連續(xù)油管鉆磨帶圈閉壓力的水泥塞技術(shù)

郭彪，李雪飛，唐譽(yù)文

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司（四川 成都 610050）

0 引言

水泥塞廣泛應(yīng)用于油氣井的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)水泥塞的用途可分為完井水泥塞、試油水泥塞、封井水泥塞、堵漏水泥塞、側(cè)鉆水泥塞等。從類型上分為暫閉水泥塞和永久水泥塞兩種。在頁(yè)巖氣井中，水泥塞主要用于暫閉某一井段，便于井筒試壓或更換井口等作業(yè)，之后需要鉆除井內(nèi)水泥塞，滿足后續(xù)射孔、壓裂作業(yè)需要；在油氣井測(cè)試階段水泥塞主要用于封堵下一層段，實(shí)現(xiàn)上一層段的測(cè)試作業(yè)，測(cè)試后需要鉆除水泥塞，測(cè)試投產(chǎn)；在修井階段，水泥塞主要用于回填某一井段或封閉廢棄井，修井后，也可能需要鉆除水泥塞。

關(guān)于水泥塞的研究方面，目前主要包括：鉆井方面，開(kāi)展了水平井中連續(xù)油管鉆井時(shí)巖屑運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬[1]，分析了鉆井液黏度、鉆屑大小等參數(shù)的影響；另一方面，主要是鉆磨橋塞技術(shù)[2-4]，對(duì)排量、鉆壓、鉆屑返排等進(jìn)行了研究。而對(duì)于鉆磨水泥塞的工藝技術(shù)研究較少，連續(xù)油管鉆磨水泥塞作業(yè)也具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)期間遇卡可能導(dǎo)致工程復(fù)雜，甚至造成井控事件。優(yōu)化了連續(xù)油管鉆磨水泥塞的工藝技術(shù)措施，形成一套有效的方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

1 鉆磨水泥塞風(fēng)險(xiǎn)

1.1 遇卡

連續(xù)油管鉆磨水泥塞主要風(fēng)險(xiǎn)是遇卡[5-6]，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）水泥未凝固卡鉆，井筒內(nèi)、外水泥漿凝固時(shí)間存在差別導(dǎo)致卡鉆，俗稱“插旗桿”。

2）鉆磨速度較快，導(dǎo)致尺寸較大的鉆屑上返困難，鉆屑沉降卡住工具串，如圖1所示。

3）鉆磨排量偏小，流速降低，導(dǎo)致上返速度不夠，不能帶出水泥屑而沉降堆積卡住工具串[7]。

4）鉆磨遇漏失層，鉆磨液部分進(jìn)入地層而不能沿著井筒返出，這樣導(dǎo)致水泥屑沉降遇卡。

5）鉆磨液與水泥屑混合而產(chǎn)生團(tuán)狀物，不能返出而附著在工具串上。

6）泵注設(shè)備故障，導(dǎo)致鉆磨中斷，循環(huán)停止，無(wú)有效的液體返出而帶出水泥屑。

1.2 工具損傷

工具故障，如螺桿馬達(dá)落井、失效，導(dǎo)致落魚(yú)被埋。鉆水泥塞過(guò)程中，水泥塞下面存在較大的圈閉壓力，未控制合理的井口壓力導(dǎo)致水泥塞上下壓差較大而造成工具上頂而折斷[8]，如圖2所示。

圖1 水泥屑沉降

圖2 工具折斷

1.3 井控、安全風(fēng)險(xiǎn)

井控、安全風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在如下方面：

1）鉆磨期間水泥屑返出不暢，導(dǎo)致井下管串被埋。

2）圈閉壓力突然釋放造成井控裝置密封失效。

3）鉆磨水泥塞后的返排液呈堿性，倘若未經(jīng)處理循環(huán)使用，腐蝕連續(xù)油管、泵注流程。

2 工藝優(yōu)化措施

針對(duì)連續(xù)油管鉆磨水泥塞作業(yè)期間可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，分別從工具優(yōu)選、液體、流程、工作參數(shù)等方面優(yōu)化。

