精细化泵送程序设计软件研究及应用_赵昕迪.pdf

测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.47 No.2 Apr 2023第47卷 第2期 2023年4月文章编号：1004-1338（2023）02-0247-06精细化泵送程序设计软件研究及应用赵昕迪1，杨登波1，刘维2，聂靖雯1，王舰1（1.中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆 401120；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司，重庆 401200）摘要：在非常规油气资源开发过程中，运用水力泵送进行射孔枪串输送一直是业界的主要手段。但传统的射孔枪串水力泵送程序设计存在完全依赖工程人员的经验、井下射孔枪串受力状态不明确、泵送程序精确度低等问题，导致现场施工风险高且效率低下。为了能够在非常规水平井泵送作业中完成精细化的泵送程序设计，开发了一种基于偏心圆环间隙流压降计算公式的精细化泵送程序设计软件。该软件通过对偏心圆环间隙流压降计算公式与现场实际泵送程序参数进行拟合，获得了泵送各阶段的精确泵注参数与受力情况，通过软件工程设计方法模拟了射孔管柱在水平井水力泵送过程中的井筒状态、管串参数、泵送速度、推力阻力参数、泵送液体的动力学特征、泵注排量阶梯等施工关键数据。该软件已在中国石油集团测井有限公司进行推广，截至2023年1月，已累计完成213口井的泵送程序设计，设计符合率达98.2%。关键词：桥射联作；水力泵送；偏心圆环间隙流压降；泵送程序设计中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi：10.16489/j.issn.1004-1338.2023.02.019Research and Application of Pumping Program Design SoftwareZHAO Xindi1,YANG Dengbo1,LIU Wei2,NIE Jingwen1,WANG Jian1(1.Southwest Branch,China National Logging Corporation,Chongqing 401120,China;2.CCDC Chuandong Drilling Company,Chongqing 401200,China)Abstract:In the process of unconventional oil and gas resources development,the use of hydraulic pumping for perforating string transportation has always been the main means in the industry.However,the traditional hydraulic pumping program design of perforating string has some problems,such as completely relying on the experience of engineering personnel,unclear stress state of downhole perforating string and low accuracy of pumping program,which lead to high risk and low efficiency of field construction.In order to complete the fine pumping program design in unconventional horizontal well pumping operation,this paper proposes a fine pumping program design software based on the pressure drop calculation formula of eccentric annular clearance flow.By fitting the pressure drop calculation formula of eccentric annular clearance flow with the actual pumping program parameters,the accurate pumping parameters and stress conditions of each pumping stage are obtained.This software obtains