煤层气U型井PE筛管完井泵送方案

申瑞臣，时文，徐义，王开龙，蓝海峰

（1.中国石油勘探开发研究院研究生部，北京 100083;2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

煤层气U型井PE筛管完井泵送方案

申瑞臣1，2，时文1，2，徐义2，王开龙2，蓝海峰2

（1.中国石油勘探开发研究院研究生部，北京 100083;2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

为解决井壁坍塌堵塞流道问题，采用一种PE材质的连续筛管对煤层气U型井、多分支井的水平段进行完井。

PE筛管主要通过井口注入装置由钻杆内注入，在下入一定长度后筛管会发生屈曲自锁，通过钻井液泵送筛管以有效解除屈曲锁紧状态，将筛管送至目的层位。筛管引导装置承压台肩的形状和尺寸对泵送效果起着关键作用。通过建立模型分析，推导出液流对台肩的冲击力公式，通过现场试验分析获取流阻系数的方法，并验证泵送方法送入筛管的能力。结果表明，液流对台肩的冲击力与液流和引导装置之间速度差的平方成正比，流阻系数取决于台肩同钻杆内壁之间的配合关系。

煤层气;筛管完井;泵冲;流阻系数

在煤层气开采过程中，由于中高阶煤层的渗透率普遍偏低，为提高产量，能够大幅增加泄流面积的U型井和多分支井技术正越来越多地应用于煤层气开发当中［1-2］。为避免储层污染，目前煤层气U型井和多分支井水平段多采用裸眼完井［3］，而煤岩的脆性较大，同时具有极强的应力敏感性，在开采过程中随着压力的下降，水平井段极易出现坍塌，进而堵塞流道，使产量严重下降［4］。为解决这一问题，可在水平井段下入筛管完井用于支撑井壁。另外，出于后期采煤作业安全的考虑，金属材质的管材被禁止下入煤层，因而采用一种高强度PE筛管代替常规金属筛管进行完井。PE管材较轻，难以靠自重下入，将其做成连续管，通过井口注入装置注入，为了减小下入过程中的摩阻，目前主要采用经钻杆内进行注入的方法。这种PE筛管完井在澳大利亚的煤层气开发当中已经得到了广泛应用，在中国还处于探索试验阶段。笔者对煤层气U型井PE筛管完井泵送方案进行研究。

1 PE筛管下入工艺

由于受到注入装置的注入力和下行过程中的阻力，PE筛管首尾两端承受压力容易弯曲变形，当压力达到临界负荷之后，首先出现正弦屈曲，随着进一步受压将产生螺旋屈曲，严重时PE管将发生屈曲自锁，此时注入力越大，锁紧状态越严重，通过井口注入装置无法继续为筛管提供下行力［5］。

在发生屈曲之前，下入阻力主要来自于筛管同钻杆内壁的侧向接触力，发生屈曲之后筛管的阻力主要来自于屈曲带来的附加接触力。PE筛管下入过程中在直井段已经出现严重屈曲遇阻，在发生正弦屈曲的情况下附加接触力［6］可由以下公式计算:

式中，Nzx、Nlx为附加接触力，N/m;T为连续管所受轴向力，N;r为钻杆内半径与筛管外半径之差，m;E为管材弹性模量，Pa;d、D分别为筛管内、外直径，m。

可以看出，下筛管选用的钻杆内径、筛管尺寸及材料均对下入过程中的阻力有影响。这种情况下应将筛管割断，连接钻杆，建立循环利用钻井液泵送将PE管送至目的层位。在筛管前端连接的引导装置上安装有承压台肩，在建立循环后，通过钻井液作用在台肩上的冲击力带动PE筛管下行（图1）。

利用承压肩带动筛管下行的作用原理，除了利用钻井液液流冲击力提供直接的下行力外，更重要的是，筛管下入过程中遇阻主要是由于在井内屈曲锁紧，越压锁紧越严重，而通过冲击承压肩在下方提供一个拉力则能逐渐解除锁紧状态。此外拉力可将筛管拉直，减少下行过程中筛管与钻杆内壁的摩擦阻力。

