連續(xù)管作業(yè)技術(shù)在頁巖氣井增產(chǎn)改造中的應(yīng)用*

向 剛

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610213）

0 前 言

當(dāng)前，國內(nèi)已探明非常規(guī)油氣藏分布廣泛，資源潛力巨大。2011 年，國土資源部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國可開采頁巖氣資源潛力為25 萬億 m3[1-2]，開發(fā)潛力巨大。川渝地區(qū)長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過3 000億 m3。在頁巖氣開采過程中，常采用平臺(tái)化鉆井模式，水平井套管完井，后期采用橋塞分段[3-4]進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂儲(chǔ)層改造；壓裂完成后，鉆磨橋塞，迅速返排，實(shí)現(xiàn)快速投產(chǎn)。

連續(xù)油管作業(yè)具有工藝種類多、可帶壓作業(yè)、井筒適應(yīng)性強(qiáng)[5-6]等特點(diǎn)，在壓裂前提供通刮洗井、首段射孔，為增產(chǎn)奠定改造基礎(chǔ)；壓裂過程中可提供輔助坐封橋塞，同時(shí)也能沖砂解堵，有助于及時(shí)處理異常復(fù)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(shí)現(xiàn)快速返排投產(chǎn)。本研究針對(duì)連續(xù)管作業(yè)過程中存在的多種工藝技術(shù)類型及其風(fēng)險(xiǎn)問題，分析了不同工藝對(duì)連續(xù)管和工具組合串的選擇，探討了不同工藝關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制，為連續(xù)管在頁巖氣井增產(chǎn)改造中的規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 連續(xù)管和作業(yè)工具的選擇

1.1 連續(xù)管的選擇

川渝地區(qū)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(nèi)徑為114.3 mm。為提高作業(yè)效率和保障施工安全，連續(xù)管應(yīng)同時(shí)滿足排量、抗扭、承壓等方面的要求，常用CT110 鋼級(jí)連續(xù)管，其性能參數(shù)見表1。此外，連續(xù)管的屈服扭矩應(yīng)大于螺桿馬達(dá)制動(dòng)扭矩的2倍以上；同時(shí)，在選擇連續(xù)管時(shí)應(yīng)考慮有足夠強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。根據(jù)水平井段連續(xù)管屈曲行為分析，結(jié)合川渝地區(qū)的地質(zhì)特征和施工要求以及所面臨的高壓環(huán)境，川渝地區(qū)作業(yè)通常選擇Φ50.8 mm、CT110 鋼級(jí)的連續(xù)管。

表1 常用CT110鋼級(jí)連續(xù)管性能參數(shù)

1.2 作業(yè)工具的選擇

工具組合串的優(yōu)化對(duì)作業(yè)工藝起關(guān)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(guī)、震擊器、螺桿馬達(dá)、磨鞋以及處理復(fù)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(nèi)造坑式，根據(jù)組合串是否抗扭矩進(jìn)行選擇。接頭抗拉能力應(yīng)滿足連續(xù)管和連接接頭二者最小承載能力的80%；承壓能力應(yīng)與井控裝置的壓力等級(jí)相符；對(duì)于產(chǎn)生扭矩的作業(yè)，接頭所承受的最大扭矩應(yīng)大于螺桿馬達(dá)制動(dòng)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(nèi)防噴工具，丟手工具可防止工具串遇卡時(shí)造成井下情況復(fù)雜化。單流閥入井前試驗(yàn)壓力值應(yīng)與井控裝置的壓力試驗(yàn)值相同，丟手工具連接前需檢查剪切銷釘?shù)臄?shù)量，使用投球丟手類工具前應(yīng)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(shí)，震擊器可產(chǎn)生上、下兩個(gè)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(yè)，受工作液摩擦阻力限制，施工排量往往不高，導(dǎo)致水平段碎屑上返困難，在起下油管時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的卡阻現(xiàn)象，而使用震擊器有助于連續(xù)管的正常起下。

（4）螺桿馬達(dá)。研究表明，當(dāng)環(huán)空返速達(dá)到0.8 m/s 及以上時(shí)，更有利于保障頁巖氣井增產(chǎn)改造前通刮洗井和鉆塞作業(yè)產(chǎn)生的鉆屑返排。螺桿馬達(dá)具備很好的過載性能和硬轉(zhuǎn)速特性[7-8]，地面泵注壓力的變化直接反映井下螺桿馬達(dá)的扭矩情況，應(yīng)根據(jù)泵注壓力變化適時(shí)減小鉆壓以減小切削力矩，從而防止鉆具超載。根據(jù)作業(yè)井深及套管內(nèi)徑，為了保障鉆屑順利返排，Φ50.8 mm 連續(xù)管作業(yè)宜選用外徑≥ 73 mm 的螺桿馬達(dá)，泵注排量為360～420 L/min，不同型號(hào)的螺桿馬達(dá)常用參數(shù)見表2。

表2 某類型Φ73 mm螺桿馬達(dá)常用參數(shù)

