國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展分析

袁健 陳曦 趙光磊 張明友 徐春寧 謝奎

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司試修公司，四川 成都 610052；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處，四川 成都 610051）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)深層非常規(guī)氣的深入開發(fā)，地層壓力不斷攀升，大量深層非常規(guī)氣井地層壓力在80 MPa以上，溫度在140 ℃以上。目前非常規(guī)氣井在開采早期、高壓環(huán)境下下入油管，維持地層能量，減少彈性能量損失，實(shí)現(xiàn)單井可采儲(chǔ)量（EUR）最大化、保證全生命周期產(chǎn)能體系維護(hù)。為提高新井穩(wěn)產(chǎn)能力，高壓氣井帶壓下完井管柱已成為深層非常規(guī)氣井開發(fā)的核心技術(shù)［1-3］。中國(guó)石油西南油氣田、長(zhǎng)慶油田、青海油田、大慶油田、新疆油田等主要?dú)鈪^(qū)部分氣井已進(jìn)入中后期開采階段，每年約有300口老井需要進(jìn)行帶壓修井，這些氣田地層能量低、穩(wěn)產(chǎn)壓力大，老井挖潛與維護(hù)作業(yè)對(duì)入井液十分敏感、儲(chǔ)層保護(hù)十分重要［4］。為了避免壓井后造成儲(chǔ)層污染及降低采收率，帶壓修井已逐漸成為老井挖潛、維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最佳選擇。

1 氣井帶壓作業(yè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1.1 國(guó)外氣井帶壓作業(yè)技術(shù)發(fā)展情況

帶壓作業(yè)工藝主要以美國(guó)、加拿大應(yīng)用最為廣泛和成熟，北美地區(qū)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用率超過90%，年帶壓作業(yè)已超過10 000口井（圖1），作業(yè)內(nèi)容以帶壓完井、鉆磨、打撈、起原井管柱作業(yè)為主（圖2），最高施工壓力為140 MPa，最高硫化氫施工含量45%，最大作業(yè)深度9 000 m。帶壓技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了完井、修井、鉆井全覆蓋［5-6］，應(yīng)用范圍包括帶壓下套管、尾管、單油管或雙油管等完井作業(yè)，帶壓輔助分層壓裂、酸化連續(xù)施工作業(yè)，帶壓下入、回收封隔器、橋塞及其他工具，帶壓沖砂、打撈、磨銑、清蠟等修井作業(yè)，帶壓欠平衡鉆井、側(cè)鉆、射孔以及應(yīng)急搶險(xiǎn)等。

圖1 北美地區(qū)帶壓作業(yè)工作量統(tǒng)計(jì)圖

圖2 北美地區(qū)氣井帶壓作業(yè)不同類型工作量統(tǒng)計(jì)圖

1.2 國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)起步較晚，直到“十三五”末，氣井帶壓作業(yè)還主要以中低壓井帶壓下光油管為主，通過10 余年的技術(shù)發(fā)展，作業(yè)工藝已從帶壓完井向帶壓修井、起下復(fù)雜管柱拓展，作業(yè)壓力已實(shí)現(xiàn)從低壓到高壓的覆蓋，最高施工壓力達(dá)到32 MPa；研制、配套了3 大類10 余種氣井帶壓作業(yè)管柱內(nèi)堵塞工具［7-8］，滿足了多種工藝、工況氣井帶壓作業(yè)管柱內(nèi)封堵需要。形成了帶壓完井兩大類、帶壓修井10 大類技術(shù)體系，創(chuàng)造了最高施工壓力34 MPa、最大作業(yè)井深4 772 m、打撈落魚最長(zhǎng)1 473 m、鉆磨套管40 m 等多項(xiàng)作業(yè)紀(jì)錄［9］。從氣井帶壓作業(yè)技術(shù)的綜合發(fā)展來看，具備了在“十四五”期間大力推廣的基礎(chǔ)條件。

2 國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)取得的主要成績(jī)

