大通徑橋塞與可溶球技術(shù)在頁巖氣X井的應(yīng)用

王海東，唐　凱，歐躍強(qiáng)，鄢　楊，張　良，張清彬

(中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021)*

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大通徑橋塞與可溶球技術(shù)在頁巖氣X井的應(yīng)用

王海東，唐凱，歐躍強(qiáng)，鄢楊，張良，張清彬

(中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021)*

摘要：以頁巖氣水平井—X井的射孔與橋塞聯(lián)作工藝為對(duì)象，為解決該井分段壓裂后連續(xù)油管鉆塞困難，同時(shí)提高該井作業(yè)時(shí)效、降低后續(xù)成本，采用了分簇射孔與大通徑橋塞加可溶球聯(lián)作的工藝技術(shù)。分析了大通徑橋塞技術(shù)特點(diǎn)、闡述了作業(yè)的基本工藝及在X井應(yīng)用中的器材優(yōu)選，包括工藝技術(shù)選擇、大通徑橋塞、可溶球、坐封工具、射孔器材以及射孔與橋塞聯(lián)作管串設(shè)計(jì)與通過能力分析等。在常壓、95 ℃清水介子中，對(duì)X井采用的?83 mm可溶球進(jìn)行了溶解測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該可溶球有效壓裂的作用時(shí)間大于12 h。通過X井實(shí)際作業(yè)情況表明了大通徑橋塞與可溶球技術(shù)對(duì)頁巖氣深井、長(zhǎng)水平段井的開發(fā)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；水平井；分簇射孔；大通徑橋塞；可溶球

頁巖氣是指位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1]。頁巖氣藏因?yàn)轫搸r基質(zhì)孔隙度很低，最高僅為4%～5%，滲透率小于1×10-3μm2[2]，為此多級(jí)分段壓裂成為了當(dāng)前頁巖氣藏開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，其中泵送復(fù)合橋塞分簇射孔聯(lián)作-分段壓裂工藝是廣泛應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)的一種新型工藝，是橋塞封層技術(shù)的新發(fā)展[3]。其基本作業(yè)流程為：按照預(yù)先設(shè)計(jì)的泵送程序，將射孔器和橋塞泵送到目的層，泵送過程中泵送液將被擠入前次打開的地層中。先坐封橋塞，再上提射孔槍，進(jìn)行多簇射孔，再進(jìn)行分級(jí)(段)壓裂[4]，最后一次性鉆掉所有橋塞。該工藝具有施工安全快捷，可及時(shí)進(jìn)行體積壓裂，占井時(shí)間短，能進(jìn)行復(fù)合橋塞分段壓裂技術(shù)的試驗(yàn)性應(yīng)用，連續(xù)油管1次鉆除多個(gè)橋塞，整體施工作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)[5]。

為了增加頁巖氣的開采產(chǎn)量，頁巖氣井水平段不斷加長(zhǎng)，隨之也帶來了后續(xù)連續(xù)油管鉆塞的作業(yè)難度，同時(shí)也降低了鉆塞的作業(yè)效率。大通徑免鉆橋塞配套技術(shù)能夠有效地解決此類問題，并在X井取得了良好的作業(yè)效果。

1X井概況與難點(diǎn)

X井為國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)中的1口頁巖氣水平井，該井A靶點(diǎn)位置4 250 m，完鉆井深5 750 m，垂深3 291 m，完鉆層位龍馬溪組，套管外徑139.7 mm，內(nèi)徑114.3 mm，采用射孔完井方式。根據(jù)該井儲(chǔ)層地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，設(shè)計(jì)本井射孔與壓裂段共計(jì)21段，除第1段采用觸發(fā)式滑套壓裂外，其余各段均采用泵送復(fù)合橋塞分簇射孔聯(lián)作-分段壓裂工藝。