2.1 工具優(yōu)選

井下工具優(yōu)選主要包括如下幾個(gè)方面：

1）鉆頭，位于工具的最低端，是鉆除水泥塞的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響施工安全及作業(yè)效率。鉆頭用來(lái)破碎巖石/水泥塞、形成井眼，根據(jù)破巖機(jī)理，鉆頭主要分為牙輪鉆頭和PDC鉆頭。牙輪鉆頭主要用于鉆除硬地層，PDC鉆頭因其耐磨性高，多用于軟地層或中等硬度地層，考慮到水泥塞的性能，首選PDC鉆頭，如圖3所示。選用井眼內(nèi)徑95%左右尺寸的PDC鉆頭。

圖3 PDC鉆頭

2）螺桿馬達(dá)，屬于一種容積式馬達(dá)，采用液力聯(lián)軸節(jié)效應(yīng)不會(huì)因憋停而損壞；轉(zhuǎn)子的同心旋轉(zhuǎn)降低了振動(dòng)和鉆頭的振顫，提高鉆井效率，減少井下工具的磨損。頂端帶有防墜落裝置，防止在作業(yè)期間工具落井。

3）震擊器，具有上擊和下?lián)魞煞N功能的上下雙向震擊器，當(dāng)磨銑不徹底導(dǎo)致水泥屑沉降遇卡時(shí)，通過(guò)震擊器產(chǎn)生的上、下兩個(gè)方向的附加震擊力，輔助解卡。另外可增加管柱的蠕動(dòng)，提高鉆磨效率[9]。

4）水力振蕩器，產(chǎn)生壓力脈沖，產(chǎn)生溫和的蠕振動(dòng)（一般地蠕動(dòng)振幅為3～10 mm，頻率范圍10～20 Hz，最大沖擊力50 kN，工具壓耗2.5～4.5 MPa）。該工具產(chǎn)生了周期性的軸向力。進(jìn)而改變鉆柱與井壁之間的摩擦狀態(tài)，達(dá)到振動(dòng)減摩的效果。對(duì)于長(zhǎng)水平段、上傾井、狗腿度較大等連續(xù)油管下入困難的井，需要使用該工具。

2.2 液體優(yōu)選

鉆磨液的性能對(duì)鉆磨的影響很大，良好的鉆磨液應(yīng)具備如下條件：摩擦阻力低、固相含量低、高攜帶能力和低沉降速度。鉆磨工作液：pH值7～9，固相含量≤2%，降阻率≥50%，黏度3～6 mPa·s。膠液：pH值7～9，固相含量≤2%，黏度30～40 mPa·s。

2.3 泵注流程

為了保證鉆磨作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，需要安裝兩套高壓過(guò)濾器泵注流程，當(dāng)一套流程出現(xiàn)堵塞的時(shí)，可以開(kāi)啟另一條流程，再拆卸堵塞流程上的高壓過(guò)濾器進(jìn)行清理，如圖4所示。

圖4 泵注流程

2.4 工作參數(shù)

2.4.1 施工排量

在紊流狀態(tài)下，顆粒在靜水中沉降速度[10]：

式中：ds為顆粒直徑，m；ρs為顆粒密度，kg/m3；ρl為清水密度，kg/m3。

水泥的密度為3.15 g/cm3，顆粒直徑約1～2 mm，對(duì)于Φ139.7 mm的套管中采用Φ50.8 mm連續(xù)油管鉆磨水泥塞，水平段鉆磨最小排量約370 L/min。

2.4.2 鉆壓

鉆壓即作用在水泥塞面的壓力大小，其大小決定鉆頭的壓入深度，反映了鉆速及鉆屑大小。鉆壓過(guò)小時(shí)，鉆磨效率低，成本增加。鉆壓過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鉆屑較大上返困難造成遇卡，也會(huì)加劇螺桿馬達(dá)損壞而造成井下復(fù)雜。