2.1 裝備數(shù)量與服務(wù)保障能力顯著提升

2019年底，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱集團(tuán)公司）共有氣井帶壓作業(yè)機(jī)15套，提升能力主要以76 t 為主，工作壓力小于35 MPa，年作業(yè)能力450 井次。截至2022 年底，氣井帶壓作業(yè)機(jī)數(shù)量增至65套，增長(zhǎng)了333%，國(guó)產(chǎn)設(shè)備占比由10%提升至80%。氣井帶壓作業(yè)隊(duì)伍由推廣前的15 支增至59支（表1），增長(zhǎng)了293%。氣井帶壓完井年作業(yè)能力提升至1 950 井次。設(shè)備最大提升能力提升至110 t，工作壓力提升至105 MPa，可滿足井深6 000 m、壓力50 MPa的作業(yè)能力。

表1 2022年國(guó)內(nèi)帶壓作業(yè)隊(duì)伍統(tǒng)計(jì)表單位：個(gè)

2.2 工作量及技術(shù)屢攀新高

2019—2022年氣井帶壓作業(yè)年完成工作量從450井次增至1 701 井次（圖3），年完成工作量分別較推廣前增幅達(dá)122%和278%。

圖3 國(guó)內(nèi)帶壓作業(yè)工作量統(tǒng)計(jì)圖

通過近年來氣井帶壓技術(shù)的大力推廣，國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較快發(fā)展，形成帶壓完井和修井兩大技術(shù)系列。帶壓完井實(shí)現(xiàn)了從低壓到高壓的覆蓋，形成帶壓起下光油管和帶壓下復(fù)雜工具串管柱兩項(xiàng)帶壓完井技術(shù)［10］；修井作業(yè)形成帶壓打撈、倒扣、切割、段銑、鉆塞、注塞、沖砂等10 項(xiàng)帶壓修井技術(shù)［11-12］。

2.3 助推氣井高效開發(fā)

氣井帶壓作業(yè)井普遍在使用套管生產(chǎn)一段時(shí)期后，再帶壓下完井管柱至A 點(diǎn)附近，下入油管以Φ60.3 mm 和Φ73 mm 油管為主，提高氣井排液采氣能力，采用帶壓下完井管柱技術(shù)，單井產(chǎn)量提高逾2 ×104m3／d，EUR 增幅介于10%～58%，有力助推了常規(guī)氣、非常規(guī)氣高效開發(fā)。帶壓修井解決了“產(chǎn)量”與“修井”的矛盾，一大批停產(chǎn)、低產(chǎn)氣井恢復(fù)了產(chǎn)能，氣井帶壓作業(yè)技術(shù)已成為天然氣高效開發(fā)的攻堅(jiān)利器。

2.4 助力綠色礦山建設(shè)

2020—2022年，氣井帶壓作業(yè)推廣應(yīng)用3 600余井次，相比常規(guī)鉆井液壓井作業(yè)，累計(jì)節(jié)約壓井液及廢液環(huán)保處理費(fèi)用14～35 億元，節(jié)約井場(chǎng)和道路基建費(fèi)用18 億元，增產(chǎn)天然氣量111×108m3，可替代1 296萬噸標(biāo)煤，減排二氧化碳2 629×104t，用實(shí)際行動(dòng)踐行了綠色發(fā)展理念，助力了綠色礦山建設(shè)。

3 氣井帶壓作業(yè)未來發(fā)展機(jī)遇

根據(jù)集團(tuán)公司頁巖氣、致密氣等非常規(guī)氣的發(fā)展規(guī)劃，每年約有2 500口新井需要進(jìn)行帶壓完井作業(yè)，約有300口老井需要進(jìn)行帶壓修井作業(yè)，帶壓完井、修井作業(yè)年完成工作量達(dá)到1 700余井次，占市場(chǎng)需求的60%，產(chǎn)值約5.6 億元，目前市場(chǎng)仍處于不飽和狀態(tài)，帶壓作業(yè)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用及效益發(fā)展前景廣闊，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 水平井鉆磨技術(shù)

國(guó)內(nèi)水平井水平段長(zhǎng)度不斷增加，連續(xù)油管作業(yè)局限性日益凸顯，大部分連續(xù)油管在超長(zhǎng)水平段中無法有效進(jìn)行鉆磨作業(yè)。目前國(guó)內(nèi)2"連續(xù)油管水平段鉆磨橋塞長(zhǎng)度普遍小于3 100 m，統(tǒng)計(jì)的川渝頁巖氣15口“上翹”水平井作業(yè)，最大井斜范圍94°～108°，100%遭遇自鎖，最終僅4 口井下入率小于90%。大慶、長(zhǎng)慶頁巖油“大水垂比” 水平井通洗井、沖砂作業(yè)，水垂比接近或大于1 的情況下，Φ60.3 mm連續(xù)管水平段最大下深僅1 500 m，Φ50.8 mm連續(xù)管水平段最大下深至778 m即發(fā)生卡鉆。

