頁巖氣水平井牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用研究

(中國石油集團(tuán)測井有限公司 西南分公司，重慶 400021)①

在頁巖氣水平井首段射孔施工中，因井下地層尚未打開，無法采用泵送分簇射孔技術(shù)進(jìn)行首段射孔，通常利用連續(xù)油管傳輸射孔或開啟滑套完成首段射孔作業(yè)。然而，利用連續(xù)油管實(shí)施水平井首段射孔，存在施工耗時(shí)長、定位射孔精度差以及連續(xù)油管自鎖無法順利實(shí)施射孔等問題。牽引器輸送射孔技術(shù)作為牽引輸送技術(shù)與多級射孔技術(shù)相融合的一種射孔技術(shù)[1-3]，既可以替代連續(xù)油管傳輸射孔技術(shù)，又能與泵送分簇射孔作業(yè)實(shí)現(xiàn)無縫對接，是頁巖氣等水平井首段射孔的又一高效手段。該技術(shù)在國內(nèi)還處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段，在水平井的應(yīng)用過程中存在諸多挑戰(zhàn)。

1 牽引器輸送射孔技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

牽引器主要由CCL磁定位短節(jié)、電子線路短節(jié)、液壓推靠及牽引短節(jié)等組成[4-6](如圖1)。通過地面控制使推靠牽引臂緊貼套管內(nèi)壁，并控制牽引滾輪(如圖2)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)牽引器向前或向后的牽引功能。當(dāng)實(shí)施牽引器輸送射孔時(shí)，直接在牽引器末端配接抗震及電氣安全隔離等功能短節(jié)及射孔槍，通過牽引器將射孔槍輸送到位，即可進(jìn)行射孔作業(yè)。

圖1 牽引器結(jié)構(gòu)示意

圖2 推靠牽引短節(jié)及牽引滾輪

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

相較于連續(xù)油管傳輸射孔，牽引器輸送射孔具有如下特點(diǎn)[7-8]：

1) 單段作業(yè)時(shí)效提高。采用連續(xù)油管實(shí)施首段射孔全過程耗時(shí)約36 h；同時(shí)又將耗時(shí)8 h布置泵送分簇射孔的場地和設(shè)備。采用牽引器輸送射孔技術(shù)進(jìn)行首段射孔，僅需耗時(shí)約20 h進(jìn)行準(zhǔn)備、施工后，便可直接轉(zhuǎn)入首段壓裂和第2段泵送分簇射孔作業(yè)程序。此外，在后續(xù)射孔施工中也可直接采用牽引器輸送射孔技術(shù)，完成壓裂砂堵時(shí)的補(bǔ)孔作業(yè)。相較于連續(xù)油管傳輸射孔，采用牽引器輸送射孔至少提高單段作業(yè)時(shí)效55%。

2) 定位射孔精度提升。目前，在連續(xù)油管射孔中，通常利用連續(xù)油管機(jī)械深度進(jìn)行定位校深，深度誤差較大。牽引器輸送射孔則可利用自帶的CCL磁定位短節(jié)，通過套管接箍定位校深，實(shí)現(xiàn)精確定位，避免在套管接箍上射孔的不利現(xiàn)象。

3) 長水平段適應(yīng)性增強(qiáng)。連續(xù)油管在長水平段水平井射孔施工中，經(jīng)常出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。牽引器輸送射孔依靠井下可控牽引力輸送，避免連續(xù)油管自鎖現(xiàn)象的出現(xiàn)，更適合長水平段水平井的射孔施工。

1.3 牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

牽引器輸送射孔技術(shù)在國內(nèi)還處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段，沒有專門的管串設(shè)計(jì)分析軟件，需要針對井況的不同，設(shè)計(jì)滿足牽引需求和具備良好通過性及安全性的牽引器射孔管串；同時(shí)，沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試操作流程，必須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際確定并開展?fàn)恳鞯孛媾浣蛹皽y試工作，確保入井管串的安全可靠。此外，也沒有成熟的異常處置經(jīng)驗(yàn)，難以準(zhǔn)確判別并及時(shí)處置牽引器射孔管串的打滑與遇阻異常。上述3點(diǎn)是目前水平井牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用中存在的主要難點(diǎn)，需要在現(xiàn)場應(yīng)用中進(jìn)行探索研究，并予以解決。

2 牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 復(fù)雜井況分析

W204HX-2井是威遠(yuǎn)中奧頂構(gòu)造南翼的一口頁巖氣水平井，井深5 013 m(最大垂深2 881 m)，水平段長1 700 m，油層套管內(nèi)徑?114.3 mm，最大施工井斜99.2°，最大狗腿度9.8°/30m，首段設(shè)計(jì)射孔層位：4 986～4 987 m、4 976～-4 977 m。該井為牽引器輸送射孔技術(shù)在川南地區(qū)的首個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)井。

