巖氣效益開發必須解決的難題之一[1-3]。為獲得理想產量，常常采用大液量、大排量的體積壓裂技術，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%，套管變形給后續泵送橋塞和鉆磨沖洗橋塞帶來了極大風險[4-5]。

2016年1月至2018年6月長寧-威遠區塊在正常泵送橋塞時發生異常遇卡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，通過連續油管成功打撈9井次，由于連續油管提升能力有限、無法旋轉，因此有4井次打撈失敗，反而造成井底落魚增加[6]。由于帶壓作業機和連續油管作業一樣具有不壓井、不放噴、不泄壓、零污染、周期短等優點，而且相比連續油管更具可旋轉、抗拉強度高、抗內壓外擠強度高的優越性，因此頁巖氣水平井采用帶壓作業機打撈具有較大優勢，是連續油管的有益補充，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，落魚結構：?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16段壓裂。

3. 連續油管打撈情況

完成全部壓裂后，連續油管帶?106 mm磨鞋下至4 540 m探得魚頂，然后連續油管帶?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. 生產情況

采用帶壓作業機打撈期間，該井處于生產狀態，井口壓力17～18 MPa，產量9×104m3/d，產水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的變徑連續油管地面最大上提至350 kN，最大下壓至-100 kN，已經達到三軸應力極限，無法再用連續油管打撈。

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

1. 打撈管柱設計

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的狀態下，?73 mm鉆桿可以下至落魚深度4 540 m，且不發生自鎖，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鉆桿內通徑較小，一旦內堵塞失效，將無法實現二次堵塞，因此提高內堵塞井控安全，管柱內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，該工具外徑規則、通徑較小，因此優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、沉砂等卡鉆風險，設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 打撈工具參數表

2. 井口防噴器組合

通過上述打撈管柱設計，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機與防噴管配合作業導出落魚，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環形防噴器、70 MPa雙工作閘板防噴器、70 MPa平衡/泄壓系統和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，預計最大上提拉力將達到911.9 kN，附加1.4系數[9]，需要1 260 kN以上舉升力的帶壓作業機，因此選擇ISS 340K帶壓作業機，該機最大提升力1 540 kN，最大下壓力840 kN，轉盤最大扭矩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

根據井口防噴器組合、帶壓作業主機重量以及預計解卡最高拉力，井口裝置PFF130-105平板閥以及FZ18-70防噴器預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，其化學成分和力學性能參見材料規范JSBW-006，材料的屈服強度Rp0.2=517 MPa。采用四節點的四面體單元，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，殼體最大應力值為72.8 MPa，小于材料的屈服強度，不會發生塑性變形。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彎曲載荷達1 156 204 N·m，在偏離的狀態下螺栓有2只受力σL達到2 711.95 MPa，因此：σL>[σL]，計算應力值遠大于材料許用應力，故M39×3螺栓抗拉強度不能夠滿足要求。

實際作業過程中，管柱提升負荷達到1 100 kN后，檢查井口螺栓，發現2只螺栓絲扣已經完全放松，證明該計算結果確實發生了。

圖1 井口裝置穩定簡化模型

4.3 井口裝置穩定性校核

作業時，井口薄弱環節主要在130-105平板閥處，這時可以將井口閥門以上設備簡化為內徑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；方井內套管頭支撐環上再加裝支撐座，以穩定套管升高短節、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

在帶壓作業下壓入井管柱時，管柱在軸向上受壓不產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

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、加速器在氣體狀態下是否會泄漏，通過驗證沒有發現有泄漏，證明工具能滿足密封要求。

2. 打撈作業

(1)地面檢查鉆桿內通徑、清潔、除垢，檢查絲扣密封面，并絲扣清潔、保養。

(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，防噴器關閉壓力設置為7 MPa。

(3)下鉆到位后循環沖洗魚頭、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，發現撈出第一次連續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，因套管變形和井內雜質卡到套管上了,這是因為籃式撈杯本身是不可退結構，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)獨立式帶壓作業機打撈作業，應對井口裝置、螺栓、防噴器等進行強度校核、穩定性校核，采用可檢測受力大小的支撐座受力、繃繩，加強井口裝置的穩定。

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

(3)作業參數可追溯性。由于國內帶壓作業機普遍沒有配備數據采集系統，因此一旦遇到復雜，所有作業參數不可追溯，給現場處置帶來極大難度，因此有必要配置智能數據采集系統。

致謝：現場應用中，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！