大通径桥塞与可溶球技术在页岩气X井的应用

王海东，唐　凯，欧跃强，鄢　杨，张　良，张清彬

(中国石油集团 川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆 400021)*



大通径桥塞与可溶球技术在页岩气X井的应用

王海东，唐凯，欧跃强，鄢杨，张良，张清彬

(中国石油集团 川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆 400021)*

摘要：以页岩气水平井—X井的射孔与桥塞联作工艺为对象，为解决该井分段压裂后连续油管钻塞困难，同时提高该井作业时效、降低后续成本，采用了分簇射孔与大通径桥塞加可溶球联作的工艺技术。分析了大通径桥塞技术特点、阐述了作业的基本工艺及在X井应用中的器材优选，包括工艺技术选择、大通径桥塞、可溶球、坐封工具、射孔器材以及射孔与桥塞联作管串设计与通过能力分析等。在常压、95 ℃清水介子中，对X井采用的ø83 mm可溶球进行了溶解测试试验。试验结果表明：该可溶球有效压裂的作用时间大于12 h。通过X井实际作业情况表明了大通径桥塞与可溶球技术对页岩气深井、长水平段井的开发具有重要的意义。

关键词：页岩气；水平井；分簇射孔；大通径桥塞；可溶球

页岩气是指位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1]。页岩气藏因为页岩基质孔隙度很低，最高仅为4%～5%，渗透率小于1×10-3μm2[2]，为此多级分段压裂成为了当前页岩气藏开发的关键技术，其中泵送复合桥塞分簇射孔联作-分段压裂工艺是广泛应用于页岩气开发的一种新型工艺，是桥塞封层技术的新发展[3]。其基本作业流程为：按照预先设计的泵送程序，将射孔器和桥塞泵送到目的层，泵送过程中泵送液将被挤入前次打开的地层中。先坐封桥塞，再上提射孔枪，进行多簇射孔，再进行分级(段)压裂[4]，最后一次性钻掉所有桥塞。该工艺具有施工安全快捷，可及时进行体积压裂，占井时间短，能进行复合桥塞分段压裂技术的试验性应用，连续油管1次钻除多个桥塞，整体施工作业效率高的优点[5]。

为了增加页岩气的开采产量，页岩气井水平段不断加长，随之也带来了后续连续油管钻塞的作业难度，同时也降低了钻塞的作业效率。大通径免钻桥塞配套技术能够有效地解决此类问题，并在X井取得了良好的作业效果。

1X井概况与难点

X井为国家级页岩气示范区中的1口页岩气水平井，该井A靶点位置4 250 m，完钻井深5 750 m，垂深3 291 m，完钻层位龙马溪组，套管外径139.7 mm，内径114.3 mm，采用射孔完井方式。根据该井储层地质条件、岩石力学性质等参数，设计本井射孔与压裂段共计21段，除第1段采用触发式滑套压裂外，其余各段均采用泵送复合桥塞分簇射孔联作-分段压裂工艺。

由于X井井深(最深5 750 m)、井斜度大(最大井斜99°)，井眼轨迹基本为“上倾”，若采用常规的复合桥塞作为分段压裂的封堵工具，则存在后续连续油管钻塞的技术难题，主要包括：①水平段长，连续油管在“上倾”水平段内输送困难；②钻塞困难且风险大，作业时间长、效率低；③现场无满足作业条件的连续油管，连续油管长度、强度等受到限制。

基于上述情况，特在该井开发中引入大通径桥塞与配套可溶球技术。基本作业流程为：

1)采用水力泵送方式输送管串至预定深度，完成桥塞坐封与分簇射孔作业。

2)井口投入配套的可溶球，压裂液输送可溶球至桥塞球座处进行暂时封堵。

3)在可溶球的有效封堵时间内进行大排量的压裂改造作业。

4)压裂完成后，可溶球逐渐完全溶解，桥塞内的大通道可直接完井投产。

2大通径桥塞

复合材料桥塞是非常规油气资源水平井分段完井的关键工具，其非金属化的设计大幅节省了磨铣时间[6]。目前，国内常用的复合桥塞包括大通径桥塞和普通复合桥塞(如球笼式复合桥塞)。大通径桥塞(如图1)与普通复合桥塞主要的区别在于：

