气探井封层桥塞捞磨工艺研究及应用

王思凡 黄永章 胡东锋

(川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

0 引 言

气探井勘探时，需要从下到上逐层进行压裂试气，以评估各区块各层位的产能情况。每试完一个层位后对其进行桥塞封堵[1]，到最后一个层位试气后，根据输送管网铺设或CNG、LNG场站建设情况进行投产。当桥塞上部层位产能不足时，需要打捞桥塞释放下部储层产能。然而一般气探井从试气到桥塞打捞的时间跨度长，有的甚至长达20 a之久，造成桥塞打捞难度急剧升高，并且现有的桥塞捞磨工艺在现场施工过程中存在认识不到位、打捞复杂、打捞失败、磨铣无进尺及作业周期长等问题，达不到桥塞捞磨作业安全、高效的施工要求，易导致老层入井液量过多，难以释放产能。为此，本文通过对桥塞捞磨相关工艺进行分析、优化，同时结合气探井试气及投产特点，形成了新的气探井封层桥塞捞磨工艺。现场应用结果表明，单次打捞成功率达到62.3%，磨铣施工总耗时降低了30%，单井捞磨平均施工周期缩短4 d，在降低施工成本的同时达到了提速增效、减少层位漏失及老井挖潜的目的。

1 捞磨思路

1.1 解封原理

目前用于气探井储层封层桥塞(见图1)为可取式桥塞，其主要由锚定机构、解封机构及密封机构等组成[2-3]，按解封方式分为可捞式桥塞和可钻式桥塞。其中可捞式桥塞又分为外捞式和内捞式，并以外捞式为主，均可通过专用打捞工具抓住桥塞外捞头或内捞颈上提，使桥塞解封剪钉剪断或锁块解锁，实现桥塞解封，之后上提捞出；而可钻式桥塞采用易钻除材质，一般用于最底部储层的封堵，处理时采用油管连接螺杆钻具下入平底磨鞋或套铣工具[4-6]，对桥塞进行从上到下钻磨，等桥塞解除约束后，未磨铣部分掉入井底即可。

图1 气探井桥塞结构示意图Fig.1 Structural sketch of bridge plug in gas exploration wells

1.2 施工流程

现以双桥塞处理施工流程(见图2)为例来说明桥塞施工工艺。首先压井、卸采气树，安装防喷器及管汇并试压；其次起出原井管柱，下通井规，进行通洗井，并探砂面，这是因为在放喷及采气过程中地层会出砂或出陶粒等，并覆盖在桥塞上面，通常下入斜尖进行冲砂，使桥塞上部井筒内的砂子返出井口；再次根据气井的生产年限及套管腐蚀情况，下入刮削器，对套管内壁进行刮削清理，防止桥塞解封上提过程中遇卡；随后开始处理第一个桥塞，处理完毕后，重新进行通洗井、探砂面、冲砂，接着处理第二桥塞，再进行通洗井，直至人工井底；最后下入完井管柱，并根据需要进行气举排液、完井。

图2 双桥塞井处理施工流程Fig.2 Treatment process of the well with double bridge plugs

为避免老层漏失失返及桥塞解封后部分新层严重漏失，采用暂堵剂暂堵，可将每小时漏失液量降低到0.1 m3以下，有效减小入井液量，确保桥塞解封后新、老层位产能均可得到有效发挥。

1.3 处理方法优化

桥塞型号不明时，应先大排量冲洗桥塞鱼顶，后打铅印或井下电视判断桥塞类型。

已知桥塞型号的，对于可钻式桥塞，通洗井探砂面后，推荐直接采用套铣筒进行冲砂、磨铣，以减少起下钻次数，提高施工效率。对于可捞式桥塞，首先通过打铅印或下入井下电视判断桥塞上端情况，有落物的捞落物；当为外捞式桥塞时，首先应清理与套管之间的环空，防止外捞工具抓不牢打捞头。该环空沉积物成分复杂，基本为压裂液或支撑剂、锈、垢的结合物(见图3中土黄色部分)，部分较为坚硬，推荐从冲砂开始就下入套铣筒，一趟钻完成冲砂和清理桥塞外捞头周围空间，根据进尺控制钻压为5 kN，当有铁屑返出井口则立即停止套铣，之后下入对应外捞工具抓住外捞头，加压10～15 kN后上提使桥塞解封；对于内捞式桥塞，应先冲洗桥塞内捞颈，然后利用内捞工具抓住内捞颈上提使桥塞解封。如果可捞式桥塞打捞不出，如桥塞打捞头断裂内捞也不解卡、桥塞上提震击不解卡等，可采用磨铣桥塞卡瓦解除约束[7-8]，之后捞出。