由于X井井深(最深5 750 m)、井斜度大(最大井斜99°)，井眼軌跡基本為“上傾”，若采用常規(guī)的復(fù)合橋塞作為分段壓裂的封堵工具，則存在后續(xù)連續(xù)油管鉆塞的技術(shù)難題，主要包括：①水平段長(zhǎng)，連續(xù)油管在“上傾”水平段內(nèi)輸送困難；②鉆塞困難且風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低；③現(xiàn)場(chǎng)無滿足作業(yè)條件的連續(xù)油管，連續(xù)油管長(zhǎng)度、強(qiáng)度等受到限制。

基于上述情況，特在該井開發(fā)中引入大通徑橋塞與配套可溶球技術(shù)?；咀鳂I(yè)流程為：

1)采用水力泵送方式輸送管串至預(yù)定深度，完成橋塞坐封與分簇射孔作業(yè)。

2)井口投入配套的可溶球，壓裂液輸送可溶球至橋塞球座處進(jìn)行暫時(shí)封堵。

3)在可溶球的有效封堵時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大排量的壓裂改造作業(yè)。

4)壓裂完成后，可溶球逐漸完全溶解，橋塞內(nèi)的大通道可直接完井投產(chǎn)。

2大通徑橋塞

復(fù)合材料橋塞是非常規(guī)油氣資源水平井分段完井的關(guān)鍵工具，其非金屬化的設(shè)計(jì)大幅節(jié)省了磨銑時(shí)間[6]。目前，國(guó)內(nèi)常用的復(fù)合橋塞包括大通徑橋塞和普通復(fù)合橋塞(如球籠式復(fù)合橋塞)。大通徑橋塞(如圖1)與普通復(fù)合橋塞主要的區(qū)別在于：

1)大通徑橋塞內(nèi)部具有較大的流通通道，壓裂改造時(shí)需投入可溶球進(jìn)行暫時(shí)封堵橋塞內(nèi)通道。

2)大通徑橋塞采用了單卡瓦結(jié)構(gòu)，坐封時(shí)在橋塞內(nèi)部安裝通芯式應(yīng)力丟手工具，并非只采用常規(guī)的適配器(坐封筒)進(jìn)行橋塞丟手坐封，如圖2所示。

3)大通徑橋塞可以不用鉆除，橋塞的內(nèi)通道可滿足直接完井投產(chǎn)的要求，若后續(xù)修井作業(yè)需要，可采用(連續(xù))油管進(jìn)行鉆除、打撈。

1—可溶球；2—鎖緊頂帽；3—膨脹膠圈；4—膠皮；

1—可溶球；2—坐封筒；3—膠皮；

大通徑橋塞與配套可溶球技術(shù)在頁巖氣等非常規(guī)油氣水平井的開發(fā)中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，主要包括：

1)采用可溶球技術(shù)。橋塞坐封后，投入可溶球進(jìn)行壓裂改造的暫時(shí)封堵，可溶球以金屬鋁、功能合金、強(qiáng)化合金等為原料，逐步與周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并逐步溶解[7]。有效封堵時(shí)間長(zhǎng)，可溶于清水、鹽水(氯化鈣、氯化鉀)等多種液體。

2)橋塞內(nèi)通徑大，可免鉆。橋塞內(nèi)通徑一般在55～75 mm，特別適用于不易鉆除、鉆磨難度大的深井、長(zhǎng)水平段井。

3)提高時(shí)效、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本。壓完后可溶球溶解，可直接防噴、排液、求產(chǎn)，免除了連續(xù)油管鉆塞的作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)，縮短了作業(yè)周期，單井節(jié)約總成本約15%～20%。

4)適應(yīng)性廣。可應(yīng)用于114.3～177.8 mm的各型套管內(nèi)坐封，耐溫150 ℃，耐壓差70 MPa。

3可溶球溶解試驗(yàn)

