井筒漏失对桥射联作施工的影响及对策
2024-03-15张秋冬董拥军王英杰
张秋冬 董拥军 马 阔 王英杰 林 鹏
1.中国石油集团测井有限公司天津分公司 天津 300280
2.北京环鼎科技有限责任公司 北京 102200
0 引言
近年来,煤层气作为一项新兴的能源,越来越受到人们的关注和重视,对其开发利用的工作力度也在逐年加大[1-2]。煤层气桥射联作施工中井筒漏失是影响工程质量、安全的重大风险点，井筒漏失造成泵送过程井筒内出现复杂的两相流状态，会导致泵送失败和工具串遇阻遇卡；井筒漏失速度过快导致桥塞座封时端面产生强烈的水击效应，可能导致电缆头弱点断脱，工具串落井；井筒严重漏失产生的空井筒现象，极易导致投球失败及次生工程复杂。笔者针对井筒漏失问题，从确定漏失位置、漏失程度入手，通过模拟计算，确定不同井况下的安全施工边界条件，总结2020—2022年5口井筒漏失井施工经验，有针对性地制订应对井筒漏失的对策，有效地保证了井筒漏失井桥射联作的施工安全。
1 井筒漏失位置及漏失速度的测定方法
1.1 井筒漏失位置的确定方法
发生井筒漏失首先要具备2个条件：①井筒内的液柱压力超过地层孔隙的流体压力而导致井筒内出现正压差；②地层中溶洞、孔隙和裂缝的存在为井筒内液体漏失提供了充足的液体容纳空间和漏失通道。
施工中通过测井方法确定井筒漏失位置的方法主要有4种：
1）桥塞通井+磁定位。如果井筒漏失位置在射孔层位以上，则工具串无法泵送到位，通过遇阻深度结合井温变化，可确定漏失位置。
2）井温+自然伽马+磁定位测井。关井后录取静止井温资料，井口灌满液后录取注水井温资料，井温异常点就是井筒漏失位置（图1）。
图1 井温测井曲线图
3）多臂井径+自然伽马+磁定位测井。对井温异常井段进行多臂井径测井，确认是否存在套变套漏位置，即套管本体没有明显破损（图2）。
图2 多臂井径测井曲线图
4）井下电视测井。对井温异常井段进行井下电视测井，检测套管接箍是否存在异常。
1.2 井筒漏失速度的测定方法
1.2.1 井筒漏失速度的分类
工程上，主要是用漏速和漏层吸收系数来描述井漏严重度（表1）。漏速，指单位时间内的漏失量，用m3/h表示；漏层吸收系数，指用单位压差下的漏速来衡量漏层的漏失能力。
表1 0°、90°井斜模拟数据表
1.2.2 桥射联作现场井筒漏失速度的计算
采用泵送设计的最大排量灌满井筒，通过观察井口压力变化确认井筒是否存在漏失现象，从压裂和循环洗井数据推算，漏点位置漏失量大，可估算出井口不同压力条件下的井筒漏失量，判断漏失类型，计算出单位时间井筒漏失速度[3]（图3）。
图3 循环洗井计算漏失量曲线图
2 井筒漏失对泵送的影响及对策
桥射联作压裂施工结束后，由于压裂层段漏失会导致井口压力迅速下降，甚至出现空井筒的现象，下一段施工泵送前如果没有提前灌满井筒，泵送过程井筒内必然出现复杂的两相流状态，工具串泵送排量难以控制，最终导致泵送失败[4-5]。
2.1 空井筒导致泵送失败案例分析
大吉XX井第4段工具串遇阻、遇卡。
2.1.1 事故经过
大吉XX井第3段压裂后中由于井筒漏失，导致桥射联作工具串入井时，井内液面距离井口达到1 800 m，工具串入井前，未及时确认井筒漏失速度及液面深度。
第4段工具串入井后，未及时灌满井筒，直接下至泵送起始深度，开始泵送后，排量无法稳定，瞬间达到1.4 m3/min，空井筒下入过程的磨损及液体冲击对桥塞造成破坏，导致工具串泵送开始不久即遇阻、上提工具串遇卡，造成工程复杂。
2.1.2 处理措施
1）原地座封，试图解卡。因桥塞在井时间过长，并且桥塞已经被破坏，原地座封解卡失败。
