一種提高水力泵送效率裝置及控制方法

張脈全

（中石化經(jīng)緯有限公司 勝利測井公司，山東 東營 257096）

1 前言

2006 年初，中國石油勘探開發(fā)研究院油氣資源規(guī)劃所組織專家在四川盆地西南地區(qū)進(jìn)行了頁巖氣資源調(diào)查研究。據(jù)體積法估算結(jié)果，中國僅頁巖氣資源量高達(dá)26～31 萬億立方米，與美國頁巖氣儲量相當(dāng)。我國原油對外依存度正逐年上升，而美國原油對外依存度卻在逐年下降，這其中頁巖油氣等替代能源發(fā)揮了極為重要作用。而頁巖油氣大規(guī)模開采離不開非常規(guī)水平井電纜泵送橋塞分簇射孔與分段水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

我國頁巖氣主陣地之一，川渝地區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，大部分頁巖水平井井深超過5500 米，垂直深度已超過了4000 米，水平段長度達(dá)到1500m 以上，地層壓力高、井筒環(huán)境越來越復(fù)雜。經(jīng)常出現(xiàn)地震現(xiàn)象，在分段大型壓裂過程中，套管縮徑及套管變形井越來越多，給電纜泵送橋塞射孔聯(lián)作施工帶來很大的困難（參見圖1）。

圖1 現(xiàn)場套變遇阻曲線圖

目前，普遍采用的89 型射孔槍串配套貝克20#橋塞座封工具已經(jīng)無法應(yīng)對該類工程難題，比如套變縮徑情況下89 系列槍串和橋塞無法通過，就只能改用73 小直徑射孔槍串配套貝克10#橋塞座封工具，但在5?″套管內(nèi)存在泵送推動效率低難題。如果加大排量泵送，將存在電纜推過工具串以及井口壓力失封的風(fēng)險，易導(dǎo)致遇卡、泵脫槍串以及電纜跑到槍串前端等工程事故；如果降低排量又無法推動工具串。因此，如何提高5?″套變縮徑井小直徑聯(lián)作槍串的泵效已成為需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

另外，采用連續(xù)油管射孔方式雖然能夠在一定程度上滿足工程要求，但是需要將橋塞作業(yè)和分多簇射孔分開進(jìn)行，不僅增加了工作量，延長了施工周期，且施工效率低下[1]。因此設(shè)計一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，實現(xiàn)不需要大的泵送排量情況下，提高小直徑電纜泵送橋塞與射孔管串在套變縮徑井中的泵送效率和通過能力，對于大大降低泵送遇阻及泵脫風(fēng)險，避免電纜泵送槍串前端，造成電纜打紐或射斷電纜等工程事故具有重要的意義。

2 主要研究內(nèi)容

如圖2 所示，一種提高水力泵送效率裝置的技術(shù)結(jié)構(gòu)主要由上連接頭、中間殼體、下連接頭、調(diào)整心軸、變徑總成、調(diào)整環(huán)、上彈簧、下彈簧組成，其外徑有73、80 和89 兩型，配套多種外徑變徑總成。

圖2 一種提高水力泵送效率裝置原理圖

2.1 技術(shù)設(shè)計方案

該裝置不受力時，變徑總成通過上彈簧作用力，處于壓縮伸出狀態(tài)，伸出量受調(diào)整環(huán)限制；該裝置上連接頭拉伸受力，且拉力大于一定值時，上彈簧被壓縮，變徑總成被拉伸收縮，外徑完全低于該裝置外沿。當(dāng)整個工具串處在井口或直井段時，因受自身重力作用，電纜拉伸時，變徑總成處于拉伸收縮狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入水平段時，電纜不受力，變徑總成自動處于壓縮伸出狀態(tài)，增加工具串外徑截面積，水力泵送時增加推力，若工具串泵送運行流暢，電纜受力，變徑總成自動拉伸收縮，若工具串泵送運行不暢，電纜不受力，變徑總成自動壓縮伸出，從而提高水力泵送效率。另外，該裝置變徑總成采用特殊柔性材料，可以很好的通過變徑處，即使損壞也不會留下金屬硬物，且地面更換快捷方便。

所述上連接頭左端設(shè)置外螺紋和密封槽，中間一周設(shè)置四個扳手孔，右端設(shè)置固定外螺紋和滑動臺階，內(nèi)側(cè)設(shè)置通孔、心軸內(nèi)螺紋、心軸密封面、心軸通孔。

