秦利峰 劉 忠 劉玉明 倪元勇 董建秋

(1.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.中國(guó)石油華北油田公司，河北 062550)

水力噴射壓裂工藝在鄭莊里必區(qū)塊煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用

秦利峰1劉 忠1劉玉明1倪元勇2董建秋1

(1.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.中國(guó)石油華北油田公司，河北 062550)

水力噴砂壓裂是一種利用水射流獨(dú)特性質(zhì)的儲(chǔ)層改造技術(shù)，集水力噴砂射孔和水力壓裂于一體，起裂機(jī)理與常規(guī)水力壓裂有所不同，能夠避免傳統(tǒng)射孔壓裂完井方式對(duì)煤層造成的負(fù)面影響，對(duì)常規(guī)L型水平井有著很好的適用性?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，產(chǎn)氣效果優(yōu)于目前的直井及多分支水平井，該工藝為低滲透煤層氣藏的開發(fā)提供了新思路。

煤層氣 完井方式 L型水平井 水力噴射壓裂

里必區(qū)塊位于鄭莊區(qū)塊斜坡帶的中東部，東西長(zhǎng)6.73km，南北長(zhǎng)7.43km，面積50km2。3號(hào)煤層構(gòu)造形態(tài)為南抬北傾的單斜構(gòu)造，斷層不發(fā)育，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。煤層埋藏深度500～1000m， 煤層厚度5.0～6.0m，含氣量19.0～28.35m3/t，孔隙度1.85%～5.26%，滲透率0.011～0.43mD，平均滲透率0.1 mD，煤層壓力梯度0.80～0.96MPa/100m，為常壓-欠壓煤層氣藏。

為了探索煤層氣高效開發(fā)技術(shù)，針對(duì)周邊井區(qū)單井產(chǎn)氣量低、無法達(dá)到預(yù)期產(chǎn)能的現(xiàn)狀，本區(qū)塊率先試驗(yàn)應(yīng)用了L型水平井水力噴射壓裂工藝技術(shù)，排采結(jié)果表明，產(chǎn)氣效果優(yōu)于目前的直井、多分支水平井等開發(fā)技術(shù)。分析認(rèn)為，直井、多分支水平井產(chǎn)氣量低的主要原因?yàn)殂@完井工藝不能很好的與煤層的地質(zhì)情況相適應(yīng)，無法達(dá)到預(yù)期的改造效果，對(duì)煤層的孔滲性能產(chǎn)生負(fù)面影響。要有效的開發(fā)煤層氣，首先必須根據(jù)煤層的特點(diǎn)選擇合理的完井及改造方式，最大限度的減少或消除煤層傷害，為煤層氣建立高效的滲流通道，改善煤層氣的解吸環(huán)境，達(dá)到煤層氣井高產(chǎn)的目的。

1 目前完井技術(shù)問題分析

1.1 直井套管射孔/壓裂完井

直井套管固井完井一般要進(jìn)行射孔壓裂后投產(chǎn)，為井筒和煤層建立通道，形成具有一定導(dǎo)流能力的人工裂縫，減小氣水滲流阻力。但射孔和壓裂環(huán)節(jié)通常會(huì)對(duì)煤層造成傷害，射孔會(huì)造成煤層的焦碳化，高溫高壓也會(huì)對(duì)煤層滲透率產(chǎn)生負(fù)面影響。在國(guó)外，為了減小這種傷害，通常采用噴砂割槽的方式防止射孔作業(yè)造成的污染。在壓裂過程中，因煤巖楊氏模量低、泊松比高的力學(xué)特性，煤巖易發(fā)生塑性變形，在近井區(qū)域形成壓實(shí)帶，降低滲透率。在水力壓裂的數(shù)學(xué)模型中，裂縫寬度隨著泊松比的增高呈明顯增大趨勢(shì)，難以形成理想中的長(zhǎng)縫，勾通范圍受限。因此，直井射孔壓裂難以達(dá)到預(yù)期的改造效果。

