岳太振

【摘要】本文講述了沁水煤田套管注入、大排量清水壓裂技術在應用過程中，對施工主管線進行了工藝改進，并進行現(xiàn)場試驗1182口，在應用過程中效果很好，不但增加了施工進度也大大降低了施工成本。

【關鍵詞】大排量 清水壓裂 注入主管線

我國煤層氣的勘探開發(fā)以來，國內形成了多種煤層氣井壓裂改造的工藝技術，主要包括大排量清水壓裂、清潔壓裂液壓裂、氮氣或CO2泡沫壓裂等壓裂工藝。使用最為普遍的改造措施是大排量清水壓裂工藝。

1 問題提出

1.1 工藝難點及研發(fā)

沁水煤田特點； 煤巖較軟，其楊氏模量為1 135 ～4 602 MPa； 泊松比平均為0.33；低楊氏模量高泊松比易產生變形。另外，不同與砂巖層，煤層割理較為發(fā)育，且具有很強吸附能力，極易受到傷害，影響產能。

針對以上特征，壓裂施工會中存在以下技術難點：

（1）節(jié)理、裂縫發(fā)育，濾失增加，易造成砂堵而使施工停止；

（2）儲層基質低孔、低滲，高吸附，水基線性膠壓裂液破膠后易形成殘渣，對煤層傷害較大；

（3）煤儲層人工裂縫形態(tài)復雜，易形成T 形或I 形裂縫，不利于加砂；

針對以上難點充分調研國內外技術，采用清水降低儲層傷害，大排量提高壓裂液效率、提高凈壓力，研究應用了以套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術。

1.2 原施工管線存在的問題

清水套管壓裂工藝的特點是壓裂液為清水，排量大，清水攜砂摩阻很高，對地面管線尤其是彎頭處磨損很大，每施工3口井彎頭處就可能破損，施工被迫中斷，如下圖1所示：

2 施工主管線工藝改進2.1 問題的產生原因

首先從損壞的類型分析，屬于管程磨損嚴重造成的。相同排量條件下清水的摩阻是凍膠壓裂液的3倍，排量8.0-8.5m3/min注入條件下流體呈現(xiàn)紊流特征，該狀態(tài)下在彎頭處流線發(fā)生改變，加砂后石英砂顆粒的進入會使彎頭處承受的剪切應力增加，工作時間長便會產生破壞。2.2 理論分析2.2.1？磨損產生的機理

磨損通常有以下3中類型：擦動磨損——顆粒摩擦引起的表面破壞；刮痕磨損——顆粒深入表面引起的局部剝離；撞擊磨損——顆粒撞擊使表面局部組織的破碎和脫離。

如圖2所示，流體通過彎頭時，由于離心力和慣性力撞向管道外側的內壁，一部分顆粒沿管道外側的內壁滑動，另一部分顆粒又從外側內壁反射到內側的內壁，反復運動就會在外壁中部產生凹坑，因此撞擊和摩擦是引起彎頭磨損的主要原因。

圖2？彎頭內流體運動形式及損壞情況2.2.2？磨損影響因素

流體注入速度、流體固相含量、流態(tài)以及彎頭耐磨等對磨損都有一定的影響；

（1）流體撞擊角對磨損的影響

流體撞擊角對磨損影響有密切關系。經過研究磨損量與撞擊角符合圖2-2關系，當顆粒以20°～30°角撞擊時磨損最嚴重，而垂直以90°撞擊時反而減少。

（2）彎頭的結構及形狀對磨損的影響

彎頭曲率半徑對磨損的影響有直接關系，曲率半徑越大越接近直管，相應的磨損和壓力損失越小，因此在選擇彎頭或彎管時要考慮該因素。

另外，彎管的粗糙度越大，摩擦阻力也越大，彎管越易磨損。2.3 注入管線的工藝改進

通過對彎頭磨損機理及影響因素分析，流體注入速度、流體固相含量是不能進行改變的因素，若要解決損壞問題要從改變彎頭或彎管結構形狀入手，尋找與之相適應的新材料。經過調研最后確定選用多層鋼絲纏繞支架軟管線代替原有的硬彎頭管線，該管線由內膠層、外膠層組成，內、外膠層之間分布4-6層鋼絲纏繞層，增加抗磨損的強度；同時內膠層涂有樹脂層，起到特殊的防護效果；增加最小彎曲半徑，使流體盡量以90°垂直撞擊彎管內壁，減少磨損量。

2.4 技術指標

該工藝在現(xiàn)場應用中考核的主要技術指標體現(xiàn)在承壓安全上，現(xiàn)以內徑88.9mm承壓70MPa軟管線為例加以說明。

（1）抗內壓額定壓力為70MPa；

（2）爆破壓力≥140MPa；

（3）內、外膠層與鋼絲纏繞增強層間粘合強度≥2.5KN/m；3 現(xiàn)場應用及效果

經過現(xiàn)場試驗，最初經過應用36層后發(fā)現(xiàn)該套軟管線已經破損，隨即更換，為確保施工安全最后確定應用30層更換一套。自2007年4月份投入使用以來，使用該工藝共施工1182層，效果良好。采用軟管線施工時較硬管線便于連接，降低了勞動強度；軟管線損壞頻率明顯降低同時避免施工中斷現(xiàn)象，大大提高了施工進度；采用軟管線避免了高壓管線刺漏的不確定性，保證了現(xiàn)場施工人員的安全，有效降低安全成本。

4 結論

（1）由于煤儲層本身特征與常規(guī)砂巖儲層存在有較大差異，因此攻關配套了套管注入、高排量、活性水攜砂為主的煤層氣清水壓裂工藝，進一步造成注入管線與該工藝的不匹配。

（2）原注入管線常發(fā)生刺漏的主要原因在于清水攜砂摩阻很高，工作時間長時會產生破損。通過對磨損產生機理及影響因素的分析，從改變彎頭及彎管結構及形狀入手，優(yōu)選替代材料最終確定了多層鋼絲纏繞支架軟管線作為施工主管線。

（3）該工藝改進后，通過現(xiàn)場試驗的實踐證明，不但降低了現(xiàn)場施工的勞動強度，避免施工中斷現(xiàn)象，大大提高了施工速度，還有效降低了施工成本。

參考文獻

[1] 郭大立，紀祿軍，趙金洲，等. 煤層壓裂裂縫三維延伸模擬及產量預測研究[J].應用數(shù)學和力學，2001，22（ 4） ： 5 - 10

[2] 郝艷麗，王河清，李玉魁.煤層氣井壓裂施工壓力與裂縫形態(tài)簡析[J].煤田地質與勘探，2001，29（ 3） ： 21 - 22

[3] 侯景龍，劉志東，劉建中.煤層氣開發(fā)壓裂技術在沁水煤田的實踐與應用1 中國工程科學1 2011，13（ 1） 1