爬行器在煤層氣水平井分簇射孔中的應用

陳金宏 史彬彬 張 寧 劉 偉 馬清山

(1.中國石油集團測井有限公司華北分公司，河北 062550；2.北京環鼎科技有限責任公司，北京 102200)

為了進一步降低開采成本，提高單井日產氣量，目前煤層氣L型水平井進入規模應用時期。在煤層氣水平井煤層壓裂改造過程中，分簇射孔日益凸顯工藝優勢，改造效果明顯好于其他工藝。鑒于煤層氣水平井具有直井段短、水平段長的特點，爬行器作為水平井分簇射孔首段槍串的一種重要驅動手段，工藝技術取得了很大的進步，并獲得了良好的應用效果。

1 技術背景

水平井分簇射孔首段射孔作業目前多采用鉆具輸送或連續油管工藝進行施工，兩種工藝各自存在“痛點”，鉆具輸送需要井下作業隊配合，作業周期長、成本高，存在較多的安全風險。在直井段短、水平段長的煤層氣水平井分簇射孔施工中，井下連續油管管串的磨阻大于管串自重和頂驅所加力的和，連續油管由于剛性不足，管串不能將射孔管串送到人工井底位置，連續油管輸送還不可避免的出現自鎖現象，而且連續油管設備作業費用較高，不適合煤層氣低成本市場。

爬行器能利用自身的動力裝置將射孔槍串輸送到目標井段，不受井深、水平井段的限制，水平段2000m，爬行器能在8h內完成輸送任務，與鉆桿輸送相比，能夠節約施工時間，減輕作業勞動強度，降低施工的風險，而且不需要井架。與連續油管工藝相比，大大降低了成本，提高了成功率和作業時效。

2 工藝特點

2.1 下井儀器串結構

因驅動爬行器所用電纜的不同，對應的下井儀器串也不相同。用8mm單芯電纜時，儀器串從上到下依次為：馬龍頭+單芯轉換短節+磁定位張力短節+電子線路短節+扶正器短節+推靠驅動短節+補償短節+扶正器短節+柔性短節+扶正器短節+釋放丟手短節+電隔離短節+防震短節+射孔槍串，具體見圖1所示。用11.8mm七芯電纜時，儀器串從上到下依次為：馬龍頭+磁定位張力短節+電子線路短節+扶正器短節+推靠驅動短節+補償短節+扶正器短節+柔性短節+扶正器短節+釋放丟手短節+防震短節+射孔槍串，具體見圖2所示。

圖1 8mm單芯電纜下井槍串結構圖

圖2 11.8mm七芯電纜下井槍串結構圖

2.2 工藝安全措施

為消除射孔作業中可能出現的“誤起爆”、起爆后遇阻遇卡等安全風險，針對目前使用的8mm單芯和11.8mm七芯兩種電纜，分別采取不同的安全措施。

2.2.1 使用單芯電纜的安全措施

(1)采用電隔離短節，防止誤起爆。

使用爬行器輸送射孔槍時，需要采用電隔離裝置，使得爬行器工作時需要的高電壓不會被傳遞到射孔槍，防止射孔槍的誤起爆。它主要由掛接在爬行器下端的電壓保護模塊VPM(Voltage Protection Module)和位于地面的電壓保護模塊控制面板VCP(VPM Control Panel)組成，其本質是一個由地面控制的“電子開關”，它接收來自于VCP的控制命令來打開或閉合這個開關，并且把這個開關的狀態上傳到VCP。通過這個電子開關，使得當爬行器工作時，實現測井電纜在物理上與射孔槍等實現絕對的隔離，防止誤起爆。為此研制了一種用于爬行器輸送射孔的安全供電轉換單元，通過采用物理隔離等方法，能有效解決了以上問題。如圖3所示，儀器串中接入的電壓保護安全短節④，即為電隔離短節。在非射孔狀態下，電隔離短節④中的4.2機械開關處于斷開狀態，并且將連接射孔槍的單芯電纜接地，避免意外或感應電壓引起的誤爆風險，而且機械開關是雙冗余由電機控制的，不會由于電氣故障導致誤接通。

(2)采用單芯轉換短節，防止誤起爆。

爬行器在工作過程中，如圖3的②，單芯轉換短節與下方設備處于斷開狀態，只與爬行器相連，爬行器工作電壓不能下至VPM以及射孔槍串上。

圖3 安全措施示意圖

(3)采用釋放丟手短節，可釋放指定的遇卡儀器串。

通過在儀器串安裝多個釋放丟手短節，確保遇卡后選擇性釋放井下儀器，上提爬行器至地面后，打撈井中遇卡的儀器串。

2.2.2 使用七芯電纜的安全措施

使用七芯電纜驅動爬行器時，因為只用電纜的①～⑥六根纜心控制爬行器，而電纜的⑦芯不與爬行器中任何電路有電器連接，是完全獨立的一根貫通纜芯，它可以專門用做射孔的點火線。在爬行器工作過程中，將地面系統接線箱體上的電纜的⑦芯和電纜的鎧皮⑩連接，保證射孔的點火線安全接地。射孔槍送到目的地層層位后，將電纜的⑦芯連接到射孔面板的點火線輸出上即可。

使用七芯電纜驅動爬行器比用單芯電纜驅動爬行器進行射孔安全性更高，且無需配接單芯轉換短節與電隔離短節，儀器串更短。

3 鄭4-76-32L井現場應用

3.1 井況信息

套管內徑124.26mm，水垂比3.14，水平段798m～2800m，最大井斜98°/1590m，井眼軌跡見圖4所示。

圖4 鄭4-76-32L井導向軌跡圖

首段射孔位置2795m～2795m，射孔段0.5m，89射孔槍89射孔彈。

爬行位置700m～2800m，爬行距離2100m。

表1 煤層氣井管線預警表

3.2 施工措施

為確保爬行器射孔的順利進行，在爬行器射孔施工前，應將井壁殘留的疑結水泥刮凈，并進行洗井、替清水作業。爬行器兩端應分別連接扶正器短節，以減小儀器和井壁的摩擦力，如果井眼中狗腿肚過多，可在爬行器和儀器之間加裝柔性短節。有波浪起伏井段，應使用七芯粗電纜，避免射孔槍串卡住時拉力不夠。爬行器驅動最少使用3節驅動，由于井段長，需爬行時間長，必須保證電纜、馬龍頭具有良好絕緣。在爬行過程中尤其是最大井斜角處，隨時觀察爬行狀況，再適當調節爬行器的驅動電流、電壓，以便通過復雜井段。

3.3 施工過程

根據本井的井眼軌跡，采用模擬爬行軟件進行爬行力學估算和安全評估后，為了保證施工成功率，使用三組驅動短節，為了保證施工安全，使用七芯電纜作業，并在射孔槍上部加裝多級點火裝置，如圖5所示。在爬行過程中將纜心7和纜皮進行短路，利用多級選發開關和專用點火面板點火，雙保險措施防止誤發射。

圖5 多級點火裝置圖

2020年8月3日10:00作業隊到達現場，15:00進行井口安裝，15:50儀器串下至分級箍位置進行校深，16:00開始爬行，4日0:40爬行至井底位置，確認接箍數無誤后上提至點火位置，0:55點火成功，2:15儀器串出井檢查發射率為100%。爬行器連續爬行6小時40分鐘，爬行距離2100m，爬行器電流從800至2000mA，電壓500V。