1.2 水平井多分支裸眼完井

水平井用于煤層氣開發(fā)大多采用煤層多分支裸眼完井，并且為了便于排水疏灰采氣，均是鉆一口與之連通的直井進(jìn)行排采。煤層多分支水平井對(duì)于低滲透煤層氣藏目前尚存在兩方面的問題，導(dǎo)致其產(chǎn)氣效果不可掌控。一是鉆井過程中煤儲(chǔ)層傷害與井壁穩(wěn)定的矛盾突出。當(dāng)采用清水鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，能夠最大限度的降低煤儲(chǔ)層傷害，但由于其攜巖性能和井壁封堵性能差，難于解決鉆井過程中的井壁失穩(wěn)問題，井壁垮塌、井漏、卡鉆等復(fù)雜事故時(shí)有發(fā)生，甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢、鉆井失??；當(dāng)采用具有一定攜巖能力和封堵能力的鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，能夠解決井壁穩(wěn)定和井眼清潔問題，但煤儲(chǔ)層傷害又無法避免，并且沒有有效手段解除傷害，影響產(chǎn)氣效果。二是成井后氣井壽命不可掌控。由于多分支水平主支、分支均為裸眼完成，井壁缺乏有效支撐，在排采過程中，隨著排水降壓的進(jìn)行，孔隙壓力變化、井底流壓的波動(dòng)，均可能導(dǎo)致井眼垮塌，致使氣井的生產(chǎn)壽命縮短。生產(chǎn)實(shí)踐表明，井眼垮塌對(duì)單井產(chǎn)能存在很大的影響。例如ZP021V為鄭莊區(qū)塊的一口煤層多分支水平井，檢泵作業(yè)前日產(chǎn)氣量最高達(dá)11376m3/d，作業(yè)完成后，日產(chǎn)氣量降至2500m3/d(圖1)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間排采，產(chǎn)能無法恢復(fù)。分析認(rèn)為檢泵作業(yè)過程中流壓波動(dòng)造成水平井眼垮塌所致。因此，在目前的技術(shù)現(xiàn)狀下，多分支水平井工藝技術(shù)無法很好的適應(yīng)低滲透煤層氣藏的開發(fā)。

圖1 ZP021V井生產(chǎn)曲線

2 L型水平井水力噴砂壓裂工藝可行性分析

近兩年來，隨著煤層氣排采技術(shù)的進(jìn)步，無桿泵排采工藝已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)大斜度水平井排水疏灰采氣的需要，直接從水平井下泵實(shí)施即可。這樣，只要解決煤儲(chǔ)層傷害和井壁穩(wěn)定的問題，簡(jiǎn)單的常規(guī)L型水平井獨(dú)立應(yīng)用便成為可能。但由于煤層的非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率的各向異性明顯，僅靠L型水平井井身結(jié)構(gòu)開發(fā)，在多數(shù)情況下無法獲得理想的產(chǎn)氣量，必須配套相應(yīng)的改造技術(shù)。

水力噴射壓裂技術(shù)是基于伯努利方程-流體束速度變化能夠引起壓力反向變化原理，利用噴射滯止壓力破巖。在壓裂過程中，地面泵注設(shè)備將油管內(nèi)液體的壓能轉(zhuǎn)化為噴嘴出口處的高速動(dòng)能，流體深入孔道速度逐漸減小，壓力不斷升高，在孔道端處達(dá)到速度最低壓力最高，從而在噴射點(diǎn)處產(chǎn)生微裂縫，裂縫產(chǎn)生后環(huán)空增加一定壓力使產(chǎn)生的微裂縫得以延伸。在環(huán)空噴嘴處為高速低壓狀態(tài)，環(huán)空流體在壓差的作用下被吸入施工層段，利用動(dòng)態(tài)分流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封隔，集射孔、壓裂、封隔一體化，在煤層內(nèi)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)起裂、準(zhǔn)確造縫。

國(guó)內(nèi)外水力噴射壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)表明，水力噴射壓裂的起裂壓力比普通水力壓裂低很多，這表明，水力噴射壓裂的起裂機(jī)理與普通水力壓裂有著顯著的區(qū)別。水力噴射可以在大于井筒直徑幾倍范圍內(nèi)解除壓實(shí)效應(yīng)，使井壁圍巖松馳，釋放應(yīng)力，從而增大滲透率。據(jù)前蘇聯(lián)巖石力學(xué)專家畢兄托夫分析，松馳作用可使?jié)B透率增大3～8倍，能夠有效解決常規(guī)射孔壓裂造成的近井滲透率降低問題。