图3 外捞与内捞桥塞打捞颈清理示意图Fig.3 Schematic cleaning of the fishing neck for external and internal bridge plug fishing

如果只捞一个桥塞，那么在打捞失败的情况下，可通过套铣打捞筒将桥塞卡瓦套铣解除约束，顺带捞出，捞不出的将其捅入井底；如果打捞多个桥塞，那么在除最底层桥塞可捅入井底外，其他桥塞必须逐个捞出，如磨铣牙块掉落，则下强磁打捞，否则会造成下个桥塞处理困难。

2 捞磨工具串

2.1 打捞工具串

打捞桥塞工具串(见图4)采用油管作为运输载体，推荐依次连接上击器、安全接头和可退式打捞工具。该工具串能有效防止可退式打捞工具上提桥塞不解封，又无法进行丢手的情况，避免后续造成切割打捞管柱的复杂工况。此外，还要考量桥塞长时间在H2S、CO2及高矿化度的液体环境中，又受投产过程中泡排剂等药剂影响，其解锁机构剪钉或锁块与垢或锈结为一体，上提时解锁机构与桥塞本体整体受力，剪钉不能剪断，锁块不能解锁的问题，可通过震击器震击实现垢或锈与桥塞解锁机构相对运动部件的分离，促使桥塞解封。

1—油管；2—震击器；3—安全接头；4—打捞工具。图4 打捞工具串示意图Fig.4 Schematic diagram of fishing tool string

一种用于外捞式桥塞的旋转可退式打捞工具主要由上接头、筒体、篮式卡瓦、控制环及引鞋等组成，结构如图5所示。其中引鞋具有外齿，一定程度上可以清理打捞颈。工具入鱼时，下压打捞工具，在引鞋的导引作用下，桥塞打捞颈上顶篮式卡瓦，使其上行并径向张开，打捞颈伸入篮式卡瓦内，篮式卡瓦内壁左旋卡牙在弹性力的作用下咬入打捞颈，此时上提打捞工具，篮式卡瓦在筒体内相对下行。由于筒体内壁的左旋宽锯齿螺纹为锥形斜面，篮式卡瓦锥形斜面的小径端移动，确保篮式卡瓦将打捞颈越卡越紧。当桥塞不解封需要退出打捞颈时，下压打捞工具，顺时针旋转筒体，在左旋螺纹的作用下，即可退出打捞颈。

1—上接头；2—筒体；3—篮式卡瓦；4—控制环；5—引鞋。图5 旋转可退式打捞工具Fig.5 Rotary releasable fishing tool

常用的内捞式桥塞打捞工具主要由上接头、扶正器、中心管、水眼及分瓣卡瓦等组成，结构如图6所示。工具入鱼前，通过水眼大排量冲洗桥塞内捞颈，然后下压打捞工具，使分瓣卡瓦相对中心管上移缩径进入桥塞内捞颈，然后上提打捞工具，中心管相对分瓣卡瓦上行迫使分瓣卡瓦扩径抓牢桥塞内捞颈。该工具不可退，必须与安全接头配合使用。

1—上接头；2—扶正器；3—中心管；4—分瓣卡瓦。图6 内捞式打捞工具Fig.6 Internal fishing tool

2.2 磨铣工具串

气探井主要为ø177.8 mm(7 in)套管井，桥塞外径大，采用套铣筒磨铣桥塞卡瓦解除约束，相较采用磨鞋磨铣掉的桥塞部分更少，磨铣效率高。实际使用时，套铣桥塞外捞头和磨铣可钻式桥塞均推荐采用油管连接沉淀杯、螺杆钻具、套铣筒进行磨铣。磨铣工具串如图7所示。然而磨铣无法解封的可捞式桥塞是一项难题。由于可捞式桥塞本体一般为钢铁材质，无法像可钻式桥塞那样易钻除，为此，开展了磨铣工具串现场试验。