2）10%氯化钾溶液浸泡，使桥塞溶解。成功解卡。
2.2 井筒漏失井的泵送应对措施
1）压裂结束后，观察井口压力变化，如果压力能稳定在1 MPa以上，工具串可以正常入井，如果井口压力快速降至1 MPa以下，工具串严禁入井；
2）采用泵送设计的最大排量灌满井筒，通过观察井口压力变化确认井筒是否存在漏失现象，如果井筒漏失速度超过0.5 m3/min，必须进一步确认漏失原因及漏失位置，计算漏失速度，施工中必须精确掌握井下张力数值变化，随时增减泵送排量，保证施工安全[6]。
3 井筒漏失对桥塞座封的影响及对策
桥射联作工具串泵送到位后，由于漏失导致井筒内始终存在流体运动，在桥塞座封过程中随着液体流通面积的减小，井筒内流体对桥塞端面产生强烈的水击效应，推动工具串下行，可能导致电缆头弱点断脱，工具串落井[7-8]。
3.1 井筒漏失井桥塞的选择
3.1.1 无水眼桥塞
目前可溶桥塞分为无水眼和有水眼两种类型，无水眼桥塞，座封前桥塞与套管内壁间的环形空间（图4a)是井筒内液体的有效流通通道，座封后，环形空间完全闭合（图4b)，桥塞两侧没有液体流通通道，座封过程井筒内流体对桥塞端面产生的水击效应比有水眼桥塞更大，不适合井眼轨迹上倾井和井筒漏失井的施工[9-10]。
图4 无水眼桥塞座封前后液体流通面积变化示意图
3.1.2 有水眼桥塞
有水眼桥塞座封前桥塞与套管内壁间和桥塞水眼与适配器中心杆间的两个环形空间（如图5a)都是井筒内液体的有效流通通道，桥塞座封后，桥塞与套管内壁间的环形空间闭合，桥塞水眼与适配器中心杆间的环形空间仍为井筒内液体的有效流通通道（如图5b)，桥塞两侧液体流通畅通，缓解了座封过程井筒内流体对桥塞端面产生的水击效应，适合井眼轨迹上倾井和井筒漏失井的施工[11]。
图5 有水眼桥塞座封前后液体流通面积变化示意图
3.2 井筒最大允许漏失速度模拟计算
通过对特定套管内径和桥塞结构的工具串在不同井斜角度，采用无水眼和有水眼2种类型可容桥塞分别进行计算，模拟桥塞座封脱手瞬间，即桥塞与套管内壁间环形空间完全闭合[12-13]，桥塞水眼与适配器中心杆间的环形空间有效流通面积不变的情况下，保持工具串稳定需要的最小上顶排量，保证桥塞座封瞬间电缆弱点安全的最大上顶排量，这个“最大上顶排量”就是在桥塞座封过程中能够保证施工安全的井筒最大允许漏失速度，井筒漏失超过这个速度，桥射联作无法安全施工[14-15]。
3.2.1 井筒及工具串参数
工具串液体中自重400 kg；
套管内径124.26 mm；
有水眼桥塞最大外径112 mm，水眼直径55 mm；
无水眼桥塞最大外径112 mm，桥塞适配器中心杆直径35 mm
电缆头弱点最大允许拉断力1 200 kg，90°以上井段，模拟时工具串静止且缆头张力为0。
3.2.2 模拟计算结果
通过模拟计算得出结论：采用无水眼桥塞，90°井斜，井筒允许最大漏失速度0.5 m3/min；采用有水眼桥塞，90°井斜，井筒允许最大漏失速度1.22 m3/min。（图6，表1）
图6 井筒允许最大漏失速度模拟图
直井，需要根据井深、井况及桥塞坐封时电缆张力再确定最大允许漏失速度，采用无水眼桥塞施工风险很大（表1）。
3）井眼轨迹上倾井，采用有水眼桥塞，井斜95°～110°，最小上顶排量0.55 m3/min，井筒允许最大漏失速度1.25 m3/min。（图6，表2）
表2 井眼轨迹上倾井模拟数据表
3.3 井筒漏失井桥塞座封应对措施
1）井筒漏失井桥射联作施工必须采用带水眼桥塞，缓解了座封过程井筒内流体对桥塞端面产生的水击效应[16]。
