氣探井封層橋塞撈磨工藝研究及應(yīng)用

王思凡 黃永章 胡東鋒

(川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院；低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室)

0 引 言

氣探井勘探時，需要從下到上逐層進(jìn)行壓裂試氣，以評估各區(qū)塊各層位的產(chǎn)能情況。每試完一個層位后對其進(jìn)行橋塞封堵[1]，到最后一個層位試氣后，根據(jù)輸送管網(wǎng)鋪設(shè)或CNG、LNG場站建設(shè)情況進(jìn)行投產(chǎn)。當(dāng)橋塞上部層位產(chǎn)能不足時，需要打撈橋塞釋放下部儲層產(chǎn)能。然而一般氣探井從試氣到橋塞打撈的時間跨度長，有的甚至長達(dá)20 a之久，造成橋塞打撈難度急劇升高，并且現(xiàn)有的橋塞撈磨工藝在現(xiàn)場施工過程中存在認(rèn)識不到位、打撈復(fù)雜、打撈失敗、磨銑無進(jìn)尺及作業(yè)周期長等問題，達(dá)不到橋塞撈磨作業(yè)安全、高效的施工要求，易導(dǎo)致老層入井液量過多，難以釋放產(chǎn)能。為此，本文通過對橋塞撈磨相關(guān)工藝進(jìn)行分析、優(yōu)化，同時結(jié)合氣探井試氣及投產(chǎn)特點，形成了新的氣探井封層橋塞撈磨工藝?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，單次打撈成功率達(dá)到62.3%，磨銑施工總耗時降低了30%，單井撈磨平均施工周期縮短4 d，在降低施工成本的同時達(dá)到了提速增效、減少層位漏失及老井挖潛的目的。

1 撈磨思路

1.1 解封原理

目前用于氣探井儲層封層橋塞(見圖1)為可取式橋塞，其主要由錨定機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)及密封機(jī)構(gòu)等組成[2-3]，按解封方式分為可撈式橋塞和可鉆式橋塞。其中可撈式橋塞又分為外撈式和內(nèi)撈式，并以外撈式為主，均可通過專用打撈工具抓住橋塞外撈頭或內(nèi)撈頸上提，使橋塞解封剪釘剪斷或鎖塊解鎖，實現(xiàn)橋塞解封，之后上提撈出；而可鉆式橋塞采用易鉆除材質(zhì)，一般用于最底部儲層的封堵，處理時采用油管連接螺桿鉆具下入平底磨鞋或套銑工具[4-6]，對橋塞進(jìn)行從上到下鉆磨，等橋塞解除約束后，未磨銑部分掉入井底即可。

圖1 氣探井橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of bridge plug in gas exploration wells

1.2 施工流程

現(xiàn)以雙橋塞處理施工流程(見圖2)為例來說明橋塞施工工藝。首先壓井、卸采氣樹，安裝防噴器及管匯并試壓；其次起出原井管柱，下通井規(guī)，進(jìn)行通洗井，并探砂面，這是因為在放噴及采氣過程中地層會出砂或出陶粒等，并覆蓋在橋塞上面，通常下入斜尖進(jìn)行沖砂，使橋塞上部井筒內(nèi)的砂子返出井口；再次根據(jù)氣井的生產(chǎn)年限及套管腐蝕情況，下入刮削器，對套管內(nèi)壁進(jìn)行刮削清理，防止橋塞解封上提過程中遇卡；隨后開始處理第一個橋塞，處理完畢后，重新進(jìn)行通洗井、探砂面、沖砂，接著處理第二橋塞，再進(jìn)行通洗井，直至人工井底；最后下入完井管柱，并根據(jù)需要進(jìn)行氣舉排液、完井。

圖2 雙橋塞井處理施工流程Fig.2 Treatment process of the well with double bridge plugs

為避免老層漏失失返及橋塞解封后部分新層嚴(yán)重漏失，采用暫堵劑暫堵，可將每小時漏失液量降低到0.1 m3以下，有效減小入井液量，確保橋塞解封后新、老層位產(chǎn)能均可得到有效發(fā)揮。

