一種提高水力泵送效率裝置及控制方法

張脈全

摘 要 本文針對川渝地區質條件復雜、地震多發、套管縮徑及套管變形頻繁發生等復雜情況，開發了一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，實現了不需要大的泵送排量，就能夠提高小直徑電纜泵送橋塞與射孔管串的泵送效率和通過能力，大大降低了泵送遇阻及泵脫風險，避免電纜泵送到槍串前端，造成電纜打紐或射斷電纜等工程事故。

關鍵詞 套變 縮徑 小直徑 水力泵送效率

中圖分類號：TE9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）06-0004-03

1 前言

2006年初，中國石油勘探開發研究院油氣資源規劃所組織專家在四川盆地西南地區進行了頁巖氣資源調查研究。據體積法估算結果，中國僅頁巖氣資源量高達26～31萬億立方米，與美國頁巖氣儲量相當。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揮了極為重要作用。而頁巖油氣大規模開采離不開非常規水平井電纜泵送橋塞分簇射孔與分段水力壓裂技術的發展和應用。

我國頁巖氣主陣地之一，川渝地區地質條件比較復雜，大部分頁巖水平井井深超過5500米，垂直深度已超過了4000米，水平段長度達到1500m以上，地層壓力高、井筒環境越來越復雜。經常出現地震現象，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作施工帶來很大的困難（參見圖1）。

目前，普遍采用的89型射孔槍串配套貝克20#橋塞座封工具已經無法應對該類工程難題，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險，易導致遇卡、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作槍串的泵效已成為需要攻克的關鍵技術。

另外，采用連續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和分多簇射孔分開進行，不僅增加了工作量，延長了施工周期，且施工效率低下[1]。因此設計一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，實現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 主要研究內容

如圖2所示，一種提高水力泵送效率裝置的技術結構主要由上連接頭、中間殼體、下連接頭、調整心軸、變徑總成、調整環、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。

2.1 技術設計方案

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，伸出量受調整環限制;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，當進入水平段時，電纜不受力，變徑總成自動處于壓縮伸出狀態，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置外螺紋和密封槽，中間一周設置四個扳手孔，右端設置固定外螺紋和滑動臺階，內側設置通孔、心軸內螺紋、心軸密封面、心軸通孔。

所述中間殼體左端設置固定外螺紋，殼體外側設置一周四個扳手孔和四個水槽，右端內側設置內螺紋和密封面，左端內側滑動通孔、心軸通孔、調整孔。

所述下連接頭左端設置外螺紋和密封槽，中間外側一周設置四個扳手孔，右端設置外螺紋和密封槽，內側設置心軸活動通孔。

所述調整心軸左端設置外螺紋和密封槽，外側中間設置調整外螺紋，右端設置密封槽，內側設置貫通線通孔。

所述變徑總成設置左固定環和右固定環，兩固定環內側設置固定內螺紋，中級設置可變徑傘，采用特殊的柔性材料，包括塑料、纖維（尼龍）、橡膠等有機柔性材料[2]。

所述變徑總成上的兩固定內螺紋分別采用左旋和右旋螺紋，對應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內，其厚度按照強度要求進行設計，其內側可嵌入金屬架，增加其強度。

所述調整環內側設置內螺紋，安裝在調整心軸調整外螺紋上，調整其位置可以改變變徑總成壓縮伸出量。

所述上彈簧設置在調整環左端，控制上變徑總成的壓縮和拉伸受力情況，下彈簧設置在調整環右端，起到調節緩沖作用。

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，調整心軸套上調整環、上彈簧，套入中間殼體，一起連接到上連接頭，并將之上緊，變徑總成預先設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，且調整心軸穿過下連接頭，將變徑總成兩個固定環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）嚴格按照規程進行現場安裝與測試;

（2）按照不同井況選擇不同外徑的裝置及變徑總成;

（3）按照不同井況調整調整環到合適位置;

（4）變徑總成下井后如有破損應當立即更換;

（5）每次下井使用后，按照使用手冊進行維保保養。

3 礦產試驗及現場應用效果

3.1 礦產試驗

新技術裝置進行室內礦產試驗20次均合格（參見表1），完成了相應使用風險評估，各項安全技術指標均達到了設計要求。并組織員工進行技術培訓10多次，技術人員快速掌握技術原理、操作規程、維護保養規范及其各項安全注意事項等。

3.2 現場應用效果

針對長寧工區頁巖氣分段壓裂改造過程中頻繁出現套管變形工程問題，新技術投入使用到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險，避免了一系列的工程技術難題。在遇到套變突發情況時，具備迅速改用小直徑泵送橋塞射孔技術完成施工，解決了套變工況井持續射孔施工技術難題[3]。

4 結論

（1）一種提高水力泵送效率裝置及控制方法，實現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。

參考文獻：

[1] 孫海成，湯達禎，蔣延學，等.頁巖氣儲層壓裂改造技術[J].油氣地質與采收率，2011，18（04）：90-93.

[2] 王淑玲，張煒，張桂平，等.非常規能源開發利用現狀及趨勢[J].中國礦業，2013，22（02）：5-8.

[3] 龐長英，連軍利，吳一凡，等.美國頁巖油氣開發技術及對我國的啟示[J].石油地質與工程，2012（05）：62-66.