2）井眼轨迹上倾井，压裂结束后，观察井口压力变化，如果井口压力快速下降，必须灌满井筒，先确认漏失原因及漏失位置，计算漏失速度不超过1.0 m3/min，再设计施工方案。
3）井眼轨迹上倾井，当井筒漏失速度不超过0.5 m3/min时，桥塞座封时根据工具串所在位置的井斜，以及工具串的重量计算出在该位置受到的下滑力，根据下滑力计算出需要的上顶排量，施工中桥塞正常座封，电缆起出后无打扭变形。
4）当井筒漏失速度超过0.5 m3/min时，无论井斜大小，必须根据井况、桥塞水眼有效流通面积认真计算最大允许漏失速度，确认安全后方可施工。
5）当井筒漏失速度超过1.0 m3/min时，必须先采取堵漏措施，确认井筒内液面高度稳定后才能进行桥射联作施工[17]。
4 井筒漏失对投放可溶球的影响及对策
井筒严重漏失产生的空井筒现象，导致在分级投放可溶球操作时，两级闸门间无液体，呈现空洞状态，球投下去后在下一级阀门处出现反弹跳跃进入压裂管汇内，导致投球失败。进入压裂管汇内的可溶球在开井后再次进入井筒内，可能造成工具串遇卡等工程复杂[15]。
4.1 空井筒投球造成工程复杂
大吉—平X井第5段桥射工具串遇卡。
4.1.1 事故经过
1）2021年3月23日第4段施工后，8:30左右开始泵送第1个可溶球，30 m3液量后无碰压显示，后又投第2个球进行泵送，碰压正常。
2）13:20第5段桥射工具串上提电缆至2 057 m，张力从1 532 lb正常张力迅速上涨至2 289 lb，CCL（节箍）曲线出现异常波动（图7）停车下放电缆工具串运行正常，后上提工具串遇卡。
图7 射工具串上提时测得的CCL曲线图
4.2.2 处理过程
1）针对井内可能有异物堵塞造成遇卡，采用排量0.5～0.7 m3/min冲洗井筒驱散异物，无效果；
2）分别用Ø5 mm或Ø8 mm油嘴井口处放喷，工具串上提缓慢至1 658 m；
3）注入10%KCl溶液溶解遇卡物，工具串上提至1 349 m，再次遇卡下放不动，在BOP上方打电缆卡后下放300 m电缆剪断;
4)3月26日凌晨1:30插接完电缆后工具串起出井口，工具串结构正常，无划痕，推筒正常。
4.2.3 原因分析
1）卡物判断：从KCl溶液浸泡32 h后，工具串能正常上提现象判断，卡物为可溶物体。而整个井筒的可溶物只有桥塞和可溶球两种物体。从起出的工具串观察，桥塞工具工作正常，桥塞完全脱手，排除了桥塞卡工具串的可能性。因此，确定卡物为可溶球[18]。
2）第1个可溶球藏身位置判断：由于可溶球的密度大于水，由于重力作用，球不可能藏身井筒的直立部分。最有可能位置是侧翼或四通部位（图8）。
图8 可溶球在井口压裂树中藏身位置示意图
对于投多球后会造成泵送工具串上提遇卡的技术认识不够，对低压井的解卡方案需要进一步完善，投第2个球时，对投入井筒的第1个球没有相应的处理措施。
4.3 井筒漏失井投球应对措施
1）压裂结束后立即投球，必须保证井筒内充满液体，对于压裂后间隔一段时间再投球的情况，要先确认井筒的压力，如果没有压力必须灌满井筒再投球[19]。
2）如果必须投第2个球，则首先要用变换排量的方式冲洗井筒及压裂管汇，确认第1个球不会二次落井[20]。
5 结论
煤层气桥射联作施工中井筒漏失是影响工程质量、安全的重大风险点，井筒漏失过程中套管内流体流速及井筒内液面高度的变化对泵送排量、桥塞座封及井口投放可溶球等关键环节的施工安全均可能造成严重影响。
针对井筒漏失问题，从确定漏失位置、漏失程度入手，通过模拟计算，确定不同井况下的安全施工边界条件，有针对性地制订应对井筒漏失的对策，可以保证了井筒漏失井桥射联作的施工安全。
随着深层煤层气的开发，结合煤层塑性强等特点，不断配套与之相适应的地质—工程一体化技术。
