张志华,廖勇,饶海涛,冯亦江,石文睿

(1.中石化江汉石油工程有限公司测录井公司,湖北潜江433123;2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室,长江大学,湖北武汉430100)

0 引 言

为解决连续油管传输射孔周期长、费用高、上翘型水平井自锁等问题,中国首创牵引器射孔技术[1-2],实现了牵引器输送技术与多级射孔技术融合、以及水平井首段低成本射孔[3-4]。随着四川盆地涪陵、长宁-威远等页岩气田开发深入,上翘型水平井(简称上翘井)日渐增多,井眼上翘角度越来越大,导致井下仪器施工困难。

在涪陵页岩气田,目前上翘井占比达42%,在水平井水平段大于2 000 m时会给牵引器输送射孔等作业带来较多施工困难。当上翘角度大于10°时,射孔作业爆炸产生的冲击,易造成下井工具串快速下滑,穿过电缆,发生阻卡甚至电缆断裂,给上翘井段牵引器射孔作业带来安全风险。据统计,2014—2017年在涪陵页岩气田出现了9次上翘井电缆射孔断裂事件,上翘井射孔工程故障呈增长态势。

通过分析井下工具串在上翘井段的运动状态,建立了井下工具串与上翘角度的运动数学模型,提出上翘井牵引器射孔施工常见问题及解决措施。解决了长水平段大角度上翘井射孔的安全质量的问题,同时也给以牵引器为平台的其他作业施工提供了参考。该工艺在涪陵、长宁-威远、长庆等油气田累计安全应用100余井次。水平井牵引器射孔具有运输方便、操作简单、输送位置准确等优点,大大降低了井下作业成本,已应用于水平井测井、射孔、打捞等作业[5],有着广阔的应用前景。

1 问题分析及解决措施

上翘型水平井牵引器射孔作业时,牵引器从自然遇阻位置开始牵引输送,通过上翘井段到达射孔层位。整个过程受到多种变化力的作用,每种力都可改变牵引器的运动状态。作业过程通常分为3个阶段:首先是牵引器输送射孔设备到射孔位置,然后在上翘位置锚定射孔,再起出井下工具串。作业时常遇到3个方面的问题,解决了这些问题,才能确保牵引器射孔的安全作业。

图1 牵引器输送井下工具串示意图

1.1 牵引力不足引起的上翘井输送问题

牵引器射孔作业输送井下工具串示意图见图1。牵引器受到的外力主要包括:工具串自身重力G、井筒管壁对牵引轮的作用力N、电缆对牵引器拉力F1和牵引轮产生的牵引力F。井下工具串受力情况见图2。

图2 牵引器输送井下工具串受力图

牵引器输送过程中,电缆对牵引器的拉力和井下工具串重力沿坡道分力对牵引器运动影响较大[6-7]。流体阻力等对运动的影响较小,暂不考虑。电缆对牵引器的拉力是一个变量,随牵引距离的增加而增加。从运动原理分析,必须使牵引轮产生的拖拉牵引力大于运动阻力之和

F>GsinΦ+F1

(1)

式中,F为牵引器拖拉牵引力,kN;G为井下工具串自身重力,kN;Φ为地层上倾角度,(°);F1为电缆对牵引器拉力,kN。

牵引器实现上翘井输送必须具有足够的驱动力,才能沿着上翘面运动,牵引器拖拉牵引力取决于附着系数以及套管壁作用于牵引轮的反作用力

F=μN

(2)

式中,μ为摩擦系数;N为套管壁作用于牵引轮的反作用力,kN。

从式(2)可知,套管壁作用对牵引轮上的作用力可提高牵引轮附着力,增加牵引器的牵引力输出。井筒管壁对牵引轮的作用力与牵引轮对套管壁的作用力是一对作用力和反作用力关系,其大小是由牵引器液压系统压力决定。目前使用的JHQY-D型牵引器液压系统提供的液压压力在0～10 MPa,在5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管内,测试了牵引器液压系统内部产生的压强与井筒管壁对牵引轮的支撑力之间关系(见表1)。

