頁巖氣上翹型水平井牽引器射孔難點分析及解決措施

張志華,廖勇,饒海濤,馮亦江,石文睿

(1.中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司,湖北潛江433123;2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,長江大學,湖北武漢430100)

0 引 言

為解決連續(xù)油管傳輸射孔周期長、費用高、上翹型水平井自鎖等問題,中國首創(chuàng)牽引器射孔技術[1-2],實現(xiàn)了牽引器輸送技術與多級射孔技術融合、以及水平井首段低成本射孔[3-4]。隨著四川盆地涪陵、長寧-威遠等頁巖氣田開發(fā)深入,上翹型水平井(簡稱上翹井)日漸增多,井眼上翹角度越來越大,導致井下儀器施工困難。

在涪陵頁巖氣田,目前上翹井占比達42%,在水平井水平段大于2 000 m時會給牽引器輸送射孔等作業(yè)帶來較多施工困難。當上翹角度大于10°時,射孔作業(yè)爆炸產生的沖擊,易造成下井工具串快速下滑,穿過電纜,發(fā)生阻卡甚至電纜斷裂,給上翹井段牽引器射孔作業(yè)帶來安全風險。據(jù)統(tǒng)計,2014—2017年在涪陵頁巖氣田出現(xiàn)了9次上翹井電纜射孔斷裂事件,上翹井射孔工程故障呈增長態(tài)勢。

通過分析井下工具串在上翹井段的運動狀態(tài),建立了井下工具串與上翹角度的運動數(shù)學模型,提出上翹井牽引器射孔施工常見問題及解決措施。解決了長水平段大角度上翹井射孔的安全質量的問題,同時也給以牽引器為平臺的其他作業(yè)施工提供了參考。該工藝在涪陵、長寧-威遠、長慶等油氣田累計安全應用100余井次。水平井牽引器射孔具有運輸方便、操作簡單、輸送位置準確等優(yōu)點,大大降低了井下作業(yè)成本,已應用于水平井測井、射孔、打撈等作業(yè)[5],有著廣闊的應用前景。

1 問題分析及解決措施

上翹型水平井牽引器射孔作業(yè)時,牽引器從自然遇阻位置開始牽引輸送,通過上翹井段到達射孔層位。整個過程受到多種變化力的作用,每種力都可改變牽引器的運動狀態(tài)。作業(yè)過程通常分為3個階段:首先是牽引器輸送射孔設備到射孔位置,然后在上翹位置錨定射孔,再起出井下工具串。作業(yè)時常遇到3個方面的問題,解決了這些問題,才能確保牽引器射孔的安全作業(yè)。

圖1 牽引器輸送井下工具串示意圖

1.1 牽引力不足引起的上翹井輸送問題

牽引器射孔作業(yè)輸送井下工具串示意圖見圖1。牽引器受到的外力主要包括:工具串自身重力G、井筒管壁對牽引輪的作用力N、電纜對牽引器拉力F1和牽引輪產生的牽引力F。井下工具串受力情況見圖2。

圖2 牽引器輸送井下工具串受力圖

牽引器輸送過程中,電纜對牽引器的拉力和井下工具串重力沿坡道分力對牽引器運動影響較大[6-7]。流體阻力等對運動的影響較小,暫不考慮。電纜對牽引器的拉力是一個變量,隨牽引距離的增加而增加。從運動原理分析,必須使牽引輪產生的拖拉牽引力大于運動阻力之和

F>GsinΦ+F1

(1)

式中,F為牽引器拖拉牽引力,kN;G為井下工具串自身重力,kN;Φ為地層上傾角度,(°);F1為電纜對牽引器拉力,kN。

牽引器實現(xiàn)上翹井輸送必須具有足夠的驅動力,才能沿著上翹面運動,牽引器拖拉牽引力取決于附著系數(shù)以及套管壁作用于牽引輪的反作用力

F=μN

(2)

式中,μ為摩擦系數(shù);N為套管壁作用于牽引輪的反作用力,kN。

從式(2)可知,套管壁作用對牽引輪上的作用力可提高牽引輪附著力,增加牽引器的牽引力輸出。井筒管壁對牽引輪的作用力與牽引輪對套管壁的作用力是一對作用力和反作用力關系,其大小是由牽引器液壓系統(tǒng)壓力決定。目前使用的JHQY-D型牽引器液壓系統(tǒng)提供的液壓壓力在0～10 MPa,在5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管內,測試了牽引器液壓系統(tǒng)內部產生的壓強與井筒管壁對牽引輪的支撐力之間關系(見表1)。