accurate pumping parameters and stress conditions at each stage of pumping by fitting the pressure drop calculation formula for eccentric annular gap flow with the actual pumping program parameters on site.Through software engineering design methods,it simulates key construction parameters such as wellbore state,pipe string parameters,pumping speed,thrust resistance parameters,dynamic characteristics of pumped liquid,and pumping displacement step of perforated pipe string during hydraulic pumping in horizontal wells.This software has been promoted in China National Logging Corporation.As of January,2023,a total of 213 pumping program designs have been completed,with a design compliance rate of 98.2%.Keywords:cluster perforating&plug;hydraulic well pumping;pressure drop of eccentric annular gap flow;pumping program design基金项目：中国石油集团测井有限公司西南分公司项目“分簇射孔泵送程序设计 2.0”（2018-04-03）第一作者：赵昕迪，男，1987 年生，高级工程师，主要从事射孔优化设计软件、工程软件研发及射孔新技术、新方法研究。E-mail：zhaoxind_2023年测 井 技 术248 0 引 言在非常规油气藏勘探开发中，桥射联作是一种主要的完井作业手段。受地质构造的限制，在川南、新疆玛湖、长庆等区块都普遍存在着井眼轨迹上倾或下倾的情况。在桥射联作施工过程中上倾或下倾井的泵送程序设计和泵送过程控制方法直接影响了作业效率和作业安全。陈锋等1针对上倾井泵送分簇射孔与桥塞联作工艺技术难点及风险控制方法进行了详细描述，提出了泵送推力计算方法。通常情况下，泵送推力的计算过程较为复杂，而现场作业的时间限制导致了施工人员在没有泵送推力计算软件条件下无法在施工时进行精确计算，所以在施工期间仅依靠个人经验进行泵送程序设计。个人经验无法准确计算出射孔枪串上的推力大小、射孔枪串运动阻力大小及射孔枪串的泵送稳定程度，由此可能造成井下管串状态不易控制、射孔枪串受力情况不明确、泵送排量增减时机不科学等诸多施工风险。国外的商业软件虽然有泵送排量计算功能和受力分析功能，但是计算结果与实际泵送排量差异较大，无法为现场作业提供精确、高效的泵送程序设计支持。为此，有必要开展泵送程序设计软件的开发与应用，精确计算射孔枪串在井筒中泵送时的阻力、推力和排量，提升射孔枪串在泵送过程中的稳定程度，降低施工作业风险，实现水平井射孔枪串泵送过程的本质安全。1 桥射联作枪串泵送受力分析及其计算1.1 桥射联作枪串受力分析泵送流体流过桥射联作枪串与套管之间的间隙将产生压力变化，从而为枪串泵送产生压差推力。为精确计算桥射联作的泵送排量并精细控制泵送过程，有必要研究泵送排量模拟计算软件的算法。陈锋等1提出了一种基于偏心圆环间隙流理论建立的水平井泵送推力计算模型，用于计算射孔管串在一定水流排量下的推力大小。如图1所示，泵送管串主要受重力G、浮力Fb、支撑力分量FN、沿切线方向的分量F、泵送推力FP、流体黏附力FS、摩擦力Ff、电缆头张力Fc等力共同作用。为井斜角，F为管串在井液中的重力切向分量，FN为管壁对管串的法向支撑力。若90，则枪串重力切向分量F是泵送阻力，泵送时泵送推力及流体黏附力的合力必须大于管串（含电缆）摩擦阻力及重力切向分量；若90（下倾），则F为动力，泵送推力、流体黏附力、重力切向分量之和必须大于管串（含电缆）摩擦阻力。（a）下倾井段 90（b）水平井段 =90FNFSFbFc/FfFc/FfFc/FfFPFNFSFbFPFNFSFbFPFFGGG图1 泵送枪串受力分析1.2 桥射联作泵送推力计算泵送枪串的动力来源于泵送液体流过管串与套管之间的间隙2所产生的压差推力和泵送液体流经枪串表面产生的黏附力。泵送液体一般为清水，动力黏度小，黏附力可以忽略不计。