連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)研究與應(yīng)用

于 洋

（中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽 457164）

涪陵頁巖氣田目前主要采用“泵送橋塞-射孔聯(lián)作”工藝進(jìn)行分段壓裂改造，而壓裂完成后需進(jìn)行鉆削橋塞作業(yè)［1］。連續(xù)油管鉆塞技術(shù)以其快速、連續(xù)、可帶壓作業(yè)等優(yōu)勢，在涪陵頁巖氣田得到了大規(guī)模應(yīng)用［2］。通過分析已施工井的數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)我國頁巖氣井鉆塞作業(yè)普遍存在如下問題：①鉆塞效率低。平均單支橋塞的鉆除時間在2 h 左右，目前雖然技術(shù)有所改進(jìn)，但平均單支橋塞鉆塞周期依然長達(dá)30 ～60 min 左右，而國外已經(jīng)達(dá)到5～10 min。②鉆塞施工經(jīng)常面臨各種因素造成的卡鉆等事故，增加了施工成本和安全風(fēng)險。

對于連續(xù)油管鉆塞技術(shù)的研究前人做了很多努力，逄仁德等人［3］對連續(xù)油管鉆磨橋塞技術(shù)的工藝與參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整及優(yōu)化，形成了完整的工藝方案；鄒先雄等人［4］深入分析總結(jié)了能夠影響連續(xù)油管鉆塞效率的因素；孫兆巖等［5］通過多種技術(shù)的集成應(yīng)用及優(yōu)化，顯著地提高了現(xiàn)場的鉆塞效率；廖偉宇等［6］針對新疆油田提出了一種連續(xù)油管泡沫鉆塞液的初步配方。目前對于連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)的研究較少，而該技術(shù)與常規(guī)鉆塞技術(shù)相比，由于泡沫鉆塞液具有密度小、低漏失、攜帶能力強等諸多優(yōu)點，能更有效地將橋塞碎屑攜帶至地面，因此研究一種適應(yīng)頁巖儲層的連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)是十分必要的。

通過室內(nèi)實驗、理論研究以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，優(yōu)選了起泡劑與穩(wěn)泡劑，確定了泡沫鉆塞液配方體系并對其性能進(jìn)行了評價，優(yōu)化了對應(yīng)鉆塞工藝的關(guān)鍵工具與關(guān)鍵參數(shù)，最終形成了一套連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)，并在涪陵頁巖氣田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果證明該技術(shù)可以在頁巖氣儲層提高鉆除橋塞工作效率，降低事故率。

1 泡沫鉆塞液配方體系研究

泡沫鉆塞液的主要成分包括氣體、起泡劑、穩(wěn)泡劑以及輔助處理劑。各種添加劑的性質(zhì)與含量決定了泡沫鉆塞液的穩(wěn)定性、攜帶性等性質(zhì)能否滿足現(xiàn)場實際作業(yè)的要求。

為實現(xiàn)連續(xù)油管鉆塞作業(yè)要求，泡沫鉆塞液必須具有很高的發(fā)泡和穩(wěn)泡能力，并具有抗溫、抗鹽能力，為此需對起泡劑和穩(wěn)泡劑進(jìn)行優(yōu)選。

1.1 起泡劑優(yōu)選

起泡劑性能主要從兩方面進(jìn)行評價，一是起泡能力，另一方面是穩(wěn)定性；評價起泡能力的主要參數(shù)是發(fā)泡體積V，評價泡沫穩(wěn)定性的參數(shù)主要是半衰期t1/2［7］。本實驗采用Waring Blender 法來測定這兩個參數(shù)；同時還需測試起泡劑溶液的表面性能、耐溫能力和耐鹽能力。

考慮外觀、溶解性、來源及價格等因素，初步篩選了4個起泡劑樣品，分別為DP、WL、JY、SPR，并將它們配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液。

1.1.1 起泡劑溶液表面性能

低表面張力是泡沫形成和穩(wěn)定的前提。利用界面張力儀測試不同起泡劑樣品的表、界面張力，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 起泡劑溶液表面性能對比

由圖1測試結(jié)果可知，起泡劑DP 具有最低的表面張力和界面張力，但其他3 種起泡劑溶液的表面張力也都在28 mN/m 左右，性能也能夠滿足起泡要求，因此需兼顧起泡、穩(wěn)泡、耐溫、耐鹽等其他性能對起泡劑進(jìn)行優(yōu)選。

