一种提高水力泵送效率装置及控制方法
张脉全
摘 要 本文针对川渝地区质条件复杂、地震多发、套管缩径及套管变形频繁发生等复杂情况，开发了一种提高水力泵送效率装置及控制方法，实现了不需要大的泵送排量，就能够提高小直径电缆泵送桥塞与射孔管串的泵送效率和通过能力，大大降低了泵送遇阻及泵脱风险，避免电缆泵送到枪串前端，造成电缆打纽或射断电缆等工程事故。
关键词 套变 缩径 小直径 水力泵送效率
中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）06-0004-03
1 前言
2006年初，中国石油勘探开发研究院油气资源规划所组织专家在四川盆地西南地区进行了页岩气资源调查研究。据体积法估算结果，中国仅页岩气资源量高达26～31万亿立方米，与美国页岩气储量相当。我国原油对外依存度正逐年上升，而美国原油对外依存度却在逐年下降，这其中页岩油气等替代能源发挥了极为重要作用。而页岩油气大规模开采离不开非常规水平井电缆泵送桥塞分簇射孔与分段水力压裂技术的发展和应用。
我国页岩气主阵地之一，川渝地区地质条件比较复杂，大部分页岩水平井井深超过5500米，垂直深度已超过了4000米，水平段长度达到1500m以上，地层压力高、井筒环境越来越复杂。经常出现地震现象，在分段大型压裂过程中，套管缩径及套管变形井越来越多，给电缆泵送桥塞射孔联作施工带来很大的困难（参见图1）。
目前，普遍采用的89型射孔枪串配套贝克20#桥塞座封工具已经无法应对该类工程难题，比如套变缩径情况下89系列枪串和桥塞无法通过，就只能改用73小直径射孔枪串配套贝克10#桥塞座封工具，但在5?″套管内存在泵送推动效率低难题。如果加大排量泵送，将存在电缆推过工具串以及井口压力失封的风险，易导致遇卡、泵脱枪串以及电缆跑到枪串前端等工程事故;如果降低排量又无法推动工具串。因此，如何提高5?″套变缩径井小直径联作枪串的泵效已成为需要攻克的关键技术。
另外，采用连续油管射孔方式虽然能够在一定程度上满足工程要求，但是需要将桥塞作业和分多簇射孔分开进行，不仅增加了工作量，延长了施工周期，且施工效率低下[1]。因此设计一种提高水力泵送效率装置及控制方法，实现不需要大的泵送排量情况下，提高小直径电缆泵送桥塞与射孔管串在套变缩径井中的泵送效率和通过能力，对于大大降低泵送遇阻及泵脱风险，避免电缆泵送枪串前端，造成电缆打纽或射断电缆等工程事故具有重要的意义。
2 主要研究内容
如图2所示，一种提高水力泵送效率装置的技术结构主要由上连接头、中间壳体、下连接头、调整心轴、变径总成、调整环、上弹簧、下弹簧组成，其外径有73、80和89两型，配套多种外径变径总成。
2.1 技术设计方案
该装置不受力时，变径总成通过上弹簧作用力，处于压缩伸出状态，伸出量受调整环限制;该装置上连接头拉伸受力，且拉力大于一定值时，上弹簧被压缩，变径总成被拉伸收缩，外径完全低于该装置外沿。当整个工具串处在井口或直井段时，因受自身重力作用，电缆拉伸时，变径总成处于拉伸收缩状态，当进入水平段时，电缆不受力，变径总成自动处于压缩伸出状态，增加工具串外径截面积，水力泵送时增加推力，若工具串泵送运行流畅，电缆受力，变径总成自动拉伸收缩，若工具串泵送运行不畅，电缆不受力，变径总成自动压缩伸出，从而提高水力泵送效率。另外，该装置变径总成采用特殊柔性材料，可以很好的通过变径处，即使损坏也不会留下金属硬物，且地面更换快捷方便。
所述上連接头左端设置外螺纹和密封槽，中间一周设置四个扳手孔，右端设置固定外螺纹和滑动台阶，内侧设置通孔、心轴内螺纹、心轴密封面、心轴通孔。