如图2所示，泵送过程中枪串紧贴套管内壁，泵送液体在套管与管串间隙中的流动为偏心圆环间隙流3-4。p1、A1为管串顶部承受的压力及轴向上的横截面积，p2、A2为加重杆与桥射联作枪串台阶处承受的压力及台阶横截面积，p3、A3为桥射联作枪串与桥塞工具台阶处承受的压力及台阶横截面积，p4、A4为桥塞工具与坐封筒台阶处承受的压力及轴向上的横截面积，p5、A5为桥塞底部的压力及横截面积。则泵液的间隙流动产生的管串推力Fp为Fp Ap Ap Ap Ap Ap=+-1122334455（1）偏心距p1QA1p2A2p3A3p4A4p5A5套管打捞头及加重射孔枪串桥塞工具坐封筒桥塞图2 泵送时枪串压力及截面积分析赵昕迪，等：精细化泵送程序设计软件研究及应用第47卷 第2期249 2 软件界面与计算流程设计2.1 软件主界面设计软件主体程序采用.Net架构进行开发，以面向对象的思想对所有模块进行构建，模块之间采用中间变量交换的形式进行参数传递。软件依据用户实际的业务逻辑划分为4个模块，分别为原始井斜数据载入模块、井斜识别模块、排量计算模块、排量验证优化模块，通过系统主界面完成功能集成。各项泵送参数的默认值采用保存、加载初始化配置文件的方式进行数据持久化。当软件进行计算时，阶段计算结果会在文本框中进行动态刷新显示，同时会在软件逻辑层中以动态数组的方式进行保存，并在右侧的绘图区域中根据计算结果进行实时绘制，最后以表格的方式输出所有过程参数，包括井深、井斜、静摩擦阻力、动摩擦阻力、泵送推力、泵送排量5。软件主界面分4个区域分别显示不同的信息：井筒参数设置、枪串参数设置、模拟排量列表、模拟泵送曲线。软件提供保存、加载射孔枪串结构的功能，用于复杂井眼轨迹条件下的多种射孔枪串结构横向对比分析。整个主界面的所有控件均由数据进行驱动，例如井筒参数设置时，套管内径直接决定了射孔枪串最大外径的上限值，摩擦系数、预置缆头张力决定了泵送推力和泵送排量的计算结果6。所有的计算结果可以反映整个泵送过程的稳定程度，所以在软件设计时针对上述参数的控件类型，选择了强制验证型控件，以达到所有输入数据均在合理限制范围内，确保软件正确运行。井筒参数的文本控件由自动填充项、手动输入项、常数项组成。通过水的动力黏度、水的密度、每千米水中电缆线密度、管串静摩擦系数、枪串动摩擦系数、电缆静摩擦系数、电缆动摩擦系数、静摩擦阻力、动摩擦阻力、预置缆头张力、泵送速度、泵送排量、泵送推力、井斜、A点（水平段起始位置）深度、水平段长度、套管内径、枪串总长、枪串总重量、枪串浮力等参数描述井筒条件。在单击“导入井斜/泵送模拟”按钮后会弹出文件对话框，要求选择相应的井斜Excel文件，确定后则开始模拟计算。射孔枪串区域由一组联动的文本框控件和按钮控件组成7。目的是通过管串结构名称、外径、长度、重量、间隙、偏心率、压差、压力和压力作用面积来展示当前部件在进行数值计算时的具体数据。通过“添加枪串部件/删除”按钮可以对射孔枪串的结构进行修改。枪串各部分的外径、质量、长度等参数越精准，计算结果越准确。模拟排量列表通过DataGridView控件对全井筒各井斜点所对应的井斜、静摩擦阻力、动摩擦阻力、推力、排量数据采用动态数组的方式进行顺序填充。计算完成后的动态数组则会在软件绘图区域进行泵送推力曲线、静摩擦阻力曲线、动摩擦阻力曲线生成，以便设计人员对泵送状态进行评估。2.2 数据读取与保存方式软件采用外部数据源进行泵送模拟数据持久化。在读取射孔枪串数据时，声明并使用File类中的OpenRead函数实例化一个文件流对象，并创建一个缓存文件内容字节数组，通过FileStream对象的length方法获取当前选取的文档的总长度，最后通过FileStream类中的ReadLine方法按行读取文本文档中所有射孔枪串部件的参数。获取参数的同时，将每一行记录按tab分隔符对记录进行拆分，并把拆分后的数据按顺序填充至软件主界面上的文本框中。在保存射孔枪串数据时，点击软件界面菜单中的“保存射孔枪串数据”按钮后则会调用SaveFileDialog这个类。通过界面操作确定好保存文件的位置之后，需通过initialDirectory设置文件默认保存路径，随后输入井号后点击“确定”按钮，软件会通过save函数按默认路径保存以井号命名的射孔枪串数据文件。射孔枪串参数通过文本文档进行存储，文档名以井号作为标识符，其中记录了射孔枪串各部件的组合排列顺序，按由顶至底的方式在文本文件中进行存储。其中每一行作为一个记录，每一个记录以tab作为分隔符，依次序记录部件的名称、外径、重量、长度，以回车符作为每一行记录的停止符。2.3 泵送排量的软件计算流程软件计算的驱动变量为井斜数据文件中的井斜测量点深度。软件会将测井数据文件中的井深、井斜、狗腿度实例化为一个动态多维数组。根据射孔枪串数据计算出枪串全长、枪串在设定井液密度中的重力。