大通徑橋塞用可溶球的溶解時(shí)間是一個(gè)非常重要的參數(shù)，為了保證可溶球有效作用時(shí)間能夠滿足壓裂作業(yè)要求，對(duì)X井所采用的密度為2.7 g/cm3,外徑?83 mm實(shí)心金屬可溶球，進(jìn)行常壓、95 ℃的溶解測(cè)試試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否能夠滿足本井壓裂作業(yè)的要求。

試驗(yàn)方法：在恒溫箱內(nèi)每隔1 h取出可溶球，去除水分后測(cè)量外徑和質(zhì)量，直至完全溶解，試驗(yàn)相關(guān)情況如圖3。

圖3　溶解時(shí)間與外徑測(cè)量

試驗(yàn)結(jié)果表明：該可溶球完全溶解需要時(shí)間約為80 h，根據(jù)所測(cè)量各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的外徑數(shù)據(jù)，可溶球外徑與時(shí)間呈直線減小，擬合的曲線如圖4。線

斜率k表示平均溶解速率。根據(jù)溶解速率計(jì)算出該球的有效作用時(shí)間為12 h，能夠滿足作業(yè)時(shí)間的要求。

圖4　可溶球外徑與時(shí)間關(guān)系曲線

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

結(jié)合X井井溫與井底壓力，要求配套器材和工具的耐溫150 ℃，耐壓105 MPa，才能保證管串滿足實(shí)際井況要求。

4.1器材優(yōu)選與管串設(shè)計(jì)

4.1.1大通徑橋塞與可溶球

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)頁巖氣水平井的開發(fā)工藝和模式，結(jié)合X井實(shí)際井況特點(diǎn)，選擇分簇射孔與大通徑橋塞聯(lián)作業(yè)工藝完成各段的射孔與橋塞封堵作業(yè)。該井完井套管為139.7 mm，內(nèi)徑114.3 mm，優(yōu)選匹配的大通徑橋塞與可溶球相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　大通徑橋塞技術(shù)參數(shù)

4.1.2橋塞坐封工具

橋塞的坐封必須采用坐封工具，當(dāng)工具內(nèi)的壓力逐漸增大后，推動(dòng)內(nèi)部中心活塞桿運(yùn)動(dòng)，完成橋塞坐封。目前坐封的方式可分為電纜供電坐封與液壓加壓坐封。根據(jù)該井情況，選擇供電坐封方式，坐封工具采用貝克20#工具，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2。

表2　貝克20#坐封工具技術(shù)參數(shù)

4.1.3射孔器材

根據(jù)X井套管參數(shù)，壓裂設(shè)計(jì)等要求，分簇射孔作業(yè)采用電子選發(fā)式多級(jí)點(diǎn)火裝置完成多次供電作業(yè)，選用89型先鋒射孔器達(dá)到深穿透的要求，射孔器技術(shù)參數(shù)如表3。

表3　89型先鋒射孔器技術(shù)參數(shù)

4.1.4管串設(shè)計(jì)與通過性分析

設(shè)計(jì)的分簇射孔與橋塞聯(lián)作管串從下至上依次為：大通徑橋塞+橋塞坐封工具+多級(jí)點(diǎn)火短節(jié)(3支)+射孔器(3支)+磁定位+加重+電纜帽(打撈頭)，如圖5所示。整個(gè)聯(lián)作管串最大外徑為103.2 mm的大通徑橋塞。

圖5　分簇射孔與橋塞聯(lián)作管串示意

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的管串相關(guān)參數(shù)(長(zhǎng)度、外徑、重量等)，結(jié)合井筒參數(shù)(內(nèi)徑、井斜度、狗腿度等)，進(jìn)行管串在該井井筒內(nèi)的通過能力模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)論為：本井3 612 m處能夠通過最長(zhǎng)的剛性管串長(zhǎng)度為9.9 m，而實(shí)際作業(yè)管串中剛性管串最長(zhǎng)長(zhǎng)度為8.5 m，具備在該井筒內(nèi)的通過性。