從表1可見,牽引器液壓系統(tǒng)壓強可決定牽引輪附著力的大小,進而改變牽引器輸出最大牽引力,可通過調節(jié)液壓系統(tǒng),直接影響輸送能力。若牽引器預設液壓壓強值過小,則牽引器輸出的牽引力偏小,輸送距離較短,容易出現(xiàn)牽引輪打滑現(xiàn)象。若預設液壓壓強過大,牽引輪產生牽引力增大的同時,還會產生阻礙運動的附加摩擦阻力,降低牽引器輸出牽引力的有效性[7],同時加快牽引輪磨損,這樣會降低牽引輪與套管壁的附著力。

表1 牽引器液壓系統(tǒng)壓強與井筒管壁對牽引輪的 支撐力關系

在上翹井輸送時,既要保持足夠的牽引力,還要盡可能避免牽引輪的磨損。根據(jù)牽引器實際負荷情況,應及時調節(jié)液壓系統(tǒng)的壓強,獲得足夠大的牽引力,以實現(xiàn)上翹井輸送,一般牽引器液壓系統(tǒng)提供的壓強為水平狀態(tài)下輸送壓強的110%左右。

牽引器的額定牽引力的產生是通過電機輸出的固定功率,經(jīng)減速器增大轉矩、帶動傳動齒輪組,最終將動力傳遞給牽引輪,驅動輪子相對套管壁滾動形成牽引力[2,5],牽引力計算公式為

(3)

式中,p為電機輸出功率,W;n為齒輪比,rad/s;i為減速器傳動比;η為機械效率;r為牽引輪半徑,m;w為電機角速度,r/min。

牽引器通過上翹井段時,需要的牽引力越大越好。從式(3)可知,牽引力與減速器傳動比的平方成正比,可通過選用合適的加速器,提高扭力輸出,從而增大牽引力。目前JHQY-D型牽引器有4種比例的減速器,可以根據(jù)實際上翹井的上翹角度,選擇不同比例的減速器,一般上翹角度大于10°,使用減速比為160∶1以上的加速器,從而可以提高牽引器在上翹井輸送能力。

目前上翹型水平井射孔作業(yè)中,井下工具串主要由射孔馬龍頭、旋轉短節(jié)、剎車短節(jié)、磁定位、扶正器、牽引器、柔性短節(jié)、減震器和射孔槍串組成。井下工具串參數(shù)見表2。

上翹井牽引器射孔輸送理想狀態(tài)下,井下工具串在上翹面做勻速直線運動,井斜角與牽引力關系為

F=GsinΦ+μGdcosΦ

(4)

式中,Gd為重電纜質量,kg。

以表2確定的井下工具串,使用245 kg/km的單芯電纜輸送,若牽引速度在0.05～0.13 m/s時做勻速運動。根據(jù)式(4)可得到牽引器輸送過程中井斜角與所需牽引力的關系曲線(見圖3)。

表2 牽引器射孔工具串組成及參數(shù)

圖3 井斜角—牽引力關系曲線圖

在牽引器上翹水平井輸送過程中,隨著井斜角的增加,需要的牽引力也增加,只有當牽引器提供的牽引力大于對應的井斜角度的牽引力時,牽引器才能沿著上翹面做勻速運動。在輸送過程要注意電纜下放的速度,若電纜下放速度比牽引器牽引速度慢,電纜張力會逐漸增大,當張力增大到一定程度,會引起牽引器過載,嚴重時會造成牽引器的打滑并損壞牽引輪;若電纜下放速度比牽引器牽引速度快,電纜會在井筒環(huán)形空間堆積而出現(xiàn)打扭導致故障。因此,在牽引過程中,絞車電纜下放與牽引器牽引速度必須保持同步,這樣可以保證電纜在套管內的冗余量保持恒定值。為降低電纜損傷,可在馬龍頭以上的電纜安裝筒管,增大電纜硬度,有效防止馬龍頭端電纜彎折。

1.2 射孔作業(yè)引起的井下設備下滑問題

牽引器輸送射孔工具串到達上翹井作業(yè)位置后,開始進行射孔作業(yè),井下工具串重力分解從輸送過程中的阻力變?yōu)橄禄屏?再加上射孔彈爆炸產生的沖擊力,導致井下工具串在上翹井的斜面上做向下的加速運動,造成井下工具串下滑損傷電纜,甚至是斷裂。

對射孔槍爆燃后產生的沖擊波進行測試:采用1 m射孔槍(型號為89-16-60-140),安裝射孔彈(型號為BH42RDX28-2),孔密為16孔/m,在內徑115.02 mm的套管中進行井下爆炸沖擊加速度測量,在軸向沖擊的加速度變化曲線見圖4。實驗結果顯示,射孔作業(yè)時井下工具串產生的軸向瞬間加速度值高于2 300 m/s2,在工具串上產生推力大于1×104N,足以讓井下工具串沿著斜面加速向下滑動,造成工具穿過電纜、電纜損傷或斷裂。

