連續(xù)油管鉆磨復(fù)合橋塞效率影響因素分析及提效措施研究

鄒先雄， 盧秀德， 劉洪彬

(1中石油集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司2中石油集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

一、技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

至2016年6月，川渝地區(qū)已累計(jì)完成80多口井1 000多個(gè)橋塞鉆磨。目前，最大的問題是鉆塞效率、成功率和安全性，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①對比國外貝克休斯等公司鉆塞效率數(shù)據(jù)，單個(gè)橋塞平均鉆磨時(shí)間長，效率有待提高；②鉆屑返排難，卡鉆發(fā)生率高；③水平井段長，連續(xù)油管鎖定問題突出；④水平井段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連續(xù)油管下入和鉆塞難度大。上述難題的存在，嚴(yán)重影響了油氣開發(fā)效率，增加了生產(chǎn)成本，十分有必要進(jìn)行系統(tǒng)的效率影響因素分析，尋找有效的技術(shù)解決措施和手段。

二、鉆塞效率影響因素分析

影響鉆塞效率的因素眾多，從川渝地區(qū)作業(yè)情況來看，主要影響體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：螺桿馬達(dá)、磨鞋、工作液、橋塞、施工參數(shù)、井況、設(shè)備、現(xiàn)場操作和配套。

1.螺桿馬達(dá)的影響

目前，對螺桿馬達(dá)的性能無法真實(shí)檢測,只能根據(jù)馬達(dá)工作時(shí)長進(jìn)行簡單性能和安全性判斷。由于缺少有效地面檢測手段，沒有測量其工作效率(按鉆井螺桿鉆具要求，效率低于40%的螺桿馬達(dá)視為不合格[1])，無法保證入井螺桿馬達(dá)的質(zhì)量和工作效能。而實(shí)際由于橋塞類型、井況、工作液等多個(gè)條件差異，在相同工作時(shí)長條件下，馬達(dá)損傷程度和性能會(huì)有一定差別，無法保證入井螺桿馬達(dá)均能達(dá)到性能可靠、工作效率達(dá)標(biāo)的要求, 因此極可能產(chǎn)生以下結(jié)果:①雖能運(yùn)轉(zhuǎn),但工作參數(shù)未達(dá)到有效要求, 效率較低； ②使用一定時(shí)間后部件損壞或定子膠皮老化,導(dǎo)致鉆速慢或沒有進(jìn)尺,尤其一趟鉆鉆磨多個(gè)橋塞或復(fù)雜井況造成鉆磨困難的井,上述情況更易出現(xiàn)。

另外，對馬達(dá)工作時(shí)間與效率之間的關(guān)系缺乏研究，對不同效率螺桿馬達(dá)的臨界鉆壓、工作壓差沒有測量，不能為技術(shù)人員和操作手及時(shí)準(zhǔn)確判斷螺桿馬達(dá)工作情況、調(diào)整鉆壓提供依據(jù)。施工時(shí)，因鉆壓過大，可能造成螺桿馬達(dá)失速，而未及時(shí)調(diào)整鉆壓，造成進(jìn)尺緩慢。

螺桿馬達(dá)雖然具有很好的過載性能和硬機(jī)械特性[2]，但是在現(xiàn)場應(yīng)用中經(jīng)常遇到問題,造成鉆塞失敗。輕則浪費(fèi)人力、物力,造成成本的浪費(fèi),重則造成馬達(dá)報(bào)廢或上修井機(jī),甚至落井的馬達(dá)無法打撈而造成油氣井報(bào)廢[3]?？赡茉斐梢韵聠栴}:①泵注壓力太高,出口不返；②鉆塞無進(jìn)尺；③殼體脫扣；④殼體折斷；⑤傳動(dòng)軸折斷；⑥鉆塞過程中造成卡鉆。

2．磨鞋的影響

在相同的工況及施工參數(shù)下，磨鞋的選擇是影響鉆塞施工的主要因素之一。磨鞋選型的影響主要表現(xiàn)在切削能力和切削形成碎屑的大小上。切削能力不足，導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢，切削形成的碎屑大，導(dǎo)致返排困難，易造成卡鉆等復(fù)雜情況，影響施工的正常進(jìn)行[4]。