从表1可见,牵引器液压系统压强可决定牵引轮附着力的大小,进而改变牵引器输出最大牵引力,可通过调节液压系统,直接影响输送能力。若牵引器预设液压压强值过小,则牵引器输出的牵引力偏小,输送距离较短,容易出现牵引轮打滑现象。若预设液压压强过大,牵引轮产生牵引力增大的同时,还会产生阻碍运动的附加摩擦阻力,降低牵引器输出牵引力的有效性[7],同时加快牵引轮磨损,这样会降低牵引轮与套管壁的附着力。

表1 牵引器液压系统压强与井筒管壁对牵引轮的 支撑力关系

在上翘井输送时,既要保持足够的牵引力,还要尽可能避免牵引轮的磨损。根据牵引器实际负荷情况,应及时调节液压系统的压强,获得足够大的牵引力,以实现上翘井输送,一般牵引器液压系统提供的压强为水平状态下输送压强的110%左右。

牵引器的额定牵引力的产生是通过电机输出的固定功率,经减速器增大转矩、带动传动齿轮组,最终将动力传递给牵引轮,驱动轮子相对套管壁滚动形成牵引力[2,5],牵引力计算公式为

(3)

式中,p为电机输出功率,W;n为齿轮比,rad/s;i为减速器传动比;η为机械效率;r为牵引轮半径,m;w为电机角速度,r/min。

牵引器通过上翘井段时,需要的牵引力越大越好。从式(3)可知,牵引力与减速器传动比的平方成正比,可通过选用合适的加速器,提高扭力输出,从而增大牵引力。目前JHQY-D型牵引器有4种比例的减速器,可以根据实际上翘井的上翘角度,选择不同比例的减速器,一般上翘角度大于10°,使用减速比为160∶1以上的加速器,从而可以提高牵引器在上翘井输送能力。

目前上翘型水平井射孔作业中,井下工具串主要由射孔马龙头、旋转短节、刹车短节、磁定位、扶正器、牵引器、柔性短节、减震器和射孔枪串组成。井下工具串参数见表2。

上翘井牵引器射孔输送理想状态下,井下工具串在上翘面做匀速直线运动,井斜角与牵引力关系为

F=GsinΦ+μGdcosΦ

(4)

式中,Gd为重电缆质量,kg。

以表2确定的井下工具串,使用245 kg/km的单芯电缆输送,若牵引速度在0.05～0.13 m/s时做匀速运动。根据式(4)可得到牵引器输送过程中井斜角与所需牵引力的关系曲线(见图3)。

表2 牵引器射孔工具串组成及参数

图3 井斜角—牵引力关系曲线图

在牵引器上翘水平井输送过程中,随着井斜角的增加,需要的牵引力也增加,只有当牵引器提供的牵引力大于对应的井斜角度的牵引力时,牵引器才能沿着上翘面做匀速运动。在输送过程要注意电缆下放的速度,若电缆下放速度比牵引器牵引速度慢,电缆张力会逐渐增大,当张力增大到一定程度,会引起牵引器过载,严重时会造成牵引器的打滑并损坏牵引轮;若电缆下放速度比牵引器牵引速度快,电缆会在井筒环形空间堆积而出现打扭导致故障。因此,在牵引过程中,绞车电缆下放与牵引器牵引速度必须保持同步,这样可以保证电缆在套管内的冗余量保持恒定值。为降低电缆损伤,可在马龙头以上的电缆安装筒管,增大电缆硬度,有效防止马龙头端电缆弯折。

1.2 射孔作业引起的井下设备下滑问题

牵引器输送射孔工具串到达上翘井作业位置后,开始进行射孔作业,井下工具串重力分解从输送过程中的阻力变为下滑推力,再加上射孔弹爆炸产生的冲击力,导致井下工具串在上翘井的斜面上做向下的加速运动,造成井下工具串下滑损伤电缆,甚至是断裂。

对射孔枪爆燃后产生的冲击波进行测试:采用1 m射孔枪(型号为89-16-60-140),安装射孔弹(型号为BH42RDX28-2),孔密为16孔/m,在内径115.02 mm的套管中进行井下爆炸冲击加速度测量,在轴向冲击的加速度变化曲线见图4。实验结果显示,射孔作业时井下工具串产生的轴向瞬间加速度值高于2 300 m/s2,在工具串上产生推力大于1×104N,足以让井下工具串沿着斜面加速向下滑动,造成工具穿过电缆、电缆损伤或断裂。