1)大通径桥塞内部具有较大的流通通道，压裂改造时需投入可溶球进行暂时封堵桥塞内通道。

2)大通径桥塞采用了单卡瓦结构，坐封时在桥塞内部安装通芯式应力丢手工具，并非只采用常规的适配器(坐封筒)进行桥塞丢手坐封，如图2所示。

3)大通径桥塞可以不用钻除，桥塞的内通道可满足直接完井投产的要求，若后续修井作业需要，可采用(连续)油管进行钻除、打捞。

1—可溶球；2—锁紧顶帽；3—膨胀胶圈；4—胶皮；

1—可溶球；2—坐封筒；3—胶皮；

大通径桥塞与配套可溶球技术在页岩气等非常规油气水平井的开发中具有明显的技术优势和特点，主要包括：

1)采用可溶球技术。桥塞坐封后，投入可溶球进行压裂改造的暂时封堵，可溶球以金属铝、功能合金、强化合金等为原料，逐步与周围介质发生反应并逐步溶解[7]。有效封堵时间长，可溶于清水、盐水(氯化钙、氯化钾)等多种液体。

2)桥塞内通径大，可免钻。桥塞内通径一般在55～75 mm，特别适用于不易钻除、钻磨难度大的深井、长水平段井。

3)提高时效、降低风险、节约成本。压完后可溶球溶解，可直接防喷、排液、求产，免除了连续油管钻塞的作业成本和风险，缩短了作业周期，单井节约总成本约15%～20%。

4)适应性广。可应用于114.3～177.8 mm的各型套管内坐封，耐温150 ℃，耐压差70 MPa。

3可溶球溶解试验

大通径桥塞用可溶球的溶解时间是一个非常重要的参数，为了保证可溶球有效作用时间能够满足压裂作业要求，对X井所采用的密度为2.7 g/cm3,外径ø83 mm实心金属可溶球，进行常压、95 ℃的溶解测试试验，以验证是否能够满足本井压裂作业的要求。

试验方法：在恒温箱内每隔1 h取出可溶球，去除水分后测量外径和质量，直至完全溶解，试验相关情况如图3。

图3　溶解时间与外径测量

试验结果表明：该可溶球完全溶解需要时间约为80 h，根据所测量各个时间节点的外径数据，可溶球外径与时间呈直线减小，拟合的曲线如图4。线

斜率k表示平均溶解速率。根据溶解速率计算出该球的有效作用时间为12 h，能够满足作业时间的要求。

图4　可溶球外径与时间关系曲线

4现场应用

结合X井井温与井底压力，要求配套器材和工具的耐温150 ℃，耐压105 MPa，才能保证管串满足实际井况要求。

4.1器材优选与管串设计

4.1.1大通径桥塞与可溶球

根据目前国内页岩气水平井的开发工艺和模式，结合X井实际井况特点，选择分簇射孔与大通径桥塞联作业工艺完成各段的射孔与桥塞封堵作业。该井完井套管为139.7 mm，内径114.3 mm，优选匹配的大通径桥塞与可溶球相关技术参数如表1。

表1　大通径桥塞技术参数

4.1.2桥塞坐封工具

桥塞的坐封必须采用坐封工具，当工具内的压力逐渐增大后，推动内部中心活塞杆运动，完成桥塞坐封。目前坐封的方式可分为电缆供电坐封与液压加压坐封。根据该井情况，选择供电坐封方式，坐封工具采用贝克20#工具，相关技术参数如表2。

表2　贝克20#坐封工具技术参数

4.1.3射孔器材

根据X井套管参数，压裂设计等要求，分簇射孔作业采用电子选发式多级点火装置完成多次供电作业，选用89型先锋射孔器达到深穿透的要求，射孔器技术参数如表3。

表3　89型先锋射孔器技术参数

4.1.4管串设计与通过性分析

设计的分簇射孔与桥塞联作管串从下至上依次为：大通径桥塞+桥塞坐封工具+多级点火短节(3支)+射孔器(3支)+磁定位+加重+电缆帽(打捞头)，如图5所示。整个联作管串最大外径为103.2 mm的大通径桥塞。

图5　分簇射孔与桥塞联作管串示意

根据上述设计的管串相关参数(长度、外径、重量等)，结合井筒参数(内径、井斜度、狗腿度等)，进行管串在该井井筒内的通过能力模拟计算。计算结论为：本井3 612 m处能够通过最长的刚性管串长度为9.9 m，而实际作业管串中刚性管串最长长度为8.5 m，具备在该井筒内的通过性。

