頁巖氣水平井牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用研究

【摘 要】牽引器送射孔技術(shù)融合牽引運輸技術(shù)和多級射孔技術(shù)，可替代折管穿孔技術(shù)，實現(xiàn)水平井首段射孔，可通過與泵送分簇射孔作業(yè)啟動無縫連接，可為水平頁巖氣源的潤滑提供有效途徑。介紹了牽引器運輸送射孔技術(shù)的特點以及工作原理。眾所周知，缺乏專業(yè)的管道施工和分析軟件，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的檢測程序和缺乏常規(guī)管理經(jīng)驗的是現(xiàn)代牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用中的主要問題。

【關(guān)鍵詞】頁巖氣;水平井;牽引器

引言

在頁巖氣水平井首段射孔施工過程中，由于地層從未穿透，無法使用泵送技術(shù)和第一次射孔收集。牽引器輸送射孔技術(shù)是一種將拖放技術(shù)與多種精密技術(shù)相結(jié)合的穿孔技術(shù)，既可以頂替油管傳輸?shù)纳淇准夹g(shù)，又可以通過泵送和作業(yè)叢式射孔的方式自由連接，是另一種有效的方式。

1牽引器輸送射孔技術(shù)

1.1技術(shù)原理

牽引器與CCL磁儲器、電路元件、液壓推吸器等高度集成。地面控制時，推臂靠近機體內(nèi)壁，控制牽引滾輪旋轉(zhuǎn)，牽引牽引器前進(jìn)或后退。牽引器用于運輸和穿孔時，短部分和防震、電絕緣等鉆巖直接連接到牽引器的邊緣，借助牽引器運送鑿巖機，并可進(jìn)行沖孔操作。

1.2技術(shù)特點

與連續(xù)油管傳輸射孔相比，牽引器輸送射孔具有以下特點：

1）提高一相操作的性能時間。使用首段射孔的整個過程大約需要36個小時，而泵站和分組機的布置則需要8個小時。首段射孔采用牽引器運輸技術(shù)，準(zhǔn)備時間約20小時，施工完畢后可立即轉(zhuǎn)移至首段壓裂和第2段泵送分簇射孔作業(yè)程序。

2）改善射孔準(zhǔn)確度。目前連續(xù)油管射孔時，采用油管機進(jìn)行定位和深度調(diào)整，深度誤差非常大。讓牽引器射孔可以使用CCL的內(nèi)置磁場定位，并通過放置套管軸環(huán)來調(diào)整深度，以實現(xiàn)精確定位并防止不必要的故障。

3）長水平段適應(yīng)性提高。將連續(xù)油管在長水平段施工時，油管通常是自鎖的，極大地影響了施工的繼續(xù)進(jìn)行。牽引和鉆井基于地面控制的牽引裝置，以避免集成油管的鎖定位置，最適合長水平段的射孔。

1.3牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用難點

牽引器輸送射孔技術(shù)在中國仍在實地測試中，沒有用于線程構(gòu)建和分析的特定軟件，有必要根據(jù)各種來源的條件要求，設(shè)計出滿足推力要求、具有良好穿透性和安全性的牽引器射孔管串;同時，沒有標(biāo)準(zhǔn)的檢測程序，牽引器的運行和牽引機的檢測必須實時確定并進(jìn)行，從源頭保證電纜管的安全可靠。

2復(fù)雜井況牽引器輸送關(guān)鍵技術(shù)

2.1增大牽引器動力輸出

在超長水平井牽引器施工中，隨著牽引距離的不斷增加，牽引器拖拽電纜的長度不斷增加，需要克服電纜的摩擦力就越大;大角度上翹井中，上翹井斜角可達(dá)到110°，牽引器需要克服自身和電纜的重力分力非常大。因此，為適應(yīng)各種井筒環(huán)境的施工需要，提高牽引器的動力輸出成為了首要解決的問題。在牽引器輸送過程中，驅(qū)動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速器、傳動齒輪組進(jìn)行多級減速并改變旋轉(zhuǎn)方向后，將動力傳遞給牽引輪。在用于超長水平井的牽引器設(shè)計中，隨著牽引距離的不斷增加，隨著牽引器牽引的電纜長度的增加，必須克服的電纜摩擦力就越大。上翹井斜角達(dá)到110°時，要克服牽引器本身的重力分量很大。因此，提高牽引機動力輸出以滿足各種油井條件下的施工需要成為亟待解決的重大問題。牽引裝置在運輸過程中，驅(qū)動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過變速箱和傳動齒輪分幾步減小，改變旋轉(zhuǎn)方向，從而將動力傳遞給牽引輪。牽引力公式表示為：

