易钻桥塞座封和射孔连作在长北气田分层压裂中的应用及效果分析

王　冲，李　浩，贾进孝，孟令涛，赵宏波

（1．中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710021；2．中国石油长庆油田分公司长庆实业集团公司，陕西西安　710021；3．中国石油长庆油田分公司勘探部，陕西西安　710021）

易钻桥塞座封和射孔连作在长北气田分层压裂中的应用及效果分析

王冲1，李浩1，贾进孝2，孟令涛3，赵宏波1

（1．中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710021；2．中国石油长庆油田分公司长庆实业集团公司，陕西西安710021；3．中国石油长庆油田分公司勘探部，陕西西安710021）

鄂尔多斯盆地长北气田发育多套低渗透含气层系，其改造需要分层压裂。常规分层压裂的缺点是从第2段开始，在对每一段进行射孔前都需要用电缆下桥塞封堵下面层段之后起出电缆，再下射孔枪射孔，这样每射孔一个层段需要下两趟电缆，延长了外来流体对储层的浸泡时间，并增大了储层的伤害和施工风险。为了解决该问题，在长北气田试验了易钻桥塞座封和射孔连作在分层压裂中的应用。该工艺的施工过程包括四步，首先，将桥塞与射孔枪连接在一起，在自身重力或者采用水力泵送等方式输送桥塞和射孔枪到达目的深度后，地面给电信号座封桥塞，同时桥塞与射孔枪丢手，上提射孔枪到目标位置射孔；其次，压裂对应井段；再次，重复前两步施工过程，压裂完所有施工层段之后磨桥塞；最后，洗井。新工艺下一趟电缆可以完成一个层段的桥塞座封和射孔，明显缩短了施工周期，减少了钻井液、完井液、压裂液和洗井液对储层的浸泡时间和伤害。试验证明，易钻桥塞座封和射孔连作分层压裂后气井产量明显高于采用传统方法分层压裂后的气井产量；该工艺的成功实施，初步探索出了低孔低渗储层的有效改造技术手段，为鄂尔多斯盆地多层系气层高效开发积累了宝贵的经验。

桥塞；座封；射孔；压裂；磨桥塞

鄂尔多斯盆地属于多旋回克拉通沉积盆地［1，2］，发育多套含油气层系［3］，其中在榆林气田上古生界的本溪组、太原组、山西组和石盒子组均发现了较好的含气显示［4］。目前，国际上对多套含油气层系的改造以采用分层压裂方法为主；其施工过程需要对每一层段进行射孔和压裂，最后再钻磨桥塞和试气。而对上部层段射孔的常规方法是首先电缆下桥塞，使其座封在已压裂层段之上后起出电缆，其次再用电缆下射孔枪射孔。由于每射孔一个层段需要下两次电缆，延长了施工时间，增加了外来流体对储层的浸泡时间，加深了其对储层的伤害和增大了施工风险。鉴于以上原因，最近几年在榆林气田实验了易钻桥塞座封与射孔连作技术在分层压裂中的应用，并取得了较好的实验效果，现在对其做如下详述。

1　易钻桥塞座封和射孔

1.1易钻桥塞座封和射孔连作的概念和优点

1.1.1易钻桥塞座封和射孔连作的概念所下桥塞与射孔枪连接在一起，在自身重力或者采用水力泵送等方式输送桥塞和射孔枪到达目的深度后，首先座封桥塞，然后再上提射孔枪到射孔段进行射孔的工艺叫作座封桥塞和射孔连作。

1.1.2易钻桥塞座封和射孔连作的优点

（1）榆林气田上古生界气层属于多层系低孔低渗储层，多层系合采和大规模分层压裂是该区气井增产的有效手段；易钻桥塞座封和射孔连作技术具有准确的压裂分段、无限制的分段级数和磨阻小等优势，能够满足多层系合采和大规模分层压裂开发的条件。

（2）相比封隔器座封后打开滑套压裂，易钻桥塞座封和射孔连作技术在分段射孔压裂后可以迅速钻磨桥塞，保证井筒畅通，利于后期作业的实施。相比喷砂射孔压裂技术，则易钻式桥塞分段射孔压裂的改造强度和力度要更大，更适用于低渗透储层的改造。

（3）易钻桥塞分段射孔压裂由于采用射孔、压裂连作，比常规先射孔，再下管柱压裂的方法大幅提高作业时效和节约成本。

1.2易钻桥塞座封和射孔连作工具组成

易钻桥塞和射孔连作工具主要由地面设备（吊车、电缆车、动滑轮）和井下工具串（磁定位测井仪器、点火头+射孔枪、点火头+易钻桥塞）组成（见图1）。

1.2.1易钻桥塞座封易钻桥塞座封系统主要由点火系统组成（见图2）。其中点火系统主要作用是点火，压力传递系统的主要作用是传递压力，动力转换系统主要作用是把内部的压力通过插板转换成外部滑套的推力，座封丢手系统的主要作用是在桥塞座封之后使得电缆和桥塞分离。