4.2作业效果

X井历时12 d，完成了全部21段射孔与压裂作业，坐封大通径桥塞20个，完成53簇射孔，桥塞一次性坐封成功率与射孔发射率均为100%，压裂注入地层总液量约43 496 m3，最高泵注压力86 MPa，液体平均注入排量12 m3/min，相关数据如表4。

表4　X井桥塞坐封位置与对应各段注入地层液量

通过现场的应用情况表明，采用大通径桥塞与可溶球技术作为分段封堵工具，安全高效地完成了X井体积压裂改造的施工任务。该技术的压裂暂堵与免钻特性，很好地解决了目前非常规油气深井、长水平段、连续油管钻塞困难、时效低等作业难题。

5结论与建议

1)大通径桥塞与可溶球技术在页岩气水平井“体积压裂”开发中具有明显的技术特点，包括桥塞内通径大，可免钻，能够明显提高作业时效，降低钻塞的作业风险和成本，尤其是适用于深井、长水平段井作业。

2)对ø83 mm可溶球进行了溶解性测试试验，试验结果表明该球的有效作用时间能够满足X井压裂作业要求。

3)通过大通径桥塞技术在X井的现场应用情况，表明了该桥塞的适用性，对今后此类井的作业具有推广意义。

4)针对目前的大通径桥塞和可溶球技术，做好应用与评价等相关工作，收集作业情况与问题，持续改进并继续开发更好的技术和产品。

5)由于我国内页岩气埋藏深、井底温度高、井底施工压力高等特点，需加大科研攻关力度，改进完善高温高压分簇射孔配套器材以及与大通径桥塞的配套联作工艺技术，以解决今后的深层页岩气的开发难题。

参考文献：

[1]张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理与分布[J].天然气工业，2004，24(7)：15-18.

[2]江怀友，宋新民，安晓璇，等.世界页岩气资源与勘探开发技术综述[J].天然气技术，2008，2(6)：26-30.

[3]申君，王小军，陈和平.桥塞分段-射孔联作压裂技术在新沟非常规油藏的应用[J].江汉石油职工大学学报，2014，27(3)：15-17.

[4]张志强，张林，刘毅，等.分段多簇射孔桥塞联作技术研究与应用[J].石油仪器，2014，28(1)：13-16.

[5]胡淞，段立进.泵送复合桥塞分段多簇射孔压裂联作工艺在长庆油田水平井的应用[C]//北京：建筑科技与管理学术交流会论文集，2014-05-27.

[6]邹刚，李一寸.基于复合材料桥塞的水平井套管分段压裂技术[J].石油机械，2014，41(3)：44-47.

[7]任勇，冯长青.长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析[J].中国石油勘探，2015，20(2)：75-80.

Application and Technology of Big Diameter Bridge Plug and Dissolvable Ball in X Well of Shale Gas

WANG Haidong，TANG Kai，OU Yueqiang，YAN Yang，ZANG Liang，ZHANG Qingbin

(LoggingCompany，ChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPC，Chongqing400021，China)

Abstract：X well is a horizontal well of shale gas.The technology of multi-cluster perforation and setting bridge plug are taken as an object in this paper，in order to solve this difficulty of coiled tubing drilling plugs，improve efficiency，and reduce costs，using the technology of multi-cluster perforation，big diameter bridge plug and dissolvable ball in X well.The characteristics of big diameter bridge plug is analyzed and the basic technology and equipment and tool optimization are described，including technology selection，big diameter bridge plug，dissolvable ball，setting tool，perforating gun，gun string design and carrying capacity analysis in X well and so on.In addition，a dissolution test of ø83 mm dissolvable ball in 95 ℃ water mesons and atmospheric pressure is taken and the test result is that the effective fracturing time of dissolvable ball is longer than 12 h.The application of big diameter bridge plug and dissolvable ball in X Well indicates that the technology have a good effect application prospect in long horizontal wells of shale gas.

Keywords：shale gas；horizontal well；multi-cluster perforation；big diameter bridge plug；dissolvable ball

中图分类号：TE931.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.020

作者简介：王海东(1985-)，男，重庆潼南人，工程师，主要从事石油射孔工艺技术研究与应用工作，E-mail：hd329651168@126.com。

收稿日期：2015-10-25

文章编号：1001-3482(2016)04-0078-04