另外，磨鞋水眼尺寸的選擇與磨鞋及地層結(jié)構(gòu)、鉆磨進(jìn)尺率等因素有關(guān)。水眼太大，馬達(dá)軸承不能得到很好的潤滑，同時(shí)還會(huì)使馬達(dá)承受鉆壓的能力降低；水眼太小，泵壓達(dá)到額定值時(shí)，流量相對較小，馬達(dá)的最佳性能就無法發(fā)揮出來。若流量達(dá)到額定值，系統(tǒng)壓力會(huì)偏高，馬達(dá)推力軸承的壽命就會(huì)受到影響。

在磨鞋外徑的選擇上，過小，易形成較大碎屑或造成橋塞“扒皮現(xiàn)象”；過大，因受套管內(nèi)徑的限制，可能在過射孔炮眼位置遇阻。

3．工作液的影響

工作液的清潔與否關(guān)系到螺桿馬達(dá)的是否能夠正常工作，現(xiàn)場作業(yè)由于污水池太臟，含有一些大顆粒的機(jī)械雜質(zhì)，但地面并未安裝高精度過濾器，高壓過濾器精度不夠，液體中的砂或雜質(zhì)在進(jìn)入馬達(dá)后，極有可能會(huì)在螺桿馬達(dá)中沉淀，造成螺桿馬達(dá)堵塞，出現(xiàn)壓裂泵車壓力過高，且出口液量小甚至無返出。

鉆磨工作液主要以回收壓裂液為主，若未進(jìn)行現(xiàn)場黏度檢測，采取增黏措施，工作液攜巖能力很難達(dá)到要求。工作液良好的攜巖性將大大減少螺桿馬達(dá)重復(fù)磨銑，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)和頻率。由于復(fù)合橋塞牙塊容易斷碎成大塊，導(dǎo)致磨銑過程中產(chǎn)生的碎屑顆粒大小不一，對鉆磨使用的工作液的攜巖性提出了更高的要求，及時(shí)將磨銑的碎屑循環(huán)帶出井筒，可大大減少重復(fù)磨銑，提高鉆磨效率。

4.橋塞的影響

橋塞中的復(fù)合材料是比較易磨的，而卡瓦、橡膠件等是橋塞中較難磨銑的部分?？ㄍ呤怯设T鐵制成，在磨銑過程中容易破碎(非粉末狀)，使磨銑平面造成跳鉆、卡鉆、夾在磨鞋過水槽。橡膠件也不易磨碎，若鉆頭偏小或鉆頭磨損縮徑，加上操作時(shí)如未及時(shí)進(jìn)行短距起下、劃眼及變換磨銑位置，極可能出現(xiàn)撕裂、掰碎橡膠件、牙塊或穿過膠筒，形成較大粒徑的碎屑，而不是磨成小碎屑返出，造成鉆進(jìn)進(jìn)尺慢或無進(jìn)尺、蹩泵、上提遇卡、下放遇阻等問題。

5.施工參數(shù)的影響

不同的橋塞、不同的井況會(huì)有不同的最佳施工參數(shù),一般的卡瓦片比較堅(jiān)硬致密,采用小鉆壓、大排量,而復(fù)合材料比較疏松,宜采用稍大一點(diǎn)的鉆壓,這與車削進(jìn)刀是一個(gè)道理。要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選取不同的最優(yōu)化磨銑參數(shù)。

(1)排量的影響。螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)速與排量成正比，若排量太小,馬達(dá)會(huì)時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停，導(dǎo)致非均勻沖擊式倒轉(zhuǎn)，增加工具的搖晃程度，加大馬達(dá)轉(zhuǎn)子和定子之間的磨損及軸承的損壞。并造成馬達(dá)轉(zhuǎn)速和工作壓差達(dá)不到最佳狀態(tài), 因?yàn)槁輻U馬達(dá)的輸出扭矩與螺桿馬達(dá)所消耗的工作液壓降基本成正比,所以可通過壓力表數(shù)據(jù)變化來反映井下螺桿馬達(dá)的扭矩情況。