图1 筛管引导装置及泵送作用原理示意图Fig.1 Guiding unit of PE screen and pum pingmethod

2 泵送方案设计

泵送实际上是通过作用在筛管管体和台肩上的冲击力共同带动筛管下行，由于筛管屈曲形态复杂，无法精确计算和控制冲击力。承压台肩相对筛管直径较大，可通过正面冲击力和边界层的黏滞力双重作用提供下行力，因此承压肩设计是泵送方案设计中的关键。

2.1 承压台肩形状设计

承压台肩形状设计以最大限度地承受来流冲击和减小下入过程遇阻或卡死情况为原则;当筛管引导装置安放在直井的洞穴附近，以及在同一井段需要多次下筛管的情况下，为了保证过流通道连贯通畅，可以考虑在引导装置前端留出泄流孔。

2.2 承压台肩尺寸设计

隔断筛管并开泵循环后，筛管及引导装置的初始速度为零，逐渐增加排量，至钻井液液流造成的冲击力足以克服筛管所受阻力或开始解除筛管锁紧状态，引导装置开始带动筛管下行。到平稳下行状态，引导装置与液流保持恒定的速度差，使得相对流量通过引导装置时造成的冲击力恰好可以克服下行过程中的摩阻（图2）。

这种冲击力本质是由于液体在台肩处绕流，由于涡流耗能导致台肩下游的压强低于上游压强，在台肩两侧形成压差，这种差压力即为冲击力［8］。

为考察台肩处冲击力影响因素，建立简化模型，假设:接近台肩处的筛管壁光滑，筛管内外液流流动状态一致;所取1、2两个液流截面上速度及压力平均分布。

取两截面之间的液体作为研究对象，根据流体动量定理［9］，有

式中，R为台肩对于液流作用力，数值上等于液流对于台肩的作用力，N;p1、p2分别为作用在上、下两截面的压力，Pa;A1、A2分别为上、下两截面面积，m2; Q为钻井液流量，m3;ρ为钻井液密度，kg/m3;v1、v2为钻井液在两截面处流速，m/s。

图2 台肩处绕流示意图Fig.2 Flow field near pressure-bearing shoulder

对于流经台肩处的液流，其水头损失主要存在于由较宽的流道进入台肩处的狭窄流道处的缩颈损失，以及由狭窄流道重新进入较宽流道的扩径损失。图3为承压台肩处流道截面示意图。

图3 承压台肩处流道截面图Fig.3 Sectional view of flow path in pressure-bearing shoulder

图3阴影部分即为液流冲击部分，而空白处为过流通道，将过流面积设为As，流经台肩处的液流速度设为vs，则对截面1和台肩过流面，伯努利方程为

式中，γ为钻井液重度，N/m3;ζ1为缩颈处的局部水头损失系数。

同样，对于台肩过流面和截面2，伯努利方程为

式中，ζ2为扩颈处的局部水头损失系数。

需要注意的是，当承压台肩带动筛管以速度ve下行时，在台肩处的流量应取相对流量，同样，所有的速度均应取相对速度v－ve，即

式中，Q'为相对流量，m3。

其中，ζ1和ζ2取决于台肩和钻杆内壁之间的配合关系，因此将式（12）简化为

式中，k为流阻系数;A为钻杆内截面积，m2;vF为钻井液在钻杆内的流速，m/s。

由于在绕流物体周围流动情况较为复杂，而且受多因素影响，无法精确描述流场形态，绕流阻力系数一般依靠试验确定，很难单纯由理论算出。

由以上公式可知，钻井液排量越大，能够造成的冲击力也就越大，但考虑到煤层稳定性较差，采用大排量可能会对井壁带来破坏［10］，推荐采用正常钻进时所采用的排量。

3 参数确定方法

（1）台肩冲击力R。当引导装置冲出钻杆后，由台肩造成的钻杆内压耗消失，泵压会有一个明显的瞬时下降，利用这个下降的泵压值可以算出钻杆内液流对台肩的冲击力。

（2）钻井液流速。在泵冲流量和钻杆内截面积已知的情况下可求得钻井液流速。

（3）引导装置下行速度ve。由于钻杆接头处内径小于钻杆内径，在引导装置通过钻杆接头时会形成暂时性的蹩压，泵压上升，通过之后迅速下降，在下行的过程中会出现周期性的泵压升高的现象，通过泵压变化的周期和钻杆长度可以算出引导装置的下行速度;在实际下行过程中，可能会出现泵压跳动不明显或者频率过快的情况，可以用记录的下行总长度和下行时间得到的平均下行速度来近似代替。

