页岩气水平井牵引器输送射孔技术应用研究

【摘 要】牵引器送射孔技术融合牵引运输技术和多级射孔技术，可替代折管穿孔技术，实现水平井首段射孔，可通过与泵送分簇射孔作业启动无缝连接，可为水平页岩气源的润滑提供有效途径。介绍了牵引器运输送射孔技术的特点以及工作原理。众所周知，缺乏专业的管道施工和分析软件，缺乏标准的检测程序和缺乏常规管理经验的是现代牵引器输送射孔技术应用中的主要问题。

【关键词】页岩气;水平井;牵引器

引言

在頁岩气水平井首段射孔施工过程中，由于地层从未穿透，无法使用泵送技术和第一次射孔收集。牵引器输送射孔技术是一种将拖放技术与多种精密技术相结合的穿孔技术，既可以顶替油管传输的射孔技术，又可以通过泵送和作业丛式射孔的方式自由连接，是另一种有效的方式。

1牵引器输送射孔技术

1.1技术原理

牵引器与CCL磁储器、电路元件、液压推吸器等高度集成。地面控制时，推臂靠近机体内壁，控制牵引滚轮旋转，牵引牵引器前进或后退。牵引器用于运输和穿孔时，短部分和防震、电绝缘等钻岩直接连接到牵引器的边缘，借助牵引器运送凿岩机，并可进行冲孔操作。

1.2技术特点

与连续油管传输射孔相比，牵引器输送射孔具有以下特点：

1）提高一相操作的性能时间。使用首段射孔的整个过程大约需要36个小时，而泵站和分组机的布置则需要8个小时。首段射孔采用牵引器运输技术，准备时间约20小时，施工完毕后可立即转移至首段压裂和第2段泵送分簇射孔作业程序。

2）改善射孔准确度。目前连续油管射孔时，采用油管机进行定位和深度调整，深度误差非常大。让牵引器射孔可以使用CCL的内置磁场定位，并通过放置套管轴环来调整深度，以实现精确定位并防止不必要的故障。

3）长水平段适应性提高。将连续油管在长水平段施工时，油管通常是自锁的，极大地影响了施工的继续进行。牵引和钻井基于地面控制的牵引装置，以避免集成油管的锁定位置，最适合长水平段的射孔。

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中国仍在实地测试中，没有用于线程构建和分析的特定软件，有必要根据各种来源的条件要求，设计出满足推力要求、具有良好穿透性和安全性的牵引器射孔管串;同时，没有标准的检测程序，牵引器的运行和牵引机的检测必须实时确定并进行，从源头保证电缆管的安全可靠。

2复杂井况牵引器输送关键技术

2.1增大牵引器动力输出

在超长水平井牵引器施工中，随着牵引距离的不断增加，牵引器拖拽电缆的长度不断增加，需要克服电缆的摩擦力就越大;大角度上翘井中，上翘井斜角可达到110°，牵引器需要克服自身和电缆的重力分力非常大。因此，为适应各种井筒环境的施工需要，提高牵引器的动力输出成为了首要解决的问题。在牵引器输送过程中，驱动电机产生的转矩经过减速器、传动齿轮组进行多级减速并改变旋转方向后，将动力传递给牵引轮。在用于超长水平井的牵引器设计中，随着牵引距离的不断增加，随着牵引器牵引的电缆长度的增加，必须克服的电缆摩擦力就越大。上翘井斜角达到110°时，要克服牵引器本身的重力分量很大。因此，提高牵引机动力输出以满足各种油井条件下的施工需要成为亟待解决的重大问题。牵引装置在运输过程中，驱动电机产生的转矩通过变速箱和传动齿轮分几步减小，改变旋转方向，从而将动力传递给牵引轮。牵引力公式表示为：

