周加佳

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054)

0 前言

近年來，水平井分段壓裂改造技術(shù)越來越多地應用于國內(nèi)外低滲透和非常規(guī)油氣藏的開發(fā)中，尤其頁巖氣藏水平井的規(guī)?；_發(fā)應用，其核心技術(shù)就是水平井分段壓裂關(guān)鍵技術(shù)的突破和大規(guī)模應用[1-3]。與此同時，我國煤層氣含量高，煤層氣資源總量大且分布廣泛，隨著我國煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展以及對煤層氣地面快速、高效抽采的技術(shù)需求[4-6]，煤層氣壓裂技術(shù)也逐步由直井單煤層大規(guī)模壓裂向水平井分段壓裂技術(shù)方向發(fā)展，相比于直井壓裂改造，水平井分段壓裂可大大提高單井泄流面積和導流能力，有效提高煤層氣單井產(chǎn)氣量。筆者通過對煤層氣水平井分段壓裂技術(shù)的適應性分析，研究了針對不同地質(zhì)條件和不同完井方式下所對應的分段壓裂技術(shù)，并進行了現(xiàn)場工程應用實踐，以期為同類條件下的煤層氣水平井壓裂增產(chǎn)改造提供實踐經(jīng)驗。

1 煤層氣水平井分段壓裂技術(shù)適應性分析

國內(nèi)近年來在山西、陜西、貴州和安徽等地陸續(xù)開展了煤層氣水平井分段壓裂工程試驗和技術(shù)研究，并取得一定的突破，單井產(chǎn)氣量由直井壓裂的幾百方增加到水平井壓裂的上萬方。工程實踐表明，分段壓裂水平井是實現(xiàn)煤層氣快速、高效抽采的一種有效方法。

分段壓裂水平井相對于直井來說，具有單井控制面積大、導流能力強、單井產(chǎn)量高、抽采率高以及對地形、交通等適應性強的特點，能大范圍地溝通煤層裂隙系統(tǒng)，從而大幅度提高單井產(chǎn)能與抽采率。水平井分段壓裂技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，將垂直井與水平井與儲層的點或線的接觸變?yōu)閱尉鄠€面的排水降壓，大大提高了單井泄流面積和導流能力(圖1)。

圖1 壓裂改造泄流面積對比圖

針對煤層氣壓裂大規(guī)模、大排量、施工安全性以及對儲層低傷害的技術(shù)特點，目前適用于煤層氣水平井開發(fā)的分段壓裂增產(chǎn)技術(shù)主要為封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)和可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)[7-10]。相比較而言，封隔器滑套分段壓裂技術(shù)工藝完井和分段壓裂一體化作業(yè)，施工作業(yè)時間短，時效性強；水力噴射分段壓裂不用機械封隔一趟管柱實現(xiàn)多段壓裂，適應于各種完井方式；可鉆橋塞分段壓裂易于大規(guī)模大排量施工，封隔效果好，壓裂段數(shù)不受限制，壓后井筒保持全通徑，便于后期生產(chǎn)中的施工作業(yè)(表1)。

表1 水平井分段壓裂技術(shù)工藝特點對比

不同壓裂方式都存在各自的工藝技術(shù)特點以及適應性，結(jié)合不同地質(zhì)條件和不同完井方式，在煤層氣水平井開發(fā)中，提出了針對性的裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)和煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，并進行了現(xiàn)場工程應用實踐，取得了良好的產(chǎn)氣效果。

2 裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)

封隔器滑套水平井分段壓裂技術(shù)主要是由封隔器和滑套組成井下分段壓裂工藝管柱，通過打壓完成所有井下封隔器坐封，逐級打開滑套，進行各層段壓裂，以完成所有層段壓裂改造。水平井封隔器滑套分段壓裂技術(shù)適用于套管和裸眼完井方式，一次打壓完成封隔器坐封，壓裂定位準確，施工快捷。

針對裸眼完井方式，在山西晉城寺河井田實施了一口2014ZX-U-05水平井封隔器滑套分段壓裂。2014ZX-U-05井為一多分支水平井，含有一個主支和四個分支，鉆遇目標煤層為15號煤層，煤層平均厚度2.87 m。水平井主井眼鉆井采用三開裸眼完井方式，主井眼完鉆井深1 352.76 m，壓裂水平段長628 m，分4段采用裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)對目標煤層進行分段壓裂改造。施工排量8 m3/min，壓裂平均砂比7%，每段加砂量30 m3。

