0　引　言

受储层倾角、水平井钻井工艺等因素的影响,部分页岩气水平井井眼轨迹上翘,进行泵送分簇射孔作业存在难点。①泵送困难:水平段长且上翘(A、B靶点垂深差一般为200～300 m),泵送不仅要克服管串及电缆与套管的摩阻,还需克服管串自重切向分力,导致泵送排量大、泵速慢。②电缆变形或射断:井斜角通常96°～110°,桥塞坐封丢手及射孔瞬间,管串易往A靶点方向反冲,导致电缆变形受损,甚至是电缆窜入枪串与套管间隙而被射流射断,造成管串落井。为此,有必要开展上倾井电缆泵送分簇射孔与桥塞联作技术研究,以保障作业安全。

1　上倾井泵送管串受力分析

1.1　管串结构及参数

典型的泵送分簇射孔管串如图1所示,主要包括打捞矛及加重、射孔枪串、桥塞工具、坐封筒、桥塞等,由于管串含扶正接头,因此,管串与套管的中心轴平行,管串具体参数见表1。

图1　泵送分簇射孔管串结构示意图

表1　分簇射孔管串组成及参数

序号管串组成部分外径/m长度/m体积/m3浮力/N管串重量/kg1打捞矛及加重0073357500137134122射孔枪串0089570600331324493桥塞工具0097169000125122394坐封筒0104905600001615335桥塞010490565000494786420

1.2　泵送管串受力分析

上倾井泵送管串受重力G、浮力FF、泵送推力FP、流体黏附力FS、摩擦力Ff、电缆头张力FC等,α为井斜角,Fτ为管串在井液中的重力切向分量,FN为管壁法向支撑力(见图2)。

与轨缝错台监测的原理相似，通过间隙值的突变来判断轨道之间的缝隙大小。悬浮架上的4个间隙传感器探头将依次通过轨缝，若当前时刻为第三个间隙传感器探头通过轨缝且第二个间隙传感器探头未通过轨缝的时刻，则分别获取当前时刻前两个间隙测点和后两个间隙测点相对于悬浮架的坐标，前两个测点所成的直线与后两个测点所成的直线相交的锐角即为轨缝处的折角偏差。

图2　上倾井泵送管串受力情况

泵送过程中,泵送推力与流体黏附力的合力须大于管串摩阻及重力切向分量。泵送到位后,若井斜角α过大,管串重力切向分量Fτ大于管串静摩擦力Ff将导致管串回溜下滑。因此,有必要分析上倾井泵送桥塞与分簇射孔联作的各个阶段,并提出针对性措施。

2　上倾井泵送排量分析计算

2.1　上倾井泵送推力

上倾井泵送管串前进动力来源于泵液流过管串与套管间隙所产生的压差推力FP和泵液流经管串表面产生的黏附力FS[1-3]。泵液一般为清水,在井底其动力黏度小于1 mPa·s,且管串表面积也很小,因此,黏附力FS可忽略不计。

2.1 大鼠体质量变化 结果(图1)表明：第3周时，高脂饮食组大鼠的体质量大于正常饮食组(P<0.05)；第5周时，HF组及HF+LBBR组大鼠的体质量明显大于其余3组(P<0.05)；第6周开始，HF组大鼠的体质量大于其余4组(P<0.05)。

FP=p1A1+p2A2+p3A3+p4A4-p5A5

(1)

提取仿真结果,将作用在管串各部分的泵液流动推力相加,得到排量0.48 m3/min的上顶力为334.86 N,与理论计算值343 N相差2.4%;排量0.6 m3/min的上顶力为506.23 N,与理论计算值533 N相差5.0%,说明前述理论计算方法较为准确,可指导现场作业。

(2)

式中,μ为泵液动力黏度;L为间隙长度;h为间隙高度;ε为偏心率,ε=e/h,e为偏心距;q为间隙排量;ρ为泵液密度。假设已知p1,根据公式(2)可求得p2～p5,进而求出FP,理论推导可知FP与p1大小无关。

老陈说，后来啊，我实在忍无可忍了，就打电话报警了。警察来了之后，破门而入，你猜怎么着。屋里的两个人居然什么都没穿。警察把两个人带走了，后来那个女人被放出来，就搬走了。老陈不无得意，嘿嘿地笑起来。笑过之后，老陈突然把话题一转，说小马，你怎么一个人住。你老婆孩子呢？