前期連續(xù)油管攜帶外徑?105 mm磨鞋進(jìn)行通井作業(yè)；僅通洗井至4 960 m(期間多次自鎖，泵入金屬降阻劑后到位)，表明射孔底界以上30 m未經(jīng)通井，可能存在大量異物阻塞；另外，該井水平段長、井斜及狗腿度大，對牽引器牽引能力與管串通過能力均有較高要求。

2.2 管串設(shè)計(jì)分析

針對該井的復(fù)雜井況，設(shè)計(jì)了滿足牽引力和管串通過性的牽引器射孔管串。

2.2.1 牽引器選型

目前，用于射孔作業(yè)的有JHQY-B型和JHQY-C型2種牽引器，技術(shù)參數(shù)如表1所示。這2種牽引器的主要區(qū)別在于JHQY-C型是四驅(qū)，總牽引力更強(qiáng)；不足在于總長度較長和質(zhì)量更大，增大了牽引器射孔管串通過大狗腿度井段的難度，以及加大了單芯電纜的負(fù)載電流，易引起電流過載保護(hù)，甚至瞬間性的電流峰值沖擊。

因該井狗腿大，入井管串應(yīng)盡量縮短；同時(shí)考慮到該井井斜較大，且井下最后30 m可能存在大量異物阻塞，牽引器的牽引力必須增強(qiáng)。所以，選用JHQY-B型(3驅(qū))牽引器，同時(shí)將減速器減速比提升至原來的1.2倍，盡量縮短管串長度的同時(shí)，也加強(qiáng)了它的牽引力(最大牽引力達(dá)9.6 kN)。

表1 牽引器性能參數(shù)對比

2.2.2 不同功能輔助工具配備

1) 射孔減震短節(jié)。

射孔瞬間引起強(qiáng)烈的沖擊，對牽引器內(nèi)部電子元器件構(gòu)成極大安全隱患。必須在射孔槍與牽引器之間配接削減沖擊震動的射孔減震短節(jié)，確保井下牽引器的正常工作，同時(shí)還需可靠地傳輸二者間的電信號。通過配接射孔減震短節(jié)SCL-200S，利用其內(nèi)部3組彈簧緩沖式減震裝置，吸收爆炸產(chǎn)生的沖擊震動(如圖3)。

圖3 射孔減震短節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2) 射孔安全短節(jié)。

因牽引器工作需要使用高壓直流電作為電源，而該電壓存在損壞射孔槍電子選發(fā)模塊，甚至意外起爆射孔槍的風(fēng)險(xiǎn)，所以必須在牽引器與射孔槍之間配接實(shí)現(xiàn)二者電氣安全隔離的特別工具[9-10]。通過配接射孔安全短節(jié)SCL-200S，依靠地面控制箱控制(工作電流30 mA)其電路聯(lián)通或斷開。在射孔槍未實(shí)施點(diǎn)火操作前，射孔安全短節(jié)處于斷路狀態(tài)，確保牽引器工作電壓不會下竄至射孔槍，保證射孔槍的使用安全(如圖4)。

圖4 射孔安全短節(jié)電氣控制原理

3) 柔性短節(jié)。

牽引器工具串連接2簇射孔槍后，管串總長達(dá)20 m左右。如果直接使用該剛性管串下井，必然無法順利通過該井的大狗腿造斜段。通過在剛性管串之間配接花瓣?duì)睢⒆畲髲澢鸀?5°的JHQY-C型柔性短節(jié)，如圖5所示，增強(qiáng)管串通過性。

圖5 柔性短節(jié)

2.2.3 防正電/短路安全短節(jié)設(shè)計(jì)

最后一簇射孔槍起爆后，槍管進(jìn)水會導(dǎo)致點(diǎn)火頭觸針短路。該觸針短路會影響牽引器有源CCL的正常工作，甚至?xí)馉恳麟娮泳€路短節(jié)短路損毀；此外，射孔安全短節(jié)的正向控制電壓存在下竄并危及射孔槍的風(fēng)險(xiǎn)。所以，特別設(shè)計(jì)1個(gè)防正電/短路的安全短節(jié)：選用1個(gè)多級點(diǎn)火電子選發(fā)模塊作為防短路元件，其輸出端短路時(shí)，輸入端不會短路；同時(shí)在該選發(fā)模塊輸入端反向偏置連接1個(gè)開關(guān)二極管(耐溫200 ℃，最高反向工作電壓700 V)，隔離牽引器及射孔安全短節(jié)可能下竄的正向工作電壓。最后把二者封裝在密封的短槍管內(nèi)，作為防正電和短路的安全短節(jié)，確保射孔槍的絕對安全和牽引器的正常工作。

