水平井常规油管井下动力钻塞技术研究

2015-10-17唐梅荣王文雄

特种油气藏 2015年2期

安杰，赵乐，唐梅荣，王文雄，王丹

(中油长庆油田分公司，陕西西安 710021)

引言

水平井速钻桥塞体积压裂［1］是国外非常规油气藏改造的主体技术［2－3］，实现了致密油气资源的高效开发。长庆油田累计实施水平井速钻桥塞体积压裂43口井367段1480簇，单井产量较直井提高5～10倍，施工周期缩短50%以上，增产提速效果明显。该工艺压裂后需要钻塞，国外主要采用连续油管设备钻塞［4］，由于在长水平段存在“自锁点”，无法有效钻进，且长庆油田沟壑纵横的道路条件，难以满足大型设备动迁的条件，且费用昂贵，因此，连续油管钻塞受限。大修钻铣作业在直井修井、钻水泥塞中应用较多［5－7］，但在水平井钻磨复合桥塞中尚无经验可借鉴，且存在井控安全风险和难点。因此，压裂后钻塞成为制约速钻桥塞体积压裂技术扩大应用的技术瓶颈，为解决这一问题，开展了在水平井中使用常规油管井下动力钻磨复合桥塞的研究。

1 工艺管柱结构及工艺原理

工艺管柱采用常规油管井下动力装置:常规倒角油管+反循环阀+双瓣单向阀+C5LZ95X7.0Ⅱ－W螺杆马达+六刃高效磨鞋(图1)。

图1 工艺管柱结构图

工艺原理:地面流程中(图2)，钻磨液经过沉砂罐、低压过滤器净化处理后，由地面压裂泵车提供动力进行循环，通过高压过滤器再次净化后，经油管传递到井下工具，由螺杆马达将泵车提供的水力液压能转换成动能，带动磨鞋高速旋转，对井内复合桥塞进行削磨，将其磨铣成细小碎屑，碎屑被具有高流速和悬浮性能的钻磨液从环空携带出来，直至钻完桥塞，达到清理井筒的作用［8－9］。

2 钻磨工艺关键技术

2.1 YQY易钻复合桥塞

钻磨效率的提高，主要决定于桥塞的可钻性，因此，自主研发了YQY易钻复合桥塞(图3)。

(1)结构和原理。YQY易钻复合桥塞主要由中心管、卡环、卡瓦、锥体、密封组件、接头、破裂销钉和压裂可溶解球等构成。工作原理:利用电缆将其输送到井筒预定位置，火药爆破产生的能量促使坐封工具与桥塞脱离，同时在压力作用下上下卡瓦紧固在套管内壁上，胶筒膨胀并密封，完成坐封。

图2 工艺地面流程图

图3 YQY易钻复合桥塞

(2)技术特点。YQY复合桥塞在材料和结构上进行了优化设计，保障了桥塞的易钻性。普通桥塞使用金属材料，密度大，不利于返屑，且强度高钻磨困难。YQY复合桥塞采用“复合材料+金属”设计思路，优选碳纤维增强环氧树脂复合材料，具有高强度、低密度、易钻磨等特点，节省了钻磨时间，轻量化磨屑有利于返排，不堵塞管柱。采用“防护胶筒+密封胶筒”组合密封，单向双卡瓦锚定，保证了桥塞坐封稳定性，上、下接头的设计可相互咬合，防止钻磨时桥塞堆积旋转打滑，提高了钻磨效率。

(3)主要技术参数。最大外径为108 mm，最小内通径为20 mm，长度为800 mm，在120℃环境中可耐压70 MPa。室内模拟实际工况进行钻塞实验，钻磨时间小于30 min。

2.2 高效磨鞋的研发

钻复合桥塞与钻水泥塞和井下落物不同，针对以往磨鞋成本高、效率低、返屑通道窄、易磨损的缺陷，设计研发了低成本六刃高效磨鞋(图4)。

技术特点:磨鞋本体为整体铣制，内腔中有斜向直通式水道;底部布置“L”型导流槽六刃翼，齿柄间隙相位为60°，合理的布局使得钻磨碎屑粒度适中，返屑效果好，不易卡钻;磨料采用高品质的合金YD材料，刀翼基体的前立面上并排敷焊合金。该磨鞋导流能力强，效率高，不卡钻，机械寿命可达85 h，单次作业可钻除13个桥塞。

图4 高效磨鞋结构示意图

技术参数:本体外径为95.3 mm，合金部分最大外径为116 mm，水眼个数为6个，水眼尺寸为12 mm，纽扣合金硬度为90.5～91.0 HRA，YD合金硬度为89.0～91.0 HRA，上接头螺纹(公)规格为73 mmREG。

2.3 钻磨工艺参数优化

(1)钻压设计。采用“低钻压、高转速、小进尺”设计方式，尽可能将桥塞钻磨成细小的碎屑，便于钻磨液携带返出井口。钻压等于入井管柱重力减去井口拉力，将管柱划分为微单元进行受力分析，向上迭代计算静态条件下拉力及动态条件下的摩阻力，综合推荐钻压为0.8～2.4 kN，司钻送钻量每次控制在1～2 cm。

(2)排量优化。以压裂陶粒为研究对象，采用牛顿－雷廷格计算法和莫尔计算法分别计算直井段砂粒沉降速度、斜井段环空止动返速和水平段砂粒的瞬时启动流速，获得砂粒的瞬时启动流速后，计算直井段、斜井段、水平段不同阶段的排量，确定出最小理论排量为492 L/min。

在满足上返携屑最小流速的前提下尽可能采取大排量，排量大则转速增大，容易带出碎屑，不易卡钻，最大排量按照螺杆马达额定排量的0.95计算。试验表明排量在750～800 L/min，返出碎屑有橡胶块、复合材料、铝合金和卡瓦铁块等，基本包含复合桥塞所有材质，现场返屑效果较好。

(3)泵压控制。为避免钻压过大导致憋泵和油管反转现象，设置预警泵压。通过现场试验制定经验公式:钻磨泵压为自由循环泵压上浮1.5～2.0 MPa(根据螺杆马达额定最大压降决定)。

3 现场应用

现场试验9口井，最长水平段长1604 m，钻磨桥塞77个，其中一趟钻施工5口井，单趟钻具可钻磨13个桥塞，施工成功率为100%，钻磨效率较高，成本较连续油管降低60%。

以西平242－62井为例。该井生产套管为Ø139.7 mm，井深为3883 m，水平段长1500 m，井眼轨迹较为复杂，入井YQY桥塞13个。入井钻具组合为:Ø73 mm倒角油管+Ø98 mm反循环阀+Ø98 mm双瓣单流阀+Ø95 mmC5LZ95X7.0Ⅱ－W螺杆马达+Ø116 mm六刃高效磨鞋。施工参数:采取“冲削式”钻塞技术模式，钻压为1.6～1.8 kN，排量为 780～800 L/min，泵压为 11.5～13.5 MPa。施工效果:使用一趟钻具钻磨13个桥塞，施工成功率为100%，钻磨周期为5 d，现场应用表明该技术钻磨复合桥塞效果较好。