2.2　上倾井泵送阻力

泵送阻力主要有管串重力与浮力的合力沿切线方向的分量Fτ、管串与套管间的摩擦力Ff1、电缆头张力FC等,其中电缆头张力主要是克服水平段电缆摩阻Ff2及泵送推力。

Fτ=(G-FF)cos α=(mg-ρgV)cos α

(3)

Ff1=f1(G-FF)sin α=f1(mg-ρgV)sin α

(4)

FC≥Ff2=f2(Gc-FFc)

(5)

式中,m、V分别为管串质量及体积;f1、f2分别为管串、电缆与井筒的摩擦系数;Gc、FFc分别为电缆自重及浮力;g为重力加速度。

泵送时管串紧贴套管内壁,泵液在套管与管串间隙中的流动为偏心间隙流(见图1)。p1～p5及A1～A5分别是管串顶部、各台阶、桥塞底部的流体压力及作用面积,泵送推力FP为

2.3　上倾井泵送排量选择

桥塞坐封后,若射孔井段井斜角较大,仍需泵注上顶排量来防止管串下滑,该方法仅适用于带内通径的桥塞。桥塞丢手后的管串结构及参数(见图7和表2)。

根据图3可得出某井斜角上倾井段泵送所需最低排量,例如最大井斜角为107°,位于水平段2 000 m处,则泵送阻力为2 808 N,推荐排量≥1.8 m3/min。

图3　泵送阻力与井斜角、泵送推力排量的关系曲线

3　坐封桥塞及射孔时上顶排量计算及仿真分析

上倾井管串泵送到位后,在点火坐封桥塞及射孔时,需泵注一定的上顶排量对管串产生上顶力,以阻止管串重力切向分量大于静摩擦导致下滑趋势。

按本文所述方法计算出最大井斜处的泵送阻力为1 572 N,推荐泵送排量为1.5～1.6 m3/min;桥塞点火时所需上顶力范围为43～1 403 N,推荐上顶排量≤0.98 m3/min;射孔时所需上顶力范围为42～1 379 N,推荐上顶排量≤0.87 m3/min。实际泵送排量与压力曲线(见图9)。

3.1　坐封桥塞前上顶排量计算

桥塞坐封前,保持管串静止且缆头张力为0,则最小上顶力要能克服管串重力切向分量与静摩擦的差值,最大不超过二者的合力,上顶力需求范围与井斜角的关系见图4。管串在上顶排量的作用下保持静止,即管串速度为0,则上顶力与上顶排量关系见图5。

图4　上顶力需求范围—井斜角的关系曲线

图5　上顶力—上顶排量关系曲线

根据图4和图5可以得到在各种井斜角的上倾井中,为使泵送到位的管串不滑动所需的上顶排量。例如,井斜角为105°时,所需上顶力范围为228～1 571 N,则推荐上顶排量为(0.48～1.0) m3/min。

3.2　桥塞坐封过程中的上顶力变化分析

为使管串不下滑,桥塞点火后仍需保持上顶排量,以上顶排量0.48 m3/min为例,上顶力随桥塞外径变化的关系(见图6)。上顶力一开始以较缓增幅随桥塞外径增大而增大,但当桥塞外径增大到接近套管内径时,上顶力急剧增大[6],将对电缆头弱点造成一定的损伤或破坏。

图6　桥塞坐封过程中的上顶力变化曲线

为保障作业安全,借助于桥塞膨胀对间隙流动的节流作用导致套压上涨,可通过设置泵车超压值来控制在合适时机停止泵注上顶排量,超压值一般略高于桥塞点火时的套压1～2 MPa。

3.3　射孔时上顶排量计算

取泵液(清水)动力黏度μ=0.55 mPa·s(50 ℃/80 MPa条件下),摩擦系数f1=0.2、f2=0.25,Φ8 mm电缆在水中的线密度为230 kg/km,假定水平段长2 000 m,管串泵送速度为3 000 m/h,则可计算出Φ139.7 mm×12.34 mm套管内泵送阻力与井斜角、泵送推力与排量关系(见图3)。

图7　桥塞丢手后的管串结构示意图

表2　桥塞丢手后的管串组成及参数

序号管串组成部分外径/m长度/m体积/m3浮力/N管串重量/kg1打捞矛及加重0073357500137134122射孔枪串0089570600331324493桥塞工具009714800109107184中心杆00505024000054715坐封筒转换接头00970210001615216坐封筒01049056000161533410

上顶排量产生的管串推力FP为

HUANG Shi-ren, SHEN Hong-jian, XING Peng-fei, SHEN Fang, ZHANG Yong-wei, WU Tao, DENG Ben-qiang