2.2.4 射孔槍型優(yōu)選

2.2.5 管串通過能力分析

1) 牽引器牽引力校核。

圖6 牽引器射孔管串斜井段受力示意

(1)

式中：Gs為牽引器射孔管串自重力，kN；Gw為穩(wěn)斜段電纜自重力，kN；αm為最大施工井斜，(°)；μ為管串、電纜與套管內(nèi)壁的靜摩擦因數(shù)，此處取0.3；F為牽引器最大牽引力，kN。

2) 管串通過能力模擬分析。

將該井井斜、狗腿度等井況數(shù)據(jù)以及牽引器射孔管串長度、直徑等參數(shù)輸入模擬分析軟件中，得出最大狗腿度處剛性管串最大通過長度，如圖7所示。從而確定配接柔性短節(jié)的合理性，確保整個(gè)牽引器射孔管串順利通過造斜段。

圖7 管串通過能力模擬分析結(jié)果

在選擇牽引器、輔助功能短節(jié)及射孔槍之后，經(jīng)過校核管串通過最大施工井斜99.2°所需的最大牽引力，確認(rèn)JHQY-B型(3驅(qū))牽引器滿足牽引需求；同時(shí)對管串通過能力進(jìn)行模擬分析，確認(rèn)將柔性短節(jié)連接在射孔安全短節(jié)與牽引器之間最合適處。

最終設(shè)計(jì)入井管串為：牽引器+柔性短節(jié)+射孔安全短節(jié)+射孔減震短節(jié)+轉(zhuǎn)換CCL+防正電/短路安全短節(jié)+2簇射孔槍，最大外徑?99 mm，總長19.1 m，總質(zhì)量430 kg。

2.3 多環(huán)節(jié)地面配接測試

通過確定并開展?fàn)恳魃淇坠艽孛媾浣蛹皽y試工作，及時(shí)消除故障及安全隱患，確保牽引、射孔作業(yè)能順利進(jìn)行。

1) 對牽引器與射孔槍進(jìn)行配接。因牽引器自帶的轉(zhuǎn)接頭不適合現(xiàn)場射孔槍的連接，在比對分析其輸出扣型及密封面后，直接使用?73 mm CCL作為轉(zhuǎn)換接頭，從而實(shí)現(xiàn)牽引器與射孔槍的可靠連接。

2) 對牽引器推靠、牽引功能進(jìn)行測試。分別控制牽引器推靠臂外張和收縮，牽引輪正、反旋轉(zhuǎn)，測試其能否正常工作，供電電流是否正常，液壓油有無滲漏。

3) 對牽引器有源CCL與SK2004射孔地面系統(tǒng)進(jìn)行配接測試。將牽引器CCL輸出信號線與射孔地面系統(tǒng)連接，向牽引器供電測試時(shí)，檢查有源CCL采集到的信號能否被SK2004射孔軟件清晰解析與顯示。

4) 對牽引器射孔安全短節(jié)進(jìn)行功能測試。控制射孔安全短節(jié)聯(lián)通與斷開后，分別檢查牽引器供電工作與斷電休眠時(shí)，牽引器工具串末端是否均無漏電現(xiàn)象。測試是否只有射孔安全短節(jié)聯(lián)通后，當(dāng)射孔地面系統(tǒng)向纜芯供電時(shí)，工具串輸出端才會有輸出電壓，也才能正常檢測電子選發(fā)模塊。

2.4 管串運(yùn)行異常判別及處置

因?yàn)闋恳鬟\(yùn)行速度緩慢(最大速度300 m/h)，牽引過程中CCL接箍信號微弱，所以CCL信號曲線的基線和接箍顯示不明顯，難以與分簇射孔一樣直接根據(jù)CCL信號曲線判斷井下管串運(yùn)行狀態(tài)[5]。所以，必須立即找到判別管串打滑或遇阻，并及時(shí)進(jìn)行處置的方法。

2.4.1 管串打滑的判斷及處置

牽引途中出現(xiàn)井口張力持續(xù)下降，CCL信號曲線基線變細(xì)，單根持續(xù)伸長(如圖8所示)，且供電電流小幅度跳動現(xiàn)象(跳動幅值0.3 A左右)。根據(jù)分析判斷，該現(xiàn)象為牽引器射孔管串打滑所致。結(jié)合當(dāng)前牽引深度和井斜分析，導(dǎo)致牽引器射孔管串打滑的主要原因包括：① 牽引器對套管內(nèi)壁的推靠力不夠；② 隨著井斜的增加，牽引器需克服的管串下滑分力增大；③ 井筒內(nèi)阻礙管串運(yùn)動的異物增多。