對(duì)國(guó)外上千口帶壓鉆磨作業(yè)井的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，帶壓作業(yè)機(jī)水平井鉆磨解決了連續(xù)管在水平段作業(yè)摩擦力大、管柱自身無法旋轉(zhuǎn)易在環(huán)空堆積碎屑造成卡鉆的問題，帶接箍的工作管柱可降低水平段阻力，管柱旋轉(zhuǎn)有助于加強(qiáng)碎屑的橫向流動(dòng)，即提高了作業(yè)效率，又可減少工作液化學(xué)藥劑的使用和成本。帶壓作業(yè)水平井鉆磨在國(guó)外的成功應(yīng)用為國(guó)內(nèi)水平井鉆磨拓展了思路。

目前國(guó)內(nèi)配置的帶壓作業(yè)機(jī)最大舉升力達(dá)到154 t、最大下壓力達(dá)到77 t，舉升、下壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過連續(xù)油管設(shè)備。下入帶有接箍的管柱可以有效減少摩阻、防止管柱屈曲，采用井下動(dòng)力鉆具和帶壓作業(yè)機(jī)轉(zhuǎn)盤配合旋轉(zhuǎn)鉆磨的方式進(jìn)行井筒鉆磨和清潔，能有效提高鉆磨效率和環(huán)空雜質(zhì)清理能力。井下工具串結(jié)構(gòu)推薦使用磨鞋+馬達(dá)+循環(huán)短節(jié)+丟手工具+震擊器+單流閥的工具串組合。作業(yè)管柱可選用Φ60.3 mm 和Φ73 mm 油管，扣型推薦使用扭矩較高的特殊扣。

3.2 高壓完井技術(shù)

國(guó)內(nèi)非常規(guī)氣正處于大開發(fā)階段，大量非常規(guī)氣井在鉆磨橋塞后井口壓力達(dá)到40～50 MPa，主要采用在氣井產(chǎn)量降低后再帶壓下入管柱的助產(chǎn)開發(fā)手段，部分井因地層壓力衰減無法排出井筒液導(dǎo)致產(chǎn)層水淹，后續(xù)即便是帶壓下入完井管柱，也需要采取氣舉或其他措施實(shí)現(xiàn)復(fù)產(chǎn)，開發(fā)成本進(jìn)一步增加。非常規(guī)氣井普遍采用套管生產(chǎn)，地層壓力衰減后地層排出的壓裂砂或巖屑無法排至地面，導(dǎo)致在造斜段堆積或堵塞井筒，帶壓下管柱過程中易造成卡鉆等故障復(fù)雜［13］。

北美部分氣井利用高壓完井技術(shù)，在鉆完橋塞后，井口壓力介于35～70 MPa 時(shí)進(jìn)行帶壓作業(yè)完井，有效提升了非常規(guī)氣井產(chǎn)量挖潛的能力。在排液初期下入完井管柱，能進(jìn)一步提高氣井排液、排砂能力，維持氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，EUR 最大能提高50%以上，助力非常規(guī)氣井高效開發(fā)。

國(guó)內(nèi)在井口壓力大幅度衰減后再下入管柱提高產(chǎn)量，部分井已經(jīng)存在壓裂砂或巖屑堵塞井筒，下入管柱后的增產(chǎn)效果遠(yuǎn)低于排液初期下入管柱。為了進(jìn)一步提高非常規(guī)氣井單井產(chǎn)量，可推廣國(guó)外高壓下完井管柱的產(chǎn)能挖潛方式，提高初期排液采氣能力，降低井筒堵塞，最大程度地維持氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

