井筒漏失對橋射聯(lián)作施工的影響及對策

張秋冬 董擁軍 馬 闊 王英杰 林 鵬

1.中國石油集團(tuán)測井有限公司天津分公司 天津 300280

2.北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司 北京 102200

0 引言

近年來,煤層氣作為一項(xiàng)新興的能源,越來越受到人們的關(guān)注和重視,對其開發(fā)利用的工作力度也在逐年加大[1-2]。煤層氣橋射聯(lián)作施工中井筒漏失是影響工程質(zhì)量、安全的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，井筒漏失造成泵送過程井筒內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的兩相流狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致泵送失敗和工具串遇阻遇卡；井筒漏失速度過快導(dǎo)致橋塞座封時(shí)端面產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊效應(yīng)，可能導(dǎo)致電纜頭弱點(diǎn)斷脫，工具串落井；井筒嚴(yán)重漏失產(chǎn)生的空井筒現(xiàn)象，極易導(dǎo)致投球失敗及次生工程復(fù)雜。筆者針對井筒漏失問題，從確定漏失位置、漏失程度入手，通過模擬計(jì)算，確定不同井況下的安全施工邊界條件，總結(jié)2020—2022年5口井筒漏失井施工經(jīng)驗(yàn)，有針對性地制訂應(yīng)對井筒漏失的對策，有效地保證了井筒漏失井橋射聯(lián)作的施工安全。

1 井筒漏失位置及漏失速度的測定方法

1.1 井筒漏失位置的確定方法

發(fā)生井筒漏失首先要具備2個(gè)條件：①井筒內(nèi)的液柱壓力超過地層孔隙的流體壓力而導(dǎo)致井筒內(nèi)出現(xiàn)正壓差；②地層中溶洞、孔隙和裂縫的存在為井筒內(nèi)液體漏失提供了充足的液體容納空間和漏失通道。

施工中通過測井方法確定井筒漏失位置的方法主要有4種：

1）橋塞通井+磁定位。如果井筒漏失位置在射孔層位以上，則工具串無法泵送到位，通過遇阻深度結(jié)合井溫變化，可確定漏失位置。

2）井溫+自然伽馬+磁定位測井。關(guān)井后錄取靜止井溫資料，井口灌滿液后錄取注水井溫資料，井溫異常點(diǎn)就是井筒漏失位置（圖1）。

圖1 井溫測井曲線圖

3）多臂井徑+自然伽馬+磁定位測井。對井溫異常井段進(jìn)行多臂井徑測井，確認(rèn)是否存在套變套漏位置，即套管本體沒有明顯破損（圖2）。

圖2 多臂井徑測井曲線圖

4）井下電視測井。對井溫異常井段進(jìn)行井下電視測井，檢測套管接箍是否存在異常。

1.2 井筒漏失速度的測定方法

1.2.1 井筒漏失速度的分類

工程上，主要是用漏速和漏層吸收系數(shù)來描述井漏嚴(yán)重度（表1）。漏速，指單位時(shí)間內(nèi)的漏失量，用m3/h表示；漏層吸收系數(shù)，指用單位壓差下的漏速來衡量漏層的漏失能力。

表1 0°、90°井斜模擬數(shù)據(jù)表

1.2.2 橋射聯(lián)作現(xiàn)場井筒漏失速度的計(jì)算

采用泵送設(shè)計(jì)的最大排量灌滿井筒，通過觀察井口壓力變化確認(rèn)井筒是否存在漏失現(xiàn)象，從壓裂和循環(huán)洗井?dāng)?shù)據(jù)推算，漏點(diǎn)位置漏失量大，可估算出井口不同壓力條件下的井筒漏失量，判斷漏失類型，計(jì)算出單位時(shí)間井筒漏失速度[3]（圖3）。