水力噴射壓裂工藝對(duì)水平井井筒條件要求較為寬松，只需要鉆井過程中井眼穩(wěn)定，順利下入支撐套管即可，不需要對(duì)生產(chǎn)套管實(shí)施水泥封固。采用水力噴射壓裂工藝對(duì)L型水平井實(shí)施改造作業(yè)，不但可消除鉆井過程中的煤儲(chǔ)層傷害，并可進(jìn)一步提高煤層的滲流能力，擴(kuò)大泄氣面積。而且由于井眼已受機(jī)械支撐加固，氣井壽命得以延長(zhǎng)。

3 L型水平井水力噴射壓裂工藝應(yīng)用

3.1 井筒準(zhǔn)備

(1)井身結(jié)構(gòu)

應(yīng)用水力噴射壓裂工藝的水平井為L(zhǎng)型水平井，采用三開井身結(jié)構(gòu)。一開采用φ381mm鉆頭鉆進(jìn)基巖10～20m完鉆，下入φ273.05mm表層套管，固井水泥返至地面；二開采用φ241.3mm鉆頭，鉆至著目標(biāo)煤層著陸后繼續(xù)鉆進(jìn)20～30m完鉆，下入φ193.7mm技術(shù)套管，固井水泥漿全井段封固。三開采用φ171.4mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，水平井段煤層進(jìn)尺不少于800m，下入φ139.7mm生產(chǎn)套管完井，生產(chǎn)套管不固井(圖2)。

圖2 L型水平井井身結(jié)構(gòu)圖

(2)鉆完井工藝要點(diǎn)

① 水平段煤層鉆進(jìn)時(shí)采用低固相聚合物體系，確保必要的攜巖性能和井壁封堵性能，主要性能控制：密度1.10～1.25g/cm3，塑性粘度8～13MPa.s，屈服值6～14Pa，API濾失量小于6cm3。

② 煤層鉆進(jìn)操作平穩(wěn)，控速鉆進(jìn)，穩(wěn)定攜巖，減輕井底壓力波動(dòng)，預(yù)防煤層坍塌和漏失。

③ 生產(chǎn)套管下入至設(shè)計(jì)深度后，用2% KCL溶液大排量反復(fù)洗井，直至進(jìn)、出口水質(zhì)一致。

3.2 水力噴砂壓裂工藝設(shè)計(jì)

(1)壓裂點(diǎn)的選擇

壓裂段數(shù)與產(chǎn)量成正比，但隨著壓裂點(diǎn)的增加成本也會(huì)增加，目前常規(guī)做法為100m分一段，水平井段長(zhǎng)800m，壓裂段距100m，共壓7段。壓裂點(diǎn)盡可能選擇在煤層中部，避開頂板、底板、夾矸位置，伽馬值低于50API，同時(shí)避開套管接箍。

(2)管柱結(jié)構(gòu)

φ82.55mm連續(xù)油管+丟手+φ94mm噴砂器(8×6mm) +球座+φ139.7mm扶正器+篩管+絲堵，采用連續(xù)油管噴砂射孔、油管加砂壓裂的壓裂方式。

(3)噴砂射孔參數(shù)設(shè)計(jì)

在儲(chǔ)層圍壓和巖性即定的情況下，影響水力噴砂射孔的因素主要為流體參數(shù)、磨料參數(shù)。流體參數(shù)的關(guān)鍵是射流速度，對(duì)于鋼級(jí)N80和壁厚7.72mm的套管，射流速度一般要達(dá)到131～198m/s才能將其射穿。8只6mm噴嘴在3m3/min的排量下，射流速度可達(dá)225m/s，大于射開套管所需要的流速。磨料參數(shù)主要包括磨料類型、粒度和濃度。在一定的壓力和排量下，磨料的切割能力隨硬度的增加而增加，噴射深度隨磨料濃度和粒度增加到一定程度后，射孔深度反而有下降趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最佳濃度值為6%～8%，最佳粒度值為0.4～0.6mm。

