爬行器在煤層氣水平井分簇射孔中的應(yīng)用

陳金宏 史彬彬 張 寧 劉 偉 馬清山

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司，河北 062550；2.北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司，北京 102200)

為了進(jìn)一步降低開采成本，提高單井日產(chǎn)氣量，目前煤層氣L型水平井進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用時(shí)期。在煤層氣水平井煤層壓裂改造過程中，分簇射孔日益凸顯工藝優(yōu)勢(shì)，改造效果明顯好于其他工藝。鑒于煤層氣水平井具有直井段短、水平段長(zhǎng)的特點(diǎn)，爬行器作為水平井分簇射孔首段槍串的一種重要驅(qū)動(dòng)手段，工藝技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，并獲得了良好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)背景

水平井分簇射孔首段射孔作業(yè)目前多采用鉆具輸送或連續(xù)油管工藝進(jìn)行施工，兩種工藝各自存在“痛點(diǎn)”，鉆具輸送需要井下作業(yè)隊(duì)配合，作業(yè)周期長(zhǎng)、成本高，存在較多的安全風(fēng)險(xiǎn)。在直井段短、水平段長(zhǎng)的煤層氣水平井分簇射孔施工中，井下連續(xù)油管管串的磨阻大于管串自重和頂驅(qū)所加力的和，連續(xù)油管由于剛性不足，管串不能將射孔管串送到人工井底位置，連續(xù)油管輸送還不可避免的出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，而且連續(xù)油管設(shè)備作業(yè)費(fèi)用較高，不適合煤層氣低成本市場(chǎng)。

爬行器能利用自身的動(dòng)力裝置將射孔槍串輸送到目標(biāo)井段，不受井深、水平井段的限制，水平段2000m，爬行器能在8h內(nèi)完成輸送任務(wù)，與鉆桿輸送相比，能夠節(jié)約施工時(shí)間，減輕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低施工的風(fēng)險(xiǎn)，而且不需要井架。與連續(xù)油管工藝相比，大大降低了成本，提高了成功率和作業(yè)時(shí)效。

2 工藝特點(diǎn)

2.1 下井儀器串結(jié)構(gòu)

因驅(qū)動(dòng)爬行器所用電纜的不同，對(duì)應(yīng)的下井儀器串也不相同。用8mm單芯電纜時(shí)，儀器串從上到下依次為：馬龍頭+單芯轉(zhuǎn)換短節(jié)+磁定位張力短節(jié)+電子線路短節(jié)+扶正器短節(jié)+推靠驅(qū)動(dòng)短節(jié)+補(bǔ)償短節(jié)+扶正器短節(jié)+柔性短節(jié)+扶正器短節(jié)+釋放丟手短節(jié)+電隔離短節(jié)+防震短節(jié)+射孔槍串，具體見圖1所示。用11.8mm七芯電纜時(shí)，儀器串從上到下依次為：馬龍頭+磁定位張力短節(jié)+電子線路短節(jié)+扶正器短節(jié)+推靠驅(qū)動(dòng)短節(jié)+補(bǔ)償短節(jié)+扶正器短節(jié)+柔性短節(jié)+扶正器短節(jié)+釋放丟手短節(jié)+防震短節(jié)+射孔槍串，具體見圖2所示。

圖1 8mm單芯電纜下井槍串結(jié)構(gòu)圖

圖2 11.8mm七芯電纜下井槍串結(jié)構(gòu)圖

2.2 工藝安全措施

為消除射孔作業(yè)中可能出現(xiàn)的“誤起爆”、起爆后遇阻遇卡等安全風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)目前使用的8mm單芯和11.8mm七芯兩種電纜，分別采取不同的安全措施。

2.2.1 使用單芯電纜的安全措施

(1)采用電隔離短節(jié)，防止誤起爆。

使用爬行器輸送射孔槍時(shí)，需要采用電隔離裝置，使得爬行器工作時(shí)需要的高電壓不會(huì)被傳遞到射孔槍，防止射孔槍的誤起爆。它主要由掛接在爬行器下端的電壓保護(hù)模塊VPM(Voltage Protection Module)和位于地面的電壓保護(hù)模塊控制面板VCP(VPM Control Panel)組成，其本質(zhì)是一個(gè)由地面控制的“電子開關(guān)”，它接收來自于VCP的控制命令來打開或閉合這個(gè)開關(guān)，并且把這個(gè)開關(guān)的狀態(tài)上傳到VCP。通過這個(gè)電子開關(guān)，使得當(dāng)爬行器工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)測(cè)井電纜在物理上與射孔槍等實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的隔離，防止誤起爆。為此研制了一種用于爬行器輸送射孔的安全供電轉(zhuǎn)換單元，通過采用物理隔離等方法，能有效解決了以上問題。如圖3所示，儀器串中接入的電壓保護(hù)安全短節(jié)④，即為電隔離短節(jié)。在非射孔狀態(tài)下，電隔離短節(jié)④中的4.2機(jī)械開關(guān)處于斷開狀態(tài)，并且將連接射孔槍的單芯電纜接地，避免意外或感應(yīng)電壓引起的誤爆風(fēng)險(xiǎn)，而且機(jī)械開關(guān)是雙冗余由電機(jī)控制的，不會(huì)由于電氣故障導(dǎo)致誤接通。