雖然國(guó)內(nèi)帶壓設(shè)備最高工作壓力已達(dá)到105 MPa，但管柱安全無支撐長(zhǎng)度與作業(yè)壓力呈線性關(guān)系，作業(yè)壓力越高，管柱安全無支撐長(zhǎng)度越短，現(xiàn)有設(shè)備的固定無支撐長(zhǎng)度為1.6 m。管柱安全無支撐長(zhǎng)度一旦小于1.6 m，即無法實(shí)施帶壓作業(yè)，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)備的升級(jí)，提升設(shè)備全行程管柱扶正能力，保障高壓作業(yè)條件下管柱能安全下入到井筒內(nèi)；此外還需要進(jìn)一步加強(qiáng)內(nèi)堵塞工具優(yōu)化，推薦使用多個(gè)同壓力等級(jí)、不同類型的內(nèi)堵塞工具進(jìn)行作業(yè)，避免同類型工具同時(shí)失效、發(fā)生井噴的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)高壓井施工還需要配套多組高強(qiáng)度卡瓦，防止在施工過程中卡瓦損壞后，發(fā)生管柱落井或飛出事件。

3.3 帶壓修井技術(shù)助力老井挖潛增產(chǎn)

隨著氣田開發(fā)的深入，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田、西南油氣田、塔里木油田、青海油田等主力氣田進(jìn)入了中后期開采階段，地層壓力低，長(zhǎng)慶油田90%的氣井井口壓力介于3～8 MPa，主力開發(fā)層系地層壓力系數(shù)介于0.76～0.95；西南油氣田石炭系、二、三疊系老氣田60%的氣井井口壓力低于3 MPa，地層壓力系數(shù)介于0.3～0.5；青海澀北氣田大部分氣井井口壓力介于3～7 MPa，地層壓力系數(shù)在0.8以下的井占總井?dāng)?shù)的91%。這些氣田通過常規(guī)壓井修井實(shí)現(xiàn)老井挖潛、老井維護(hù)作業(yè)時(shí)都面臨地層壓力低、地層污染、地層產(chǎn)量低、產(chǎn)能恢復(fù)難、井控風(fēng)險(xiǎn)較大等問題，大部分氣井想修井而不敢修，這是部分氣井帶病生產(chǎn)甚至提前報(bào)廢的主要原因［14-15］。氣井帶壓作業(yè)不需要壓井，避免了壓井液的大量漏失，既保護(hù)儲(chǔ)層不受傷害，又保護(hù)了氣井產(chǎn)能，且不影響氣井的正常采氣，很好地解決了“產(chǎn)量”與“修井”的矛盾，是老井挖潛、維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最佳選擇。

老井井內(nèi)管柱結(jié)垢、腐蝕、蠟堵、井下節(jié)流器堵塞、柱塞卡阻等情況較為普遍。帶壓修井的前提是要實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)堵塞，再進(jìn)行后續(xù)處置，管柱內(nèi)壁結(jié)垢后易造成內(nèi)堵塞工具密封不嚴(yán)，為了保證內(nèi)堵塞工具的密封效果，在內(nèi)堵塞作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行管壁清潔；腐蝕會(huì)造成管柱穿孔，若不進(jìn)行管柱檢測(cè)直接進(jìn)行堵塞，需要多次投堵才能堵塞成功，因?yàn)椴糠致c(diǎn)即便是采用管柱測(cè)井也難以發(fā)現(xiàn)，因此建議機(jī)械測(cè)漏技術(shù)和測(cè)井技術(shù)配合使用，能較為準(zhǔn)確地查找管柱漏點(diǎn)，為腐蝕穿孔管柱造成內(nèi)堵塞提供依據(jù)。老井管柱腐蝕點(diǎn)多，難以實(shí)現(xiàn)多次堵塞起出管柱，可選用帶壓切割、倒扣等方式完成穿孔管柱的分段起出。井口組合自下而上推薦使用大閘門+試壓四通+安全半封+全封閘板+剪切閘板+卡瓦裝置+切割裝置+全封閘板+帶壓作業(yè)機(jī)的設(shè)備組合（圖4）；部分井管柱上存在長(zhǎng)工具串，可在井口安裝工作筒增加環(huán)形至全封位置的工作窗長(zhǎng)度，采用切割+倒扣+密封打撈的方式完成長(zhǎng)工具串的處理。

圖4 帶壓切割作業(yè)井口組合圖

3.4 液壓修井技術(shù)助力修井作業(yè)降本增效

與修井機(jī)作業(yè)相比，帶壓作業(yè)機(jī)具有占地面積小、道路運(yùn)輸要求低、井場(chǎng)和道路基建工作量小等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。老井井場(chǎng)一般較小、道路較窄，利用帶壓作業(yè)機(jī)進(jìn)行老井液壓修井作業(yè)可大幅度降低井場(chǎng)及道路基建費(fèi)用。集團(tuán)公司每年有大量老井需要進(jìn)行廢棄治理和挖潛作業(yè)，未來可大量應(yīng)用帶壓作業(yè)機(jī)代替修井機(jī)作業(yè)，從而能大幅度降低油氣田修井作業(yè)成本，助力老井挖潛。