直井段連續(xù)油管螺旋屈曲載荷公式[11]：

水平井中連續(xù)油管螺旋屈曲載荷公式[12]：

式中：rc為連續(xù)油管截面形心至井眼軸心的徑向距離，m；E為楊氏模量，N/m2；I為連續(xù)油管截面慣性矩，m4；qr為單位長(zhǎng)度連續(xù)油管重力，N/m。

對(duì)于Φ50.8 mm的連續(xù)油管，壁厚4.8 mm，套管內(nèi)徑Φ114.3 mm，計(jì)算得到直井段井口作用的最大下壓力3.7 kN；考慮到摩擦系數(shù)，水平段井口作用的最大下壓力111 kN，超過(guò)上述值可能會(huì)對(duì)連續(xù)油管造成損傷。一般情況，鉆磨水泥塞推薦的鉆壓為3～10 kN。

2.5 關(guān)鍵控制點(diǎn)

鉆頭下至距水泥塞面頂部50 m處開(kāi)泵，循環(huán)正常后慢慢下放鉆具，鉆速不大于15 m/h。

水泥塞下部有圈閉壓力時(shí)，需要控制井口壓力，防止圈閉壓力突然釋放造成連續(xù)油管上頂，工具斷裂。鉆穿水泥塞前15 m左右采用油嘴控制回壓小于圈閉壓力3～8 MPa。每鉆進(jìn)15 m左右循環(huán)劃眼1次，清洗井筒。

3 異常情況處置

連續(xù)油管鉆磨水泥塞時(shí)，可能出現(xiàn)一些非正常情況，其處置要點(diǎn)如下。

3.1 返排減小

繼續(xù)泵注，立即上提連續(xù)油管，速度5 m/min左右，這樣可使得沉降的水泥屑在工具周圍活動(dòng)。若上提速度較快，部分水泥屑來(lái)不及滑脫到工具串之下而在工具串（尤其是鉆頭）上部堆積，導(dǎo)致工具拖曳并逐漸遇卡。上提到返排口排出正常或直井段。若上提過(guò)程中懸重增加應(yīng)停止上提，后再嘗試上提，若懸重仍然增加則停止上提，持續(xù)泵注，緩慢下放5～10 m，再次嘗試上提。可重復(fù)上述過(guò)程，直到返出正常且根據(jù)井深計(jì)算鉆頭處的水泥屑返出完全后再次下入。

3.2 水泥屑返出較少或沒(méi)有返出

上提使得鉆頭離開(kāi)鉆磨位置5～10 m。①在螺桿馬達(dá)的工作參數(shù)范圍內(nèi)，適當(dāng)增加泵注排量，根據(jù)遲到時(shí)間待井筒內(nèi)的水泥屑返出后再下入鉆磨。②開(kāi)啟循環(huán)閥（若有）以增加足夠的排量使得水泥屑返出。③泵入高黏的膠液，使得水泥屑較好地?cái)y帶出井筒。

3.3 泵壓異常

若泵壓升高，循環(huán)情況下，上提并觀察泵壓變化情況，通過(guò)分析原因，活動(dòng)管柱，調(diào)整排量或鉆壓的方式來(lái)處理。若泵壓下降，首先上提連續(xù)油管5～10 m，核實(shí)地層壓力系數(shù)、原井內(nèi)管串在該鉆磨位置是否存在漏失情況。其次查看泵注設(shè)備上水是否正常，地面泵注流程是否有泄漏。

3.4 井口壓力異常

若井口壓力下降，上提連續(xù)油管5～10 m，適當(dāng)增加油嘴的開(kāi)度而降低返排流程阻力，在螺桿馬達(dá)的工作參數(shù)范圍內(nèi)增加泵注排量，待井筒內(nèi)的水泥屑基本返出完全后，再下入鉆磨。若井口壓力升高，更換為備用放噴流程，檢查之前的返排流程油嘴是否堵塞。