4.2作業(yè)效果

X井歷時(shí)12 d，完成了全部21段射孔與壓裂作業(yè)，坐封大通徑橋塞20個(gè)，完成53簇射孔，橋塞一次性坐封成功率與射孔發(fā)射率均為100%，壓裂注入地層總液量約43 496 m3，最高泵注壓力86 MPa，液體平均注入排量12 m3/min，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4。

表4　X井橋塞坐封位置與對(duì)應(yīng)各段注入地層液量

通過現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況表明，采用大通徑橋塞與可溶球技術(shù)作為分段封堵工具，安全高效地完成了X井體積壓裂改造的施工任務(wù)。該技術(shù)的壓裂暫堵與免鉆特性，很好地解決了目前非常規(guī)油氣深井、長(zhǎng)水平段、連續(xù)油管鉆塞困難、時(shí)效低等作業(yè)難題。

5結(jié)論與建議

1)大通徑橋塞與可溶球技術(shù)在頁巖氣水平井“體積壓裂”開發(fā)中具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)，包括橋塞內(nèi)通徑大，可免鉆，能夠明顯提高作業(yè)時(shí)效，降低鉆塞的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和成本，尤其是適用于深井、長(zhǎng)水平段井作業(yè)。

2)對(duì)?83 mm可溶球進(jìn)行了溶解性測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該球的有效作用時(shí)間能夠滿足X井壓裂作業(yè)要求。

3)通過大通徑橋塞技術(shù)在X井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，表明了該橋塞的適用性，對(duì)今后此類井的作業(yè)具有推廣意義。

4)針對(duì)目前的大通徑橋塞和可溶球技術(shù)，做好應(yīng)用與評(píng)價(jià)等相關(guān)工作，收集作業(yè)情況與問題，持續(xù)改進(jìn)并繼續(xù)開發(fā)更好的技術(shù)和產(chǎn)品。

5)由于我國(guó)內(nèi)頁巖氣埋藏深、井底溫度高、井底施工壓力高等特點(diǎn)，需加大科研攻關(guān)力度，改進(jìn)完善高溫高壓分簇射孔配套器材以及與大通徑橋塞的配套聯(lián)作工藝技術(shù)，以解決今后的深層頁巖氣的開發(fā)難題。

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Application and Technology of Big Diameter Bridge Plug and Dissolvable Ball in X Well of Shale Gas

WANG Haidong，TANG Kai，OU Yueqiang，YAN Yang，ZANG Liang，ZHANG Qingbin

(LoggingCompany，ChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPC，Chongqing400021，China)

Abstract：X well is a horizontal well of shale gas.The technology of multi-cluster perforation and setting bridge plug are taken as an object in this paper，in order to solve this difficulty of coiled tubing drilling plugs，improve efficiency，and reduce costs，using the technology of multi-cluster perforation，big diameter bridge plug and dissolvable ball in X well.The characteristics of big diameter bridge plug is analyzed and the basic technology and equipment and tool optimization are described，including technology selection，big diameter bridge plug，dissolvable ball，setting tool，perforating gun，gun string design and carrying capacity analysis in X well and so on.In addition，a dissolution test of ?83 mm dissolvable ball in 95 ℃ water mesons and atmospheric pressure is taken and the test result is that the effective fracturing time of dissolvable ball is longer than 12 h.The application of big diameter bridge plug and dissolvable ball in X Well indicates that the technology have a good effect application prospect in long horizontal wells of shale gas.

Keywords：shale gas；horizontal well；multi-cluster perforation；big diameter bridge plug；dissolvable ball

中圖分類號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.020

作者簡(jiǎn)介：王海東(1985-)，男，重慶潼南人，工程師，主要從事石油射孔工藝技術(shù)研究與應(yīng)用工作，E-mail：hd329651168@126.com。

收稿日期：2015-10-25

文章編號(hào)：1001-3482(2016)04-0078-04