1.1.2 起泡劑發(fā)泡及穩(wěn)泡能力評價

采用Waring Blender 法，分別取不同起泡劑樣品溶液100 mL 置于攪拌器中，1 400 r/min 攪拌10 min，將泡沫液立即轉(zhuǎn)移到500 mL量筒中，測試發(fā)泡體積V和半衰期t1/2（析出50 mL 液相所需時間），測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 起泡劑發(fā)泡體積及半衰期測試結(jié)果

由圖2 可知，起泡劑WL 雖然發(fā)泡體積最大，為618 mL，但半衰期低于5 min，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；其它3 種樣品發(fā)泡體積比較接近，但DP 半衰期相對偏短。兼顧發(fā)泡體積和半衰期，起泡劑JY、SPR 性能較好。

1.1.3 起泡劑耐溫能力評價

將4 種起泡劑樣品溶液，分別在90 ℃和120 ℃條件下放置24 h，然后再測試溶液的發(fā)泡體積和半衰期，以此來評價起泡劑的耐溫性。測試結(jié)果如表1所示。

由表1測試結(jié)果可知，隨著放置溫度的升高，起泡劑溶液的發(fā)泡體積和半衰期都有不同程度的降低；相對而言，SPR 溶液的發(fā)泡體積和半衰期最穩(wěn)定，JY次之。

表1 起泡劑耐溫性測試結(jié)果

1.1.4 起泡劑耐鹽能力評價

取涪陵工區(qū)不同區(qū)塊的返排水分別配制起泡劑溶液，測試發(fā)泡體積V和半衰期t1/2，測試結(jié)果如表2所示。

由表2 測試結(jié)果可知，起泡劑在鹽水溶液中的發(fā)泡體積和半衰期都有不同程度的下降；對比可見，起泡劑JY在鹽水中穩(wěn)定性最佳。

表2 起泡劑耐鹽性測試結(jié)果

通過分析以上評價測試的結(jié)果，JY 起泡劑具有低表面張力（27.48 mN/m）和低界面張力（0.91 mN/m），較強的發(fā)泡能力以及較好的耐溫和耐鹽性能，故選擇起泡劑JY作為泡沫鉆塞液所用的起泡劑。

1.2 穩(wěn)泡劑優(yōu)選

泡沫體系的穩(wěn)定性必然是需要優(yōu)先考慮的因素，這也是國內(nèi)外專家研究的重點［8］，同時，鉆塞液的摩阻也是必須要考慮的重要因素［9］。

因此從穩(wěn)泡和降阻兩個方面對穩(wěn)泡劑進(jìn)行優(yōu)選。室內(nèi)收集3 個有機穩(wěn)泡劑樣品：HPAM、HPG、CMC 以及納米級SiO2顆粒，分別進(jìn)行泡沫液降阻率、發(fā)泡性能、半衰期實驗，對穩(wěn)泡劑進(jìn)行優(yōu)選。

1.2.1 對泡沫液摩阻性能的影響

使用管路摩阻測試儀對泡沫液進(jìn)行降阻效果測試，降阻率計算參照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 14003.1-2015 頁巖氣壓裂液第1 部分《滑溜水性能指標(biāo)及評價方法》，在清水中加入優(yōu)選的起泡劑JY，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 %，加入0.1 %穩(wěn)泡劑樣品，記錄一定剪切速率下流經(jīng)測試管路的摩阻，相同實驗條件測試清水流過管路的摩阻，計算降阻率：

式中：F為降阻率，%；ΔP水為清水通過測試管路時的摩阻，kPa/m；ΔP為起泡劑溶液通過測試管路時的摩阻，kPa/m。

起泡劑溶液配方以及降阻率測試結(jié)果如表3所示。

表3 泡沫液降阻率測試結(jié)果

由表3 測試結(jié)果可以明顯看出，SiO2納米顆粒雖然也有一定的降阻作用，但與3 種有機類穩(wěn)泡劑相比還有一定的差距；因此選擇有機類穩(wěn)泡劑作為泡沫鉆塞液的穩(wěn)泡劑，從穩(wěn)泡劑對體系發(fā)泡能力和半衰期的影響方面進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)選。

1.2.2 對泡沫液發(fā)泡能力和半衰期的影響

在清水中加入優(yōu)選的起泡劑JY，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%；分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的不同的穩(wěn)泡劑樣品，分別取起泡劑溶液100 mL 置于攪拌器中，以1 400 r/min 攪拌10 min，將泡沫液立即轉(zhuǎn)移到500 mL 量筒中，測試發(fā)泡體積V和半衰期t1/2，測試結(jié)果如表4所示。

