爬行器在煤层气水平井分簇射孔中的应用

陈金宏 史彬彬 张 宁 刘 伟 马清山

(1.中国石油集团测井有限公司华北分公司，河北 062550；2.北京环鼎科技有限责任公司，北京 102200)

为了进一步降低开采成本，提高单井日产气量，目前煤层气L型水平井进入规模应用时期。在煤层气水平井煤层压裂改造过程中，分簇射孔日益凸显工艺优势，改造效果明显好于其他工艺。鉴于煤层气水平井具有直井段短、水平段长的特点，爬行器作为水平井分簇射孔首段枪串的一种重要驱动手段，工艺技术取得了很大的进步，并获得了良好的应用效果。

1 技术背景

水平井分簇射孔首段射孔作业目前多采用钻具输送或连续油管工艺进行施工，两种工艺各自存在“痛点”，钻具输送需要井下作业队配合，作业周期长、成本高，存在较多的安全风险。在直井段短、水平段长的煤层气水平井分簇射孔施工中，井下连续油管管串的磨阻大于管串自重和顶驱所加力的和，连续油管由于刚性不足，管串不能将射孔管串送到人工井底位置，连续油管输送还不可避免的出现自锁现象，而且连续油管设备作业费用较高，不适合煤层气低成本市场。

爬行器能利用自身的动力装置将射孔枪串输送到目标井段，不受井深、水平井段的限制，水平段2000m，爬行器能在8h内完成输送任务，与钻杆输送相比，能够节约施工时间，减轻作业劳动强度，降低施工的风险，而且不需要井架。与连续油管工艺相比，大大降低了成本，提高了成功率和作业时效。

2 工艺特点

2.1 下井仪器串结构

因驱动爬行器所用电缆的不同，对应的下井仪器串也不相同。用8mm单芯电缆时，仪器串从上到下依次为：马龙头+单芯转换短节+磁定位张力短节+电子线路短节+扶正器短节+推靠驱动短节+补偿短节+扶正器短节+柔性短节+扶正器短节+释放丢手短节+电隔离短节+防震短节+射孔枪串，具体见图1所示。用11.8mm七芯电缆时，仪器串从上到下依次为：马龙头+磁定位张力短节+电子线路短节+扶正器短节+推靠驱动短节+补偿短节+扶正器短节+柔性短节+扶正器短节+释放丢手短节+防震短节+射孔枪串，具体见图2所示。

图1 8mm单芯电缆下井枪串结构图

图2 11.8mm七芯电缆下井枪串结构图

2.2 工艺安全措施

为消除射孔作业中可能出现的“误起爆”、起爆后遇阻遇卡等安全风险，针对目前使用的8mm单芯和11.8mm七芯两种电缆，分别采取不同的安全措施。

2.2.1 使用单芯电缆的安全措施

(1)采用电隔离短节，防止误起爆。

使用爬行器输送射孔枪时，需要采用电隔离装置，使得爬行器工作时需要的高电压不会被传递到射孔枪，防止射孔枪的误起爆。它主要由挂接在爬行器下端的电压保护模块VPM(Voltage Protection Module)和位于地面的电压保护模块控制面板VCP(VPM Control Panel)组成，其本质是一个由地面控制的“电子开关”，它接收来自于VCP的控制命令来打开或闭合这个开关，并且把这个开关的状态上传到VCP。通过这个电子开关，使得当爬行器工作时，实现测井电缆在物理上与射孔枪等实现绝对的隔离，防止误起爆。为此研制了一种用于爬行器输送射孔的安全供电转换单元，通过采用物理隔离等方法，能有效解决了以上问题。如图3所示，仪器串中接入的电压保护安全短节④，即为电隔离短节。在非射孔状态下，电隔离短节④中的4.2机械开关处于断开状态，并且将连接射孔枪的单芯电缆接地，避免意外或感应电压引起的误爆风险，而且机械开关是双冗余由电机控制的，不会由于电气故障导致误接通。

(2)采用单芯转换短节，防止误起爆。

爬行器在工作过程中，如图3的②，单芯转换短节与下方设备处于断开状态，只与爬行器相连，爬行器工作电压不能下至VPM以及射孔枪串上。

图3 安全措施示意图

(3)采用释放丢手短节，可释放指定的遇卡仪器串。

通过在仪器串安装多个释放丢手短节，确保遇卡后选择性释放井下仪器，上提爬行器至地面后，打捞井中遇卡的仪器串。

2.2.2 使用七芯电缆的安全措施

使用七芯电缆驱动爬行器时，因为只用电缆的①～⑥六根缆心控制爬行器，而电缆的⑦芯不与爬行器中任何电路有电器连接，是完全独立的一根贯通缆芯，它可以专门用做射孔的点火线。在爬行器工作过程中，将地面系统接线箱体上的电缆的⑦芯和电缆的铠皮⑩连接，保证射孔的点火线安全接地。射孔枪送到目的地层层位后，将电缆的⑦芯连接到射孔面板的点火线输出上即可。

使用七芯电缆驱动爬行器比用单芯电缆驱动爬行器进行射孔安全性更高，且无需配接单芯转换短节与电隔离短节，仪器串更短。

3 郑4-76-32L井现场应用

3.1 井况信息

套管内径124.26mm，水垂比3.14，水平段798m～2800m，最大井斜98°/1590m，井眼轨迹见图4所示。

图4 郑4-76-32L井导向轨迹图

首段射孔位置2795m～2795m，射孔段0.5m，89射孔枪89射孔弹。

爬行位置700m～2800m，爬行距离2100m。

表1 煤层气井管线预警表

3.2 施工措施

为确保爬行器射孔的顺利进行，在爬行器射孔施工前，应将井壁残留的疑结水泥刮净，并进行洗井、替清水作业。爬行器两端应分别连接扶正器短节，以减小仪器和井壁的摩擦力，如果井眼中狗腿肚过多，可在爬行器和仪器之间加装柔性短节。有波浪起伏井段，应使用七芯粗电缆，避免射孔枪串卡住时拉力不够。爬行器驱动最少使用3节驱动，由于井段长，需爬行时间长，必须保证电缆、马龙头具有良好绝缘。在爬行过程中尤其是最大井斜角处，随时观察爬行状况，再适当调节爬行器的驱动电流、电压，以便通过复杂井段。

3.3 施工过程

根据本井的井眼轨迹，采用模拟爬行软件进行爬行力学估算和安全评估后，为了保证施工成功率，使用三组驱动短节，为了保证施工安全，使用七芯电缆作业，并在射孔枪上部加装多级点火装置，如图5所示。在爬行过程中将缆心7和缆皮进行短路，利用多级选发开关和专用点火面板点火，双保险措施防止误发射。

图5 多级点火装置图

2020年8月3日10:00作业队到达现场，15:00进行井口安装，15:50仪器串下至分级箍位置进行校深，16:00开始爬行，4日0:40爬行至井底位置，确认接箍数无误后上提至点火位置，0:55点火成功，2:15仪器串出井检查发射率为100%。爬行器连续爬行6小时40分钟，爬行距离2100m，爬行器电流从800至2000mA，电压500V。