所述中間殼體左端設(shè)置固定外螺紋，殼體外側(cè)設(shè)置一周四個扳手孔和四個水槽，右端內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)螺紋和密封面，左端內(nèi)側(cè)滑動通孔、心軸通孔、調(diào)整孔。

圖3 現(xiàn)場應(yīng)用圖示

所述下連接頭左端設(shè)置外螺紋和密封槽，中間外側(cè)一周設(shè)置四個扳手孔，右端設(shè)置外螺紋和密封槽，內(nèi)側(cè)設(shè)置心軸活動通孔。

所述調(diào)整心軸左端設(shè)置外螺紋和密封槽，外側(cè)中間設(shè)置調(diào)整外螺紋，右端設(shè)置密封槽，內(nèi)側(cè)設(shè)置貫通線通孔。

所述變徑總成設(shè)置左固定環(huán)和右固定環(huán)，兩固定環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)置固定內(nèi)螺紋，中級設(shè)置可變徑傘，采用特殊的柔性材料，包括塑料、纖維（尼龍）、橡膠等有機(jī)柔性材料[2]。

所述變徑總成上的兩固定內(nèi)螺紋分別采用左旋和右旋螺紋，對應(yīng)的上連接頭上固定外螺紋和中間殼體上的固定外螺紋分別設(shè)置成左旋和右旋。

所述變徑總成上的可變徑傘為一周封閉式，左右兩端壓接在固定環(huán)內(nèi)，其厚度按照強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計，其內(nèi)側(cè)可嵌入金屬架，增加其強(qiáng)度。

所述調(diào)整環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)螺紋，安裝在調(diào)整心軸調(diào)整外螺紋上，調(diào)整其位置可以改變變徑總成壓縮伸出量。

所述上彈簧設(shè)置在調(diào)整環(huán)左端，控制上變徑總成的壓縮和拉伸受力情況，下彈簧設(shè)置在調(diào)整環(huán)右端，起到調(diào)節(jié)緩沖作用。

2.2 具體實施過程

上連接頭左端可以配套連接電纜、磁定位器或丟手等裝置，調(diào)整心軸套上調(diào)整環(huán)、上彈簧，套入中間殼體，一起連接到上連接頭，并將之上緊，變徑總成預(yù)先設(shè)置在上連接頭與中間殼體之間的臺階上，放人下彈簧，攆上下連接頭，且調(diào)整心軸穿過下連接頭，將變徑總成兩個固定環(huán)向左右兩端同時攆人固定外螺紋，下連接頭右端可以配套連接射孔槍串，裝置中心通孔過貫通線。

2.3 使用注意事項

（1）嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行現(xiàn)場安裝與測試；

（2）按照不同井況選擇不同外徑的裝置及變徑總成；

（3）按照不同井況調(diào)整調(diào)整環(huán)到合適位置；

（4）變徑總成下井后如有破損應(yīng)當(dāng)立即更換；

（5）每次下井使用后，按照使用手冊進(jìn)行維保保養(yǎng)。

3 礦產(chǎn)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 礦產(chǎn)試驗

新技術(shù)裝置進(jìn)行室內(nèi)礦產(chǎn)試驗20 次均合格（參見表1），完成了相應(yīng)使用風(fēng)險評估，各項安全技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。并組織員工進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)10 多次，技術(shù)人員快速掌握技術(shù)原理、操作規(guī)程、維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范及其各項安全注意事項等。

表1 礦產(chǎn)試驗檢驗裝置各種狀態(tài)

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

針對長寧工區(qū)頁巖氣分段壓裂改造過程中頻繁出現(xiàn)套管變形工程問題，新技術(shù)投入使用到2 口井（參見圖3），配合柔性短接，共計完成20 多段小直徑泵送橋塞射孔聯(lián)作施工，泵送排量由前期4.5m3/min，降低到3.3m3/min，大大降低了泵送施工風(fēng)險，避免了一系列的工程技術(shù)難題。在遇到套變突發(fā)情況時，具備迅速改用小直徑泵送橋塞射孔技術(shù)完成施工，解決了套變工況井持續(xù)射孔施工技術(shù)難題[3]。

4 結(jié)論

（1）一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，實現(xiàn)不需要大的泵送排量情況下，提高小直徑電纜泵送橋塞與射孔管串在套變縮徑井中的泵送效率和通過能力。

（2）一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，能夠大大降低泵送遇阻及泵脫風(fēng)險，避免電纜泵送槍串前端，造成電纜打紐或射斷電纜等工程事故。