(2)采用單芯轉(zhuǎn)換短節(jié)，防止誤起爆。

爬行器在工作過程中，如圖3的②，單芯轉(zhuǎn)換短節(jié)與下方設(shè)備處于斷開狀態(tài)，只與爬行器相連，爬行器工作電壓不能下至VPM以及射孔槍串上。

圖3 安全措施示意圖

(3)采用釋放丟手短節(jié)，可釋放指定的遇卡儀器串。

通過在儀器串安裝多個(gè)釋放丟手短節(jié)，確保遇卡后選擇性釋放井下儀器，上提爬行器至地面后，打撈井中遇卡的儀器串。

2.2.2 使用七芯電纜的安全措施

使用七芯電纜驅(qū)動(dòng)爬行器時(shí)，因?yàn)橹挥秒娎|的①～⑥六根纜心控制爬行器，而電纜的⑦芯不與爬行器中任何電路有電器連接，是完全獨(dú)立的一根貫通纜芯，它可以專門用做射孔的點(diǎn)火線。在爬行器工作過程中，將地面系統(tǒng)接線箱體上的電纜的⑦芯和電纜的鎧皮⑩連接，保證射孔的點(diǎn)火線安全接地。射孔槍送到目的地層層位后，將電纜的⑦芯連接到射孔面板的點(diǎn)火線輸出上即可。

使用七芯電纜驅(qū)動(dòng)爬行器比用單芯電纜驅(qū)動(dòng)爬行器進(jìn)行射孔安全性更高，且無需配接單芯轉(zhuǎn)換短節(jié)與電隔離短節(jié)，儀器串更短。

3 鄭4-76-32L井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 井況信息

套管內(nèi)徑124.26mm，水垂比3.14，水平段798m～2800m，最大井斜98°/1590m，井眼軌跡見圖4所示。

圖4 鄭4-76-32L井導(dǎo)向軌跡圖

首段射孔位置2795m～2795m，射孔段0.5m，89射孔槍89射孔彈。

爬行位置700m～2800m，爬行距離2100m。

表1 煤層氣井管線預(yù)警表

3.2 施工措施

為確保爬行器射孔的順利進(jìn)行，在爬行器射孔施工前，應(yīng)將井壁殘留的疑結(jié)水泥刮凈，并進(jìn)行洗井、替清水作業(yè)。爬行器兩端應(yīng)分別連接扶正器短節(jié)，以減小儀器和井壁的摩擦力，如果井眼中狗腿肚過多，可在爬行器和儀器之間加裝柔性短節(jié)。有波浪起伏井段，應(yīng)使用七芯粗電纜，避免射孔槍串卡住時(shí)拉力不夠。爬行器驅(qū)動(dòng)最少使用3節(jié)驅(qū)動(dòng)，由于井段長(zhǎng)，需爬行時(shí)間長(zhǎng)，必須保證電纜、馬龍頭具有良好絕緣。在爬行過程中尤其是最大井斜角處，隨時(shí)觀察爬行狀況，再適當(dāng)調(diào)節(jié)爬行器的驅(qū)動(dòng)電流、電壓，以便通過復(fù)雜井段。

3.3 施工過程

根據(jù)本井的井眼軌跡，采用模擬爬行軟件進(jìn)行爬行力學(xué)估算和安全評(píng)估后，為了保證施工成功率，使用三組驅(qū)動(dòng)短節(jié)，為了保證施工安全，使用七芯電纜作業(yè)，并在射孔槍上部加裝多級(jí)點(diǎn)火裝置，如圖5所示。在爬行過程中將纜心7和纜皮進(jìn)行短路，利用多級(jí)選發(fā)開關(guān)和專用點(diǎn)火面板點(diǎn)火，雙保險(xiǎn)措施防止誤發(fā)射。

圖5 多級(jí)點(diǎn)火裝置圖

2020年8月3日10:00作業(yè)隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，15:00進(jìn)行井口安裝，15:50儀器串下至分級(jí)箍位置進(jìn)行校深，16:00開始爬行，4日0:40爬行至井底位置，確認(rèn)接箍數(shù)無誤后上提至點(diǎn)火位置，0:55點(diǎn)火成功，2:15儀器串出井檢查發(fā)射率為100%。爬行器連續(xù)爬行6小時(shí)40分鐘，爬行距離2100m，爬行器電流從800至2000mA，電壓500V。