(2)鉆壓的影響。在橋塞類型、井況一定的情況下，鉆壓、轉(zhuǎn)速(排量)與機(jī)械鉆速之間呈曲線性關(guān)系，存在最佳結(jié)合點(diǎn)，施工過程中缺乏實(shí)時(shí)分析和最佳鉆壓參數(shù)優(yōu)選，造成鉆壓過高或過低，不能及時(shí)調(diào)整，從而造成班與班之間機(jī)械鉆速差別較大。

一定程度上大鉆壓可提高鉆磨效率但也可造成磨鞋合金研磨損壞，會(huì)產(chǎn)生較大的連續(xù)鐵屑，引發(fā)循環(huán)攜帶問題。同時(shí)大鉆壓下，被磨銑部分不是被磨掉，而是被撕掉，由此產(chǎn)生大量大塊鐵屑。這些鐵屑由于無法正常循環(huán)出井筒而聚集在磨鞋中心和周圍，加劇磨鞋中心的磨損及卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，直至形成深坑或是將磨鞋中心掏空形成穿孔。大量鐵屑參與重復(fù)磨銑，還使磨銑工況變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)蹩跳鉆現(xiàn)象，使合金受到的沖擊變大，并被擊碎脫落，磨鞋表面形成鏡面。鉆磨時(shí)應(yīng)控制鉆壓，鉆壓太大，馬達(dá)會(huì)因?yàn)轷勘枚Ｖ构ぷ?，并?huì)對馬達(dá)軸承的壽命產(chǎn)生較大影響。因此鉆磨時(shí)不能盲目加壓，盲目加鉆壓不僅不能提高鉆磨效率，反而會(huì)加速導(dǎo)致馬達(dá)定子脫膠。

(3)鉆速的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)速增加，磨銑速度將同步增加，磨銑轉(zhuǎn)速不影響循環(huán)效果，高轉(zhuǎn)速有利于提高磨銑速度。即在同樣磨銑速度下，提高轉(zhuǎn)速，相應(yīng)降低鉆壓，有助于保持良好的磨銑工況。鉆時(shí)速度過快，有可能造成馬達(dá)回轉(zhuǎn)，發(fā)生事故。尤其靠近塞面，下鉆速度應(yīng)盡可小，否則塞面砂子會(huì)因?yàn)閴毫?dòng)而被攪起，通過循環(huán)閥或磨鞋水眼進(jìn)入馬達(dá)內(nèi)腔。在超壓停泵或停泵處理解卡時(shí)，砂子沉積在馬達(dá)上端，磨損定子和轉(zhuǎn)子，甚至?xí)氯柜R達(dá)無法工作[5]。

很多螺桿馬達(dá)失速停轉(zhuǎn)，是由于對鉆磨工藝有些方面存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，或者沒有作任何優(yōu)化。一旦沒有進(jìn)尺，首先嘗試加大鉆壓，通過磨鞋施加到橋塞上來提高鉆進(jìn)速度。然而增加到馬達(dá)上的負(fù)荷，可能導(dǎo)致后續(xù)馬達(dá)停轉(zhuǎn)，從而需要上提鉆具再次開始鉆磨，花費(fèi)更多的時(shí)間。另一方面，如果對鉆進(jìn)速度在不同位置大幅下降，引起了足夠的注意，就會(huì)考慮到導(dǎo)致進(jìn)尺停滯，是由于有更堅(jiān)硬物體需要鉆磨掉，需要的鉆壓更大，從而造成馬達(dá)停轉(zhuǎn)。

(4)工作壓差的影響。工作壓差反映螺桿馬達(dá)的工作狀態(tài)。上提離開橋塞面，記錄上提離塞泵壓，加壓鉆進(jìn)時(shí)，泵壓升高，存在一定工作壓差，施工過程中應(yīng)根據(jù)工作壓差調(diào)整鉆壓。鉆壓過大，雖然存在較大工作壓差，但可能造成螺桿馬達(dá)失速，造成無進(jìn)尺，應(yīng)根據(jù)失速臨界鉆壓調(diào)整鉆壓。無工作壓差說明螺桿馬達(dá)已損壞，應(yīng)起鉆檢查。工作壓差較小說明螺桿馬達(dá)效率低下，應(yīng)起鉆更換。