1—油管；2—沉淀杯；3—螺杆；4、8—套铣筒；5—钻杆；6—扶正器；7—钻铤。图7 磨铣工具串示意图Fig.7 Schematic diagram of milling tool string

针对X1井打捞失败的可捞式桥塞，首先采用油管连接沉淀杯、螺杆钻具、套铣筒进行磨铣作业。磨铣作业时，先施加钻压10 kN，排量600～700 L/min，当套铣筒磨铣吃入桥塞外壁5 cm左右出现卡钻、油管反转、憋泵等现象，泵压从9 MPa升至12 MPa，然后降低钻压到5 kN左右继续套铣。当磨铣至15 cm后频繁卡钻，之后累计磨铣23 h无进尺，严重影响了正常作业。分析认为，这是由于螺杆钻具输出扭矩及油管抗扭强度有限，当套铣筒内壁与桥塞已磨铣的不规则外壁接触面积越大，磨屑越多时，所需扭矩也越大，驱动螺杆钻具旋转的泵压必然升高，卡钻概率大幅提高。

综上所述，推荐采用钻台转盘驱动反扣钻杆、钻铤、套铣筒进行可捞式桥塞的磨铣，既能有效避免油管连接螺杆钻具套铣筒出现的频繁卡钻、油管反转、憋泵、磨铣效率低的难题，又有一定概率实现桥塞本体部件倒扣，提高解卡效率。

3 磨铣参数优化

3.1 施工排量

磨铣排量直接影响钻磨效率及磨屑随磨铣液上返的效果，最小磨铣排量只要满足磨铣液的上返流速、大于磨屑下沉速度即可将磨屑送至井口[9-10]。而气探井主要为ø177.8 mm套管直井，根据牛顿-雷廷格计算法，磨屑在直井段磨铣液中的沉降末速计算公式为[11-12]：

(1)

式中：vm为磨屑在磨洗液中的自由沉降速度，m/s；d为球形磨屑的直径，m；ρ为磨屑密度，kg/m3；ρ0为磨铣液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

直井段最小泵入流速取两倍的磨屑沉降速度[11]，因此磨屑在直井段从环空上返所需的最小排量计算公式为：

(2)

式中：Qmin为从油管内泵入的最小排量，m3/s；r1为环空外径的，m；r2为环空内径的，m。

当不使用螺杆钻具的情况下，磨屑在直井段反循环冲洗上返所需的最小排量计算公式为：

Q1=2πr2vm

(3)

式中：Q1为从环空泵入最小排量，m3/s；r为钻杆内径的，m。

假设磨屑为球形，且所有泵入的磨铣液都从套管与磨铣管柱间的环空(正循环)或管柱内(反循环)返出井口，现取磨屑直径为0.5～6.0 mm，其密度为7 850 kg/m3；磨铣液为清水，其密度为1 000 kg/m3。将相关数据代入式(1)、式(2)和式(3)计算磨屑直径与最小排量的关系，结果如图8所示。由图8可知，反循环冲洗所需排量远小于正循环磨铣排量。

图8 ø73.0 mm磨铣管柱最低排量与磨屑直径的关系曲线Fig.8 Relationship between the minimum displacement of ø73.0 milling pipe string and the cuttings size

此外，磨屑直径越大，所需最低排量也越大，为确保磨屑能够顺利返出地面，磨铣的磨屑尺寸应小一些，且为了防止较大尺寸磨屑无法返出井口妨碍磨铣，建议每进尺一段距离就进行一次反循环冲洗。桥塞钢铁材质的磨屑一般为丝条、片带状，相较于球形，在同样重力下，表面积更大，因此同样排量下受到的液体运移力也更大。

从理论计算结果可以看出，正循环冲洗的排量至少需要达到1.5 m3/min才能将较大尺寸磨屑排出，这对于现场设备配置要求较高，因此目前主要采用3种方法来避免磨铣无进尺：一是从套铣之初就采用低钻压、高排量、高转速进行磨铣；二是当遇到无进尺这一情况时，可起出磨铣管柱，下入强磁吸出大尺寸磨屑，但起下钻耗时长；三是每磨铣进尺一段距离就上下活动钻具进行大排量反循环冲洗排屑，这只适用无螺杆钻具。

