水平井常規(guī)油管井下動力鉆塞技術(shù)研究

安 杰，趙 樂，唐梅榮，王文雄，王 丹

(中油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

引 言

水平井速鉆橋塞體積壓裂［1］是國外非常規(guī)油氣藏改造的主體技術(shù)［2－3］，實現(xiàn)了致密油氣資源的高效開發(fā)。長慶油田累計實施水平井速鉆橋塞體積壓裂43口井367段1480簇，單井產(chǎn)量較直井提高5～10倍，施工周期縮短50%以上，增產(chǎn)提速效果明顯。該工藝壓裂后需要鉆塞，國外主要采用連續(xù)油管設(shè)備鉆塞［4］，由于在長水平段存在“自鎖點”，無法有效鉆進，且長慶油田溝壑縱橫的道路條件，難以滿足大型設(shè)備動遷的條件，且費用昂貴，因此，連續(xù)油管鉆塞受限。大修鉆銑作業(yè)在直井修井、鉆水泥塞中應(yīng)用較多［5－7］，但在水平井鉆磨復(fù)合橋塞中尚無經(jīng)驗可借鑒，且存在井控安全風(fēng)險和難點。因此，壓裂后鉆塞成為制約速鉆橋塞體積壓裂技術(shù)擴大應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，為解決這一問題，開展了在水平井中使用常規(guī)油管井下動力鉆磨復(fù)合橋塞的研究。

1 工藝管柱結(jié)構(gòu)及工藝原理

工藝管柱采用常規(guī)油管井下動力裝置:常規(guī)倒角油管+反循環(huán)閥+雙瓣單向閥+C5LZ95X7.0Ⅱ－W螺桿馬達+六刃高效磨鞋(圖1)。

圖1 工藝管柱結(jié)構(gòu)圖

工藝原理:地面流程中(圖2)，鉆磨液經(jīng)過沉砂罐、低壓過濾器凈化處理后，由地面壓裂泵車提供動力進行循環(huán)，通過高壓過濾器再次凈化后，經(jīng)油管傳遞到井下工具，由螺桿馬達將泵車提供的水力液壓能轉(zhuǎn)換成動能，帶動磨鞋高速旋轉(zhuǎn)，對井內(nèi)復(fù)合橋塞進行削磨，將其磨銑成細小碎屑，碎屑被具有高流速和懸浮性能的鉆磨液從環(huán)空攜帶出來，直至鉆完橋塞，達到清理井筒的作用［8－9］。

2 鉆磨工藝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 YQY易鉆復(fù)合橋塞

鉆磨效率的提高，主要決定于橋塞的可鉆性，因此，自主研發(fā)了YQY易鉆復(fù)合橋塞(圖3)。

(1)結(jié)構(gòu)和原理。YQY易鉆復(fù)合橋塞主要由中心管、卡環(huán)、卡瓦、錐體、密封組件、接頭、破裂銷釘和壓裂可溶解球等構(gòu)成。工作原理:利用電纜將其輸送到井筒預(yù)定位置，火藥爆破產(chǎn)生的能量促使坐封工具與橋塞脫離，同時在壓力作用下上下卡瓦緊固在套管內(nèi)壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封。

圖2 工藝地面流程圖

圖3 YQY易鉆復(fù)合橋塞

(2)技術(shù)特點。YQY復(fù)合橋塞在材料和結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化設(shè)計，保障了橋塞的易鉆性。普通橋塞使用金屬材料，密度大，不利于返屑，且強度高鉆磨困難。YQY復(fù)合橋塞采用“復(fù)合材料+金屬”設(shè)計思路，優(yōu)選碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具有高強度、低密度、易鉆磨等特點，節(jié)省了鉆磨時間，輕量化磨屑有利于返排，不堵塞管柱。采用“防護膠筒+密封膠筒”組合密封，單向雙卡瓦錨定，保證了橋塞坐封穩(wěn)定性，上、下接頭的設(shè)計可相互咬合，防止鉆磨時橋塞堆積旋轉(zhuǎn)打滑，提高了鉆磨效率。

(3)主要技術(shù)參數(shù)。最大外徑為108 mm，最小內(nèi)通徑為20 mm，長度為800 mm，在120℃環(huán)境中可耐壓70 MPa。室內(nèi)模擬實際工況進行鉆塞實驗，鉆磨時間小于30 min。

2.2 高效磨鞋的研發(fā)