其中：輸出牽引力，N，p-發(fā)動機功率，w;n——傳動比;i—變速箱的傳動比;-機械效率;r為牽引輪半徑，m;是發(fā)動機的角速度，rad/s。

牽引器液壓推靠系統(tǒng)將牽引輪撐開壓緊在套管內(nèi)壁上，牽引輪旋轉(zhuǎn)帶動工具串在井筒內(nèi)前進(jìn)，牽引器獲得的牽引動力公式表示為：

液壓牽引器推動系統(tǒng)拉動牽引輪并將其推入體壁。牽引器輪旋轉(zhuǎn)將一系列工具推入井中。從牽引器獲得的牽引動力公式表示為：

其中：—有效牽引力，N;-牽引輪與車身壁之間的摩擦系數(shù);N——正壓，N。

從式（1）可以看出，減速比與牽引力成正比。使用大減速比的變速箱可以提高牽引器的輸出功率，提高牽引器的穩(wěn)定性，而無需其他機械設(shè)計變化。通過開發(fā)不同減速比的齒輪箱，可以滿足不同水平斷面長度和不同提升角度井的運輸需求，可以有效提高牽引器在復(fù)雜井下條件下的運輸能力。

從式（2）可以看出，牽引輪對機殼的靜壓和摩擦系數(shù)越大，牽引器受到的牽引力就越大。已經(jīng)開發(fā)出更適合井況的牽引輪，旨在彎曲各種尺寸的套管內(nèi)壁，將牽引器的輸出轉(zhuǎn)換為有效推力。牽引輪的接觸面采用錐形棘輪的形式，以增加摩擦系數(shù)。目前，江漢牽引器液壓推進(jìn)系統(tǒng)的輸出壓力范圍為0～10MPa，牽引輪對5%套管管壁的正壓呈線性增加。針對不同的水平截面長度和旋轉(zhuǎn)角度施加不同的推力，可有效提高牽引器的牽引效率。

2.2降低牽引器輸送負(fù)載

水平井運輸過程中牽引器的主要載荷包括牽引器本身的摩擦和重力分量、被運輸?shù)墓ぞ邘А㈦娎|等。載荷公式為：

其中：—牽引器載荷，N;G—工具串或電纜的重力，N;θ—上翹角，度數(shù)（°）;?-工具串或電纜摩擦系數(shù)。

工具串在水中的質(zhì)量為300kg，電纜在水中的質(zhì)量為245kg/km，工具串、電纜和套管壁的摩擦系數(shù)分別為0.15和0.3，傾角為：100°（向上傾斜角度10°）。

在鉆孔斜率為100°時，牽引器克服自身工具串所需的最小牽引力為945N。隨著水平截面的增加，牽引纜繩變長，牽引力克服纜繩所需的載荷急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過加載工具串本身所需的拉力。等式（3）表明，降低工具串和電纜的重量以及降低工具串和電纜與套管壁之間的摩擦系數(shù)可以減少拖拉機上的負(fù)載。小直徑電纜導(dǎo)體有效地減少了長水平電纜的負(fù)載。

2.3降低電纜的功率損耗

牽引器的地面控制系統(tǒng)通過電纜為下行工具供電，電力傳輸過程中電纜中的功率損耗可用下式表示：

其中：P—電纜中的功率損耗，W;I—牽引器電流，A;—電纜芯的電阻;L—電纜長度，m;S—電纜芯截面積，。

隨著牽引載荷的增加，牽引器電流增加，因此電纜中的功率損耗也增加。由于牽引器接地系統(tǒng)的輸出不能有效轉(zhuǎn)換為牽引器的有效功率，牽引器效率大大降低。此外，受牽引器對地供電電壓的限制，電纜上的壓降越大，牽引器的工作電壓越低，形成惡性循環(huán)，不僅會降低牽引器的傳輸特性，還會損壞工具。因此，在實踐中，可以根據(jù)施工現(xiàn)場的井深，采用適當(dāng)長度的電纜，增加電纜芯的截面積，以減少電纜中的功率損耗。

3結(jié)語

根據(jù)井況使用不同減速比的變速箱可以提高牽引器的效率。減速比越高，牽引器的輸出功率越大。采用單芯電纜，降低工具串的耐磨性，該工具組可有效減輕牽引器的負(fù)載，幾種復(fù)雜措施的結(jié)合使用，可以有效保證牽引器在井下條件惡劣的運輸過程中的運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸應(yīng)輝，任國輝，聶華富，張清彬，唐勤，周劍.頁巖氣水平井牽引器輸送射孔技術(shù)應(yīng)用研究[J].石油礦場機械，2020，49（01）：41-46.

作者簡介：

于建波，男，1973年生，助理工程師，從事射孔工藝技術(shù)的應(yīng)用與研究。