页岩气水平井牵引器输送射孔技术应用研究

(中国石油集团测井有限公司 西南分公司，重庆 400021)①

在页岩气水平井首段射孔施工中，因井下地层尚未打开，无法采用泵送分簇射孔技术进行首段射孔，通常利用连续油管传输射孔或开启滑套完成首段射孔作业。然而，利用连续油管实施水平井首段射孔，存在施工耗时长、定位射孔精度差以及连续油管自锁无法顺利实施射孔等问题。牵引器输送射孔技术作为牵引输送技术与多级射孔技术相融合的一种射孔技术[1-3]，既可以替代连续油管传输射孔技术，又能与泵送分簇射孔作业实现无缝对接，是页岩气等水平井首段射孔的又一高效手段。该技术在国内还处于现场试验阶段，在水平井的应用过程中存在诸多挑战。

1 牵引器输送射孔技术

1.1 技术原理

牵引器主要由CCL磁定位短节、电子线路短节、液压推靠及牵引短节等组成[4-6](如图1)。通过地面控制使推靠牵引臂紧贴套管内壁，并控制牵引滚轮(如图2)转动，实现牵引器向前或向后的牵引功能。当实施牵引器输送射孔时，直接在牵引器末端配接抗震及电气安全隔离等功能短节及射孔枪，通过牵引器将射孔枪输送到位，即可进行射孔作业。

图1 牵引器结构示意

图2 推靠牵引短节及牵引滚轮

1.2 技术特点

相较于连续油管传输射孔，牵引器输送射孔具有如下特点[7-8]：

1) 单段作业时效提高。采用连续油管实施首段射孔全过程耗时约36 h；同时又将耗时8 h布置泵送分簇射孔的场地和设备。采用牵引器输送射孔技术进行首段射孔，仅需耗时约20 h进行准备、施工后，便可直接转入首段压裂和第2段泵送分簇射孔作业程序。此外，在后续射孔施工中也可直接采用牵引器输送射孔技术，完成压裂砂堵时的补孔作业。相较于连续油管传输射孔，采用牵引器输送射孔至少提高单段作业时效55%。

2) 定位射孔精度提升。目前，在连续油管射孔中，通常利用连续油管机械深度进行定位校深，深度误差较大。牵引器输送射孔则可利用自带的CCL磁定位短节，通过套管接箍定位校深，实现精确定位，避免在套管接箍上射孔的不利现象。

3) 长水平段适应性增强。连续油管在长水平段水平井射孔施工中，经常出现自锁现象，严重影响施工进度。牵引器输送射孔依靠井下可控牵引力输送，避免连续油管自锁现象的出现，更适合长水平段水平井的射孔施工。

1.3 牵引器输送射孔技术应用难点

牵引器输送射孔技术在国内还处于现场试验阶段，没有专门的管串设计分析软件，需要针对井况的不同，设计满足牵引需求和具备良好通过性及安全性的牵引器射孔管串；同时，没有标准的测试操作流程，必须根据现场实际确定并开展牵引器地面配接及测试工作，确保入井管串的安全可靠。此外，也没有成熟的异常处置经验，难以准确判别并及时处置牵引器射孔管串的打滑与遇阻异常。上述3点是目前水平井牵引器输送射孔技术应用中存在的主要难点，需要在现场应用中进行探索研究，并予以解决。

2 牵引器输送射孔技术应用实例分析

2.1 复杂井况分析

W204HX-2井是威远中奥顶构造南翼的一口页岩气水平井，井深5 013 m(最大垂深2 881 m)，水平段长1 700 m，油层套管内径ø114.3 mm，最大施工井斜99.2°，最大狗腿度9.8°/30m，首段设计射孔层位：4 986～4 987 m、4 976～-4 977 m。该井为牵引器输送射孔技术在川南地区的首个现场试验井。

前期连续油管携带外径ø105 mm磨鞋进行通井作业；仅通洗井至4 960 m(期间多次自锁，泵入金属降阻剂后到位)，表明射孔底界以上30 m未经通井，可能存在大量异物阻塞；另外，该井水平段长、井斜及狗腿度大，对牵引器牵引能力与管串通过能力均有较高要求。

2.2 管串设计分析

针对该井的复杂井况，设计了满足牵引力和管串通过性的牵引器射孔管串。

2.2.1 牵引器选型

目前，用于射孔作业的有JHQY-B型和JHQY-C型2种牵引器，技术参数如表1所示。这2种牵引器的主要区别在于JHQY-C型是四驱，总牵引力更强；不足在于总长度较长和质量更大，增大了牵引器射孔管串通过大狗腿度井段的难度，以及加大了单芯电缆的负载电流，易引起电流过载保护，甚至瞬间性的电流峰值冲击。