FP=p1·A1+p2·A2+p3·A3+

p5·A5+p6·A6-p4·A4-p7·A7

(6)

参照3.1的方法可得到各种井斜角的上倾井中为使桥塞丢手后的管串不滑动所需的上顶排量。例如,井斜角为105°时,所需上顶力范围为224～1 545 N,则推荐上顶排量为0.48～0.9 m3/min。

3.4　上顶力仿真分析

XX81-5HF井实钻A靶点斜深3 203 m/垂深2 819 m,B靶点斜深5 238 m/垂深2 688 m,井眼轨迹上倾,其中第23段泵送桥塞位置3 469 m(井斜102°),射孔位置3 460～3 461 m、3 438～3 439 m、3 416～3 417 m(井斜102°)。

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图8　管串各部流体压力云图

偏心间隙流的压降公式为[4-5]

4　现场应用案例

为验证理论计算的正确性,采用ANSYS-Fluent建立了上倾井管串上顶力仿真模型,分别计算了0.48 m3/min(见图8)和0.6 m3/min 等2种排量的上顶力。

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图9　XX81-5HF井第23段泵送排量及压力曲线

由图9可知,实际最大泵送排量为1.6 m3/min,坐封桥塞及射孔时的上顶排量分别为0.6 m3/min、0.48 m3/min,均在理论计算推荐范围之内。在桥塞点火前将泵车超压设置为44 MPa(比点火前套压42 MPa高出2 MPa),桥塞开始膨胀后,套压上涨至超压值时自动停泵,确认桥塞丢手后,为射孔管串泵注0.48 m3/min的上顶排量,管串在该上倾井段施工过程中未发生反冲下滑。

武汉商学院与武汉中欧自贸城商业管理有限公司签订了校企合作协议书，建立了产教融合、校企合作的关系，人才的培养模式主要采用“订单班式”和“工学结合式”。

5　结论及建议

(1) 基于偏心间隙流理论建立了泵送推力计算模型,结合上倾井泵送阻力分析,可给出不同井斜角对应的推荐泵送排量,现场应用表明该理论计算结果可指导现场泵送作业。

(2) 建议上倾井分簇射孔作业采用带内通径的桥塞,以便于在射孔时泵注上顶排量。

(3) 给出了坐封桥塞及射孔时的上顶排量计算方法,ANSYS-Fluent仿真分析验证该理论计算结果准确,现场应用证明该方法推荐的上顶排量可保障上倾井管串不发生反冲下滑。

(4) 上顶排量产生的上顶力在桥塞外径膨胀至接近套管内径时急剧增大,为保障管串不反冲下滑同时不损伤电缆头弱点,建议密切关注张力变化,并设置泵车超压值略高于桥塞点火时套压1～2 MPa,以在合适时机停止泵注上顶排量。

1.技术进步。从以往发展经验来看，城镇的发展、产业的升级都与科学技术的进步息息相关，科学技术发展水平的高低以及新技术能否运用到经济社会发展之中对产城融合的进步与迟滞都密不可分。科技进步不但可以促进产业技术的更新、产业转型升级，尤其是工业技术的进步，进一步为城镇化的发展提供经济支撑，而且现代信息技术的进步也有利于城镇人口、城镇空间和城镇功能的扩散和延伸，以及城镇发展合理规划。

参考文献:

[1]　朱秀星, 薛世峰, 仝兴华, 等. 非常规水平井多簇射孔与分段压裂联作管串泵入控制模型 [J]. 测井技术, 2013, 37(5): 572-578.

[2]　焦国盈, 裴苹汀, 唐凯, 等. 水平井泵送射孔影响因素分析 [J]. 重庆科技学院学报(自然科学版), 2014, 16(1): 71-73.

[3]　朱秀星, 薛世峰, 仝兴华. 水平井射孔与桥塞联作管串泵送参数控制方法 [J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(3): 371-376.

[4]　周志鸿, 闫建辉, 刘连华. 间隙泄漏量的分析计算 [J]. 凿岩机械气动工具, 2002(4): 14-17.

[5]　赖邦钧, 周梓荣, 彭浩柯. 间隙泄漏水量的初步测定及其计算公式的探讨 [J]. 凿岩机械气动工具, 2002(2): 45-52.

[6]　陈锋, 李奔驰, 唐凯, 等. 桥塞与套管间隙对泵送桥塞影响分析及实践 [J]. 测井技术, 2016, 40(2): 249-252.