表4 穩(wěn)泡劑對發(fā)泡體積及半衰期的影響測試結(jié)果

結(jié)合表4 的測試結(jié)果，加入0.1%HPAM 的溶液具有最長的半衰期以及不錯的發(fā)泡體積，因此選擇HPAM作為泡沫鉆塞液體系的穩(wěn)泡劑。

1.3 鉆塞液配方確定及性能評價

1.3.1 鉆塞液配方確定

對優(yōu)選的起泡劑JY 進(jìn)行不同加量下發(fā)泡體積的測試，確定其最佳加量。室內(nèi)分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%、1.0%、1.2%、1.5%的起泡劑溶液，分別取100 mL置于攪拌器中，1 400 r/min攪拌10 min，將泡沫液立即轉(zhuǎn)移到1 000 mL 量筒中，測試發(fā)泡體積V和半衰期t1/2，測試結(jié)果如表5所示。

表5 起泡劑JY加量優(yōu)化實驗結(jié)果

由表5 實驗結(jié)果可知，隨著起泡劑JY 加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的增加，半衰期呈逐步提高的趨勢，但從發(fā)泡體積看，起泡劑JY 的加量從1.2 %到1.5 %，發(fā)泡體積增幅較小，因此確定起泡劑JY 的最佳加量為1.2%。

在起泡劑加量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，測試優(yōu)選出的穩(wěn)泡劑HPAM 在0.08 %、0.10 %、0.12 %、0.15 %、0.18%加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）下，對泡沫液發(fā)泡能力及半衰期的影響，確定其最佳加量，具體測試結(jié)果如表6所示。

表6 穩(wěn)泡劑加量優(yōu)化實驗結(jié)果

表6顯示，隨著HPAM 加量的增加，泡沫液黏度呈上升趨勢，發(fā)泡體積呈下降趨勢，在0.15 %HPAM 的加量下，體系的半衰期已經(jīng)達(dá)到了120.6 min，繼續(xù)增加HPAM 加量至0.18%，泡沫體系半衰期只是略有上升，因此確定穩(wěn)泡劑HPAM 的最佳加量為0.15%。最終確定泡沫鉆塞液的配方為1.2%起泡劑JY+0.15%穩(wěn)泡劑HPAM，現(xiàn)場應(yīng)用時，可根據(jù)不同井深及施工排量，依據(jù)室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，對鉆塞液配方進(jìn)行微調(diào)。

1.3.2 泡沫鉆塞液半衰期評價

統(tǒng)計近兩年來井下特種作業(yè)公司施工的頁巖氣水平井資料，平均井深約4 500 m，套管內(nèi)徑114 mm，連續(xù)油管外徑50.8 mm，連續(xù)油管鉆塞施工時平均排量0.4～0.45 m3/min。通過鉆頭旋轉(zhuǎn)及地層氣流攪動形成的泡沫液，從鉆塞層段返排至井口的過程中需保持足夠的穩(wěn)定性才能起到攜帶碎屑的能力。通過計算，鉆塞液從井底返排至井口的時間約為80～100 min，因此要求鉆塞液形成的泡沫半衰期要至少大于100 min。

室內(nèi)測試了泡沫鉆塞液配方在室溫、鹽水（3 000 mg/L Ca+3 000 mg/L Mg，參考現(xiàn)場地層水礦化度）、高溫（120 ℃）老化后形成泡沫的發(fā)泡體積和半衰期，測試結(jié)果如表7所示。

由表7實驗數(shù)據(jù)可知，形成的泡沫鉆塞液配方，在高礦化度鹽水及高溫狀態(tài)下，能夠保持良好的泡沫穩(wěn)定性，滿足鉆塞施工要求。

表7 鉆塞液發(fā)泡體積及半衰期測試結(jié)果

2 泡沫鉆塞工藝優(yōu)化

為滿足現(xiàn)場作業(yè)的需要，對泡沫鉆塞工藝進(jìn)行優(yōu)化。影響鉆塞效率的因素眾多，涪陵頁巖氣現(xiàn)場作業(yè)情況顯示，螺桿馬達(dá)、磨鞋等關(guān)鍵工具以及排量、鉆壓及上提速度等施工參數(shù)是主要因素。

2.1 關(guān)鍵工具優(yōu)化

連續(xù)油管鉆橋磨工具串一般為：連續(xù)油管+連接接頭+雙瓣式單流閥+安全接頭+震擊器+螺桿馬達(dá)+磨鞋［10］，連續(xù)油管尺寸一般為?50.8 mm。磨鞋與螺桿馬達(dá)是工具串最核心的部分，對鉆磨效率的影響最明顯。