所述中间壳体左端设置固定外螺纹，壳体外侧设置一周四个扳手孔和四个水槽，右端内侧设置内螺纹和密封面，左端内侧滑动通孔、心轴通孔、调整孔。
所述下连接头左端设置外螺纹和密封槽，中间外侧一周设置四个扳手孔，右端设置外螺纹和密封槽，内侧设置心轴活动通孔。
所述调整心轴左端设置外螺纹和密封槽，外侧中间设置调整外螺纹，右端设置密封槽，内侧设置贯通线通孔。
所述变径总成设置左固定环和右固定环，两固定环内侧设置固定内螺纹，中级设置可变径伞，采用特殊的柔性材料，包括塑料、纤维（尼龙）、橡胶等有机柔性材料[2]。
所述变径总成上的两固定内螺纹分别采用左旋和右旋螺纹，对应的上连接头上固定外螺纹和中间壳体上的固定外螺纹分别设置成左旋和右旋。
所述变径总成上的可变径伞为一周封闭式，左右两端压接在固定环内，其厚度按照强度要求进行设计，其内侧可嵌入金属架，增加其强度。
所述调整环内侧设置内螺纹，安装在调整心轴调整外螺纹上，调整其位置可以改变变径总成压缩伸出量。
所述上弹簧设置在调整环左端，控制上变径总成的压缩和拉伸受力情况，下弹簧设置在调整环右端，起到调节缓冲作用。
2.2 具体实施过程
上连接头左端可以配套连接电缆、磁定位器或丢手等装置，调整心轴套上调整环、上弹簧，套入中间壳体，一起连接到上连接头，并将之上紧，变径总成预先设置在上连接头与中间壳体之间的台阶上，放人下弹簧，撵上下连接头，且调整心轴穿过下连接头，将变径总成两个固定环向左右两端同时撵人固定外螺纹，下连接头右端可以配套连接射孔枪串，装置中心通孔过贯通线。
2.3 使用注意事项
（1）严格按照规程进行现场安装与测试;
（2）按照不同井况选择不同外径的装置及变径总成;
（3）按照不同井况调整调整环到合适位置;
（4）变径总成下井后如有破损应当立即更换;
（5）每次下井使用后，按照使用手册进行维保保养。
3 矿产试验及现场应用效果
3.1 矿产试验
新技术装置进行室内矿产试验20次均合格（参见表1），完成了相应使用风险评估，各项安全技术指标均达到了设计要求。并组织员工进行技术培训10多次，技术人员快速掌握技术原理、操作规程、维护保养规范及其各项安全注意事项等。
3.2 现场应用效果
针对长宁工区页岩气分段压裂改造过程中频繁出现套管变形工程问题，新技术投入使用到2口井（参见图3），配合柔性短接，共计完成20多段小直径泵送桥塞射孔联作施工，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风险，避免了一系列的工程技术难题。在遇到套变突发情况时，具备迅速改用小直径泵送桥塞射孔技术完成施工，解决了套变工况井持续射孔施工技术难题[3]。
4 结论
（1）一种提高水力泵送效率装置及控制方法，实现不需要大的泵送排量情况下，提高小直径电缆泵送桥塞与射孔管串在套变缩径井中的泵送效率和通过能力。
（2）一种提高水力泵送效率装置及控制方法，能够大大降低泵送遇阻及泵脱风险，避免电缆泵送枪串前端，造成电缆打纽或射断电缆等工程事故。
参考文献：
[1] 孙海成，汤达祯，蒋延学，等.页岩气储层压裂改造技术[J].油气地质与采收率，2011，18（04）：90-93.
[2] 王淑玲，张炜，张桂平，等.非常规能源开发利用现状及趋势[J].中国矿业，2013，22（02）：5-8.
[3] 庞长英，连军利，吴一凡，等.美国页岩油气开发技术及对我国的启示[J].石油地质与工程，2012（05）：62-66.