水平井连续油管高效钻磨技术研究

平恩顺， 张曙光， 胡永雄， 姜有才， 刘 位， 汪 强， 单茂青

(中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司)

近年来，随着页岩气、致密油气藏勘探开发的迅猛发展，泵送桥塞与射孔联作分段压裂技术作为一种新兴的水平井分段改造主体技术，已在国内外非常规油气藏分段压裂施工中得到广泛应用[1]。该项技术的主要特点是入井工具串简单、分段压裂层数不受限制等[2]。压裂后需要逐个安全高效得钻磨掉井筒内桥塞是恢复全通径井筒的关键环节，保障后续作业的顺利施工。国内一般采用连续油管带钻磨工具进行钻塞作业，普遍存在施工效率低、合理控制排量和钻压难、环空返速低、携岩效果差等问题[3]。本文通过分析连续油管钻磨工具的工作特性以及水平井携岩规律，优化了施工过程中的工作参数，形成了水平井连续油管高效钻磨技术方案，并在大港油田GD14H井进行现场应用，应用效果良好。

一、连续油管钻塞关键技术

如图1所示，连续油管钻磨桥塞工具串自上而下依次设计为：连续油管+铆钉式连接器+双瓣式单流阀+液压丢手+双向震击器+螺杆马达+磨鞋。其中螺杆马达、磨鞋和震击器是该工艺的关键技术，直接影响钻塞的施工效率和工具的使用寿命。

图1 连续油管钻磨桥塞工具串

1.磨鞋

施工过程中螺杆马达的选取应根据磨鞋的大小来决定[4]。作为钻磨工具的核心工具，磨鞋外径的选择应略小于套管内径8～10 mm为宜，既可以扶正钻头，又不会损伤套管。考虑到施工水平井所用套管内径139.7 mm，施工选择了Ø112 mm的平底磨鞋。平底磨鞋在钻磨桥塞时具有更大的接触面积，受力更加均匀，在磨鞋底部硬质合金块较小，钻磨产生的钻屑细且均匀，有利于钻屑的携带和返排。

2.螺杆马达

螺杆马达是一种基于莫锘原理的容积式井下动力机械。在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，单位时间内钻头输出的机械能(Ttωt)等于螺杆马达输入的水力能(ΔpQt)，则有[5]：

Ttωt=ΔpQt

(1)

根据容积式机械的转速关系，有：

(2)

(3)

(4)

当地层各向异性小且井眼保持清洁状况时[6]，螺杆钻具所需机械功率Pt可用钻压Wt表示为[7]：

(5)

联立式(4)和式(5)可得：

(6)

式中：Tt—螺杆马达理论转矩，N·m；ωt—钻头理论角速度，rad/min；Δp—螺杆马达进、出口的压力降，MPa；Qt—流经螺杆马达的流量，即循环液排量，m3/s；nt—钻头理论转速，即马达输出的转速，r/min；q—螺杆马达每转排量，是一个结构参数，m3/r；Pt—螺杆钻具功率，kW；kb—地层硬度系数；Wt—钻压，kN；db—钻头直径，m；x，y—常数指数。

由以上各式得出螺杆钻具的两个基本性能：

(1)理论转矩Tt与马达进、出口间的压降Δp成正比。马达的输出扭矩与马达的压降成正比。正常工作状态下，循环液压降随钻压的增大而增大。随着钻压逐步增加，循环液压力逐渐上升，压降也相应增大，扭矩增加的同时也增加了井底切削力矩；未达到临界钻压前，螺杆马达转速只是稍有下降，继续增加钻压，当钻压达到临界钻压，循环液在马达两端产生的压降达到临界值时，螺杆马达转速急剧降低到零，发生制动现象。这种情况对工具损害极大,应尽力避免。

(2)理论转速nt与循环液排量Qt成正比而与钻压无关。一般在钻进过程中，流进螺杆马达的循环液排量是不变的，螺杆马达转速只与流量有关而受钻压影响很小，因此螺杆马达转速基本不变，不会因为加大钻压而使钻头转速明显减小。