1.3 處理方法優(yōu)化

橋塞型號不明時，應(yīng)先大排量沖洗橋塞魚頂，后打鉛印或井下電視判斷橋塞類型。

已知橋塞型號的，對于可鉆式橋塞，通洗井探砂面后，推薦直接采用套銑筒進(jìn)行沖砂、磨銑，以減少起下鉆次數(shù)，提高施工效率。對于可撈式橋塞，首先通過打鉛印或下入井下電視判斷橋塞上端情況，有落物的撈落物；當(dāng)為外撈式橋塞時，首先應(yīng)清理與套管之間的環(huán)空，防止外撈工具抓不牢打撈頭。該環(huán)空沉積物成分復(fù)雜，基本為壓裂液或支撐劑、銹、垢的結(jié)合物(見圖3中土黃色部分)，部分較為堅硬，推薦從沖砂開始就下入套銑筒，一趟鉆完成沖砂和清理橋塞外撈頭周圍空間，根據(jù)進(jìn)尺控制鉆壓為5 kN，當(dāng)有鐵屑返出井口則立即停止套銑，之后下入對應(yīng)外撈工具抓住外撈頭，加壓10～15 kN后上提使橋塞解封；對于內(nèi)撈式橋塞，應(yīng)先沖洗橋塞內(nèi)撈頸，然后利用內(nèi)撈工具抓住內(nèi)撈頸上提使橋塞解封。如果可撈式橋塞打撈不出，如橋塞打撈頭斷裂內(nèi)撈也不解卡、橋塞上提震擊不解卡等，可采用磨銑橋塞卡瓦解除約束[7-8]，之后撈出。

圖3 外撈與內(nèi)撈橋塞打撈頸清理示意圖Fig.3 Schematic cleaning of the fishing neck for external and internal bridge plug fishing

如果只撈一個橋塞，那么在打撈失敗的情況下，可通過套銑打撈筒將橋塞卡瓦套銑解除約束，順帶撈出，撈不出的將其捅入井底；如果打撈多個橋塞，那么在除最底層橋塞可捅入井底外，其他橋塞必須逐個撈出，如磨銑牙塊掉落，則下強(qiáng)磁打撈，否則會造成下個橋塞處理困難。

2 撈磨工具串

2.1 打撈工具串

打撈橋塞工具串(見圖4)采用油管作為運(yùn)輸載體，推薦依次連接上擊器、安全接頭和可退式打撈工具。該工具串能有效防止可退式打撈工具上提橋塞不解封，又無法進(jìn)行丟手的情況，避免后續(xù)造成切割打撈管柱的復(fù)雜工況。此外，還要考量橋塞長時間在H2S、CO2及高礦化度的液體環(huán)境中，又受投產(chǎn)過程中泡排劑等藥劑影響，其解鎖機(jī)構(gòu)剪釘或鎖塊與垢或銹結(jié)為一體，上提時解鎖機(jī)構(gòu)與橋塞本體整體受力，剪釘不能剪斷，鎖塊不能解鎖的問題，可通過震擊器震擊實現(xiàn)垢或銹與橋塞解鎖機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動部件的分離，促使橋塞解封。

1—油管；2—震擊器；3—安全接頭；4—打撈工具。圖4 打撈工具串示意圖Fig.4 Schematic diagram of fishing tool string

一種用于外撈式橋塞的旋轉(zhuǎn)可退式打撈工具主要由上接頭、筒體、籃式卡瓦、控制環(huán)及引鞋等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中引鞋具有外齒，一定程度上可以清理打撈頸。工具入魚時，下壓打撈工具，在引鞋的導(dǎo)引作用下，橋塞打撈頸上頂籃式卡瓦，使其上行并徑向張開，打撈頸伸入籃式卡瓦內(nèi)，籃式卡瓦內(nèi)壁左旋卡牙在彈性力的作用下咬入打撈頸，此時上提打撈工具，籃式卡瓦在筒體內(nèi)相對下行。由于筒體內(nèi)壁的左旋寬鋸齒螺紋為錐形斜面，籃式卡瓦錐形斜面的小徑端移動，確?；@式卡瓦將打撈頸越卡越緊。當(dāng)橋塞不解封需要退出打撈頸時，下壓打撈工具，順時針旋轉(zhuǎn)筒體，在左旋螺紋的作用下，即可退出打撈頸。

