連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)在頁巖氣井中的應用

曹 明

(1.中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京 100083；2.中石化石油工程技術(shù)服務有限公司，北京 100020)

連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)在頁巖氣井中的應用

曹 明1，2

(1.中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京 100083；2.中石化石油工程技術(shù)服務有限公司，北京 100020)

近年來，我國頁巖氣井開發(fā)主要由國外公司提供連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)和服務，隨著國內(nèi)頁巖氣井的不斷加深，連續(xù)油管作業(yè)難度不斷增加，優(yōu)選一套國產(chǎn)連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)是當務之急。本文針對國內(nèi)頁巖氣井井深不斷增加的特點，分析了頁巖氣井水平段長、壓裂分段級數(shù)多、施工壓力高和連續(xù)油管下入磨阻增加以及打撈困難等難點，通過探索與實踐對連續(xù)油管工具、鉆磨工具串和地面流程進行不斷優(yōu)化和現(xiàn)場試驗，優(yōu)選了合適尺寸的國產(chǎn)連續(xù)油管及井下工具并優(yōu)化出了一套適用于連續(xù)油管鉆除橋塞及帶壓清理井筒的技術(shù)。該技術(shù)在100余口頁巖氣井中得到成功使用，現(xiàn)場應用取得了一系列新的成果和技術(shù)指標，橋塞鉆除率達到100%，單井鉆塞最多29支，一趟鉆鉆除橋塞20支。

頁巖氣；連續(xù)油管；鉆除橋塞；帶壓；清理井筒

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，2015年美國頁巖氣產(chǎn)量約合4.3×1011m3，是其2010年產(chǎn)量的3倍，預測到2035年頁巖氣產(chǎn)量將占到美國天然氣總產(chǎn)量的46%。在我國，2012年國務院正式批復頁巖氣作為我國第172個礦種，2016年中國頁巖氣產(chǎn)量約為8.5×109m3，2017年國家能源局發(fā)布《石油天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，指出2020年我國頁巖氣產(chǎn)量力爭達到3×1010m3。

連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)以其自身優(yōu)勢在石油工程和油氣開采中得到了廣泛的應用，連續(xù)油管具有可帶壓作業(yè)、施工時效性高等特點，目前在國內(nèi)應用范圍越來越廣，已經(jīng)從簡單的沖砂洗井、清蠟除垢、小型酸化等較為簡單的作業(yè)向拖動壓裂、井下鉆磨切割、不動管柱等技術(shù)發(fā)展[1-4]。近年來，隨著以美國為主的頁巖氣成功開發(fā)，國內(nèi)也以學習模仿美國在該領(lǐng)域的開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗對頁巖氣進行開發(fā)。由于國外技術(shù)存在技術(shù)和經(jīng)濟性等諸多不利因素，本文通過不斷探索，優(yōu)化了2″連續(xù)油管進行水平段鉆復合橋塞施工，形成一套完善的水平井連續(xù)油管鉆復合橋塞工藝技術(shù)并在國內(nèi)頁巖氣田逐步應用和推廣。

1 技術(shù)現(xiàn)狀和難點

1.1 連續(xù)油管鉆除橋塞技術(shù)現(xiàn)狀

作為頁巖氣開發(fā)中的關(guān)鍵設備，連續(xù)油管不僅用于鉆除橋塞，也用于壓裂施工過程中進行首段傳輸射孔、沖砂解堵和落物打撈等[5-6]。其主要工藝為：第一階段是通井射孔，即連續(xù)油管傳輸射孔槍通井至人工井底并完成第一段2～3簇傳輸射孔并沖砂洗井，目的是為第一段壓裂施工以及后期自第二段開始的泵送橋塞+射孔聯(lián)作分段加砂壓裂施工做準備；第二階段是壓裂完成后的鉆除橋塞+清理井筒+洗井作業(yè)，即通過連續(xù)油管連接鉆塞工具串自上而下依次鉆磨橋塞，通過連續(xù)油管與環(huán)空的間隙將鉆屑循環(huán)上返至地面，并在鉆除橋塞后清洗井筒，為頁巖氣生產(chǎn)提供全通徑的生產(chǎn)通道。

1.2 連續(xù)油管鉆橋塞技術(shù)需求和難點分析

涪陵頁巖氣田是中國首個大型頁巖氣田，同時也是全球除北美之外最大的頁巖氣田。在開發(fā)前期，該地區(qū)的分段壓裂改造及鉆磨橋塞施工均采用國外公司提供井下工具和現(xiàn)場技術(shù)指導，施工費用高、施工周期長。此外，在橋塞鉆除過程中，照搬國外技術(shù)存在著鉆塞效率低的問題，如平均單支橋塞的鉆除時間在2 h左右，有的甚至達6 h。因此，優(yōu)化一套適合于我國頁巖氣鉆除橋塞的連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)是當務之急。