因该井狗腿大，入井管串应尽量缩短；同时考虑到该井井斜较大，且井下最后30 m可能存在大量异物阻塞，牵引器的牵引力必须增强。所以，选用JHQY-B型(3驱)牵引器，同时将减速器减速比提升至原来的1.2倍，尽量缩短管串长度的同时，也加强了它的牵引力(最大牵引力达9.6 kN)。

表1 牵引器性能参数对比

2.2.2 不同功能辅助工具配备

1) 射孔减震短节。

射孔瞬间引起强烈的冲击，对牵引器内部电子元器件构成极大安全隐患。必须在射孔枪与牵引器之间配接削减冲击震动的射孔减震短节，确保井下牵引器的正常工作，同时还需可靠地传输二者间的电信号。通过配接射孔减震短节SCL-200S，利用其内部3组弹簧缓冲式减震装置，吸收爆炸产生的冲击震动(如图3)。

图3 射孔减震短节内部结构

2) 射孔安全短节。

因牵引器工作需要使用高压直流电作为电源，而该电压存在损坏射孔枪电子选发模块，甚至意外起爆射孔枪的风险，所以必须在牵引器与射孔枪之间配接实现二者电气安全隔离的特别工具[9-10]。通过配接射孔安全短节SCL-200S，依靠地面控制箱控制(工作电流30 mA)其电路联通或断开。在射孔枪未实施点火操作前，射孔安全短节处于断路状态，确保牵引器工作电压不会下窜至射孔枪，保证射孔枪的使用安全(如图4)。

图4 射孔安全短节电气控制原理

3) 柔性短节。

牵引器工具串连接2簇射孔枪后，管串总长达20 m左右。如果直接使用该刚性管串下井，必然无法顺利通过该井的大狗腿造斜段。通过在刚性管串之间配接花瓣状、最大弯曲为45°的JHQY-C型柔性短节，如图5所示，增强管串通过性。

图5 柔性短节

2.2.3 防正电/短路安全短节设计

最后一簇射孔枪起爆后，枪管进水会导致点火头触针短路。该触针短路会影响牵引器有源CCL的正常工作，甚至会引起牵引器电子线路短节短路损毁；此外，射孔安全短节的正向控制电压存在下窜并危及射孔枪的风险。所以，特别设计1个防正电/短路的安全短节：选用1个多级点火电子选发模块作为防短路元件，其输出端短路时，输入端不会短路；同时在该选发模块输入端反向偏置连接1个开关二极管(耐温200 ℃，最高反向工作电压700 V)，隔离牵引器及射孔安全短节可能下窜的正向工作电压。最后把二者封装在密封的短枪管内，作为防正电和短路的安全短节，确保射孔枪的绝对安全和牵引器的正常工作。

2.2.4 射孔枪型优选

2.2.5 管串通过能力分析

1) 牵引器牵引力校核。

图6 牵引器射孔管串斜井段受力示意

(1)

式中：Gs为牵引器射孔管串自重力，kN；Gw为稳斜段电缆自重力，kN；αm为最大施工井斜，(°)；μ为管串、电缆与套管内壁的静摩擦因数，此处取0.3；F为牵引器最大牵引力，kN。

2) 管串通过能力模拟分析。

将该井井斜、狗腿度等井况数据以及牵引器射孔管串长度、直径等参数输入模拟分析软件中，得出最大狗腿度处刚性管串最大通过长度，如图7所示。从而确定配接柔性短节的合理性，确保整个牵引器射孔管串顺利通过造斜段。

图7 管串通过能力模拟分析结果

在选择牵引器、辅助功能短节及射孔枪之后，经过校核管串通过最大施工井斜99.2°所需的最大牵引力，确认JHQY-B型(3驱)牵引器满足牵引需求；同时对管串通过能力进行模拟分析，确认将柔性短节连接在射孔安全短节与牵引器之间最合适处。

最终设计入井管串为：牵引器+柔性短节+射孔安全短节+射孔减震短节+转换CCL+防正电/短路安全短节+2簇射孔枪，最大外径ø99 mm，总长19.1 m，总质量430 kg。

2.3 多环节地面配接测试

通过确定并开展牵引器射孔管串地面配接及测试工作，及时消除故障及安全隐患，确保牵引、射孔作业能顺利进行。

1) 对牵引器与射孔枪进行配接。因牵引器自带的转接头不适合现场射孔枪的连接，在比对分析其输出扣型及密封面后，直接使用ø73 mm CCL作为转换接头，从而实现牵引器与射孔枪的可靠连接。

2) 对牵引器推靠、牵引功能进行测试。分别控制牵引器推靠臂外张和收缩，牵引轮正、反旋转，测试其能否正常工作，供电电流是否正常，液压油有无渗漏。

3) 对牵引器有源CCL与SK2004射孔地面系统进行配接测试。将牵引器CCL输出信号线与射孔地面系统连接，向牵引器供电测试时，检查有源CCL采集到的信号能否被SK2004射孔软件清晰解析与显示。

