水平井泵送射孔影響因素分析

焦國(guó)盈 裴蘋汀 唐 凱 王 海

(1.重慶科技學(xué)院復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331;2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331;3.川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021)

水平井由于受到井筒條件的限制，一般采用油管傳輸定向射孔工藝，射孔工藝復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、成本高，因此發(fā)展了泵送射孔工藝。在射孔時(shí)，用泵送液將電纜傳輸射孔槍送入水平段射孔位置，然后通電射孔，射孔后將射孔槍提出井筒，這就是泵送射孔工藝［1-2］。水平井泵送射孔工藝的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為泵送排量，定義為在水平井段能把射孔槍向前推送的最小泵送液排量。影響泵送排量的參數(shù)包括泵送液浮力、射孔槍與套管之間的摩阻系數(shù)、射孔槍電纜頭、槍斜、泵送液密度、橋塞工具、泵送液沖擊力、液體流速計(jì)算方式及射孔槍重量，但各個(gè)因素影響程度不同。如果能識(shí)別出關(guān)鍵影響因素，在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算時(shí)就可以采用簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行施工參數(shù)快速計(jì)算，節(jié)約施工時(shí)間。本文的目的就是采用建立的泵送排量計(jì)算模型，分析影響泵送排量的因素的重要程度，以便建立簡(jiǎn)化泵送排量計(jì)算模型。

1 泵送排量計(jì)算模型

泵送射孔時(shí)，射孔槍在水平段的受力如圖1所示，依據(jù)力的平衡原理，泵送排量為:

式中:Qp— 泵送排量，m3/min;μ— 動(dòng)摩擦系數(shù)，無(wú)因次;m — 槍串的質(zhì)量，kg;g— 常數(shù)，9.8 N/kg;ρ— 泵送液密度，kg/m3;V— 槍串體積(排液體積)，m3;dp— 加重桿、定位器、射孔槍外徑，mm;dc— 電纜頭外徑，mm;D — 套管內(nèi)徑，mm;db—橋塞外徑，mm;dbt— 橋塞工具外徑，mm;θ— 槍串軸線與水平井軸線的夾角，(°)。

圖1 射孔槍串在水平段的受力

2 影響因素分析

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

水平井采用5″套管完井，套管內(nèi)徑108.6 mm，采用φ86 mm射孔槍射孔，槍串長(zhǎng)度7 m時(shí)，質(zhì)量為120 kg，槍串長(zhǎng)度10 m時(shí)，質(zhì)量為200 kg。電纜頭外徑40 m，電纜頭長(zhǎng)度0.4 m;射孔槍(含加重桿和磁性定位器)外徑86 mm，長(zhǎng)度4 m;橋塞工具外徑70 mm，長(zhǎng)度1.8 m;橋塞外徑94 mm，長(zhǎng)度0.8 m。采用密度為1 000 kg/m3的液體泵送，槍串與套管之間的摩擦系數(shù)取0.2。

2.2 浮力的影響

浮力對(duì)泵送排量的影響見圖2。浮力可使泵送排量降低16.5%和14.5%。

圖2 浮力對(duì)泵送排量的影響

2.3 摩阻系數(shù)的影響

圖3是不同摩阻系數(shù)對(duì)泵送排量的影響。隨著摩阻系數(shù)的增加，泵送排量大幅增加。

圖3 摩阻系數(shù)對(duì)泵送排量的影響

2.4 電纜頭的影響

圖4是考慮電纜頭和不考慮電纜頭2種情況下泵送排量的計(jì)算結(jié)果。電纜頭對(duì)泵送排量的影響非常小，可忽略不計(jì)。

圖4 電纜頭對(duì)泵送排量的影響

2.5 槍斜的影響

圖5是槍斜對(duì)泵送排量的影響。

圖5 槍斜對(duì)泵送排量的影響

2.6 泵送液密度的影響

圖6為泵送液密度對(duì)泵送排量的影響。

圖6 泵送液密度對(duì)泵送排量的影響

隨著泵送液密度的增加，泵送排量逐漸減小。對(duì)10 m槍，當(dāng)泵送液密度由1 000 kg/m3增加到1 500 kg/m3時(shí)，臨界泵送排量大約降低了26%;泵送液密度由1 000 kg/m3降到800 kg/m3，泵送液密度降低20%，泵送排量大約增加22%。

2.7 橋塞工具的影響

圖7為橋塞工具對(duì)泵送排量的影響。在實(shí)際射孔時(shí)，橋塞工具的外徑比射孔槍外徑要小一點(diǎn)?？紤]2種情況，一種與實(shí)際情況相符，橋塞外徑比槍外徑小一點(diǎn);另一種情況為橋塞工具和槍外徑相同。由圖7知，2種情況下的泵送排量幾乎沒(méi)有差別。

2.8 沖擊力作用位置的影響

圖8為沖擊力作用位置對(duì)泵送排量的影響。在泵送液推動(dòng)射孔槍串向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，泵送液作用于射孔槍和電纜頭、橋塞工具和橋塞兩處的環(huán)形面上，計(jì)算泵送排量時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況分級(jí)計(jì)算，也可以假設(shè)泵送液通過(guò)橋塞橫截面推動(dòng)槍串前進(jìn)。比較2種情況下計(jì)算出的泵送排量的差別。

圖7 橋塞工具對(duì)泵送排量的影響

圖8 沖擊力作用位置對(duì)泵送排量的影響

橋塞計(jì)算出的泵送排量與分級(jí)計(jì)算出的泵送排量差別非常大，對(duì)于7 m槍串，降幅達(dá)45.1%;對(duì)于10 m槍串，降幅達(dá)45.1%。

2.9 流速計(jì)算方式的影響

圖9為流速計(jì)算方式對(duì)泵送排量的影響。3種流速計(jì)算方式對(duì)泵送排量的影響非常大，環(huán)空計(jì)算方式計(jì)算出的泵送排量大約降低了45.1%，套管計(jì)算方式使泵送排量大約增加48%。

2.10 槍重的影響

為了使槍串順利通過(guò)水平井的造斜段，要在槍串上加上加重桿。加重后槍串在水平井筒中的摩擦力增加，從而增加所需的泵送排量。圖10為槍串重量對(duì)泵送排量的影響，槍重增加66.6%，泵送排量提高32.4%。

圖9 流速計(jì)算方式對(duì)泵送排量的影響

圖10 槍串重量對(duì)泵送排量的影響

3 結(jié)論

(1)采用建立的泵送排量計(jì)算模型分析了浮力、摩阻系數(shù)、電纜頭、槍斜、泵送液密度、橋塞工具、沖擊力計(jì)算方式及槍重對(duì)泵送排量的影響。

(2)計(jì)算泵送射孔時(shí)的泵送排量時(shí)，不能忽略浮力、摩阻系數(shù)、泵送液密度、沖擊力計(jì)算方式和槍重的影響;電纜頭(電纜)、槍串傾斜和橋塞工具的影響可忽略。

(3)影響泵送排量的關(guān)鍵因素包括槍串浮力、摩阻系數(shù)、泵送液密度和沖擊力計(jì)算方式。

［1］呂傳炳，余東合，趙金洲，等.水平井和大位移井壓裂后產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型研究［J］.油氣井測(cè)試，2006，15(2):12-13.

［2］Peach S C，Jensen R E，Robertshaw S C.Completion and Evaluation of Cased Horizontal Wells［J］.JCPT，1991，30(5):26-32.