计算出在全井筒测点位置下射孔枪串的静摩擦力合力、动摩擦力合力。计算在全井筒测点位置下电缆的静摩擦力合力、动摩擦力合力。计算出全井筒的静摩擦力合力、动摩擦力合力。设定泵送推力区间，以静摩擦力为上边界，动摩擦力为下边界。用排量阶梯代入泵送推力计算公式，使当前排量产生的推力介于静摩擦力与动摩擦力之间。由井口至井底依次完成计算。软件在计算过程中以嵌套for循环为计算流程控制主体8，外层for循环以井斜测量点的数量为计算2023年测 井 技 术250 边界，循环迭代采用自增量的方式进行控制。内层for循环以排量阶梯所对应的排量值数量为计算边界，其中排量值以0.48 m3/min为起始值，在排量值达到1.60 m3/min之前以0.20 m3/min进行顺序递增，超过1.60 m3/min后以0.10 m3/min进行顺序递增，排量值最大不超过5.00 m3/min。计算排量时采用动态回滚的方式提升计算速度和降低系统资源消耗。在完成当前井斜测量点的计算后，进行下一个井斜测量点计算时，会以上一个井斜测量点的排量作为起始值。如果采用上一个测量点计算出的泵送推力大于该点的静摩擦力合力时，则进行排量回滚。排量回滚时，则是在上一个测量点排量的基础上降低0.10 m3/min进行计算，直到泵送推力介于静摩擦力合力与动摩擦力合力之间，然后在计算结果数组中添加当前排量记录并进行下一个井斜测量点计算9。3 软件应用案例截至2023年1月，已累计完成213口井的泵送排量设计。其中仅4口井的泵送偏差高于0.1 m3/min，设计符合率为98.2%。3.1 上倾井案例A井，井深2 800.31 m，垂深638.14 m，最大井斜96.15，最大垂深差46.00 m。水平段井筒成波浪型，狗腿度变化幅度较大，套管内径124.26 mm，射孔枪串最大外径112.00 mm。（1）软件计算。根据井况在软件中输入井筒、射孔枪串、井斜等参数后，以2 400、1 800、1 500 m/h的射孔枪串运动速度进行了计算见图 3（a）、（b）、（c）。从图中3次模拟的结果可以得出，该井在不同的速度下泵送排量和泵送推力曲线存在异常，狗腿度变化较大，泵送状态不稳定，存在较高的施工风险 10。由于狗腿度变化较大，按以往的施工经验，在井眼轨迹较为复杂的情况下进行泵送排量设计时，射孔枪串的运动速度一般不超过2 500 m/h，为此需要在上述3种速度方案中优选1种泵送速度。（2）泵送速度方案筛选。由于狗腿度变化较大，无法用肉眼观察判断采用哪种速度方案，所以将在3种速度方案下全井筒的泵送推力曲线进行叠合、对比见图 3（d）。由图 3（d）可知，在任意井深下蓝色曲线均不与红色曲线和绿色曲线重叠，且波峰、波谷的数量比红色曲线和绿色曲线更多，即代表泵送排量的增减次数更多。在水平井泵送过程中，频繁地增加、减少泵送排量可能会对射孔枪串与电缆连接处造成冲击，会影响井下射孔枪串安全。故排除速度1 800 m/h泵送方案见图 3（e），图 3（e）中红色曲线波峰数量比绿色曲线多4个，说明以2 400 m/h的射孔枪串速度泵送时比以1 500 m/h进行泵送时泵送排量多4次变化，不利于枪串运动状态控制，也会增加现场施工人员的操作难度，故推荐采用1 500 m/h泵送速度见图 3（f）。4斜深/m1 0003 0002 5002 0001 5001 00050001 5002 0002 500排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）推力/N井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量32106006006006004斜深/m斜深/m1 0003 0002 5002 0001 5001 00050001 5002 0002 500推力/N3210432105 0004 0003 0002 0001 0000推力/N斜深/m1 0001 5002 0002 50041 0003 0002 5002 0001 5001 00050001 5002 0002 500推力/N32102 400 m/h 泵送推力2 400 m/h 泵送排量1 800 m/h 泵送推力1 800 m/h 泵送排量1 500 m/h 泵送推力1 500 m/h 泵送排量227225223221219217215213211209207205203201199197195193191189187185183181179177175173171169167165163161159157155153151149147145143141139137135133131129127125123121119117115113111109107105103101999795939189878583817977757371696765636159575553514947454341393735333129272523211917151311975312 