4 现场试验

2012年3月中国石油钻井工程技术研究院在山西沁水南部斜坡沁水煤层气田郑庄区块某U型井试验井组进行了首次筛管下入试验，该井组主要为摸清该区山西组3#煤层气藏采用U型井开发的产气效果，为郑庄整体开发部署提供依据。根据设计要求，对水平井采用外径50.8 mm的PE筛管完井。

4.1 技术要求及试验过程

根据井身结构，在过直井洞穴之后的水平井段设计下入245 m筛管，割断后泵送至目的层位。之后上提钻杆，在洞穴前下入1.15 km筛管。

由公式（13）可知，在钻杆内径一定时，随着台肩面积的增大，能够造成的冲击力将呈指数关系上升，故为了增大冲击力，可尽量增大台肩外径，减小泄流孔直径，但为避免在靠井口注入装置注入筛管的过程中遇到较大的水力摩阻，台肩的设计并非越大越好。根据试算选择58 mm外径台肩，未预留泄流孔。

现场作业过程中，第一段245 m筛管顺利注入并割断泵送至目的层位，上提钻杆至洞穴前下入第二段筛管，在下入745 m后遇阻严重无法继续下入，割断后泵冲出钻杆端口，继续注入第三段筛管至井口。

4.2 数据整理

两次泵送作业数据见表1。

表1 泵送作业数据Tab le 1 Field data

由此可以得到在该工况的流阻系数，可以看出第一段和第二段流阻系数有一定差别，主要是由于现场计数的不精确以及筛管弯曲对长度的影响所致。所得结果对于今后的筛管泵送施工具有一定指导意义，但若要得到更加精确的泵送公式还需多次试验矫正。需要注意的是，在不同的钻杆内径以及台肩尺寸下流阻系数不同，均需要试验来验证。

5 结论

（1）煤层气PE筛管下入过程中，由于受压造成的屈曲是阻力的主要来源。通过泵送能够有效地解除筛管在钻杆内的锁紧遇阻状态，带动筛管顺利下行;台肩设计是泵送方案设计中的关键部分。

（2）泵送过程中，液流对引导装置台肩的冲击力与液流和筛管之间的速度差成正比，流阻系数取决于台肩与钻杆内壁的配合关系，可通过现场试验获得。

（3）在不对井壁造成损害的前提下，利用合适排量可以顺利地带动至少745 m遇阻筛管下行。

（4）试验及投入使用的主要为外径50.8 mm的PE筛管，其不足之处在于能够提供的过流通道有限，同时由于筛管同钻杆内壁间隙较大，下入过程中屈曲现象严重。更大尺寸的PE筛管可以弥补这些不足。

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PE screen com p letion for U-shaped coal-bed methane wellsw ith pum ping method

SHEN Rui-chen1，2，SHIWen1，2，XU Yi2，WANG Kai-long2，LAN Hai-feng2

（1.Postgraduate Department of Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，Beijing 100083，China; 2.Drilling Research Institute，CNPC，Beijing 100195，China）

In the U-shaped and multi-branched coal-bed methane（CBM）wells，sloughing which is likely to result in flow path blocking up，is one of themain limiting factors for CBM production.PE screen comp letion isa kind ofmethod to resolve the problem.PE screen can support the well hole effectively，and reduce the damage caused by sloughing.PE screen is injected from the surface through pipes.With pushing force in one end and friction in the other end，buckling will occurwhen certain length of the PE screen injected.Pumping can relieve the buckling and lead the screen to preset position.The shape and size of pressure-bearing shoulder which is located at the front end of PE screen guiding unit are key factors for the pumping effect.W ith simplified model，the formulaof fluid impact forcewasdeduced.Themethod for obtaining coefficientof resistance was analyzed using field test，and the effect of pumpingmethod was testified.The results show that the impact force is in proportion to the square of differential velocity between the drilling fluid and the PE screen guiding unit.The resistance coefficient is determined by the fit clearance between the shoulder and inner wall of the pipes.

coal-bed methane;screen completion;pumping;resistance coefficient

TE 257

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.05.017

1673-5005（2012）05-0096-04

2012－06－20

国家科技重大专项（201105037－001）

申瑞臣（1959－），男（汉族），河北石家庄人，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事煤层气钻完井与储气库工程研究。

（编辑 李志芬）