连续油管作业技术在页岩气井中的应用

曹 明

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中石化石油工程技术服务有限公司，北京 100020)

连续油管作业技术在页岩气井中的应用

曹 明1，2

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中石化石油工程技术服务有限公司，北京 100020)

近年来，我国页岩气井开发主要由国外公司提供连续油管作业技术和服务，随着国内页岩气井的不断加深，连续油管作业难度不断增加，优选一套国产连续油管作业技术是当务之急。本文针对国内页岩气井井深不断增加的特点，分析了页岩气井水平段长、压裂分段级数多、施工压力高和连续油管下入磨阻增加以及打捞困难等难点，通过探索与实践对连续油管工具、钻磨工具串和地面流程进行不断优化和现场试验，优选了合适尺寸的国产连续油管及井下工具并优化出了一套适用于连续油管钻除桥塞及带压清理井筒的技术。该技术在100余口页岩气井中得到成功使用，现场应用取得了一系列新的成果和技术指标，桥塞钻除率达到100%，单井钻塞最多29支，一趟钻钻除桥塞20支。

页岩气；连续油管；钻除桥塞；带压；清理井筒

0 引 言

据统计，2015年美国页岩气产量约合4.3×1011m3，是其2010年产量的3倍，预测到2035年页岩气产量将占到美国天然气总产量的46%。在我国，2012年国务院正式批复页岩气作为我国第172个矿种，2016年中国页岩气产量约为8.5×109m3，2017年国家能源局发布《石油天然气发展“十三五”规划》，指出2020年我国页岩气产量力争达到3×1010m3。

连续油管作业技术以其自身优势在石油工程和油气开采中得到了广泛的应用，连续油管具有可带压作业、施工时效性高等特点，目前在国内应用范围越来越广，已经从简单的冲砂洗井、清蜡除垢、小型酸化等较为简单的作业向拖动压裂、井下钻磨切割、不动管柱等技术发展[1-4]。近年来，随着以美国为主的页岩气成功开发，国内也以学习模仿美国在该领域的开发技术和经验对页岩气进行开发。由于国外技术存在技术和经济性等诸多不利因素，本文通过不断探索，优化了2″连续油管进行水平段钻复合桥塞施工，形成一套完善的水平井连续油管钻复合桥塞工艺技术并在国内页岩气田逐步应用和推广。

1 技术现状和难点

1.1 连续油管钻除桥塞技术现状

作为页岩气开发中的关键设备，连续油管不仅用于钻除桥塞，也用于压裂施工过程中进行首段传输射孔、冲砂解堵和落物打捞等[5-6]。其主要工艺为：第一阶段是通井射孔，即连续油管传输射孔枪通井至人工井底并完成第一段2～3簇传输射孔并冲砂洗井，目的是为第一段压裂施工以及后期自第二段开始的泵送桥塞+射孔联作分段加砂压裂施工做准备；第二阶段是压裂完成后的钻除桥塞+清理井筒+洗井作业，即通过连续油管连接钻塞工具串自上而下依次钻磨桥塞，通过连续油管与环空的间隙将钻屑循环上返至地面，并在钻除桥塞后清洗井筒，为页岩气生产提供全通径的生产通道。

1.2 连续油管钻桥塞技术需求和难点分析

涪陵页岩气田是中国首个大型页岩气田，同时也是全球除北美之外最大的页岩气田。在开发前期，该地区的分段压裂改造及钻磨桥塞施工均采用国外公司提供井下工具和现场技术指导，施工费用高、施工周期长。此外，在桥塞钻除过程中，照搬国外技术存在着钻塞效率低的问题，如平均单支桥塞的钻除时间在2 h左右，有的甚至达6 h。因此，优化一套适合于我国页岩气钻除桥塞的连续油管作业技术是当务之急。

随着我国页岩气开发力度的不断加大，国内页岩气田的埋深也在不断增加，从之前的2 500～3 000 m增加到3 000～4 000 m甚至更深。常规井在钻桥塞过程中出现了钻磨效率低甚至无法钻除桥塞等问题，导致井下复杂情况，后期的施工难度也在不断增加，为了有效钻除桥塞并未页岩气井提供生产通道，需要对连续油管钻桥塞工艺进行优化研究。