理论扭矩Tt和理论转速nt是螺杆马达最主要的输出参数，一起构成了螺杆钻具能量转换的载体[8]。通过参数对比，优选了具有高扭矩(850～950 N·m)、低转速(230～360 r/min)，使用寿命长、耐高温和耐冲击等优势，适合水平井作业的Ø73 mm等壁厚螺杆马达。

3.使用震击器

受连续油管限制，施工排量往往不高，钻塞过程中极易出现遇阻或卡钻现象，通过震击器可有效解决此类问题，防止更大事故的发生。在钻磨过程中一般采用上下双向震击器，当磨铣不彻底而导致上提连续油管遇卡时，通过震击器可产生上、下两个方向的附加震击力，有助于解卡。震击器的使用可有效增加管柱的蠕动，提高钻磨效率。

4.循环液的优选

钻磨循环液主要有三大功能：①通过流动为螺杆马达提供充足的动力来进行钻磨作业；②携带钻屑及井筒内其它固体颗粒；③降低摩阻，降低施工泵压。

连续油管钻磨循环液需要选择低摩阻、黏度大、携砂能力强、稳定性强以及可循环利用的液体介质。通过实验优化以滑溜水为基液配比0.5%胍胶，可有效增强循环液的环空携屑能力，液体降阻率达到65%以上。

5.井口捕屑器

在钻塞过程中，当大量钻屑返排出来时，容易出现堵塞放喷管线及油嘴的现象，需在地面出口安装捕屑器进行捕捞，不仅可以有效避免返排物堵塞地面设备，保证管线畅通，而且对循环液进行二次过滤，保证液体顺利快速的返排。

二、水平井连续油管高效钻磨参数优化

1. 排量设计

在水平井连续油管钻塞过程中，排量是保证能将岩屑携带出井口的重要参数，携岩规律是需要考虑的重要因素，其核心是准确计算岩屑颗粒的沉降速度，对携砂液的环空返速和施工排量起着决定性作用。在垂直井筒内流体携岩必须使岩屑处于悬浮状态，根据文献[9-11]垂直井筒紊流态下内悬浮于携砂液中的球形岩屑颗粒的沉降速度vt为[11]：

(7)

式中：dp—岩屑直径，m；vt—垂直井筒内岩屑的沉降速度，m/s；ρs，ρl—岩屑密度，携砂液密度，g/cm3。

考虑一定余量，采用垂直井筒内岩屑沉降速度的3倍作为水平井筒岩屑沉降速度vht比较合适[11]，即vht=3vt。

对于非垂直井筒，井斜角不同，临界携岩速度也不同。实验数据表明[12]，对于同一粒径的岩屑，倾斜角60°时临界携岩速度最大，现场实际应用时只需保证在井斜角60°时顺利携岩即可。不同岩屑直径下井斜角60°时的临界携岩速度大致是水平井筒内临界携岩速度的2倍[12]。

所以水平井筒临界携岩速度vhmin可归结为[11]vhmin=v60t=2vht=6vt那么以临界携岩速度来计算所需的携岩最低排量Qmin为：

Qmin=3600Avhmin=21600Avt

(8)

(9)

vd≥2vht，vdmin=2vht

(10)

vb=vdmin-vht=2vht-1.6vht=0.4vht=1.2vt(悬浮状态)

(11)

式中：vb—岩屑颗粒的上升速度，m/s；vd—携砂液的环空返速，m/s；vdmin—携砂液的最小环空返速，m/s。

则岩屑颗粒从井底上升到地面所需要的时间为：

(12)

式中：t—岩屑颗粒从井底上升至地面所需的时间，s；Di—套管内径，m；vt—紊流态下悬浮于携砂液中的岩屑沉降速度，m/s；A—上返流动截面积，m2；Qmin—水平井携岩所需最低排量，m3/h；di—连续油管外径，m；H—井深，m。