图4 射孔弹爆炸瞬间轴向加速度变化曲线图

为确保工具串在上倾斜面保持静止状态射孔,必须满足工具串向下运动阻力大于冲击力和自身重力分力的合力。目前主要采取的方法是在工具串上连接刹车短节或增阻扶正器。刹车短节是通过刹车臂支撑在套管内壁产生摩擦阻力,中国的刹车短节的最大锚定力只有400 kg,不足以消除射孔作业对井下设备的作用力,无法将工具串锚定在上翘井段进行射孔作业。通过在井下工具串中连接刹车短节、在井下工具串刚性较小位置增加增阻扶正器、辅助刹车短节、牵引器自身牵引臂等综合方法增加井下工具串的阻力,同时尽可能用钛合金制造工具串减小工具串自重,保证工具串在上翘井安全作业。

1.3 回收工具串运动状态控制失控问题

上翘井牵引器射孔作业完成后,通过上提电缆回收井下工具串。当上翘角度大于一定角度时,阻力降至启动临界点后,工具串开始向下加速运动,井下工具串运动不受控制,易造成工具串与电缆缠绕,进而导致井下工具遇卡、电缆打扭及断裂等情况。采取相应措施,可以有效避免电缆堆积缠绕等复杂情况的发生。

从上翘井段回收开始时,上提电缆初始速度不宜过快,可采用最低安全上提电缆速度。如上翘角度为8°时,以500 m/h的速度开始上提电缆为适宜,这样可以给后续提速保留空间。上提速度根据上翘角度或坡道距离长短决定,及时调整上提电缆速度,达到井下工具和电缆两者平衡速度运动。井下工具串运动状态可根据实测磁定位曲线与套管长度出现变化确定,但上提电缆速度不应高于绞车最大安全速度。同时还可根据地面张力变化,判断井下工具运动状态,作为辅助参考。

2 应用实例

N209H-B5井是四川某区块的一口页岩气开发水平井,该井井眼轨迹见图5。完钻井深5 050.0 m,人工井底深5 012.23 m,采用外径为139.7 mm的套管完井。该井水平段井眼处于大角度上翘形态,最大井斜为110.8°(井深4 630 m),水平段A靶点(井深3 290 m)到B靶点(井深5 005 m)之间落差绝对值为475 m。

图5 N209H-B5井井眼轨迹图

N209H-B5井首段射孔井段为5 006～5 005 m,井斜角为109.1°。该井通过连续油管输送射孔模拟,结果显示连续油管将于井深4 200 m处出现自锁,无法完成首段射孔作业,因此,该井采用牵引器输送方式进行射孔作业。牵引器射孔入井工具串采用多种防下滑方法,工具串依靠自身重力作用在井深3 210 m遇阻,启动牵引器输送。初始预设牵引器推靠压力为3 MPa,由于该井上翘角度较大,输送过程中牵引器液压推靠压力逐步提升到9 MPa,接近推靠压力上限值,经过9 h连续作业,牵引工具串至井深5 008 m,牵引水平段长1 800 m,到达预定射孔位置。

在射孔点火前,将牵引器液压推靠压力降到3 MPa。射孔后,上提电缆至井口,电缆最大速度为4 000 m/h,安全完成该井高角度上翘井(井斜角度110.8°)牵引器输送和大斜度(井斜角度109°)定点射孔2大技术难点,射孔发射率100%。

3 结 论

(1)据上翘井牵引器输送运动受力分析,建立井斜角与牵引力数学方程式,客观反映了随着牵引器输送距离的增加,需要的牵引力增大。可依据不同类型上翘井区别选择不同比例的减速器。

(2)实测射孔瞬间压力和轴向加速度试验数据,为射孔工具串下滑影响因素分析提供依据,在制定上翘井牵引器射孔工具串防下滑方案和优化工具串方面发挥了重要作用。

(3)利用牵引器液压推靠系统,能较好消除工具串受射孔冲击造成下滑的安全风险,解决上翘井下滑的问题,实现大斜度上翘井的安全射孔要求。

(4)该技术作为非常规油气开发的牵引器射孔新工艺,提高了油气田开发的安全性、经济性和时效性,具有较好的推广价值。