（5）磨鞋。鉆磨橋塞實(shí)質(zhì)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(dòng)剪切橋塞，因此要求磨鞋切削平穩(wěn)、鉆壓適中、扭矩較低。川渝地區(qū)針對(duì)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(yīng)取井筒內(nèi)徑的94%～96%。A 井使用的分段可鉆式復(fù)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(fù)合橋塞和配套磨鞋

2 連續(xù)管施工過程及參數(shù)分析

2.1 連續(xù)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(xù)管傳輸射孔的方式溝通產(chǎn)層，建立改造通道。工藝實(shí)施時(shí)須特別注意以下幾點(diǎn)：①連續(xù)管被異常擠毀變形；②井筒憋壓導(dǎo)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(xù)管傳輸射孔數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，壓力上漲越緩慢，起爆時(shí)壓力和懸重波動(dòng)越明顯；此外，隨著套管壓力和泵注壓力緩慢增加，當(dāng)壓力達(dá)到起爆壓力值時(shí)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(xù)管傳輸射孔施工曲線

2.2 連續(xù)管輔助坐封橋塞

當(dāng)電纜無法泵送橋塞時(shí)，常選擇連續(xù)管輔助輸送坐封橋塞。連續(xù)管輔助坐封橋塞現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)須注意以下幾點(diǎn)：①連續(xù)管和工具串的最小內(nèi)通徑必須能保證橋塞座封工具的鋼球到達(dá)球座；②根據(jù)橋塞座封工具剪切銷釘?shù)膩G手壓力，設(shè)置好泵注設(shè)備的超壓停泵保護(hù)壓力；③橋塞座封后應(yīng)驗(yàn)證橋塞座封成功與否。A 井第7 段連續(xù)管輔助坐封橋塞施工曲線如圖3所示。連續(xù)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(yàn)封5 個(gè)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(fù)合橋塞），當(dāng)座封壓差達(dá)到橋塞丟手壓差后，橋塞丟手，連續(xù)管上提下放至坐封位置硬遇阻，驗(yàn)封成功。

圖3 A井第7段連續(xù)管設(shè)置橋塞施工曲線

2.3 連續(xù)管鉆磨橋塞

隨著套管完井水平井橋塞分段儲(chǔ)層改造技術(shù)在頁巖氣井中的推廣，連續(xù)管鉆磨橋塞技術(shù)也得到快速發(fā)展。該技術(shù)使用連續(xù)管為輸送載體，螺桿馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置，磨鞋作為橋塞切削工具，磨除橋塞保持全井筒暢通，實(shí)現(xiàn)快速返排投產(chǎn)。

A井完鉆井深為5 360 m，水平段長2 200 m，套管內(nèi)徑為114.3 mm，最大井斜為98.22°，采用復(fù)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(xù)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(jù)螺桿馬達(dá)的性能參數(shù)，選擇泵注排量為380～410 L/min、能夠持續(xù)泵注的設(shè)備。

圖4 A井鉆磨橋塞組合工具串

2.3.1 鉆磨時(shí)泵注壓力與油管懸重的關(guān)系

對(duì)比分析螺桿馬達(dá)的理論工作特性和實(shí)際工作特性可知，螺桿馬達(dá)帶負(fù)荷工作時(shí)，泵注壓力會(huì)增大0.5～1.5 MPa；鉆塞時(shí)應(yīng)將泵注壓力的變化值作為井下工況的監(jiān)視器和主要參考指標(biāo)；隨著水平段的延伸，鉆壓只能作為其輔助參考指標(biāo)。A 井第2 個(gè)橋塞正常鉆磨時(shí)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(dāng)鉆壓逐步升高時(shí)，螺桿馬達(dá)處于帶負(fù)荷工作狀態(tài)，地面泵注壓力平穩(wěn)略有升高，鉆磨正常。

圖5 A井鉆磨第2個(gè)橋塞時(shí)泵注壓力、油管懸重與時(shí)間的關(guān)系曲線

2.3.2 螺桿馬達(dá)制動(dòng)工況

螺桿馬達(dá)出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)，進(jìn)入其中的工作液在壓力作用下，全部由轉(zhuǎn)子和變形后的定子橡膠襯套間的縫隙漏失，轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)軸承受最大扭矩，密封線承受最大壓差，嚴(yán)重影響螺桿馬達(dá)的使用壽命。A井第2個(gè)橋塞時(shí)馬達(dá)制動(dòng)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(dá)最大工作壓力時(shí)，馬達(dá)失速制動(dòng)，扭矩達(dá)到最大值，此工況對(duì)馬達(dá)壽命和工具串連接部位抗扭能力影響極大。因此，作業(yè)時(shí)應(yīng)緩慢施加鉆壓，避免出現(xiàn)馬達(dá)制動(dòng)的情況，出現(xiàn)該工況應(yīng)該立即停止泵注盡快釋放扭矩，將工具串提離制動(dòng)工況位置，再恢復(fù)泵注，待各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后恢復(fù)磨銑作業(yè)。