400 m/h 泵送推力2 400 m/h 泵送排量1 800 m/h 泵送排量1 500 m/h 泵送推力1 500 m/h 泵送排量22722522322121921721521321120920720520320119919719519319118918718518318117917717517317116916716516316115915715515315114914714514314113913713513313112912712512312111911711511311110910710510310199979593918987858381797775737169676563615957555351494745434139373533312927252321191715131197531图3 上倾井泵送程序设计过程（a）速度2 400 m/h计算曲线（b）速度1 800 m/h计算曲线（c）速度1 500 m/h计算曲线（d）A井泵送推力叠合示意图（e）速度2 400 m/h与1 500 m/h速度泵送推力叠合示意图（f）优选速度1 500 m/h计算曲线赵昕迪，等：精细化泵送程序设计软件研究及应用第47卷 第2期251 表 1 泵送参数表深度/m井斜/（）静摩擦阻力/N动摩擦阻力/N泵送推力/N泵送排量/（m3min1）1 138.7293.342 651.012 518.322 634.751.91 148.1191.322 565.352 431.412 308.621.81 157.3291.362 573.932 438.952 308.621.81 166.7892.022 611.892 475.902 308.621.81 176.0692.552 643.942 506.952 634.751.91 259.9689.252 541.032 394.462 308.621.81 269.2591.892 682.652 535.102 634.751.91 278.6394.582 826.702 678.492 634.751.91 287.7597.152 963.962 815.422 634.751.91 297.2797.913 011.102 861.762 982.432.01 307.1295.982 922.892 771.832 634.751.9以1 500 m/h速度进行泵送作业，通过红色区域井段时需要进行变速泵送，以适应泵送排量和泵送推力的改变。在通过蓝色区域井段时需要及时增减排量并相应加、减速以控制枪串的运动状态。按照以上方式泵送作业的同时应结合模拟泵送排量列表，关注射孔枪串处于表1中深度时的泵送状态，并根据实际工况采取应对措施（仅列举部分深度）。3.2 下倾井案例井，井深5 218.33 m，垂深3 280.94 m，最大井斜86.02，属于典型的下倾井。水平段井筒较为平缓，狗腿度变化幅度较小，套管内径114.30 mm，射孔枪串最大外径99.00 mm。（1）软件计算。根据井况在软件中输入井筒、射孔枪串、井斜等参数后，以1 500 m/h、1 800 m/h、2 400 m/h的射孔枪串运动速度进行了计算见图 4（a）、图4 （b）、图4 （c）。从图中3次模拟的结果可以得出，该井在不同的速度下泵送排量和泵送推力曲线无明显差异，狗腿度变化平稳，泵送状态稳定，施工风险较低。按以往的下倾井施工经验进行泵送排量设计且井眼轨迹较为复杂时，射孔枪串的运动速度一般不超过2 500 m/h，为此需要在上述3种速度方案中优选1种泵送速度。图4 下倾井泵送程序设计过程4斜深/m3 0002 5002 0001 5001 0005000推力/N32105 2005 0004 8004 6004 4004 2004 0003 8003 6004斜深/m3 0002 5002 0001 5001 0005000推力/N32105 2005 0004 8004 6004 4004 2004 0003 8003 6004斜深/m3 0002 5002 0001 5001 0005000推力/N32105 2005 0004 8004 6004 4004 2004 0003 8003 6004斜深/m3 0002 5002 0001 5001 0005000推力/N32105 2005 0004 8004 6004 4004 2004 0003 8003 6001 500 m/h1 800 m/h2 400 m/h59585756555453525150494847464544434241403938373635343332313029282726252423222120191817161514131211109876543211 