①噴嘴數(shù)量及尺寸： 8×6mm；②排量： 3.0m3/min；③磨料粒度：20～40目石英砂；④磨料體積濃度：6%～8%；⑤噴射時(shí)間：10～15min。

(4)噴砂壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)(單段)

噴射壓裂的關(guān)鍵是確定環(huán)空排量，為了獲得一定大小的井底壓力延伸水力裂縫，必須從環(huán)空建立井底壓力。同時(shí)，在下一井段壓裂施工過程中，為使已壓開井段裂縫不再開啟，必須控制井底壓力在已壓開井段裂縫延伸壓力之下。綜合考慮本區(qū)塊的裂縫延伸壓力梯度、壓裂液摩阻，環(huán)空排量控制在1.5m3/min以下。

①壓裂基液：清水(2%KCL溶液)；②壓裂液量：450～750m3；③油管排量：3.0～3.5m3/min；④環(huán)空排量：1.5m3/min；⑤加砂量：35～46m3；⑥支撐劑規(guī)格：16/30目、12/20石英砂；⑦砂比：10%～20%；

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及產(chǎn)氣效果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施3口井，三口井井間距離280m(圖3)，井眼軌跡設(shè)計(jì)為北西向，與最大主應(yīng)力方向垂直，水平主支上傾。煤層埋深850～950m，煤層厚度6.0～6.5m，煤層進(jìn)尺804～812m，純煤進(jìn)尺725.6～755.6m，鉆遇率90%～93%。單井分7段壓裂，3口井共實(shí)施21段，單井壓裂液量4364～7078m3，加砂量225～267m3，平均砂比7%～11%。P001L分段壓裂施工曲線如圖(圖4)。

圖3 構(gòu)造井位圖

圖4 P001L井分段壓裂施工曲線

三口井于2014年7月29日至11月12日投產(chǎn)，平均降液速度4～6m/d，解吸壓力3.8～4.3MPa。目前處于控壓穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，單井日產(chǎn)氣量2900～13000m3/d，流壓0.5～0.57MPa，平均單井產(chǎn)氣量7833m3/d。目前周邊井區(qū)直井、多分支水平井平均單井產(chǎn)氣量分別為468 m3/d和2190m3/d，其產(chǎn)氣量是多分支水平井的3.5倍，且流壓值較高，仍然具有較大的上產(chǎn)潛力。因此，從產(chǎn)氣效果來看，L型水平井水力噴砂壓裂鉆完井方式優(yōu)于目前的直井、多分支水平井。

[1] 陳作，王振鐸，鄭偉等.水力噴砂分段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工[J],石油鉆采工藝，2010,32(3):72-75.

[2] 牛繼磊，李根生，宋劍等.水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]，鉆井與完井，2003, 31(2):14-16.

[3] 黃勝初.美國(guó)地面煤層氣地面鉆井開發(fā)技術(shù)[J].中國(guó)煤層氣,1995,(2)：25-30.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Application of Hydrojet Fracturing Technology of CBM Exploitation in Zhengzhuang Libi Block

QIN Lifeng1，LIU Zhong1, LIU Yuming1，NI Yuanyong2，DONG Jianqiu1

(1.Shanxi CBM Exploration and Development Branch,PetroChina Huabei Oilfield Company,Shanxi 048000; 2. PetroChina Huabei Oilfield Company, Hebei 062550)

Hydrojet fracturing, which combines sand jet perforation and hydraulic fracturing, uses special hydrojet for reservoir improvement. The fracture initiation mechanism, which is very compatible to L-type horizontal well, is different with conventional hydraulic fracturing which will cause negative influence to coalbed. On-site application results show that the production of hydrojet fracturing is better than straight well and multi-branch horizontal well. This technology supplies a new thinking for the development of low permeability coalbed methane reservoir.

Coalbed methane；well completion system；L-type horizontal well；hydrojet fracturing

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣井水平井開發(fā)示范工程”(二期)(2011ZX05061)

秦利峰，工程師，現(xiàn)任中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司里必合作項(xiàng)目部副經(jīng)理，長(zhǎng)期從事煤層氣勘探開發(fā)工作。