圖6 A井鉆磨第2個(gè)橋塞時(shí)螺桿馬達(dá)制動(dòng)曲線

2.3.3 磨鞋磨損分析

在鉆塞作業(yè)井底流場(chǎng)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(duì)于A井選用的球籠式雙卡瓦復(fù)合橋塞，卡瓦為鑄鐵，本體為復(fù)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(dá)轉(zhuǎn)速為375～405 r/min，磨鞋選用硬質(zhì)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(huán)狀痕跡，判定逆向流動(dòng)和渦流是造成沖蝕的主要原因。轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)鉆頭不斷磨蝕；當(dāng)逆向流遇到牙齒阻擋時(shí)形成繞流，在齒柱墩的背部形成渦旋，繞流和渦旋將導(dǎo)致牙齒和周圍的鉆頭體遭到?jīng)_蝕，沖蝕坑一旦形成，將加劇渦流，產(chǎn)生更迅速的沖蝕最終導(dǎo)致掉齒或斷齒。因此，采用堆焊和鑲齒相結(jié)合、增加中心水眼、優(yōu)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(yè)磨鞋入井前后對(duì)比

2.3.4 磨銑效率統(tǒng)計(jì)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(qiáng)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(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示，由圖8 可知，隨著單只磨鞋磨銑橋塞數(shù)量的增加，磨鞋沖蝕磨損變得越來越嚴(yán)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(xù)管在水平段質(zhì)量增加，同時(shí)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(dá)的輸出扭矩降低，切削變得越來越困難，導(dǎo)致單只橋塞的磨銑時(shí)間變長，磨銑效率降低。因此，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)單只橋塞鉆塞時(shí)間、判斷磨鞋磨損情況、及時(shí)清理井筒鉆屑，是提高鉆塞效率的關(guān)鍵。

圖8 A井單只橋塞鉆磨時(shí)間統(tǒng)計(jì)曲線

3 連續(xù)管作業(yè)要點(diǎn)及認(rèn)識(shí)

在川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)過程中，連續(xù)管傳輸射孔、輔助坐封橋塞、鉆磨橋塞、套變等異常復(fù)雜情況處理存在較大作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，特別是在川南地區(qū)高溫、高壓、長水平段井中的作業(yè)施工難度更大，在施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下問題：

（1）傳輸射孔需提前考慮連續(xù)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(diǎn)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(dòng)座封工具投球、橋塞座封丟手、驗(yàn)封等。

（3）鉆塞作業(yè)需根據(jù)橋塞材質(zhì)特性，選擇適合的螺桿馬達(dá)和切削磨鞋，優(yōu)化參數(shù)提高效率。依據(jù)螺桿馬達(dá)的性能，合理施加鉆壓，避免出現(xiàn)馬達(dá)制動(dòng)工況，制動(dòng)后應(yīng)先停泵，待泵壓下降且穩(wěn)定后再上提油管。

（4）控制井口回壓，防止地層流動(dòng)，避免地層吐砂，導(dǎo)致管串被砂卡、砂埋；回壓控制應(yīng)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(yè)應(yīng)充分循環(huán)攜帶碎屑避免卡鉆，時(shí)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(duì)油嘴和地面節(jié)流管匯的傷害。

（6）高溫、高壓、長水平段連續(xù)管作業(yè)井控風(fēng)險(xiǎn)較大，油管疲勞消耗增加，需掌握油管疲勞數(shù)據(jù)，合理降低油管內(nèi)壓，從而保護(hù)油管。

（7）壓裂過程中若發(fā)生套管變形，宜先鉆磨變形點(diǎn)以下橋塞，再進(jìn)行后續(xù)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(xù)作業(yè)；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(diǎn)時(shí)易遇卡，是小尺寸磨鞋鉆磨的主要風(fēng)險(xiǎn)；套管嚴(yán)重變形井鉆磨，提高短起過變形點(diǎn)的頻率和增加清理井筒頻次可以有效減小連續(xù)管鉆磨卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論與建議

（1）連續(xù)管能夠帶壓作業(yè)、工藝類型多、井筒適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)使其在頁巖氣開發(fā)、鉆井、測(cè)井、增產(chǎn)、試油等階段均可發(fā)揮巨大作用。

（2）頁巖氣井增產(chǎn)改造對(duì)連續(xù)管和工具的性能提出了更高要求，作業(yè)前必須結(jié)合井況優(yōu)選連續(xù)管、入井工具和工作液，制定作業(yè)方案。

（3）連續(xù)管在頁巖氣井增產(chǎn)改造中面臨工藝新、控制難、風(fēng)險(xiǎn)高等問題，應(yīng)全過程監(jiān)管保障作業(yè)順利。關(guān)鍵崗位人員應(yīng)具備工況實(shí)時(shí)分析、復(fù)雜情況處置的能力。

（4）套管變形井連續(xù)管作業(yè)需從工藝、工具、設(shè)備、地面流程等方面論證技術(shù)可行性，結(jié)合套變程度制定有針對(duì)性的作業(yè)方案。