確定了打滑原因，逐漸增大牽引器推靠壓力(推靠壓力控制在6 MPa以內(nèi))，并逐漸增加牽引器供電電壓(供電電流控制在2 A以內(nèi))，打滑現(xiàn)象得到解決。

圖8 牽引器射孔管串打滑CCL信號曲線

2.4.2 管串遇阻的判斷及處置

牽引途中突然出現(xiàn)井口張力瞬間下降，CCL信號曲線基線持續(xù)變細(xì)且伸長，如圖9所示，且供電電流瞬間大幅度上漲(瞬間上漲1 A左右)。根據(jù)分析判斷，該現(xiàn)象為牽引器射孔管串遇阻所致。導(dǎo)致牽引器射孔管串遇阻的主要原因包括：① 井筒內(nèi)大量異物阻礙管串正常運(yùn)行；② 牽引器故障，失去牽引功能。

圖9 牽引器輸送射孔牽引遇阻CCL信號曲線

出現(xiàn)遇阻跡象后，立即停止?fàn)恳Ｍㄟ^現(xiàn)場調(diào)試，排除牽引器故障的可能，進(jìn)行牽引再嘗試：上起電纜30 m后，再將牽引器推靠壓力從5.0 MPa上調(diào)至5.8 MPa(極限值)；上調(diào)供電電壓，最終以100 m/h的速度順利牽引到位。

2.5 應(yīng)用效果

牽引器射孔管串順利地通過了該井最大井斜99.2°及最大狗腿度9.8°/30 m的復(fù)雜井段，證明入井管串設(shè)計(jì)合理；同時(shí)針對牽引途中出現(xiàn)的打滑、遇阻處置及時(shí)且準(zhǔn)確，表明管串運(yùn)行異常的判別及處置方法有效。該井施工全程僅耗時(shí)12 h，解決連續(xù)油管無法正常射孔難題的同時(shí)，大幅提高了施工時(shí)效。在后續(xù)施工中，充分借鑒本次成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，安全實(shí)施了W204HX-8井、W204HX-7井的首段牽引器輸送射孔作業(yè)。

3 結(jié)論

1) 牽引器輸送射孔技術(shù)在川南地區(qū)頁巖氣水平井威W204HX-2井等井的成功應(yīng)用表明：針對性進(jìn)行管串設(shè)計(jì)分析、多環(huán)節(jié)地面配接測試，以及采用井口張力與供電電流變化判別管串運(yùn)行異常的方法，成功解決了該技術(shù)應(yīng)用中無專門管串設(shè)計(jì)分析軟件、無標(biāo)準(zhǔn)測試操作流程以及無異常處置經(jīng)驗(yàn)的難點(diǎn)，使得牽引器輸送射孔技術(shù)真正成為頁巖氣水平井開發(fā)中又一種高效、安全的射孔手段。

2) 井斜度、狗腿度及水平段長度是選擇牽引器的重要依據(jù)，柔性短節(jié)、射孔安全短節(jié)、射孔減震短節(jié)及防正電/短路安全短節(jié)則是確保牽引器輸送射孔安全、可靠的必備輔助工具。進(jìn)行牽引力校核及管串通過性分析，可最終確定設(shè)計(jì)管串的合理性。

3) 及時(shí)開展?fàn)恳髋c不同射孔地面系統(tǒng)、射孔槍的配接工作，以及進(jìn)行牽引器推靠、牽引及電氣安全隔離等功能的地面測試，是及時(shí)消除故障及安全隱患，確保牽引、射孔順利的重要保障措施。

4) 難以直接通過CCL信號曲線對牽引器射孔管串的打滑與遇阻進(jìn)行及時(shí)判斷，而地面供電電流是否瞬間大幅值上漲則是辨別的關(guān)鍵。牽引器射孔管串出現(xiàn)打滑，可嘗試上調(diào)推靠壓力和供電電壓解決；出現(xiàn)牽引器射孔管串遇阻時(shí)則需立即斷電停止?fàn)恳?，確保牽引器安全。

5) 完善改進(jìn)建議。將?73 mm轉(zhuǎn)換CCL與防正電/短路安全短節(jié)整合設(shè)計(jì)，縮短牽引器射孔管串的長度；同時(shí)在地面進(jìn)行大斜度(井斜大于110°)和套管變徑等情況下的牽引通過試驗(yàn)，驗(yàn)證牽引器在復(fù)雜井況下的通過性能。此外，進(jìn)一步完善牽引器CCL，提高低速運(yùn)行下對套管接箍識別的靈敏度，為牽引器輸送射孔技術(shù)的推廣應(yīng)用做準(zhǔn)備。