鉆復(fù)合橋塞與鉆水泥塞和井下落物不同，針對以往磨鞋成本高、效率低、返屑通道窄、易磨損的缺陷，設(shè)計研發(fā)了低成本六刃高效磨鞋(圖4)。

技術(shù)特點:磨鞋本體為整體銑制，內(nèi)腔中有斜向直通式水道;底部布置“L”型導(dǎo)流槽六刃翼，齒柄間隙相位為60°，合理的布局使得鉆磨碎屑粒度適中，返屑效果好，不易卡鉆;磨料采用高品質(zhì)的合金YD材料，刀翼基體的前立面上并排敷焊合金。該磨鞋導(dǎo)流能力強，效率高，不卡鉆，機械壽命可達85 h，單次作業(yè)可鉆除13個橋塞。

圖4 高效磨鞋結(jié)構(gòu)示意圖

技術(shù)參數(shù):本體外徑為95.3 mm，合金部分最大外徑為116 mm，水眼個數(shù)為6個，水眼尺寸為12 mm，紐扣合金硬度為90.5～91.0 HRA，YD合金硬度為89.0～91.0 HRA，上接頭螺紋(公)規(guī)格為73 mmREG。

2.3 鉆磨工藝參數(shù)優(yōu)化

(1)鉆壓設(shè)計。采用“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、小進尺”設(shè)計方式，盡可能將橋塞鉆磨成細小的碎屑，便于鉆磨液攜帶返出井口。鉆壓等于入井管柱重力減去井口拉力，將管柱劃分為微單元進行受力分析，向上迭代計算靜態(tài)條件下拉力及動態(tài)條件下的摩阻力，綜合推薦鉆壓為0.8～2.4 kN，司鉆送鉆量每次控制在1～2 cm。

(2)排量優(yōu)化。以壓裂陶粒為研究對象，采用牛頓－雷廷格計算法和莫爾計算法分別計算直井段砂粒沉降速度、斜井段環(huán)空止動返速和水平段砂粒的瞬時啟動流速，獲得砂粒的瞬時啟動流速后，計算直井段、斜井段、水平段不同階段的排量，確定出最小理論排量為492 L/min。

在滿足上返攜屑最小流速的前提下盡可能采取大排量，排量大則轉(zhuǎn)速增大，容易帶出碎屑，不易卡鉆，最大排量按照螺桿馬達額定排量的0.95計算。試驗表明排量在750～800 L/min，返出碎屑有橡膠塊、復(fù)合材料、鋁合金和卡瓦鐵塊等，基本包含復(fù)合橋塞所有材質(zhì)，現(xiàn)場返屑效果較好。

(3)泵壓控制。為避免鉆壓過大導(dǎo)致憋泵和油管反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，設(shè)置預(yù)警泵壓。通過現(xiàn)場試驗制定經(jīng)驗公式:鉆磨泵壓為自由循環(huán)泵壓上浮1.5～2.0 MPa(根據(jù)螺桿馬達額定最大壓降決定)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場試驗9口井，最長水平段長1604 m，鉆磨橋塞77個，其中一趟鉆施工5口井，單趟鉆具可鉆磨13個橋塞，施工成功率為100%，鉆磨效率較高，成本較連續(xù)油管降低60%。

以西平242－62井為例。該井生產(chǎn)套管為?139.7 mm，井深為3883 m，水平段長1500 m，井眼軌跡較為復(fù)雜，入井YQY橋塞13個。入井鉆具組合為:?73 mm倒角油管+?98 mm反循環(huán)閥+?98 mm雙瓣單流閥+?95 mmC5LZ95X7.0Ⅱ－W螺桿馬達+?116 mm六刃高效磨鞋。施工參數(shù):采取“沖削式”鉆塞技術(shù)模式，鉆壓為1.6～1.8 kN，排量為 780～800 L/min，泵壓為 11.5～13.5 MPa。施工效果:使用一趟鉆具鉆磨13個橋塞，施工成功率為100%，鉆磨周期為5 d，現(xiàn)場應(yīng)用表明該技術(shù)鉆磨復(fù)合橋塞效果較好。

4 結(jié)論與認識

(1)形成了水平井常規(guī)油管井下動力鉆塞技術(shù)，在長水平段、復(fù)雜井眼軌跡井通過配接正確鉆磨工具、控制合理參數(shù)能夠順利完成油管鉆磨復(fù)合橋塞作業(yè)，施工成功率為100%。

(2)研發(fā)的YQY易鉆復(fù)合橋塞耐高壓、耐高溫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料優(yōu)選等方面充分考慮可鉆性，從而大幅度提高了鉆磨工作效率。

(3)常規(guī)油管鉆塞井下工具組合具有簡單、安全、實用的特點;研發(fā)的六翼“L”型導(dǎo)流槽高效平底磨鞋，導(dǎo)流能力強，不易卡鉆、憋泵，耐磨性較好，可一趟鉆鉆磨13個橋塞。

(4)形成了油管鉆塞“沖削式”技術(shù)模式——“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量、高流速沖洗”。推薦排量為750～800 L/min，鉆壓為0.8～2.4 kN。

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