1—上接頭；2—筒體；3—籃式卡瓦；4—控制環(huán)；5—引鞋。圖5 旋轉(zhuǎn)可退式打撈工具Fig.5 Rotary releasable fishing tool

常用的內(nèi)撈式橋塞打撈工具主要由上接頭、扶正器、中心管、水眼及分瓣卡瓦等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。工具入魚前，通過水眼大排量沖洗橋塞內(nèi)撈頸，然后下壓打撈工具，使分瓣卡瓦相對中心管上移縮徑進(jìn)入橋塞內(nèi)撈頸，然后上提打撈工具，中心管相對分瓣卡瓦上行迫使分瓣卡瓦擴(kuò)徑抓牢橋塞內(nèi)撈頸。該工具不可退，必須與安全接頭配合使用。

1—上接頭；2—扶正器；3—中心管；4—分瓣卡瓦。圖6 內(nèi)撈式打撈工具Fig.6 Internal fishing tool

2.2 磨銑工具串

氣探井主要為?177.8 mm(7 in)套管井，橋塞外徑大，采用套銑筒磨銑橋塞卡瓦解除約束，相較采用磨鞋磨銑掉的橋塞部分更少，磨銑效率高。實際使用時，套銑橋塞外撈頭和磨銑可鉆式橋塞均推薦采用油管連接沉淀杯、螺桿鉆具、套銑筒進(jìn)行磨銑。磨銑工具串如圖7所示。然而磨銑無法解封的可撈式橋塞是一項難題。由于可撈式橋塞本體一般為鋼鐵材質(zhì)，無法像可鉆式橋塞那樣易鉆除，為此，開展了磨銑工具串現(xiàn)場試驗。

1—油管；2—沉淀杯；3—螺桿；4、8—套銑筒；5—鉆桿；6—扶正器；7—鉆鋌。圖7 磨銑工具串示意圖Fig.7 Schematic diagram of milling tool string

針對X1井打撈失敗的可撈式橋塞，首先采用油管連接沉淀杯、螺桿鉆具、套銑筒進(jìn)行磨銑作業(yè)。磨銑作業(yè)時，先施加鉆壓10 kN，排量600～700 L/min，當(dāng)套銑筒磨銑吃入橋塞外壁5 cm左右出現(xiàn)卡鉆、油管反轉(zhuǎn)、憋泵等現(xiàn)象，泵壓從9 MPa升至12 MPa，然后降低鉆壓到5 kN左右繼續(xù)套銑。當(dāng)磨銑至15 cm后頻繁卡鉆，之后累計磨銑23 h無進(jìn)尺，嚴(yán)重影響了正常作業(yè)。分析認(rèn)為，這是由于螺桿鉆具輸出扭矩及油管抗扭強(qiáng)度有限，當(dāng)套銑筒內(nèi)壁與橋塞已磨銑的不規(guī)則外壁接觸面積越大，磨屑越多時，所需扭矩也越大，驅(qū)動螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)的泵壓必然升高，卡鉆概率大幅提高。

綜上所述，推薦采用鉆臺轉(zhuǎn)盤驅(qū)動反扣鉆桿、鉆鋌、套銑筒進(jìn)行可撈式橋塞的磨銑，既能有效避免油管連接螺桿鉆具套銑筒出現(xiàn)的頻繁卡鉆、油管反轉(zhuǎn)、憋泵、磨銑效率低的難題，又有一定概率實現(xiàn)橋塞本體部件倒扣，提高解卡效率。