圖3 循環(huán)洗井計(jì)算漏失量曲線圖

2 井筒漏失對泵送的影響及對策

橋射聯(lián)作壓裂施工結(jié)束后，由于壓裂層段漏失會(huì)導(dǎo)致井口壓力迅速下降，甚至出現(xiàn)空井筒的現(xiàn)象，下一段施工泵送前如果沒有提前灌滿井筒，泵送過程井筒內(nèi)必然出現(xiàn)復(fù)雜的兩相流狀態(tài)，工具串泵送排量難以控制，最終導(dǎo)致泵送失敗[4-5]。

2.1 空井筒導(dǎo)致泵送失敗案例分析

大吉XX井第4段工具串遇阻、遇卡。

2.1.1 事故經(jīng)過

大吉XX井第3段壓裂后中由于井筒漏失，導(dǎo)致橋射聯(lián)作工具串入井時(shí)，井內(nèi)液面距離井口達(dá)到1 800 m，工具串入井前，未及時(shí)確認(rèn)井筒漏失速度及液面深度。

第4段工具串入井后，未及時(shí)灌滿井筒，直接下至泵送起始深度，開始泵送后，排量無法穩(wěn)定，瞬間達(dá)到1.4 m3/min，空井筒下入過程的磨損及液體沖擊對橋塞造成破壞，導(dǎo)致工具串泵送開始不久即遇阻、上提工具串遇卡，造成工程復(fù)雜。

2.1.2 處理措施

1）原地座封，試圖解卡。因橋塞在井時(shí)間過長，并且橋塞已經(jīng)被破壞，原地座封解卡失敗。

2）10%氯化鉀溶液浸泡，使橋塞溶解。成功解卡。

2.2 井筒漏失井的泵送應(yīng)對措施

1）壓裂結(jié)束后，觀察井口壓力變化，如果壓力能穩(wěn)定在1 MPa以上，工具串可以正常入井，如果井口壓力快速降至1 MPa以下，工具串嚴(yán)禁入井；

2）采用泵送設(shè)計(jì)的最大排量灌滿井筒，通過觀察井口壓力變化確認(rèn)井筒是否存在漏失現(xiàn)象，如果井筒漏失速度超過0.5 m3/min，必須進(jìn)一步確認(rèn)漏失原因及漏失位置，計(jì)算漏失速度，施工中必須精確掌握井下張力數(shù)值變化，隨時(shí)增減泵送排量，保證施工安全[6]。

3 井筒漏失對橋塞座封的影響及對策

橋射聯(lián)作工具串泵送到位后，由于漏失導(dǎo)致井筒內(nèi)始終存在流體運(yùn)動(dòng)，在橋塞座封過程中隨著液體流通面積的減小，井筒內(nèi)流體對橋塞端面產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊效應(yīng)，推動(dòng)工具串下行，可能導(dǎo)致電纜頭弱點(diǎn)斷脫，工具串落井[7-8]。

3.1 井筒漏失井橋塞的選擇

3.1.1 無水眼橋塞

目前可溶橋塞分為無水眼和有水眼兩種類型，無水眼橋塞，座封前橋塞與套管內(nèi)壁間的環(huán)形空間（圖4a)是井筒內(nèi)液體的有效流通通道，座封后，環(huán)形空間完全閉合（圖4b)，橋塞兩側(cè)沒有液體流通通道，座封過程井筒內(nèi)流體對橋塞端面產(chǎn)生的水擊效應(yīng)比有水眼橋塞更大，不適合井眼軌跡上傾井和井筒漏失井的施工[9-10]。

圖4 無水眼橋塞座封前后液體流通面積變化示意圖

3.1.2 有水眼橋塞

有水眼橋塞座封前橋塞與套管內(nèi)壁間和橋塞水眼與適配器中心桿間的兩個(gè)環(huán)形空間（如圖5a)都是井筒內(nèi)液體的有效流通通道，橋塞座封后，橋塞與套管內(nèi)壁間的環(huán)形空間閉合，橋塞水眼與適配器中心桿間的環(huán)形空間仍為井筒內(nèi)液體的有效流通通道（如圖5b)，橋塞兩側(cè)液體流通暢通，緩解了座封過程井筒內(nèi)流體對橋塞端面產(chǎn)生的水擊效應(yīng)，適合井眼軌跡上傾井和井筒漏失井的施工[11]。