隨著我國頁巖氣開發(fā)力度的不斷加大，國內(nèi)頁巖氣田的埋深也在不斷增加，從之前的2 500～3 000 m增加到3 000～4 000 m甚至更深。常規(guī)井在鉆橋塞過程中出現(xiàn)了鉆磨效率低甚至無法鉆除橋塞等問題，導致井下復雜情況，后期的施工難度也在不斷增加，為了有效鉆除橋塞并未頁巖氣井提供生產(chǎn)通道，需要對連續(xù)油管鉆橋塞工藝進行優(yōu)化研究。

2 技術(shù)方案優(yōu)化設計

2.1 連續(xù)油管主要工具優(yōu)化

連續(xù)油管鉆磨工藝原理：通過連續(xù)油管將大功率螺桿馬達從套管內(nèi)下到橋塞頂部，通過探橋塞位置，由地面泵入液體通過連續(xù)油管傳輸?shù)骄?，?qū)動大功率螺桿馬達驅(qū)動PDC磨銑鉆頭旋轉(zhuǎn)，再通過對連續(xù)油管施加一定的鉆壓作用于鉆頭，使鉆頭對橋塞以滑移變形方式切削并不斷磨銑的過程[7-8]。

由于頁巖氣井深度不斷增加，針對國內(nèi)4 000 m深水平井、水平段長1 500 m，施工井口壓力35 MPa左右以及5.5″套管的條件，結(jié)合管柱力學分析技術(shù)進行模擬并優(yōu)先選用國產(chǎn)連續(xù)油管。通過現(xiàn)場試驗，確定了連續(xù)油的壁厚和外徑，隨著井深的增加1.5″連續(xù)油管因其較小的載荷和容易發(fā)生撓性形變無法滿足下入井下鉆磨工具和鉆除橋塞的要求，優(yōu)化設計了長度在5 500 m，尺寸為2″的國產(chǎn)連續(xù)油管帶井下動力鉆具鉆除井內(nèi)所有橋塞，現(xiàn)場試驗效果良好，井下復雜事故率降低，并能有效為后期試氣投產(chǎn)提供暢通的生產(chǎn)通道。

2.2 連續(xù)油管鉆磨井下工具優(yōu)化

優(yōu)化組合了井下工具，使鉆磨工具串具備鉆磨+減阻+解卡的作用，配套連續(xù)油管鉆除井下工具，并優(yōu)化配備了強磁清理井筒工具串以滿足打撈要求。

2.2.1 鉆磨工具串

設計優(yōu)化了鉆磨工具串，自上而下為鉚釘式連接器+雙活瓣單流閥+震擊器+液壓丟手+螺桿馬達+平底磨鞋，總長為7.65 m。鉆磨過程由鉆塞液提供井下動力驅(qū)動螺桿馬達旋轉(zhuǎn)，并帶動平底磨鞋旋轉(zhuǎn)對井底橋塞不斷切削。在磨鞋方面，磨鞋是能否成功鉆除橋塞的關(guān)鍵因素了，借鑒PDC鉆頭的切削性機理，優(yōu)選了水眼尺寸在7.9 mm的5水眼平底磨鞋，實踐證明切削效果達到了要求。

表1 鉆磨工具串

2.2.2 強磁清理井筒工具串

為有效打撈出沉降在井底的金屬碎屑，為頁巖氣井提供良好的產(chǎn)氣通道，設計優(yōu)化了強磁清理井筒工具串，自上而下為鉚釘式連接器+雙活瓣單流閥+液壓丟手+強磁打撈器+噴嘴，總長為4.13 m，現(xiàn)場應用證明在井下復雜時能有效清理井筒碎屑。

2.3 地面流程優(yōu)化

以國產(chǎn)設備工具為主對地面流程進行優(yōu)化，將清水罐、過濾器、捕屑器、供液系統(tǒng)、壓裂車、單流閥、管線、彎頭、旋塞閥等準備齊全，用70 MPa高壓管匯按與1臺2000型壓裂車進行連接，準備多種型號的油嘴以備鉆塞作業(yè)時調(diào)節(jié)井口壓力，通過優(yōu)化為連續(xù)油管及井下工具傳輸動力和鉆塞液。

表2 強磁清理井筒工具串

3 現(xiàn)場應用

3.1 A井

A井是一口頁巖氣開發(fā)井，該井深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生產(chǎn)套管至4 566.99 m并實施固井作業(yè)，該井分17段加砂壓裂，共下入16支可鉆式復合橋塞。

1)連續(xù)油管通井。下入2″連續(xù)油管通井至人工井底4 562.3 m，上提連續(xù)油管10 m后復探1次加壓，確認人工井底井深為4 562.3 m后上提連續(xù)油管。