3 磨銑參數(shù)優(yōu)化

3.1 施工排量

磨銑排量直接影響鉆磨效率及磨屑隨磨銑液上返的效果，最小磨銑排量只要滿足磨銑液的上返流速、大于磨屑下沉速度即可將磨屑送至井口[9-10]。而氣探井主要為?177.8 mm套管直井，根據(jù)牛頓-雷廷格計算法，磨屑在直井段磨銑液中的沉降末速計算公式為[11-12]：

(1)

式中：vm為磨屑在磨洗液中的自由沉降速度，m/s；d為球形磨屑的直徑，m；ρ為磨屑密度，kg/m3；ρ0為磨銑液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

直井段最小泵入流速取兩倍的磨屑沉降速度[11]，因此磨屑在直井段從環(huán)空上返所需的最小排量計算公式為：

(2)

式中：Qmin為從油管內(nèi)泵入的最小排量，m3/s；r1為環(huán)空外徑的，m；r2為環(huán)空內(nèi)徑的，m。

當(dāng)不使用螺桿鉆具的情況下，磨屑在直井段反循環(huán)沖洗上返所需的最小排量計算公式為：

Q1=2πr2vm

(3)

式中：Q1為從環(huán)空泵入最小排量，m3/s；r為鉆桿內(nèi)徑的，m。

假設(shè)磨屑為球形，且所有泵入的磨銑液都從套管與磨銑管柱間的環(huán)空(正循環(huán))或管柱內(nèi)(反循環(huán))返出井口，現(xiàn)取磨屑直徑為0.5～6.0 mm，其密度為7 850 kg/m3；磨銑液為清水，其密度為1 000 kg/m3。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)和式(3)計算磨屑直徑與最小排量的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，反循環(huán)沖洗所需排量遠(yuǎn)小于正循環(huán)磨銑排量。

圖8 ?73.0 mm磨銑管柱最低排量與磨屑直徑的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between the minimum displacement of ?73.0 milling pipe string and the cuttings size

此外，磨屑直徑越大，所需最低排量也越大，為確保磨屑能夠順利返出地面，磨銑的磨屑尺寸應(yīng)小一些，且為了防止較大尺寸磨屑無法返出井口妨礙磨銑，建議每進(jìn)尺一段距離就進(jìn)行一次反循環(huán)沖洗。橋塞鋼鐵材質(zhì)的磨屑一般為絲條、片帶狀，相較于球形，在同樣重力下，表面積更大，因此同樣排量下受到的液體運(yùn)移力也更大。

從理論計算結(jié)果可以看出，正循環(huán)沖洗的排量至少需要達(dá)到1.5 m3/min才能將較大尺寸磨屑排出，這對于現(xiàn)場設(shè)備配置要求較高，因此目前主要采用3種方法來避免磨銑無進(jìn)尺：一是從套銑之初就采用低鉆壓、高排量、高轉(zhuǎn)速進(jìn)行磨銑；二是當(dāng)遇到無進(jìn)尺這一情況時，可起出磨銑管柱，下入強(qiáng)磁吸出大尺寸磨屑，但起下鉆耗時長；三是每磨銑進(jìn)尺一段距離就上下活動鉆具進(jìn)行大排量反循環(huán)沖洗排屑，這只適用無螺桿鉆具。

3.2 鉆壓

根據(jù)反循環(huán)沖洗思路，選擇了X1井進(jìn)行了套銑筒鉆壓磨銑試驗，處理橋塞1個，其間首先采用了5～10 kN的低鉆壓高排量進(jìn)行了磨銑，累計進(jìn)尺15 cm后，出現(xiàn)磨銑4 h無進(jìn)尺的現(xiàn)象，如圖9所示。分析認(rèn)為，低鉆壓狀態(tài)只能降低較大尺寸鉆屑產(chǎn)生的概率，但不能杜絕，之后累計反循環(huán)沖洗3次，有效返出了大尺寸磨屑，解決了無進(jìn)尺情況。由圖9可知，20～30 kN的鉆壓曲線斜率最大，效率最高，表明該區(qū)間鉆壓相對最優(yōu)。此外，應(yīng)注意磨銑過程中鉆壓不易過大，否則不僅易產(chǎn)生大尺寸鉆屑，且容易導(dǎo)致橋塞錨定卡瓦的抗扭失效，橋塞與套銑筒一同旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)套銑無進(jìn)尺，造成后期需注水泥凝固后再行磨銑的復(fù)雜情況。