2 技术方案优化设计

2.1 连续油管主要工具优化

连续油管钻磨工艺原理：通过连续油管将大功率螺杆马达从套管内下到桥塞顶部，通过探桥塞位置，由地面泵入液体通过连续油管传输到井底，驱动大功率螺杆马达驱动PDC磨铣钻头旋转，再通过对连续油管施加一定的钻压作用于钻头，使钻头对桥塞以滑移变形方式切削并不断磨铣的过程[7-8]。

由于页岩气井深度不断增加，针对国内4 000 m深水平井、水平段长1 500 m，施工井口压力35 MPa左右以及5.5″套管的条件，结合管柱力学分析技术进行模拟并优先选用国产连续油管。通过现场试验，确定了连续油的壁厚和外径，随着井深的增加1.5″连续油管因其较小的载荷和容易发生挠性形变无法满足下入井下钻磨工具和钻除桥塞的要求，优化设计了长度在5 500 m，尺寸为2″的国产连续油管带井下动力钻具钻除井内所有桥塞，现场试验效果良好，井下复杂事故率降低，并能有效为后期试气投产提供畅通的生产通道。

2.2 连续油管钻磨井下工具优化

优化组合了井下工具，使钻磨工具串具备钻磨+减阻+解卡的作用，配套连续油管钻除井下工具，并优化配备了强磁清理井筒工具串以满足打捞要求。

2.2.1 钻磨工具串

设计优化了钻磨工具串，自上而下为铆钉式连接器+双活瓣单流阀+震击器+液压丢手+螺杆马达+平底磨鞋，总长为7.65 m。钻磨过程由钻塞液提供井下动力驱动螺杆马达旋转，并带动平底磨鞋旋转对井底桥塞不断切削。在磨鞋方面，磨鞋是能否成功钻除桥塞的关键因素了，借鉴PDC钻头的切削性机理，优选了水眼尺寸在7.9 mm的5水眼平底磨鞋，实践证明切削效果达到了要求。

表1 钻磨工具串

2.2.2 强磁清理井筒工具串

为有效打捞出沉降在井底的金属碎屑，为页岩气井提供良好的产气通道，设计优化了强磁清理井筒工具串，自上而下为铆钉式连接器+双活瓣单流阀+液压丢手+强磁打捞器+喷嘴，总长为4.13 m，现场应用证明在井下复杂时能有效清理井筒碎屑。

2.3 地面流程优化

以国产设备工具为主对地面流程进行优化，将清水罐、过滤器、捕屑器、供液系统、压裂车、单流阀、管线、弯头、旋塞阀等准备齐全，用70 MPa高压管汇按与1台2000型压裂车进行连接，准备多种型号的油嘴以备钻塞作业时调节井口压力，通过优化为连续油管及井下工具传输动力和钻塞液。

表2 强磁清理井筒工具串

3 现场应用

3.1 A井

A井是一口页岩气开发井，该井深4 546 m，垂深2 683 m，井底井斜89.60°，采用套管完井，下入Φ139.7 mm生产套管至4 566.99 m并实施固井作业，该井分17段加砂压裂，共下入16支可钻式复合桥塞。

1)连续油管通井。下入2″连续油管通井至人工井底4 562.3 m，上提连续油管10 m后复探1次加压，确认人工井底井深为4 562.3 m后上提连续油管。

2)连续油管射孔。完成通井后连接射孔工具串，下连续油管探至人工井底并加压，上提连续油管至第一簇射孔位置4 555.4 m后进行射孔，直至其它射孔簇射孔成功后将连续油管起至井口，完成第一段射孔作业。

3)连续油管钻除桥塞。压裂结束后，用2″连续油管带井下动力钻具钻除井内所有桥塞，为后期投产提供畅通的生产通道。管柱自下而上依次为：Φ108 mm×0.37 m五翼磨鞋+Φ73 mm×4.20 m螺杆马达+Φ73 mm×0.34 m液压丢手+Φ73 mm×2.15 m震击器+Φ73 mm×0.515 m双活瓣单流阀+Φ73 mm×0.17 m铆钉式接头+2″连续油管本体，从探到第1支桥塞面开始依次钻除所有桥塞。