因此，为了提高携砂液的环空返速，应尽可能提高泵的排量, 或减小上返流动截面积，以提高携岩效率。

设油层套管内径为121.36 mm，连续油管外径为50.8 mm；井深1 000 m，岩屑粒径直径为2.3 mm，岩屑密度和携砂液密度分别为1.9 g/cm3和1.2 g/cm3。若设计岩屑2 h上返至地面，则携岩所需最低排量为Qmin=400 L/min。

因此，综合考虑螺杆钻具的最优性能参数，返排携屑效果以及现场实际应用，连续油管钻塞选用的工作排量一般为360～450 L/min。

2. 钻压设计

施工中钻压的选取尤为重要[13]。水平井受井身结构影响钻塞时连续油管指重表不能真实反映连续油管悬重，钻压不易控制。现场作业时可按以下方法施加钻压：当接近目标深度50 m时，逐步加大排量至400～450 L/min泵入滑溜水，钻磨工具以1～3 m/min的速度缓慢接近桥塞，直至磨鞋轻轻接触遇阻位置后，上提15 m做提拉测试，记录悬重数据；再以小于5 m/min的速度下放连续油管，复探至遇阻位置，悬重下降500～800 kg，泵压稳定后慢慢施加钻压进行钻塞作业。施加钻压不得超过螺杆马达的临界钻压，同时确保地面泵压的最大压降不得超过螺杆马达压降的临界值[3]。随着钻压的增加，钻具悬重开始下降，地面泵压明显增大，随着钻磨作业的不断进行，桥塞逐渐钻除，钻压得到释放，悬重又开始增加，地面泵压也逐渐下降[14]。

结合现场实际工作经验，钻塞时施加钻压越大，磨鞋切入桥塞越深，钻屑越大，不仅不利于钻屑返出，增加卡钻风险堵塞返排设备，而且超负荷的扭矩输出还会影响螺杆钻具的使用寿命；钻压过小，磨鞋吃入桥塞过浅，钻磨效率也就越低，甚至无法钻出桥塞。采用“低钻压，高转速，小进尺”设计方式，尽量将桥塞钻磨成细小碎屑，便于循环液返携至井口[15]。结合现场实际工作经验，综合推荐钻压为5～10 kN。

三、现场应用

GD14H井是位于大港油田南部油区的一口水平井，是首次采用泵送桥塞与射孔联作分段压裂工艺。该井生产套管Ø139.7 mm，完钻井深4 880 m，垂深3 999 m，最大井斜91.09°，水平段长1 255.82 m，井眼轨迹较为复杂，压裂后井内留有6个桥塞。

采用连续油管带钻磨工具串进行钻塞作业，钻磨工具组合为Ø50.8 mm连续油管+Ø73 mm连续油管连接器+Ø73 mm马达总成(单流阀+液压丢手+双循环阀)+Ø73 mm震击器+Ø73 mm螺杆马达+Ø112 mm平底磨鞋。

钻磨过程中为确保岩屑尽可能多的循环至井口，钻塞工具串下放速度控制在10～15 m/min，排量控制在400～450 L/min，钻压5～10 kN，选用滑溜水+0.5%胍胶作为钻磨循环液。2015年5月21日现场实施，用6.5 h一趟管柱完成了水井段4个桥塞钻磨施工，纯磨单塞最短用时30 min，最长用时60 min。平均单个桥塞钻磨时间约为1.05 h，钻磨效率较高。施工成功率达到100%，现场应用效果良好，在降低施工成本的同时又达到了提速增效的目的。

四、结论及建议

(1)选择合适的螺杆马达和磨鞋是连续油管高效钻磨成功的关键，通过不同工具的相互配合实现钻磨过程中的精确控制。

(2)优化的设计排量满足携砂液的环空返速大于2倍的岩屑沉降速度，保证紊流态下携砂效果好。钻压施加方法可操作性好。

(3)优选了Ø73 mm的螺杆钻具+Ø112 mm的平底磨鞋，设计施工排量400～450 L/min，钻压5～10 kN对水平井6段桥塞进行连续钻磨，现场应用效果良好，钻磨效率高。

(4)建议利用软件对水平井连续油管高效钻磨技术进行仿真研究，有利于高效快速的钻磨施工，完善钻塞工艺。