3.2 钻压

根据反循环冲洗思路，选择了X1井进行了套铣筒钻压磨铣试验，处理桥塞1个，其间首先采用了5～10 kN的低钻压高排量进行了磨铣，累计进尺15 cm后，出现磨铣4 h无进尺的现象，如图9所示。分析认为，低钻压状态只能降低较大尺寸钻屑产生的概率，但不能杜绝，之后累计反循环冲洗3次，有效返出了大尺寸磨屑，解决了无进尺情况。由图9可知，20～30 kN的钻压曲线斜率最大，效率最高，表明该区间钻压相对最优。此外，应注意磨铣过程中钻压不易过大，否则不仅易产生大尺寸钻屑，且容易导致桥塞锚定卡瓦的抗扭失效，桥塞与套铣筒一同旋转，出现套铣无进尺，造成后期需注水泥凝固后再行磨铣的复杂情况。

图9 X1井钻压与进尺的关系曲线Fig.9 Relationship between weight on bit and footage in Well X1

4 现场应用

气探井桥塞捞磨工艺在数十口气探井上进行了现场应用，应用结果表明：①先套铣清理桥塞外捞头与套管环空后打捞，相较于直接下打捞工具冲洗鱼头打捞，能有效提高单次打捞成功率，且不易造成复杂工况，平均施工时间可缩短4 d，如表1所示；②钻压大小直接影响磨屑尺寸，保持较大的施工排量排屑是提高磨铣效率最好的方法，当正循环磨铣排量不够时，反循环冲洗能有效排屑，消除无进尺情况，提高施工效率。

表1 不同打捞工艺施工效果对比(从冲砂到打捞结束)Table 1 Operation performance comparison between different fishing technologies (from sand flushing to the end of fishing)

磨铣工艺参数及施工效果如表2所示。表2中Z1井通过油管+沉淀杯+螺杆钻具+套铣筒的钻具组合，采用钻压5～15 kN，排量1 000～1 100 L/min套铣可钻式桥塞，起下钻两次，捞出锁环1个，累计磨铣耗时19 h，套铣解卡成功,相较以前采用高钻压50 kN，低排量600～650 L/min，既降低了油管反扭风险，又减少了起下钻次数，缩短了磨铣施工耗时。L1井和L2井均采用钻台驱动钻杆+钻铤+套铣筒组合钻具，通过一趟钻实现了可捞式桥塞的磨铣解卡。其中L1井受设备排量小的限制，施工时根据磨铣进尺，采用从低到高阶梯式调节钻压的方法实现了桥塞磨铣解卡，其间反循环冲洗3次，起钻后套铣筒内腔卡有桥塞，施工耗时只有X1井的70%，纯磨铣解卡耗时缩短7 h；L2井施工排量较高，采用20～30 kN的钻压进行了有效磨铣，纯磨铣耗时相较L1井也缩短了9 h。

表2 磨铣工艺参数及施工效果Table 2 Milling technological parameters and operation effects

5 结论及建议

(1)先套铣清理桥塞外捞头与套管环空，后下入震击器+安全接头+可退式打捞工具能有效提高单次打捞成功率至62.3%。

(2)根据桥塞材质的不同，在节约成本的情况下，选择合适的套铣管柱极为关键，通过控制钻压，选择匹配的施工排量可实现桥塞的高效磨铣解卡。当施工排量不能满足较大尺寸磨屑的返排要求时，可采用大排量反循环排屑(适用于无螺杆钻具)。此外，根据磨铣进尺，适当采用从低到高阶梯式调节钻压(5～30 kN)的方法，相较于保持低钻压(5 kN)磨铣效率更高。

(3)针对气探井桥塞捞磨出现的压井液漏失、返排困难、储层伤害的问题，建议采用膨胀管补贴炮眼的方式进行封层，后期挖潜带压重新射孔即可，或采用长效可溶桥塞封层，后期无需捞磨，节约成本。