其中：输出牵引力，N，p-发动机功率，w;n——传动比;i—变速箱的传动比;-机械效率;r为牵引轮半径，m;是发动机的角速度，rad/s。

牵引器液压推靠系统将牵引轮撑开压紧在套管内壁上，牵引轮旋转带动工具串在井筒内前进，牵引器获得的牵引动力公式表示为：

液压牵引器推动系统拉动牵引轮并将其推入体壁。牵引器轮旋转将一系列工具推入井中。从牵引器获得的牵引动力公式表示为：

其中：—有效牵引力，N;-牵引轮与车身壁之间的摩擦系数;N——正压，N。

从式（1）可以看出，减速比与牵引力成正比。使用大减速比的变速箱可以提高牵引器的输出功率，提高牵引器的稳定性，而无需其他机械设计变化。通过开发不同减速比的齿轮箱，可以满足不同水平断面长度和不同提升角度井的运输需求，可以有效提高牵引器在复杂井下条件下的运输能力。

从式（2）可以看出，牵引轮对机壳的静压和摩擦系数越大，牵引器受到的牵引力就越大。已经开发出更适合井况的牵引轮，旨在弯曲各种尺寸的套管内壁，将牵引器的输出转换为有效推力。牵引轮的接触面采用锥形棘轮的形式，以增加摩擦系数。目前，江汉牵引器液压推进系统的输出压力范围为0～10MPa，牵引轮对5%套管管壁的正压呈线性增加。针对不同的水平截面长度和旋转角度施加不同的推力，可有效提高牵引器的牵引效率。

2.2降低牵引器输送负载

水平井运输过程中牵引器的主要载荷包括牵引器本身的摩擦和重力分量、被运输的工具带、电缆等。载荷公式为：

其中：—牵引器载荷，N;G—工具串或电缆的重力，N;θ—上翘角，度数（°）;?-工具串或电缆摩擦系数。

工具串在水中的质量为300kg，电缆在水中的质量为245kg/km，工具串、电缆和套管壁的摩擦系数分别为0.15和0.3，倾角为：100°（向上倾斜角度10°）。

在钻孔斜率为100°时，牵引器克服自身工具串所需的最小牵引力为945N。随着水平截面的增加，牵引缆绳变长，牵引力克服缆绳所需的载荷急剧增加，远远超过加载工具串本身所需的拉力。等式（3）表明，降低工具串和电缆的重量以及降低工具串和电缆与套管壁之间的摩擦系数可以减少拖拉机上的负载。小直径电缆导体有效地减少了长水平电缆的负载。

2.3降低电缆的功率损耗

牵引器的地面控制系统通过电缆为下行工具供电，电力传输过程中电缆中的功率损耗可用下式表示：

其中：P—电缆中的功率损耗，W;I—牵引器电流，A;—电缆芯的电阻;L—电缆长度，m;S—电缆芯截面积，。

随着牵引载荷的增加，牵引器电流增加，因此电缆中的功率损耗也增加。由于牵引器接地系统的输出不能有效转换为牵引器的有效功率，牵引器效率大大降低。此外，受牵引器对地供电电压的限制，电缆上的压降越大，牵引器的工作电压越低，形成恶性循环，不仅会降低牵引器的传输特性，还会损坏工具。因此，在实践中，可以根据施工现场的井深，采用适当长度的电缆，增加电缆芯的截面积，以减少电缆中的功率损耗。

3结语

根据井况使用不同减速比的变速箱可以提高牵引器的效率。减速比越高，牵引器的输出功率越大。采用单芯电缆，降低工具串的耐磨性，该工具组可有效减轻牵引器的负载，几种复杂措施的结合使用，可以有效保证牵引器在井下条件恶劣的运输过程中的运行。

参考文献：

[1]陆应辉，任国辉，聂华富，张清彬，唐勤，周剑.页岩气水平井牵引器输送射孔技术应用研究[J].石油矿场机械，2020，49（01）：41-46.

作者简介：

于建波，男，1973年生，助理工程师，从事射孔工艺技术的应用与研究。