應(yīng)用于廢棄井封堵，可采用帶壓作業(yè)機(jī)完成鉆塞+產(chǎn)層封堵，降低鉆圈閉塞的井控風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)使用連續(xù)油管進(jìn)行上部井段封堵可以提高封堵效率，降低作業(yè)成本。應(yīng)用于老井更換管柱，針對(duì)管柱無法內(nèi)堵的井，壓井后使用帶壓作業(yè)機(jī)起原井管柱，帶壓下入完井管柱，可減少壓井液漏失50%以上，降低產(chǎn)層污染，最大限度地維持氣井產(chǎn)能；針對(duì)管柱能夠內(nèi)堵的井，全程使用帶壓作業(yè)進(jìn)行修井，助力老井穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。應(yīng)用于井筒清潔，采用螺桿+轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行井筒清潔，施工泵壓遠(yuǎn)低于連續(xù)油管洗井泵注壓力，可最大限度地減小泵注設(shè)備和循環(huán)流程損耗，沖洗攜砂能力更強(qiáng)，降低工作液漏失，作業(yè)井深也能得到進(jìn)一步的提升。

3.5 帶壓作業(yè)數(shù)字化升級(jí)助力帶壓高效安全生產(chǎn)

氣井帶壓作業(yè)主要在井口帶壓狀態(tài)下進(jìn)行作業(yè)，發(fā)生事故后操作人員會(huì)直接面對(duì)高壓流體的沖擊，天然氣易燃易爆，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)較高。目前帶壓作業(yè)設(shè)備都配備了逃生系統(tǒng)，通道口加寬平臺(tái)踏板防火隔熱設(shè)計(jì)，避免人員遭受井口火焰灼燒；雙向逃生通道設(shè)計(jì)，避免人員穿越著火位置逃生；逃生裝置防火設(shè)計(jì)，避免逃生裝置著火失效；拉式柔性逃生設(shè)計(jì)，人員無需佩戴保險(xiǎn)帶便能快速逃生至安全地帶，操作人員的安全得到了有效保障。

作業(yè)人員在井口操作安全風(fēng)險(xiǎn)高，目前隊(duì)伍發(fā)展較快，現(xiàn)有成熟操作手嚴(yán)重缺乏，后備操作手選拔困難，且成熟操作手培養(yǎng)周期長(zhǎng)，依靠新訓(xùn)操作手操作安全風(fēng)險(xiǎn)高，依靠人員操作的模式已不適應(yīng)未來自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化發(fā)展需求。

為了持續(xù)推進(jìn)帶壓作業(yè)安全生產(chǎn)，需加快氣井帶壓作業(yè)遠(yuǎn)程和自動(dòng)化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)操作平臺(tái)無人化，降低作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)，提高惡劣天氣條件下帶壓作業(yè)能力。推進(jìn)帶壓作業(yè)自動(dòng)化建設(shè)，依靠人工智能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化帶壓作業(yè)，降低人員誤操作風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率；推進(jìn)帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及控制技術(shù)研究，提高帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)智能識(shí)別與控制能力，為保障帶壓高效安全生產(chǎn)提供支撐。

4 結(jié)束語

近年來，國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，形成帶壓完井和修井兩大技術(shù)系列，裝備數(shù)量、工作量和技術(shù)保障能力屢創(chuàng)新高。對(duì)比國(guó)內(nèi)外氣井帶壓技術(shù)，國(guó)內(nèi)氣井帶壓技術(shù)雖取得了一定成績(jī)，但還有很大的潛力可以挖掘，在水平井鉆磨、高壓完井、帶壓修井、液壓修井等方面仍然大有可為。氣井帶壓作業(yè)市場(chǎng)前景廣闊，需要進(jìn)一步加快帶壓修井技術(shù)、遠(yuǎn)程和智能化裝備、完井和修井工具等方向的攻關(guān)，打造具有中國(guó)特色的氣井帶壓作業(yè)技術(shù)。