连续管作业技术在页岩气井增产改造中的应用*

2023-08-29向刚

焊管 2023年8期

向刚

（川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 610213）

0 前言

当前，国内已探明非常规油气藏分布广泛，资源潜力巨大。2011 年，国土资源部统计数据显示，我国可开采页岩气资源潜力为25 万亿 m3[1-2]，开发潜力巨大。川渝地区长宁—威远国家级页岩气示范区探明页岩气地质储量超过3 000亿 m3。在页岩气开采过程中，常采用平台化钻井模式，水平井套管完井，后期采用桥塞分段[3-4]进行大规模体积压裂储层改造；压裂完成后，钻磨桥塞，迅速返排，实现快速投产。

连续油管作业具有工艺种类多、可带压作业、井筒适应性强[5-6]等特点，在压裂前提供通刮洗井、首段射孔，为增产奠定改造基础；压裂过程中可提供辅助坐封桥塞，同时也能冲砂解堵，有助于及时处理异常复杂情况，确保改造顺利；压裂后带压钻磨桥塞，可扫清井筒障碍实现快速返排投产。本研究针对连续管作业过程中存在的多种工艺技术类型及其风险问题，分析了不同工艺对连续管和工具组合串的选择，探讨了不同工艺关键风险控制，为连续管在页岩气井增产改造中的规模化应用奠定了基础。

1 连续管和作业工具的选择

1.1 连续管的选择

川渝地区页岩气井钻井井深4 500～6 200 m，在开采过程中常采用外径139.7 mm 厚壁套管，套管内径为114.3 mm。为提高作业效率和保障施工安全，连续管应同时满足排量、抗扭、承压等方面的要求，常用CT110 钢级连续管，其性能参数见表1。此外，连续管的屈服扭矩应大于螺杆马达制动扭矩的2倍以上；同时，在选择连续管时应考虑有足够强度以应对突发情况。根据水平井段连续管屈曲行为分析，结合川渝地区的地质特征和施工要求以及所面临的高压环境，川渝地区作业通常选择Φ50.8 mm、CT110 钢级的连续管。

表1 常用CT110钢级连续管性能参数

1.2 作业工具的选择

工具组合串的优化对作业工艺起关键性作用，不同工艺常选择不同工具组合。常用井下工具有连接接头、单流阀、液压丢手、通井规、震击器、螺杆马达、磨鞋以及处理复杂情况的水力振荡器、各种打捞工具等。

（1）连接接头。连接接头分为外卡瓦式和内造坑式，根据组合串是否抗扭矩进行选择。接头抗拉能力应满足连续管和连接接头二者最小承载能力的80%；承压能力应与井控装置的压力等级相符；对于产生扭矩的作业，接头所承受的最大扭矩应大于螺杆马达制动扭矩的2倍及以上。

（2）单流阀、丢手工具。单流阀是必不可少的内防喷工具，丢手工具可防止工具串遇卡时造成井下情况复杂化。单流阀入井前试验压力值应与井控装置的压力试验值相同，丢手工具连接前需检查剪切销钉的数量，使用投球丢手类工具前应检查投球直径。

（3）震击器。井筒碎屑卡在震击器以下、工具串和套管壁之间时，震击器可产生上、下两个方向的附加震击力，从而有助于解卡，特别是长水平段井作业，受工作液摩擦阻力限制，施工排量往往不高，导致水平段碎屑上返困难，在起下油管时会发生明显的卡阻现象，而使用震击器有助于连续管的正常起下。

（4）螺杆马达。研究表明，当环空返速达到0.8 m/s 及以上时，更有利于保障页岩气井增产改造前通刮洗井和钻塞作业产生的钻屑返排。螺杆马达具备很好的过载性能和硬转速特性[7-8]，地面泵注压力的变化直接反映井下螺杆马达的扭矩情况，应根据泵注压力变化适时减小钻压以减小切削力矩，从而防止钻具超载。根据作业井深及套管内径，为了保障钻屑顺利返排，Φ50.8 mm 连续管作业宜选用外径≥ 73 mm 的螺杆马达，泵注排量为360～420 L/min，不同型号的螺杆马达常用参数见表2。

表2 某类型Φ73 mm螺杆马达常用参数

（5）磨鞋。钻磨桥塞实质是桥塞在磨鞋挤压下以滑移变形方式被切削，在钻压作用下能够自锐地吃入桥塞，在扭矩作用下向前移动剪切桥塞，因此要求磨鞋切削平稳、钻压适中、扭矩较低。川渝地区针对所选桥塞普遍使用4～6刀翼的镶齿和堆焊组合型平底磨鞋，磨鞋尺寸应取井筒内径的94%～96%。A 井使用的分段可钻式复合桥塞和配套磨鞋如图1所示。