3.5 鉆磨無(wú)進(jìn)尺

首先泵注膠液，以6 m/min左右的速度短起至造斜段，接下來(lái)泵注滑溜水以10 m/min左右的速度再次下入，觀察懸重變化情況。根據(jù)鉆磨水泥塞的長(zhǎng)度，或者起出，更換為沖砂工具串，泵注膠液循環(huán)出井筒內(nèi)的水泥屑。若下入仍然困難，出現(xiàn)鎖定的現(xiàn)象，結(jié)合設(shè)計(jì)，若距離目的位置較短，可泵注金屬降阻劑降低摩擦力。若距離目的位置較長(zhǎng)，可起出油管，在工具串上增加水力振蕩器。

3.6 遇卡

測(cè)試鉆磨工具時(shí)，分析遇卡位置、可能存在的卡點(diǎn)。在一定的范圍內(nèi)下壓和上提連續(xù)油管，控制上提噸位，配合間斷開(kāi)啟大油嘴放噴。注氮?dú)?，增加環(huán)空的滲透性。環(huán)空返注，將環(huán)空的堵塞物下推至工具串以下。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

Y206H41-8井是部署在長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼的一口頁(yè)巖氣水平井，完鉆層位龍馬溪組，采用139.7 mm套管完井，水平段長(zhǎng)2 050.0 m。設(shè)計(jì)壓裂30段，采用可溶性橋塞作為分段工具、主體采用低黏滑溜水體系，壓裂期間發(fā)生井口閘門(mén)刺漏，注水泥塞時(shí)圈閉壓力40 MPa，更換井口閘門(mén)后，為下一步壓裂施工需要鉆除井筒內(nèi)水泥塞。

本次鉆除水泥塞采用連續(xù)油管帶鉆磨工具串作業(yè)，鉆磨工具串為：Φ50.8 mm連續(xù)油管+Φ73 mm連接器+Φ73 mm馬達(dá)頭總成+Φ73 mm震擊器+Φ73 mm螺桿馬達(dá)+Φ106 mmPDC鉆頭。鉆磨期間，為使得水泥屑盡量返出井筒，鉆磨排量0.42～0.45 m3/min，鉆壓5～10 kN，鉆速≤10 m/h。水泥塞底界4 054 m，2021年11月8日鉆磨水泥塞施工曲線如圖5所示，從4 038 m開(kāi)始控制井口壓力約35 MPa，鉆磨到4 053 m，泵注5 m3膠液上提短起一次，施工成功率達(dá)到100%，每鉆進(jìn)15～20 m循環(huán)劃眼1次，完成了鉆磨水泥塞的目的，最終實(shí)現(xiàn)安全鉆磨。

圖5 2021年11月8日鉆磨水泥塞施工曲線

5 結(jié)論與建議

連續(xù)油管鉆磨水泥塞作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)工具選擇及過(guò)程控制要求較高，要保證鉆磨水泥塞的安全，需要重點(diǎn)做好如下幾點(diǎn)：

1）鉆磨水泥塞的工具應(yīng)選擇PDC鉆頭、雙向震擊器等。

2）工作液應(yīng)滿足低摩阻、高攜砂能力，pH值7～9。

3）鉆磨排量應(yīng)滿足水泥屑返出的要求，Φ50.8 mm連續(xù)油管在Φ139.7 mm套管中鉆磨排量不得低于345 L/min。

4）對(duì)于圈閉壓力處的水泥塞，應(yīng)控制井口合適的回壓以保證井控安全。

5）鉆壓控制，根據(jù)水泥塞所處位置（直井段、水平段）在井口施加合適的下壓力，避免連續(xù)油管受損。