图2　易钻桥塞座封系统组成图Fig.2 The seating and sealing system diagram of the easy drilling bridge plug

座封工具和桥塞是通过丢手螺栓两端的螺纹组装在一起，座封工具上端的点火头与电缆绞车的磁性定位器螺纹相连接。作业时用电缆提起工具送入井内，根据磁性定位测井仪器发出的电信号找到桥塞的座封位置，确定座封位置后继续下放10 m左右，再上提至原位置点火座封和丢手。点火成功后，电缆张力会有1 kN左右的变化，井口监控人员手摸电缆可明显感觉到震动，说明桥塞已座封并丢手。点火座封桥塞和丢手3 min后，上提座封工具10 m，再缓慢下放探顶，若遇阻，再次证明桥塞座封和丢手成功。上提工具20 m之后，用泵车试压，试验压力为26 MPa，稳压30 min不降即可。另外，座封位置一般选在被封堵层和待射孔层之间的夹层的下部（见图1）。

图1　易钻桥塞座封和射孔连作工具组成图Fig.1 The continuous operation-tool's constitutional diagram of the easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating

桥塞座封原理：当桥塞上提到座封位置之后，接通地面电源，通过电缆点火引爆发火雷管，发火雷管引燃二次火药，二次火药燃烧后引燃主装动力火药并产生高温高压气体。高温高压气体产生向下和向上两个方向相反、大小相等的推力，向下的推力依次推动上活塞、液压油、下活塞、活塞杆、插板、滑套和座封套筒向下运动；向上的推力依次推动火药室、上液缸、中间阻尼接头、下液缸、下接头、内导管、调整短节、拉力杆和丢手螺栓向上运行。这两个方向的力同时作用在桥塞上、下锥体上，推动上、下卡瓦沿中心管作上、下相对运动并挤压胶筒，使胶筒轴向压缩、径向膨胀封住套管。随着压力进一步增大，上下卡瓦分别沿其内部的应力槽裂开成六片卡住套管而实现座封。座封之后压力持续增大，当火药产生的座封拉力超过丢手螺栓的拉断力时，丢手螺栓被拉断，桥塞与工具分离而完成丢手［5］。

1.2.2射孔桥塞座封、丢手和试压之后，上提电缆并找到待射孔段以上的标志套管，再下放电缆到待射孔段顶部（见图2），用磁定位测井识别射孔段上部最近一个接箍位置，结合射孔枪最上部弹孔到磁定位测井的距离计算出射孔段对应的深度，再下放或者上提射孔枪到对应深度（通常带有GR测井仪器，通过GR曲线进一步确定射孔阶段），确认无误之后通过电缆点火射孔。

2　压裂

压裂就是利用压裂车组将一定黏度的液体以足够高的排量沿井筒注入油气层，由于注入速度远远大于油气层的吸液速度，所以多余的液体在井底憋起高压，当此压力和进入油气层的液体使井壁上某处的岩石所受的应力超过岩石破裂强度后，油气层就会在此处开始破裂形成裂缝。形成裂缝后，继续将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，裂缝继续延伸并在裂缝中充填支撑剂；停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。该填砂裂缝与井眼连通，穿透过钻井过程中形成的近井地带的污染区，增大了油气井的泄流面积，改变了地层中的流体流动路径，从而有利于提高单井产量和油气田采收率。

由于研究区含有多个含气层系，故在第一个层位压裂之后，首先，采用桥塞座封和射孔连作技术，在压裂段上部座封桥塞封隔已压裂段，之后上提射孔枪到待射孔段射孔；其次，对待压裂段压裂。

3　钻磨桥塞

易钻桥塞除极少量配件外，均采用类似硬性塑料性质的复合材料制成，其强度、耐压、耐温与同类型金属桥塞相当或优于金属桥塞，且密度较小，所以可钻性强和更容易循环带出地面［6］。在压裂完各施工井段之后，利用连续油管带磨铣钻具组合钻磨易钻桥塞。磨铣钻具组合主要包括磨铣、电动机、循环接头、液压丢手、背压阀和快速接头（见图3）。

图3　磨铣工具组合图Fig.3 The combination figure of the milling tool

磨铣的主要作用是研磨桥塞，其尺寸在井眼允许范围之内，尽量选最大；电动机的主要作用是在水力作用下驱动磨铣转动；液压丢手的作用是当磨铣被卡之后从地面投球而使井下工具脱手，这时候电动机及以下工具在井内，而其上工具可随连续油管一起可被起到地面；背压阀为一单流阀，可阻止井底流体经过连续油管内到达井口；快速接头主要用来快速连接连续油管和磨铣工具组合。

