水平井泵送射孔影响因素分析

焦国盈 裴苹汀 唐 凯 王 海

(1.重庆科技学院复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331;2.重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 401331;3.川庆钻探工程有限公司测井公司，重庆 400021)

水平井由于受到井筒条件的限制，一般采用油管传输定向射孔工艺，射孔工艺复杂、施工周期长、成本高，因此发展了泵送射孔工艺。在射孔时，用泵送液将电缆传输射孔枪送入水平段射孔位置，然后通电射孔，射孔后将射孔枪提出井筒，这就是泵送射孔工艺［1-2］。水平井泵送射孔工艺的关键设计参数为泵送排量，定义为在水平井段能把射孔枪向前推送的最小泵送液排量。影响泵送排量的参数包括泵送液浮力、射孔枪与套管之间的摩阻系数、射孔枪电缆头、枪斜、泵送液密度、桥塞工具、泵送液冲击力、液体流速计算方式及射孔枪重量，但各个因素影响程度不同。如果能识别出关键影响因素，在现场计算时就可以采用简化的模型进行施工参数快速计算，节约施工时间。本文的目的就是采用建立的泵送排量计算模型，分析影响泵送排量的因素的重要程度，以便建立简化泵送排量计算模型。

1 泵送排量计算模型

泵送射孔时，射孔枪在水平段的受力如图1所示，依据力的平衡原理，泵送排量为:

式中:Qp— 泵送排量，m3/min;μ— 动摩擦系数，无因次;m — 枪串的质量，kg;g— 常数，9.8 N/kg;ρ— 泵送液密度，kg/m3;V— 枪串体积(排液体积)，m3;dp— 加重杆、定位器、射孔枪外径，mm;dc— 电缆头外径，mm;D — 套管内径，mm;db—桥塞外径，mm;dbt— 桥塞工具外径，mm;θ— 枪串轴线与水平井轴线的夹角，(°)。

图1 射孔枪串在水平段的受力

2 影响因素分析

2.1 基础参数

水平井采用5″套管完井，套管内径108.6 mm，采用φ86 mm射孔枪射孔，枪串长度7 m时，质量为120 kg，枪串长度10 m时，质量为200 kg。电缆头外径40 m，电缆头长度0.4 m;射孔枪(含加重杆和磁性定位器)外径86 mm，长度4 m;桥塞工具外径70 mm，长度1.8 m;桥塞外径94 mm，长度0.8 m。采用密度为1 000 kg/m3的液体泵送，枪串与套管之间的摩擦系数取0.2。

2.2 浮力的影响

浮力对泵送排量的影响见图2。浮力可使泵送排量降低16.5%和14.5%。

图2 浮力对泵送排量的影响

2.3 摩阻系数的影响

图3是不同摩阻系数对泵送排量的影响。随着摩阻系数的增加，泵送排量大幅增加。

图3 摩阻系数对泵送排量的影响

2.4 电缆头的影响

图4是考虑电缆头和不考虑电缆头2种情况下泵送排量的计算结果。电缆头对泵送排量的影响非常小，可忽略不计。

图4 电缆头对泵送排量的影响

2.5 枪斜的影响

图5是枪斜对泵送排量的影响。

图5 枪斜对泵送排量的影响

2.6 泵送液密度的影响

图6为泵送液密度对泵送排量的影响。

图6 泵送液密度对泵送排量的影响

随着泵送液密度的增加，泵送排量逐渐减小。对10 m枪，当泵送液密度由1 000 kg/m3增加到1 500 kg/m3时，临界泵送排量大约降低了26%;泵送液密度由1 000 kg/m3降到800 kg/m3，泵送液密度降低20%，泵送排量大约增加22%。

2.7 桥塞工具的影响

图7为桥塞工具对泵送排量的影响。在实际射孔时，桥塞工具的外径比射孔枪外径要小一点。考虑2种情况，一种与实际情况相符，桥塞外径比枪外径小一点;另一种情况为桥塞工具和枪外径相同。由图7知，2种情况下的泵送排量几乎没有差别。

2.8 冲击力作用位置的影响

图8为冲击力作用位置对泵送排量的影响。在泵送液推动射孔枪串向前运动的过程中，泵送液作用于射孔枪和电缆头、桥塞工具和桥塞两处的环形面上，计算泵送排量时可以根据实际情况分级计算，也可以假设泵送液通过桥塞横截面推动枪串前进。比较2种情况下计算出的泵送排量的差别。

图7 桥塞工具对泵送排量的影响

图8 冲击力作用位置对泵送排量的影响

桥塞计算出的泵送排量与分级计算出的泵送排量差别非常大，对于7 m枪串，降幅达45.1%;对于10 m枪串，降幅达45.1%。

2.9 流速计算方式的影响

图9为流速计算方式对泵送排量的影响。3种流速计算方式对泵送排量的影响非常大，环空计算方式计算出的泵送排量大约降低了45.1%，套管计算方式使泵送排量大约增加48%。

2.10 枪重的影响

为了使枪串顺利通过水平井的造斜段，要在枪串上加上加重杆。加重后枪串在水平井筒中的摩擦力增加，从而增加所需的泵送排量。图10为枪串重量对泵送排量的影响，枪重增加66.6%，泵送排量提高32.4%。

图9 流速计算方式对泵送排量的影响

图10 枪串重量对泵送排量的影响

3 结论

(1)采用建立的泵送排量计算模型分析了浮力、摩阻系数、电缆头、枪斜、泵送液密度、桥塞工具、冲击力计算方式及枪重对泵送排量的影响。

(2)计算泵送射孔时的泵送排量时，不能忽略浮力、摩阻系数、泵送液密度、冲击力计算方式和枪重的影响;电缆头(电缆)、枪串倾斜和桥塞工具的影响可忽略。

(3)影响泵送排量的关键因素包括枪串浮力、摩阻系数、泵送液密度和冲击力计算方式。

［1］吕传炳，余东合，赵金洲，等.水平井和大位移井压裂后产能预测模型研究［J］.油气井测试，2006，15(2):12-13.

［2］Peach S C，Jensen R E，Robertshaw S C.Completion and Evaluation of Cased Horizontal Wells［J］.JCPT，1991，30(5):26-32.