(5)井口壓力的影響。井口壓力過高，泵注壓力會(huì)隨之升高，在馬達(dá)蹩鉆引起超壓停泵壓力上升迅速，技術(shù)人員和操作手沒有足夠的反應(yīng)時(shí)間采取上提措施，導(dǎo)致壓裂泵車停泵，而重新起下鉆、開泵建立循環(huán)，會(huì)大大增加整個(gè)鉆塞周期。同時(shí)，會(huì)降低工作液上返速度，影響大鉆屑的返排，尤其是橋塞金屬卡瓦碎片無法有效快速排出，從而增加了鉆塞工作量、卡鉆風(fēng)險(xiǎn)、磨鞋磨損速率，由此需要額外的磨銑大碎片、處理卡鉆和磨鞋更換時(shí)間，對整個(gè)鉆塞作業(yè)而言，將大大降低工作效率。

井口壓力過低，極有可能導(dǎo)致地層壓裂砂返吐：①刺壞井控裝置，帶來重大的井控風(fēng)險(xiǎn)事故；②增加井控裝置更換和事故處理時(shí)間，嚴(yán)重影響作業(yè)效率；③造成近井地帶壓裂支撐縫滲流通道的閉合，很大程度降低壓裂改造效果；④由于大量壓裂砂進(jìn)入井筒，增加了砂卡、馬達(dá)損壞風(fēng)險(xiǎn)和施工難度。

6．井況的影響

井況制約著磨鞋的選擇。套管變形狀況時(shí)有發(fā)生，對井下套管變形情況難以掌握，部分井套管變形嚴(yán)重。套管變形井套管鋼級一般較高、硬度大，磨銑困難，處理周期長、效果差。磨銑套管容易蹩泵，對螺桿損傷大，同一點(diǎn)多次蹩泵，反復(fù)起下，油管局部疲勞十分嚴(yán)重。銑錐使用后外徑變小，使用壽命短，成本高。

井身軌跡對馬達(dá)工作壽命也有一定影響。馬達(dá)在直井中壽命明顯高于水平井，在井斜小、軌跡平滑的井段高于井斜大、軌跡復(fù)雜的使用井段。其原因是：大井斜、復(fù)雜軌跡井段鉆磨，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)加強(qiáng)，瞬間載荷變化急劇，對馬達(dá)、萬向軸、傳動(dòng)軸及其馬達(dá)殼體等形成沖擊，導(dǎo)致馬達(dá)工作壽命降低。井眼軌跡“上翹”嚴(yán)重井，在鉆塞后期，管柱下行困難、加鉆壓困難，影響施工效率和成功率。主要原因是鉆磨橋塞碎屑顆粒大，破碎膠筒、牙塊等不能完全返出，在水平段堆積，在下趟鉆塞施工過程中造成中途下行遇阻、上提遇卡、鉆塞進(jìn)尺緩慢，后期生產(chǎn)過程中堵塞采氣井口、地面流程等。水平井連續(xù)油管鎖定，也常導(dǎo)致水平段前端橋塞鉆磨過程中，施加鉆壓過小或無法下到橋塞深度的問題經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了鉆塞效率和成功率。

另外，由于頁巖氣、致密氣鉆塞作業(yè)井基本是氣井，冬季由于氣溫較低，防噴器、防噴管內(nèi)的流體流動(dòng)較少，在壓力和天然氣、水的共同作用下，極易在防噴管、防噴器內(nèi)形成天然氣水合物堵塞，造成連續(xù)油管或工具管串被卡住，極大地增大了施工難度和工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了施工效率。

7.設(shè)備的影響

連續(xù)油管作業(yè)車、連續(xù)油管、工具是實(shí)施鉆磨作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，高效鉆磨作業(yè)的前提是作業(yè)設(shè)備安全可靠。設(shè)備出了問題會(huì)導(dǎo)致較大的安全事故，需要在事故處理方面投入新的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)大大延長了單井鉆塞周期，增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響了鉆塞效率，是影響鉆塞效率的關(guān)鍵和重要因素之一。