在钻磨桥塞过程中，主要会遇到如下两个问题，其一是在压裂过程中，井筒中可能存在较多压裂砂未进入裂缝；其二是由于压裂会在人工裂缝周围形成局部高压带，在钻桥塞的时候，如果井口无背压，当打开井口或桥塞被钻穿之后，会在裂缝和井底之间形成较高的压差，使得裂缝中的大量支撑剂快速流入井筒而其闭合。以上问题，除了导致压裂的效果降低外，还会在井筒中积累大量支撑剂，这些支撑剂必须在钻磨桥塞时被带出井口。因为螺杆电动机的最大排量是定值，所以只靠增大排量的方法不可能将大量砂子带出井；应该通过选择合适尺寸的油嘴并适当增加井口背压减少裂缝出砂来排砂，油嘴尺寸的选择与井口背压间的关系如下列公式［7］：

式中：Δp-油嘴节流压降，MPa；Q-泵的注入量，m3/min；ρ-流体速度，103kg/m3；C-孔眼系数，无量纲；A-油嘴节流面积，m2。

在钻磨桥塞的连续油管选择方面，根据井深条件，应该充分考虑其摩阻、前端推力、扭矩等关键参数，防止施工参数超过额定值而扭断油管或使油管发生形变。

4　实例分析

到目前为止，长北气田有7口井实施了易钻桥塞座封和射孔连作技术在分层压裂技术工艺中的试验，均取得了较好的成果，现在以CB20-4井为例，进行具体说明。

CB20-4井为一口评价井（见图4），30″导管下入深度7.3 m，9-5/8″表层套管下入深度290 m，3-1/2″套管固井完井。从下到上依次有三个射孔段，第一射孔段在太2段，射一枪，射孔井段是2 969.6 m～2 972.6 m；第二射孔段在山1段，射两枪，第一枪位置2 885.9 m～2 886.9 m，第二枪位置2 873.5 m～2 874.5 m，采用限流压裂；第三射孔段在盒8+盒7段，射三枪，第一枪位置2 822 m～2 823 m，第二枪位置2 741 m～2 742 m，第三枪位置2 735.7 m～2 736.7 m，也采用限流压裂。在第一射孔段和第二射孔段、第二射孔段和第三射孔段之间分别座封易钻桥塞，座封位置分别为2935m和2845m。下面主要以第二个桥塞座封、第三段压裂和磨桥塞为例进行说明。

图4　CB20-4井井身结构示意图Fig.4 The well structure diagram of the CB20-4

4.1桥塞座封、丢手和射孔

按照桥塞座封操作规程，作业时用电缆提起工具送入井内，根据磁性定位测井仪器发出的电信号找到桥塞座封位置2 845 m，之后继续下放到2 855 m，再上提至2 845 m点火座封和丢手桥塞，点火后电缆张力有1 kN左右的变化，且井口手摸电缆明显感觉到震动，说明桥塞已座封并丢手。点火座封桥塞和丢手3 min后，上提座封工具到2 835 m，再缓慢下放，于2 845 m探到桥塞顶部，再次证明桥塞座封和丢手成功。再上提工具到2 825 m，用泵车试压，打压到28 MPa，停泵后稳压在26 MPa，30 min不降（见图5），说明桥塞座封良好。之后上提电缆，以着陆短接为标志套管，完成了第三射孔段的三枪射孔。

4.2压裂

射孔之后，紧接着进行压裂，注前置液70 m3，施工排量4 m3/min，施工油压36.85 MPa～24.8 MPa，最大砂比720 kg/m3，混砂液量176.2 m3，顶替液量13.3 m3，停泵后油压22.7 MPa，停泵后套压0 MPa，入井总液量259.5 m3。地层破裂时井口压力41 MPa，套管摩阻损失压力约为8 MPa，裂缝延伸的井口压力为22.7 MPa，裂缝闭合时井口压力18 MPa。

图5　桥塞座封后试压图Fig.5 The pressure testing curve after the bridge plug seat sealing

4.3钻磨桥塞

因为CB20-4井完井套管为3-1/2″，其内径为2.992″，着陆短接所在位置管柱内径最小，为2.813″（见图4），鉴于此，依据实际情况，选用了1.5″连续油管、2.0″磨跣和2″电动机。磨铣工具组合入井前，井口压力为3.5 MPa，为了防止裂缝吐砂，工具入井和磨铣桥塞过程，依据公式（1），始终将井口背压保持在3.5 MPa左右。另外，施工参数和注意事项如下：

（1）每隔5 min计量一次计量罐中液体体积，始终保持返出液量与泵排量相当，避免井底压力过高而使裂缝张开而吐砂；

（2）下钻速度不超过30 m/min，据桥塞50 m前下降到5 m/min以下，并打入2 m3左右稠浆清扫井筒，避免下钻速度过快而导致磨铣冲入砂桥而卡钻或堵塞磨铣水眼；