图1 A井所用分段可钻式复合桥塞和配套磨鞋

2 连续管施工过程及参数分析

2.1 连续管传输射孔

页岩气井套管完井，首段压裂前和套变井段选用连续管传输射孔的方式沟通产层，建立改造通道。工艺实施时须特别注意以下几点：①连续管被异常挤毁变形；②井筒憋压导致射孔枪异常起爆；③缓慢加压起爆。A 井第1 段第3 簇连续管传输射孔数据曲线如图2所示，对比观察发现，压力上涨越缓慢，起爆时压力和悬重波动越明显；此外，随着套管压力和泵注压力缓慢增加，当压力达到起爆压力值时正常射孔，套管和地层连通，压力瞬间释放，泵注压力略微下降，但由于地层尚未压开，压力释放空间和释放速度有限，泵注压力和套管压力逐渐增大。

图2 A井第1段第3簇连续管传输射孔施工曲线

2.2 连续管辅助坐封桥塞

当电缆无法泵送桥塞时，常选择连续管辅助输送坐封桥塞。连续管辅助坐封桥塞现场作业时须注意以下几点：①连续管和工具串的最小内通径必须能保证桥塞座封工具的钢球到达球座；②根据桥塞座封工具剪切销钉的丢手压力，设置好泵注设备的超压停泵保护压力；③桥塞座封后应验证桥塞座封成功与否。A 井第7 段连续管辅助坐封桥塞施工曲线如图3所示。连续管辅助桥塞座封过程分为大排量泵送钢球、候球入座、座封、丢手和验封5 个阶段。球入座后，泵注压力瞬间上涨，随着桥塞座封，因胶皮胀开隔绝上下层段，套管压力开始缓慢下降（球笼式复合桥塞），当座封压差达到桥塞丢手压差后，桥塞丢手，连续管上提下放至坐封位置硬遇阻，验封成功。

图3 A井第7段连续管设置桥塞施工曲线

2.3 连续管钻磨桥塞

随着套管完井水平井桥塞分段储层改造技术在页岩气井中的推广，连续管钻磨桥塞技术也得到快速发展。该技术使用连续管为输送载体，螺杆马达为驱动装置，磨鞋作为桥塞切削工具，磨除桥塞保持全井筒畅通，实现快速返排投产。

A井完钻井深为5 360 m，水平段长2 200 m，套管内径为114.3 mm，最大井斜为98.22°，采用复合桥塞分段完成19段压裂施工，钻塞前套管压力为34.5 MPa。选用Φ50.8 mm连续管作为井下钻磨桥塞组合工具串和工作液的输送载体，A井钻磨桥塞组合工具如图4所示，根据螺杆马达的性能参数，选择泵注排量为380～410 L/min、能够持续泵注的设备。

图4 A井钻磨桥塞组合工具串

2.3.1 钻磨时泵注压力与油管悬重的关系

对比分析螺杆马达的理论工作特性和实际工作特性可知，螺杆马达带负荷工作时，泵注压力会增大0.5～1.5 MPa；钻塞时应将泵注压力的变化值作为井下工况的监视器和主要参考指标；随着水平段的延伸，钻压只能作为其辅助参考指标。A 井第2 个桥塞正常钻磨时泵注压力及油管悬重的变化曲线如图5 所示，由图5 可知，当钻压逐步升高时，螺杆马达处于带负荷工作状态，地面泵注压力平稳略有升高，钻磨正常。

图5 A井钻磨第2个桥塞时泵注压力、油管悬重与时间的关系曲线

2.3.2 螺杆马达制动工况

螺杆马达出现制动时，进入其中的工作液在压力作用下，全部由转子和变形后的定子橡胶衬套间的缝隙漏失，转子和传动轴承受最大扭矩，密封线承受最大压差，严重影响螺杆马达的使用寿命。A井第2个桥塞时马达制动施工曲线如图6所示，从图6可看出，泵注压力瞬间陡增至螺杆马达最大工作压力时，马达失速制动，扭矩达到最大值，此工况对马达寿命和工具串连接部位抗扭能力影响极大。因此，作业时应缓慢施加钻压，避免出现马达制动的情况，出现该工况应该立即停止泵注尽快释放扭矩，将工具串提离制动工况位置，再恢复泵注，待各项参数稳定后恢复磨铣作业。