4) 对牵引器射孔安全短节进行功能测试。控制射孔安全短节联通与断开后，分别检查牵引器供电工作与断电休眠时，牵引器工具串末端是否均无漏电现象。测试是否只有射孔安全短节联通后，当射孔地面系统向缆芯供电时，工具串输出端才会有输出电压，也才能正常检测电子选发模块。

2.4 管串运行异常判别及处置

因为牵引器运行速度缓慢(最大速度300 m/h)，牵引过程中CCL接箍信号微弱，所以CCL信号曲线的基线和接箍显示不明显，难以与分簇射孔一样直接根据CCL信号曲线判断井下管串运行状态[5]。所以，必须立即找到判别管串打滑或遇阻，并及时进行处置的方法。

2.4.1 管串打滑的判断及处置

牵引途中出现井口张力持续下降，CCL信号曲线基线变细，单根持续伸长(如图8所示)，且供电电流小幅度跳动现象(跳动幅值0.3 A左右)。根据分析判断，该现象为牵引器射孔管串打滑所致。结合当前牵引深度和井斜分析，导致牵引器射孔管串打滑的主要原因包括：① 牵引器对套管内壁的推靠力不够；② 随着井斜的增加，牵引器需克服的管串下滑分力增大；③ 井筒内阻碍管串运动的异物增多。

确定了打滑原因，逐渐增大牵引器推靠压力(推靠压力控制在6 MPa以内)，并逐渐增加牵引器供电电压(供电电流控制在2 A以内)，打滑现象得到解决。

图8 牵引器射孔管串打滑CCL信号曲线

2.4.2 管串遇阻的判断及处置

牵引途中突然出现井口张力瞬间下降，CCL信号曲线基线持续变细且伸长，如图9所示，且供电电流瞬间大幅度上涨(瞬间上涨1 A左右)。根据分析判断，该现象为牵引器射孔管串遇阻所致。导致牵引器射孔管串遇阻的主要原因包括：① 井筒内大量异物阻碍管串正常运行；② 牵引器故障，失去牵引功能。

图9 牵引器输送射孔牵引遇阻CCL信号曲线

出现遇阻迹象后，立即停止牵引。通过现场调试，排除牵引器故障的可能，进行牵引再尝试：上起电缆30 m后，再将牵引器推靠压力从5.0 MPa上调至5.8 MPa(极限值)；上调供电电压，最终以100 m/h的速度顺利牵引到位。

2.5 应用效果

牵引器射孔管串顺利地通过了该井最大井斜99.2°及最大狗腿度9.8°/30 m的复杂井段，证明入井管串设计合理；同时针对牵引途中出现的打滑、遇阻处置及时且准确，表明管串运行异常的判别及处置方法有效。该井施工全程仅耗时12 h，解决连续油管无法正常射孔难题的同时，大幅提高了施工时效。在后续施工中，充分借鉴本次成功应用经验，安全实施了W204HX-8井、W204HX-7井的首段牵引器输送射孔作业。

3 结论

1) 牵引器输送射孔技术在川南地区页岩气水平井威W204HX-2井等井的成功应用表明：针对性进行管串设计分析、多环节地面配接测试，以及采用井口张力与供电电流变化判别管串运行异常的方法，成功解决了该技术应用中无专门管串设计分析软件、无标准测试操作流程以及无异常处置经验的难点，使得牵引器输送射孔技术真正成为页岩气水平井开发中又一种高效、安全的射孔手段。

2) 井斜度、狗腿度及水平段长度是选择牵引器的重要依据，柔性短节、射孔安全短节、射孔减震短节及防正电/短路安全短节则是确保牵引器输送射孔安全、可靠的必备辅助工具。进行牵引力校核及管串通过性分析，可最终确定设计管串的合理性。

3) 及时开展牵引器与不同射孔地面系统、射孔枪的配接工作，以及进行牵引器推靠、牵引及电气安全隔离等功能的地面测试，是及时消除故障及安全隐患，确保牵引、射孔顺利的重要保障措施。

4) 难以直接通过CCL信号曲线对牵引器射孔管串的打滑与遇阻进行及时判断，而地面供电电流是否瞬间大幅值上涨则是辨别的关键。牵引器射孔管串出现打滑，可尝试上调推靠压力和供电电压解决；出现牵引器射孔管串遇阻时则需立即断电停止牵引，确保牵引器安全。

5) 完善改进建议。将ø73 mm转换CCL与防正电/短路安全短节整合设计，缩短牵引器射孔管串的长度；同时在地面进行大斜度(井斜大于110°)和套管变径等情况下的牵引通过试验，验证牵引器在复杂井况下的通过性能。此外，进一步完善牵引器CCL，提高低速运行下对套管接箍识别的灵敏度，为牵引器输送射孔技术的推广应用做准备。