（3）钻磨桥塞过程中，钻压保持在1.2 t～1.5 t，泵排量保持在230 L/min，泵压保持在30 MPa以下；

（4）每钻磨完一个桥塞，都必须打稠浆清扫井筒，防止卡钻。

5　效果分析

长北气田发育多套含气层系，目前压裂改造井段数以2～3段为主。采用易钻桥塞座封射孔连作和分层压裂技术后，平均每口井从完井到洗井结束的施工周期缩短3 d～5 d，减少了钻井液、完井液和压裂液对地层的伤害，从而有力提高了单井产量。例如CB20-4和CB20-7井位于同一井场，开采层段和每一开采段的地质情况非常相似，两口井基本同时投产，而前者利用易钻桥塞座封射孔连作和分层压裂技术，后者采用常规方法压裂，而前者产量是后者的2.5倍。

6　总结

（1）鄂尔多斯盆地榆林气田上古生界发育多套含气层段，按照常规方法对其分层压裂过程中，需要先下电缆座封桥塞，再将电缆起出后，重新下电缆射孔，增加了施工的风险和浪费了时间。

（2）易钻桥塞座封射孔连作和分层压裂技术有效缩短了施工周期，缩短了钻井液、完井液和压裂液对地层的浸泡时间，减轻了外来流体对地层的伤害，从而节约了成本和提高了天然气井产量，故值得推广。

［1］ 汪泽成，刘焕杰，张林，等.鄂尔多斯含油气区构造层序地层研究［J］．中国矿业大学学报，2000，29（4）：432-436.

［2］ 汪泽成，陈孟晋，王震，等.鄂尔多斯盆地上古生界克拉通坳陷盆地煤成气成藏机制［J］．石油学报，2006，27（1）∶8-14.

［3］ 付金华，魏新善，任军峰，等．鄂尔多斯盆地天然气勘探形势与发展前景［J］．石油学报，2006，27（6）∶1-4．

［4］ 张君峰，兰朝利.鄂尔多斯盆地榆林一神木地区上古生界裂缝和断层分布及其对天然气富集区的影响［J］．石油勘探与开发，2006，32（8）∶172-177.

［5］ 刘化国，等.电缆式坐封工具及可钻式桥塞［J］．石油机械，1994，22（11）：53-57.

［6］ 徐克彬，等.高压复合材料桥塞应用实践［J］．油气井测试，2009，18（3）：63-65.

［7］ 任勇，叶登胜，李剑秋，等.易钻桥塞射孔联作技术在水平井分段压裂中的实践［J］．石油钻采工艺，2013，35（2）：90-93.

The application and analysis of the continuous operation about easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating in Changbei layered fracturing

WANG Chong1，LI Hao1，JIA Jinxiao2，MENG Lingtao3，ZHAO Hongbo1
（1.Gas Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China；2.The Changshi Group Co.，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China；3.The Exploration Department of PetroChina，Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China）

There are multiple sets of low permeability and low porosity gas reservoirs in Changbei gas field of Ordos basin，hierarchical fracturing were often used in this kinds gas field exploitation.The shortcomings of conventional hierarchical fracturing which need to putthe cable out of the hole after the bridge plug been set to the top of the under gas reservoir primarily and then run the cable in hole to perforate need to run the cable in hole two times for each perforated interval，and extend the time of the external fluid soak reservoir and increase the risk of a reservoir damage and construction risk.In order to save those defects，the continuous operated technology of the easily drilling bridge-plug seat-sealing and perforating were tested in Changbei layered fracturing.In the work progress of the new process as follow.The first，the bridge plug and perforating gun were connected together and were set to target depth，and give electrical signal by engineer to setting bridge plug and release the bridge plug at the same time，and lift the perforating gun up to target depth and the perforating.The second，fracture the target layer.The third，mill bridge plug after all the fracturing finished.Finally，wash well.The new progress make the work time become shorter than before，and reduce the gas reservoir immersion time by the completion fluid，fracturing fluid and flushing fluid，and to reduce the degree of gas reservoir being hurt.Facts have proven that test drilling bridge plug seat sealing and perforating and yield of continuous cropping wells was obviously higher than that of the traditional method of fracturing wells.Successful implementation of the process，a preliminary explore on the block of the low permeability transformation technology，a set of effective reservoir minister，multilayer atmosphere and high for the next step development has accumulated valuable experience.

bridge-plug；seat-sealing；perforation；fracturing；milling bridge plug

TE934.2

A

1673-5285（2016）05-0067-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.018

2016－04-09

王冲，男（1988-），甘肃镇原人，2011年毕业于成都理工大学石油工程专业，助理工程师，主要从事油气田开发方面的研究工作，邮箱：59651823@qq.com。