圖5 有水眼橋塞座封前后液體流通面積變化示意圖

3.2 井筒最大允許漏失速度模擬計(jì)算

通過對特定套管內(nèi)徑和橋塞結(jié)構(gòu)的工具串在不同井斜角度，采用無水眼和有水眼2種類型可容橋塞分別進(jìn)行計(jì)算，模擬橋塞座封脫手瞬間，即橋塞與套管內(nèi)壁間環(huán)形空間完全閉合[12-13]，橋塞水眼與適配器中心桿間的環(huán)形空間有效流通面積不變的情況下，保持工具串穩(wěn)定需要的最小上頂排量，保證橋塞座封瞬間電纜弱點(diǎn)安全的最大上頂排量，這個(gè)“最大上頂排量”就是在橋塞座封過程中能夠保證施工安全的井筒最大允許漏失速度，井筒漏失超過這個(gè)速度，橋射聯(lián)作無法安全施工[14-15]。

3.2.1 井筒及工具串參數(shù)

工具串液體中自重400 kg；

套管內(nèi)徑124.26 mm；

有水眼橋塞最大外徑112 mm，水眼直徑55 mm；

無水眼橋塞最大外徑112 mm，橋塞適配器中心桿直徑35 mm

電纜頭弱點(diǎn)最大允許拉斷力1 200 kg，90°以上井段，模擬時(shí)工具串靜止且纜頭張力為0。

3.2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

通過模擬計(jì)算得出結(jié)論：采用無水眼橋塞，90°井斜，井筒允許最大漏失速度0.5 m3/min；采用有水眼橋塞，90°井斜，井筒允許最大漏失速度1.22 m3/min。（圖6，表1）

圖6 井筒允許最大漏失速度模擬圖

直井，需要根據(jù)井深、井況及橋塞坐封時(shí)電纜張力再確定最大允許漏失速度，采用無水眼橋塞施工風(fēng)險(xiǎn)很大（表1）。

3）井眼軌跡上傾井，采用有水眼橋塞，井斜95°～110°，最小上頂排量0.55 m3/min，井筒允許最大漏失速度1.25 m3/min。（圖6，表2）

表2 井眼軌跡上傾井模擬數(shù)據(jù)表

3.3 井筒漏失井橋塞座封應(yīng)對措施

1）井筒漏失井橋射聯(lián)作施工必須采用帶水眼橋塞，緩解了座封過程井筒內(nèi)流體對橋塞端面產(chǎn)生的水擊效應(yīng)[16]。

2）井眼軌跡上傾井，壓裂結(jié)束后，觀察井口壓力變化，如果井口壓力快速下降，必須灌滿井筒，先確認(rèn)漏失原因及漏失位置，計(jì)算漏失速度不超過1.0 m3/min，再設(shè)計(jì)施工方案。

3）井眼軌跡上傾井，當(dāng)井筒漏失速度不超過0.5 m3/min時(shí)，橋塞座封時(shí)根據(jù)工具串所在位置的井斜，以及工具串的重量計(jì)算出在該位置受到的下滑力，根據(jù)下滑力計(jì)算出需要的上頂排量，施工中橋塞正常座封，電纜起出后無打扭變形。

4）當(dāng)井筒漏失速度超過0.5 m3/min時(shí)，無論井斜大小，必須根據(jù)井況、橋塞水眼有效流通面積認(rèn)真計(jì)算最大允許漏失速度，確認(rèn)安全后方可施工。

5）當(dāng)井筒漏失速度超過1.0 m3/min時(shí)，必須先采取堵漏措施，確認(rèn)井筒內(nèi)液面高度穩(wěn)定后才能進(jìn)行橋射聯(lián)作施工[17]。