2)連續(xù)油管射孔。完成通井后連接射孔工具串，下連續(xù)油管探至人工井底并加壓，上提連續(xù)油管至第一簇射孔位置4 555.4 m后進行射孔，直至其它射孔簇射孔成功后將連續(xù)油管起至井口，完成第一段射孔作業(yè)。

3)連續(xù)油管鉆除橋塞。壓裂結(jié)束后，用2″連續(xù)油管帶井下動力鉆具鉆除井內(nèi)所有橋塞，為后期投產(chǎn)提供暢通的生產(chǎn)通道。管柱自下而上依次為：Φ108 mm×0.37 m五翼磨鞋+Φ73 mm×4.20 m螺桿馬達+Φ73 mm×0.34 m液壓丟手+Φ73 mm×2.15 m震擊器+Φ73 mm×0.515 m雙活瓣單流閥+Φ73 mm×0.17 m鉚釘式接頭+2″連續(xù)油管本體，從探到第1支橋塞面開始依次鉆除所有橋塞。

表3 A井鉆塞效果分析表

4)連續(xù)油管清理井筒。油管起至井口，換裝強磁清理工具串并進行功能測試，下入連續(xù)油管進行清理井筒作業(yè)，探到人工井底4 547 m后起出連續(xù)油管。

5)鉆磨橋塞時效分析。A井共下入16支橋塞，連續(xù)油管鉆塞作業(yè)共入井3趟，清理井筒2趟。歷時7d共計164.5 h，累計鉆磨橋塞16支，累計純鉆磨時間為840 min，單支橋塞平均用時52.5 min。

6)井下事故處理。在連續(xù)油管下探第15支橋塞過程中，在通過4 377 m處時出現(xiàn)不能通過的情況，經(jīng)過多次上提下放連續(xù)油管并交替泵送膠液及滑溜水仍然不能通過。下探第15支橋塞與成功鉆除第14支橋塞的情況表現(xiàn)不同的是，本次泵壓變化不明顯，鉆壓不能加上，分析認為是油套磨阻過大導致鉆進困難，經(jīng)過現(xiàn)場分析，決定起出連續(xù)油管并檢查鉆磨工具串并沒有異常情況發(fā)生。因此，為井下工具串加裝水力振蕩器，并通過其產(chǎn)生的徑向震動來提供鉆進動力[9-11]，實踐證明加裝水力振蕩器并泵送膠液后正常探至第15支橋塞并順利鉆磨完成剩余第15～16支橋塞。鉆磨完成后起出更換強磁工具串，進行了第二趟井筒清理并下至人工井底4 547 m，總計清理出金屬卡瓦2.5 kg。

3.2 B井

B井是一口頁巖氣水平井評價井，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°，該井采用套管完井并下入Φ139.7 mm生產(chǎn)套管至5 061 m實施三開固井作業(yè)，該井分16段加砂壓裂，共下入15支可鉆式復合橋塞。

1)用2″連續(xù)油管進行通井后帶射孔槍下入井中，對第一段壓裂段分兩簇進行射孔，為后期泵送橋塞+射孔聯(lián)作分段加砂壓裂施工做準備。

2)壓裂結(jié)束后，用2″連續(xù)油管帶井下動力鉆具鉆除井內(nèi)所有橋塞，為后期試氣投產(chǎn)提供暢通的生產(chǎn)通道。

3)連續(xù)油管鉆塞入井記錄。B井共下入15支橋塞，連續(xù)油管鉆塞作業(yè)共入井2趟，清理井筒1趟。歷時7天共計173.2 h，鉆磨橋塞15支，累計純鉆磨時間926 min，單支橋塞平均用時61.7 min。

圖1 A井和B井純鉆單支橋塞時間統(tǒng)計

4 結(jié)論與認識

1)通過對連續(xù)油管進行優(yōu)化，針對國內(nèi)4 000 m深頁巖氣水平井使用2″的國產(chǎn)連續(xù)油管可以滿足鉆橋塞的載荷要求。

2)對地面流程和井下鉆磨工具進行不斷優(yōu)化，井下工具可以有效帶壓鉆磨橋塞并進行鉆屑打撈和井筒清理，現(xiàn)場應用表明橋塞鉆除率得到進一步提高。

3)隨著井深的增加，連續(xù)油管入井深度和磨阻不斷增加，單支橋塞純鉆磨時間也會不斷增加，4 000 m以深的頁巖氣井建議充分考慮連續(xù)油管抗內(nèi)外壓以及抗疲勞程度，優(yōu)選新的連續(xù)油管鉆橋塞工藝方法。

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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，天津靜海人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(北京)石油工程學院油氣井工程專業(yè)，中國地質(zhì)大學(北京)博士研究生，現(xiàn)從事井下特種作業(yè)技術(shù)研究和管理工作，E-mail：caoming.os@sinopec.com。

TE37

A

1004-4051(2017)05-0169-04