表3 A井钻塞效果分析表

4)连续油管清理井筒。油管起至井口，换装强磁清理工具串并进行功能测试，下入连续油管进行清理井筒作业，探到人工井底4 547 m后起出连续油管。

5)钻磨桥塞时效分析。A井共下入16支桥塞，连续油管钻塞作业共入井3趟，清理井筒2趟。历时7d共计164.5 h，累计钻磨桥塞16支，累计纯钻磨时间为840 min，单支桥塞平均用时52.5 min。

6)井下事故处理。在连续油管下探第15支桥塞过程中，在通过4 377 m处时出现不能通过的情况，经过多次上提下放连续油管并交替泵送胶液及滑溜水仍然不能通过。下探第15支桥塞与成功钻除第14支桥塞的情况表现不同的是，本次泵压变化不明显，钻压不能加上，分析认为是油套磨阻过大导致钻进困难，经过现场分析，决定起出连续油管并检查钻磨工具串并没有异常情况发生。因此，为井下工具串加装水力振荡器，并通过其产生的径向震动来提供钻进动力[9-11]，实践证明加装水力振荡器并泵送胶液后正常探至第15支桥塞并顺利钻磨完成剩余第15～16支桥塞。钻磨完成后起出更换强磁工具串，进行了第二趟井筒清理并下至人工井底4 547 m，总计清理出金属卡瓦2.5 kg。

3.2 B井

B井是一口页岩气水平井评价井，井深5 070 m(比A井深524 m)，垂深3 716 m(比A井深1 033 m)，井底井斜89.60°，该井采用套管完井并下入Φ139.7 mm生产套管至5 061 m实施三开固井作业，该井分16段加砂压裂，共下入15支可钻式复合桥塞。

1)用2″连续油管进行通井后带射孔枪下入井中，对第一段压裂段分两簇进行射孔，为后期泵送桥塞+射孔联作分段加砂压裂施工做准备。

2)压裂结束后，用2″连续油管带井下动力钻具钻除井内所有桥塞，为后期试气投产提供畅通的生产通道。

3)连续油管钻塞入井记录。B井共下入15支桥塞，连续油管钻塞作业共入井2趟，清理井筒1趟。历时7天共计173.2 h，钻磨桥塞15支，累计纯钻磨时间926 min，单支桥塞平均用时61.7 min。

图1 A井和B井纯钻单支桥塞时间统计

4 结论与认识

1)通过对连续油管进行优化，针对国内4 000 m深页岩气水平井使用2″的国产连续油管可以满足钻桥塞的载荷要求。

2)对地面流程和井下钻磨工具进行不断优化，井下工具可以有效带压钻磨桥塞并进行钻屑打捞和井筒清理，现场应用表明桥塞钻除率得到进一步提高。

3)随着井深的增加，连续油管入井深度和磨阻不断增加，单支桥塞纯钻磨时间也会不断增加，4 000 m以深的页岩气井建议充分考虑连续油管抗内外压以及抗疲劳程度，优选新的连续油管钻桥塞工艺方法。

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Application of coiled tubing service technology in shale gas wells

CAO Ming1，2

(1.School of Energy Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Sinopec Oilfield Service Corporation，Beijing 100020，China)

Recently，coiled tubing(CT) service technology and service from abroad has been used for developing Shale Gas Field of China.With deeper shale gas wells，it’s harder for CT operational technology and it’s urgent to optimize a set of domestic CT technology.With features of shale gas wells such as long lateral，many stages，high operational pressure and more friction & hard for fishing，through continuous research this paper optimized for CT，down hole tools and ground equipment，and optimized a set of technology suitable for drilling & milling and clean borehole with CT.Field application in more than 100 wells demonstrated that a series of new index were developed including drilling &milling rate of bridge plugs raised to 100%，plugs drilled & milled in single well came up to 29，bridge plugs drilled & milled in one trip amounted to 20.

shale gas；coiled tubing；drilling & milling bridge plug；under pressure；clean borehole

2017-02-20

曹明(1984-)，男，天津静海人，2009年毕业于中国石油大学(北京)石油工程学院油气井工程专业，中国地质大学(北京)博士研究生，现从事井下特种作业技术研究和管理工作，E-mail：caoming.os@sinopec.com。

TE37

A

1004-4051(2017)05-0169-04