4 井筒漏失對投放可溶球的影響及對策

井筒嚴(yán)重漏失產(chǎn)生的空井筒現(xiàn)象，導(dǎo)致在分級(jí)投放可溶球操作時(shí)，兩級(jí)閘門間無液體，呈現(xiàn)空洞狀態(tài)，球投下去后在下一級(jí)閥門處出現(xiàn)反彈跳躍進(jìn)入壓裂管匯內(nèi)，導(dǎo)致投球失敗。進(jìn)入壓裂管匯內(nèi)的可溶球在開井后再次進(jìn)入井筒內(nèi)，可能造成工具串遇卡等工程復(fù)雜[15]。

4.1 空井筒投球造成工程復(fù)雜

大吉—平X井第5段橋射工具串遇卡。

4.1.1 事故經(jīng)過

1）2021年3月23日第4段施工后，8:30左右開始泵送第1個(gè)可溶球，30 m3液量后無碰壓顯示，后又投第2個(gè)球進(jìn)行泵送，碰壓正常。

2）13:20第5段橋射工具串上提電纜至2 057 m，張力從1 532 lb正常張力迅速上漲至2 289 lb，CCL（節(jié)箍）曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)（圖7）停車下放電纜工具串運(yùn)行正常，后上提工具串遇卡。

圖7 射工具串上提時(shí)測得的CCL曲線圖

4.2.2 處理過程

1）針對井內(nèi)可能有異物堵塞造成遇卡，采用排量0.5～0.7 m3/min沖洗井筒驅(qū)散異物，無效果；

2）分別用?5 mm或?8 mm油嘴井口處放噴，工具串上提緩慢至1 658 m；

3）注入10%KCl溶液溶解遇卡物，工具串上提至1 349 m，再次遇卡下放不動(dòng)，在BOP上方打電纜卡后下放300 m電纜剪斷;

4)3月26日凌晨1:30插接完電纜后工具串起出井口，工具串結(jié)構(gòu)正常，無劃痕，推筒正常。

4.2.3 原因分析

1）卡物判斷：從KCl溶液浸泡32 h后，工具串能正常上提現(xiàn)象判斷，卡物為可溶物體。而整個(gè)井筒的可溶物只有橋塞和可溶球兩種物體。從起出的工具串觀察，橋塞工具工作正常，橋塞完全脫手，排除了橋塞卡工具串的可能性。因此，確定卡物為可溶球[18]。

2）第1個(gè)可溶球藏身位置判斷：由于可溶球的密度大于水，由于重力作用，球不可能藏身井筒的直立部分。最有可能位置是側(cè)翼或四通部位（圖8）。

圖8 可溶球在井口壓裂樹中藏身位置示意圖

對于投多球后會(huì)造成泵送工具串上提遇卡的技術(shù)認(rèn)識(shí)不夠，對低壓井的解卡方案需要進(jìn)一步完善，投第2個(gè)球時(shí)，對投入井筒的第1個(gè)球沒有相應(yīng)的處理措施。

4.3 井筒漏失井投球應(yīng)對措施

1）壓裂結(jié)束后立即投球，必須保證井筒內(nèi)充滿液體，對于壓裂后間隔一段時(shí)間再投球的情況，要先確認(rèn)井筒的壓力，如果沒有壓力必須灌滿井筒再投球[19]。

2）如果必須投第2個(gè)球，則首先要用變換排量的方式?jīng)_洗井筒及壓裂管匯，確認(rèn)第1個(gè)球不會(huì)二次落井[20]。

5 結(jié)論

煤層氣橋射聯(lián)作施工中井筒漏失是影響工程質(zhì)量、安全的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，井筒漏失過程中套管內(nèi)流體流速及井筒內(nèi)液面高度的變化對泵送排量、橋塞座封及井口投放可溶球等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工安全均可能造成嚴(yán)重影響。

針對井筒漏失問題，從確定漏失位置、漏失程度入手，通過模擬計(jì)算，確定不同井況下的安全施工邊界條件，有針對性地制訂應(yīng)對井筒漏失的對策，可以保證了井筒漏失井橋射聯(lián)作的施工安全。

隨著深層煤層氣的開發(fā)，結(jié)合煤層塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，不斷配套與之相適應(yīng)的地質(zhì)—工程一體化技術(shù)。