8.現(xiàn)場操作的影響

現(xiàn)場根據(jù)井況、工作壓差及時(shí)調(diào)整鉆壓等施工參數(shù)的針對性和實(shí)時(shí)性方面，班與班之間、白班與夜班之間進(jìn)尺差別較大。對馬達(dá)工作狀態(tài)及時(shí)正確判斷、起鉆檢查、更換鉆具，以及根據(jù)返排情況及時(shí)調(diào)整參數(shù)和措施清理井筒鉆屑方面的技術(shù)管理措施，對鉆塞效率也有一定影響。

三、提效措施建議

(1)加強(qiáng)技術(shù)研究, 完善技術(shù)配套。優(yōu)化螺桿馬達(dá)的使用，優(yōu)化磨鞋、完善地面過濾系統(tǒng)、 優(yōu)化作業(yè)參數(shù)、改進(jìn)鉆磨工藝流程；開展長水平段下入技術(shù)研究；配套螺桿馬達(dá)效率檢測設(shè)備和鉆磨實(shí)驗(yàn)裝置，開展螺桿馬達(dá)失速、臨界鉆壓、工作壓差實(shí)驗(yàn)，磨鞋和施工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

(2)加強(qiáng)鉆塞施工過程操作優(yōu)化。作業(yè)前制定詳細(xì)鉆塞計(jì)劃，規(guī)范鉆具使用，優(yōu)化加鉆壓時(shí)機(jī)和噸位，優(yōu)化鉆進(jìn)速度,井溫較高時(shí)循環(huán)冷卻馬達(dá)等。

(3)引入第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行工具的測試和維護(hù)，加強(qiáng)施工設(shè)備和工具的安全管理。

(4)加強(qiáng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范執(zhí)行力度。

(5)加強(qiáng)現(xiàn)場作業(yè)各方隊(duì)伍配合、溝通與銜接。

(6)加強(qiáng)安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和防護(hù)措施制定。

四、小結(jié)

(1)設(shè)備及工具的性能、可靠性和安全性是確保鉆塞成功的基礎(chǔ)，也是提高鉆塞效率的關(guān)鍵因素和下步工作的重點(diǎn)，可以考慮通過引入第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行工具的測試和維護(hù)，加強(qiáng)施工設(shè)備和工具的安全管理，加強(qiáng)安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和防護(hù)措施制定等措施來實(shí)現(xiàn)。

(2)在設(shè)備和工具安全可靠的情況下，螺桿馬達(dá)、磨鞋、工作液、作業(yè)參數(shù)、橋塞對鉆塞效率產(chǎn)生直接的技術(shù)和操作影響，是提高鉆塞效率的核心，可通過優(yōu)化、規(guī)范馬達(dá)使用參數(shù)和方法、優(yōu)選優(yōu)化磨鞋、提高循環(huán)工作液過濾精度與黏度、開展參數(shù)和工藝優(yōu)化及磨鞋與橋塞匹配性研究來進(jìn)一步提高現(xiàn)場作業(yè)效率，降低綜合成本。

(3)井況、現(xiàn)場操作與配合等因素亦不能忽視，是整個(gè)技術(shù)和安全系統(tǒng)不可缺少的重要部分，可通過提高方案設(shè)計(jì)的針對性和前瞻性、加強(qiáng)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行力度和現(xiàn)場配合隊(duì)伍溝通與銜接等方式與方法來完善鉆塞技術(shù)配套，將影響鉆塞效率因素降到最少、程度最低。

(4)提高連續(xù)油管鉆塞效率是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及的因素較多，應(yīng)從宏觀和微觀予以全面考慮，避免“水桶短板效應(yīng)”的發(fā)生，應(yīng)該是提效的一個(gè)基本原則和方法。

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[3]王玉良. 提高螺桿鉆鉆塞施工成功率的方法[J]. 內(nèi)江科技，2006(3)：151-151.

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