圖9 X1井鉆壓與進(jìn)尺的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between weight on bit and footage in Well X1

4 現(xiàn)場應(yīng)用

氣探井橋塞撈磨工藝在數(shù)十口氣探井上進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：①先套銑清理橋塞外撈頭與套管環(huán)空后打撈，相較于直接下打撈工具沖洗魚頭打撈，能有效提高單次打撈成功率，且不易造成復(fù)雜工況，平均施工時間可縮短4 d，如表1所示；②鉆壓大小直接影響磨屑尺寸，保持較大的施工排量排屑是提高磨銑效率最好的方法，當(dāng)正循環(huán)磨銑排量不夠時，反循環(huán)沖洗能有效排屑，消除無進(jìn)尺情況，提高施工效率。

表1 不同打撈工藝施工效果對比(從沖砂到打撈結(jié)束)Table 1 Operation performance comparison between different fishing technologies (from sand flushing to the end of fishing)

磨銑工藝參數(shù)及施工效果如表2所示。表2中Z1井通過油管+沉淀杯+螺桿鉆具+套銑筒的鉆具組合，采用鉆壓5～15 kN，排量1 000～1 100 L/min套銑可鉆式橋塞，起下鉆兩次，撈出鎖環(huán)1個，累計磨銑耗時19 h，套銑解卡成功,相較以前采用高鉆壓50 kN，低排量600～650 L/min，既降低了油管反扭風(fēng)險，又減少了起下鉆次數(shù)，縮短了磨銑施工耗時。L1井和L2井均采用鉆臺驅(qū)動鉆桿+鉆鋌+套銑筒組合鉆具，通過一趟鉆實現(xiàn)了可撈式橋塞的磨銑解卡。其中L1井受設(shè)備排量小的限制，施工時根據(jù)磨銑進(jìn)尺，采用從低到高階梯式調(diào)節(jié)鉆壓的方法實現(xiàn)了橋塞磨銑解卡，其間反循環(huán)沖洗3次，起鉆后套銑筒內(nèi)腔卡有橋塞，施工耗時只有X1井的70%，純磨銑解卡耗時縮短7 h；L2井施工排量較高，采用20～30 kN的鉆壓進(jìn)行了有效磨銑，純磨銑耗時相較L1井也縮短了9 h。

表2 磨銑工藝參數(shù)及施工效果Table 2 Milling technological parameters and operation effects

5 結(jié)論及建議

(1)先套銑清理橋塞外撈頭與套管環(huán)空，后下入震擊器+安全接頭+可退式打撈工具能有效提高單次打撈成功率至62.3%。

(2)根據(jù)橋塞材質(zhì)的不同，在節(jié)約成本的情況下，選擇合適的套銑管柱極為關(guān)鍵，通過控制鉆壓，選擇匹配的施工排量可實現(xiàn)橋塞的高效磨銑解卡。當(dāng)施工排量不能滿足較大尺寸磨屑的返排要求時，可采用大排量反循環(huán)排屑(適用于無螺桿鉆具)。此外，根據(jù)磨銑進(jìn)尺，適當(dāng)采用從低到高階梯式調(diào)節(jié)鉆壓(5～30 kN)的方法，相較于保持低鉆壓(5 kN)磨銑效率更高。

(3)針對氣探井橋塞撈磨出現(xiàn)的壓井液漏失、返排困難、儲層傷害的問題，建議采用膨脹管補(bǔ)貼炮眼的方式進(jìn)行封層，后期挖潛帶壓重新射孔即可，或采用長效可溶橋塞封層，后期無需撈磨，節(jié)約成本。