圖4 射孔彈爆炸瞬間軸向加速度變化曲線圖

為確保工具串在上傾斜面保持靜止狀態(tài)射孔,必須滿足工具串向下運動阻力大于沖擊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連接剎車短節(jié)或增阻扶正器。剎車短節(jié)是通過剎車臂支撐在套管內壁產生摩擦阻力,中國的剎車短節(jié)的最大錨定力只有400 kg,不足以消除射孔作業(yè)對井下設備的作用力,無法將工具串錨定在上翹井段進行射孔作業(yè)。通過在井下工具串中連接剎車短節(jié)、在井下工具串剛性較小位置增加增阻扶正器、輔助剎車短節(jié)、牽引器自身牽引臂等綜合方法增加井下工具串的阻力,同時盡可能用鈦合金制造工具串減小工具串自重,保證工具串在上翹井安全作業(yè)。

1.3 回收工具串運動狀態(tài)控制失控問題

上翹井牽引器射孔作業(yè)完成后,通過上提電纜回收井下工具串。當上翹角度大于一定角度時,阻力降至啟動臨界點后,工具串開始向下加速運動,井下工具串運動不受控制,易造成工具串與電纜纏繞,進而導致井下工具遇卡、電纜打扭及斷裂等情況。采取相應措施,可以有效避免電纜堆積纏繞等復雜情況的發(fā)生。

從上翹井段回收開始時,上提電纜初始速度不宜過快,可采用最低安全上提電纜速度。如上翹角度為8°時,以500 m/h的速度開始上提電纜為適宜,這樣可以給后續(xù)提速保留空間。上提速度根據(jù)上翹角度或坡道距離長短決定,及時調整上提電纜速度,達到井下工具和電纜兩者平衡速度運動。井下工具串運動狀態(tài)可根據(jù)實測磁定位曲線與套管長度出現(xiàn)變化確定,但上提電纜速度不應高于絞車最大安全速度。同時還可根據(jù)地面張力變化,判斷井下工具運動狀態(tài),作為輔助參考。

2 應用實例

N209H-B5井是四川某區(qū)塊的一口頁巖氣開發(fā)水平井,該井井眼軌跡見圖5。完鉆井深5 050.0 m,人工井底深5 012.23 m,采用外徑為139.7 mm的套管完井。該井水平段井眼處于大角度上翹形態(tài),最大井斜為110.8°(井深4 630 m),水平段A靶點(井深3 290 m)到B靶點(井深5 005 m)之間落差絕對值為475 m。

圖5 N209H-B5井井眼軌跡圖

N209H-B5井首段射孔井段為5 006～5 005 m,井斜角為109.1°。該井通過連續(xù)油管輸送射孔模擬,結果顯示連續(xù)油管將于井深4 200 m處出現(xiàn)自鎖,無法完成首段射孔作業(yè),因此,該井采用牽引器輸送方式進行射孔作業(yè)。牽引器射孔入井工具串采用多種防下滑方法,工具串依靠自身重力作用在井深3 210 m遇阻,啟動牽引器輸送。初始預設牽引器推靠壓力為3 MPa,由于該井上翹角度較大,輸送過程中牽引器液壓推靠壓力逐步提升到9 MPa,接近推靠壓力上限值,經(jīng)過9 h連續(xù)作業(yè),牽引工具串至井深5 008 m,牽引水平段長1 800 m,到達預定射孔位置。

在射孔點火前,將牽引器液壓推靠壓力降到3 MPa。射孔后,上提電纜至井口,電纜最大速度為4 000 m/h,安全完成該井高角度上翹井(井斜角度110.8°)牽引器輸送和大斜度(井斜角度109°)定點射孔2大技術難點,射孔發(fā)射率100%。

3 結 論

(1)據(jù)上翹井牽引器輸送運動受力分析,建立井斜角與牽引力數(shù)學方程式,客觀反映了隨著牽引器輸送距離的增加,需要的牽引力增大?？梢罁?jù)不同類型上翹井區(qū)別選擇不同比例的減速器。

(2)實測射孔瞬間壓力和軸向加速度試驗數(shù)據(jù),為射孔工具串下滑影響因素分析提供依據(jù),在制定上翹井牽引器射孔工具串防下滑方案和優(yōu)化工具串方面發(fā)揮了重要作用。

(3)利用牽引器液壓推靠系統(tǒng),能較好消除工具串受射孔沖擊造成下滑的安全風險,解決上翹井下滑的問題,實現(xiàn)大斜度上翹井的安全射孔要求。

(4)該技術作為非常規(guī)油氣開發(fā)的牽引器射孔新工藝,提高了油氣田開發(fā)的安全性、經(jīng)濟性和時效性,具有較好的推廣價值。