500 m/h1 800 m/h1 500 m/h变化量1 800 m/h变化量59 60 6158575655545352515049484746454443424140393837363534333231302928272625242322212019181716151413121110987654321排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）排量/（m3min-1）井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量井眼轨迹阻力（静摩擦）阻力（动摩擦）泵送推力泵送排量（a）速度1 500 m/h计算曲线（b）速度1 800 m/h计算曲线（c）速度2 400 m/h计算曲线（d）井泵送推力叠合示意图（e）井泵送推力变化叠合示意图（f）井速度1 800 m/h关注点 2023年测 井 技 术252 表 2 排量突变点参数表深度/m井斜/（）静摩擦阻力/N动摩擦阻力/N泵送推力/N泵送排量/（m3min-1）4 314.3886.021 297.551 037.691 106.601.44 344.2985.771 289.591 026.451 106.601.44 371.9386.451 368.151 101.681 106.601.44 401.3686.671 404.991 135.161 326.861.54 429.9586.581 411.821 138.801 326.861.54 459.1685.001 272.00996.251 106.601.44 489.3083.271 112.88834.611 106.601.44 516.2083.271 123.84842.561 106.601.4（2）泵送速度方案筛选。单纯分析不同速度下的曲线并不能区分不同速度下的泵送稳定程度，因此，将3个速度下的泵送推力曲线进行叠合见图 4（d）。图 4（d）中红色曲线在狗腿度明显变化井段内（方框区域）相较于其他2条曲线变化较大，即泵送排量、泵送推力变化较大，不利于稳定桥射联作枪串运动状态，排除红色曲线，即2 400 m/h的速度方案。但剩余曲线无明显差别，故添加每个测量点的推力变化见图 4（e）。图 4（e）中速度1 500 m/h推力变化平均值为29.29 N，1 800 m/h推力变化平均值为25.80 N，推力变化平均值越小即推力变化量越小，更利于施工人员控制井下射孔枪串运动状态以提升作业安全。在以1 800 m/h速度进行泵送作业时，通过黄色区域井段时（4 4014 429 m）见图 4（f），需要根据张力显示及时调整速度，以适应泵送推力的突变（见表2，仅列举部分深度）。4 结 论（1）利用软件工程技术开发了精细化泵送程序设计软件，实现了水平井泵送射孔的泵送推力计算、泵送排量计算、射孔枪串和电缆的静摩擦力和动摩擦力计算等功能，目的是将水平井射孔枪串泵送程序设计进行信息化、互联化，以提升非常规油气资源开发中射孔工程的信息化程度。（2）精细化泵送程序设计软件计算出的泵送过程数据可反映射孔枪串在井下运动状态、受力情况、泵送程序，可降低现场施工人员的操作难度，提升现场施工的安全性和高效性。（3）精细化泵送程序设计软件可对上倾井、下倾井进行泵送程序设计，并得到较为精确的理论值，对桥射联作现场施工具有指导意义。目前已在新疆玛湖油田、长庆、苏里格、青海、川渝、吉林、大庆、辽河、大港各油气区投入现场应用，泵送排量设计符合率达到98.2%，满足实际生产需求。参考文献:1 陈锋，杨登波，唐凯，等.上倾井泵送分簇射孔与桥塞联作技术J.测井技术，2018，42（1）：117-121.2 周志鸿，闫建辉，刘连华.间隙泄漏量的分析计算J.凿岩机械气动工具，2002（4）：14-17.3 赖邦钧，周梓荣，彭浩柯.间隙泄漏水量的初步测定及其计算公式的探讨J.凿岩机械气动工具，2020（2）：45-52.4 陈锋，李奔驰，唐凯，等.桥塞与套管间隙对泵送桥塞影响分析及实践J.测井技术，2016，40（2）：249-252.5 陈锋，杨登波，郭兴午，等.水平井段静止起动泵送过程分析及排量控制研究J.测井技术，2018，42（6）：720-725.6 任国辉，赵昕迪，陆应辉，等.川南地区页岩气射孔地质工程一体化技术研究J.测井技术，2021，45（1）：87-92.7 NAGEL C，GLYNN J，SKINNER M.Professional C#5.0 and.NET 4.5.1 M.李铭，译.北京：清华大学出版社，2014.8 AGAFONOV 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