2.1.1 磨鞋

磨鞋外徑尺寸的選擇必須要適宜，若尺寸過大，太過接近套管內(nèi)徑，則非常容易在井筒中遇阻，而尺寸太小則容易使產(chǎn)生的碎屑過大，影響順利返排并容易發(fā)生卡鉆等事故［11］。一般選擇比套管內(nèi)徑的尺寸小7～10 mm的磨鞋為最佳，不但可以充分滿足生產(chǎn)的需要，也不會對套管及磨鞋造成傷害。

常用于現(xiàn)場生產(chǎn)的橋塞主要有兩種：易鉆橋塞與可溶橋塞。綜合考慮磨鞋性能與現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，對于易鉆橋塞，選擇五翼平底磨鞋，保證鉆塞效率的同時可以使產(chǎn)生的鉆屑更容易被攜帶和返排；鉆磨可溶橋塞時應(yīng)使用外徑大于等于105 mm的凹底磨鞋。

2.1.2 螺桿馬達(dá)

螺桿馬達(dá)是螺桿鉆具的動力端，理想的螺桿馬達(dá)要具備高扭矩、大功率、轉(zhuǎn)速適宜與不容易發(fā)生事故等特點。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，性能可靠的等壁厚螺桿馬達(dá)是常用的選擇。其尺寸要與磨鞋大小匹配，轉(zhuǎn)速一般保持在230～360 r/min 之間，扭矩一般保持在800～1 000 N·m之間。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 排量

排量是連續(xù)油管鉆磨橋塞作業(yè)過程中最重要的參數(shù)，不僅關(guān)系到螺桿鉆具的工作狀態(tài)和鉆磨效率，而且影響環(huán)空返液的流速以及攜屑效果。

最小理論排量的確定，需要考慮水平井底磨屑上返經(jīng)過的三個井段：水平井段、斜井段和直井段，不同井段磨屑上返的情況不同［12］。結(jié)合逄仁德等人［1］及李宏乾等人［13］的研究及現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為傾斜井段，即井斜角在30～60°之間的井段，磨屑顆粒最難上返，故采用斜井段的臨界返速計算最低環(huán)空排量。實際施工過程中環(huán)空排量應(yīng)高于計算值。

磨屑上返所需最小排量為：

式中：Q為排量，m3/s；r1為環(huán)空外半徑，m；r2為環(huán)空內(nèi)半徑，m；v為斜井段臨界返速，m/s。

對于斜井段臨界返速的計算，利用劉希圣［13］提出的水平井巖屑床止動模型計算斜井段環(huán)空止動流速的公式：

式中:v2為環(huán)空止動返速，m/s;δ為環(huán)空流核寬度，m；d1為套管內(nèi)徑，m；d2為連續(xù)油管外徑，m；τ0為鉆磨動力液靜切力，Pa；K為鉆磨動力液稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流性指數(shù)。

2.2.2 鉆壓

施工中鉆壓的選取也極其重要，若鉆壓過大，磨鞋會深切入橋塞當(dāng)中，導(dǎo)致碎屑過大，進(jìn)而影響返排并容易卡鉆［14］，同時馬達(dá)很可能會因為蹩泵而停止工作，極大損害其壽命；而鉆壓過小，又無法保證足夠的鉆塞效率。

實踐證明磨鞋上施加5～7.5 kN 的力有利于鉆除橋塞。在現(xiàn)場實際生產(chǎn)中，水平井段由于自身結(jié)構(gòu)的原因，井筒更容易受損，一旦鉆壓過大導(dǎo)致其軸向力超過其正弦屈曲臨界力，就會發(fā)生螺旋屈曲，影響正常生產(chǎn)［15］。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，鉆進(jìn)時鉆壓一般保持在4～15 kN，最大也不能超過20 kN。

2.2.3 上提速度

連續(xù)油管上提掃屑過程中，近磨鞋處一般會形成較為復(fù)雜的紊流場，該流場伴隨連續(xù)油管的運動而運動，研究認(rèn)為該流場對磨屑顆粒的運移有一定的影響。圖3為近磨鞋處顆粒運動示意圖。連續(xù)油管上提過程中，磨屑顆粒會在近磨鞋處堆積，部分顆粒的軸向運動速度小于連續(xù)油管的上提速度，顆粒則在某一特定時刻進(jìn)入磨鞋前端紊流場，從而產(chǎn)生兩種不同的運動行為：①隨上部液流運動重新進(jìn)入磨屑移動顆粒群；②沉降于井筒一側(cè)成為固定顆粒。