图6 A井钻磨第2个桥塞时螺杆马达制动曲线

2.3.3 磨鞋磨损分析

在钻塞作业井底流场中，靠近磨鞋底面的空间存在逆向流，在线流急剧变化处存在涡流[9]。对于A井选用的球笼式双卡瓦复合桥塞，卡瓦为铸铁，本体为复合材料，密封件为高温胶筒。滑溜水作为钻塞工作液，泵注排量为380～410 L/min。工具组合串如图4 所示，螺杆马达转速为375～405 r/min，磨鞋选用硬质合金齿堆焊的Φ105 mm五刀翼平底磨鞋。磨鞋钻磨13只桥塞入井前后形貌如图7所示，通过分析磨鞋的冲蚀部位、形成的沟槽状和环状痕迹，判定逆向流动和涡流是造成冲蚀的主要原因。转动切屑过程中，被切屑的钻屑与工作液形成固液两相流，钻屑作为磨料参与到钻头底面的逆向流中，对钻头不断磨蚀；当逆向流遇到牙齿阻挡时形成绕流，在齿柱墩的背部形成涡旋，绕流和涡旋将导致牙齿和周围的钻头体遭到冲蚀，冲蚀坑一旦形成，将加剧涡流，产生更迅速的冲蚀最终导致掉齿或断齿。因此，采用堆焊和镶齿相结合、增加中心水眼、优化边缘返屑槽等方式，可提高磨鞋的抗磨损能力。

图7 A井钻磨桥塞作业磨鞋入井前后对比

2.3.4 磨铣效率统计分析

A 井起下三次共完成18 只桥塞的钻磨：第一趟钻塞13 只，第二趟完成强磁打捞卡瓦铸铁，第三趟完成最后5 只钻塞。单只桥塞钻磨时间统计结果如图8 所示，由图8 可知，随着单只磨鞋磨铣桥塞数量的增加，磨鞋冲蚀磨损变得越来越严重，磨铣效率也大幅度降低；此外，随着水平段长度的增加，连续管在水平段质量增加，同时随着钻屑在水平段的堆积，施加到磨铣面上的有效钻井压力也越来越小，螺杆马达的输出扭矩降低，切削变得越来越困难，导致单只桥塞的磨铣时间变长，磨铣效率降低。因此，实时统计单只桥塞钻塞时间、判断磨鞋磨损情况、及时清理井筒钻屑，是提高钻塞效率的关键。

图8 A井单只桥塞钻磨时间统计曲线

3 连续管作业要点及认识

在川渝地区页岩气开发过程中，连续管传输射孔、辅助坐封桥塞、钻磨桥塞、套变等异常复杂情况处理存在较大作业风险，特别是在川南地区高温、高压、长水平段井中的作业施工难度更大，在施工时应重点考虑以下问题：

（1）传输射孔需提前考虑连续管能否被击毁、射孔枪能否提前起爆、起爆方式的选择、射孔枪点火成功后地面能否正确判断等。

（2）辅助座封桥塞需提前考虑桥塞是否提前座封、泵注启动座封工具投球、桥塞座封丢手、验封等。

（3）钻塞作业需根据桥塞材质特性，选择适合的螺杆马达和切削磨鞋，优化参数提高效率。依据螺杆马达的性能，合理施加钻压，避免出现马达制动工况，制动后应先停泵，待泵压下降且稳定后再上提油管。

（4）控制井口回压，防止地层流动，避免地层吐砂，导致管串被砂卡、砂埋；回压控制应保证出口排量略大于泵注排量，有足够的液体携带钻屑返排；回压控制更有利于防止圈闭压力释放，工具串异常折断或卡钻。

（5）钻磨作业应充分循环携带碎屑避免卡钻，时刻检查并保持返排流程完好畅通。返排流程上需安装碎屑捕捞器，以减少对油嘴和地面节流管汇的伤害。

（6）高温、高压、长水平段连续管作业井控风险较大，油管疲劳消耗增加，需掌握油管疲劳数据，合理降低油管内压，从而保护油管。

（7）压裂过程中若发生套管变形，宜先钻磨变形点以下桥塞，再进行后续压裂改造，防止套管变形加剧造成桥塞钻磨难度加大或无法钻磨，影响后续作业；小磨鞋钻塞钻屑较大，特别是胶筒不易钻碎，整块胶筒易穿到工具串上，上提通过变形点时易遇卡，是小尺寸磨鞋钻磨的主要风险；套管严重变形井钻磨，提高短起过变形点的频率和增加清理井筒频次可以有效减小连续管钻磨卡钻风险。