圖3 近磨鞋處顆粒運動狀態(tài)

因此近磨鞋處的環(huán)空紊流場對內(nèi)管上提工況下顆粒的運移具有局部促進(jìn)作用，可以增加顆粒的紊動強度。

連續(xù)油管鉆磨復(fù)合橋塞上提洗井階段，上提速度與環(huán)空排量的確定是現(xiàn)場施工面臨的難題。利用全尺寸實驗裝置，模擬連續(xù)油管鉆塞井筒流體流動和橋塞磨屑顆粒的運移情況。使用不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩，將磨屑顆粒試樣分離成3 種顆粒，分別是：大顆粒（16～50 mm 粒徑）、中顆粒（10～16 mm粒徑）、小顆粒（＜10 mm 粒徑）。實驗測定一定排量下，水平段和傾斜段的不同粒徑顆粒的最優(yōu)內(nèi)管上提速度，有效實驗次數(shù)為220 次，結(jié)果見圖4 至圖7。

圖4 水平段不同粒徑與上提速度

圖5 傾斜段不同粒徑與上提速度

圖6 大顆粒在不同井段對比

圖7 小顆粒不同井段對比

分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水平段內(nèi)管上提速度分布在1～50 cm/s 范圍內(nèi)，環(huán)空液流速度分布在100～175 cm/s 范圍內(nèi)；傾斜段內(nèi)管上提速度分布在1～10 cm/s 范圍內(nèi)，環(huán)空液流速度分布在120～175 cm/s 范圍內(nèi)。同等環(huán)空液流速度下，顆粒粒徑越大，井斜角越小，則內(nèi)管上提最優(yōu)速度越小。結(jié)合現(xiàn)場施工，認(rèn)為如果磨屑顆粒的粒徑較大或在斜井段上提攜屑，則連續(xù)油管上提速度應(yīng)適當(dāng)減緩。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 總體應(yīng)用情況

2021 年12 月在涪陵油田現(xiàn)場應(yīng)用8 井次，成功鉆除共141支橋塞，包括99支可溶橋塞與42個易鉆橋塞，每級橋塞平均鉆磨時間為10.5 min，鉆塞時效提高了79.8 %，單井最高平均鉆磨速度達(dá)到4 min/個；自鎖復(fù)雜事故出現(xiàn)1 井次，事故率12.5%，降低了51.5%；平均單趟施工鉆磨橋塞數(shù)量11.8個。

3.2 典型井例

焦頁23-S1HF 井位于川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶焦石壩斷背斜。該井生產(chǎn)套管? 139.7 mm，完鉆井深4 772.00 m，垂深2 338.71 m，水平段為2 006 m。經(jīng)過壓裂后井內(nèi)存在共19 個橋塞，包括7 個可溶橋塞（1～7 號橋塞）與12 個易鉆橋塞（8～19號橋塞）。該井水平段井眼軌跡上傾，關(guān)井壓力較低，井有漏失不利于碎屑返排。

2021年8月9日—18日中原井下連續(xù)油管作業(yè)一隊完成焦頁23-S1HF 井鉆塞作業(yè)。完成井內(nèi)19級橋塞鉆磨，鉆磨橋塞完成率為100%，每級橋塞平均鉆磨時間10.5 min；期間沒有出現(xiàn)事故；下強磁打撈工具串2 趟，共打撈出金屬碎屑5.318 kg，地面捕屑器捕獲復(fù)合材料碎屑9.645 kg，全井綜合返屑率18.61%。與傳統(tǒng)的連續(xù)油管鉆塞技術(shù)相比，連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)工作效率明顯提高，效果良好。

4 結(jié)論

（1）針對當(dāng)前我國頁巖氣鉆塞作業(yè)效率低、事故風(fēng)險高等問題，提出了連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)。

（2）通過室內(nèi)實驗優(yōu)選泡沫鉆塞液的配方為1.2 %起泡劑JY+0.15 %穩(wěn)泡劑HPAM，并通過半衰期評價，證明可在現(xiàn)場施工過程中保持穩(wěn)定。

（3）結(jié)合理論研究、室內(nèi)實驗及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，優(yōu)化了連續(xù)油管泡沫鉆塞技術(shù)的磨鞋與螺桿馬達(dá)等關(guān)鍵工具以及排量、鉆壓、上提速度等關(guān)鍵參數(shù)。

（4）現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)的應(yīng)用可以使鉆塞時效提高79.8%，事故率降低51.5%。