2014ZX-U-05水平井井下壓裂管柱采用裸眼封隔器和滑套的管柱結(jié)構(gòu)，完鉆后主井眼水平段下入Φ114.3 mm生產(chǎn)套管以及7 個Φ146 mm 封隔器、4 個Φ139.7 mm 壓裂滑套。采用裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)分四段對目標煤層進行壓裂，一次打壓完成所有封隔器坐封，逐級打開各級滑套，由下至上完成各段的壓裂改造。壓裂放噴后鉆銑滑套球座，井下壓裂管柱不起出留作生產(chǎn)管柱進行排采生產(chǎn)，該井自2015年1月開始排采，最高日產(chǎn)氣量突破25 000 m3/d，并長期穩(wěn)定在20 000 m3/d以上，壓裂改造效果顯著。

2014ZX-U-05井下壓裂管柱組合(自下而上)：浮鞋+41/2″油管+承壓短節(jié)+41/2″油管+壓差滑套+41/2″油管+裸眼封隔器1+41/2″油管+裸眼封隔器2+投球滑套1/2.5″+裸眼封隔器3+41/2″油管+裸眼封隔器4+投球滑套2/2.625″+裸眼封隔器5+41/2″油管+裸眼封隔器6+41/2″油管+投球滑套3/2.812″+41/2″油管+裸眼封隔器7+41/2″油管+懸掛封隔器+插管+51/2″油管(圖2)。

圖2 裸眼封隔器滑套分段壓裂管柱示意圖

3 油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)

水力噴射分段壓裂技術(shù)是根據(jù)伯努利方程，通過高速水射流射開套管和地層，形成一定深度噴孔，噴孔內(nèi)流體動能轉(zhuǎn)化為壓能，當壓能足夠大時，誘生水力裂縫。在射流出口遠端流體速度最低，壓力最高，高出的壓力加上井底裂縫延伸壓力驅(qū)使裂縫向前延伸[11]。在水力噴射“水力封隔”的基礎上進一步地提高了封隔效果，不用機械封隔一趟管柱實現(xiàn)多段壓裂，可實現(xiàn)射孔、壓裂、封隔一體化作業(yè)，適用于套管、裸眼和篩管等不同完井方式。

為了降低對煤層的傷害，煤層氣水平井在煤層中鉆井時，多采用非固井套管完井方式。同時，為了滿足煤層氣大規(guī)模和大排量的施工要求，實現(xiàn)水平井有效的分段壓裂改造，采用油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)，油套同注可提高壓裂施工排量，環(huán)空加砂可有效提高壓裂規(guī)模[12]。

針對非固井套管完井方式，山西趙莊井田實施了一口ZX-U-01水平井的水力噴射分段壓裂。目標煤層3煤埋深762.98～768.19 m，煤層平均厚度5.21 m。水平井采用三開非固井套管完井方式，完鉆井深1 735.63 m，水平段長826m，分8段采用油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)進行分段壓裂改造。油管注入排量2.2～2.4 m3/min，油套環(huán)空注入排量6.0～6.5 m3/min，壓裂總施工排量7.9～8.7 m3/min，平均砂比10.25%～13.13%，共計加砂367 m3，壓裂液5 500 m3。

ZX-U-01水平井壓裂管柱采用油管拖動水力噴砂射孔、油套同注環(huán)空加砂壓裂的工藝方式對目標層段進行分段壓裂施工。井下壓裂管柱組合(自下而上)：導錐+篩管+單流閥+下扶正器+水力錨+封隔器+噴槍+上扶正器+1根油管+液壓丟手+73 mm平式油管(圖3)。

圖3 油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂管柱示意圖

ZX-U-01水平井2016年9月正式開始排采，截止2017年底，最高產(chǎn)氣量5 147.4 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)量3 000 m3/d以上，累計產(chǎn)氣量86.7萬m3(圖4)，是臨近直井產(chǎn)量的15～20倍，顯示了良好的產(chǎn)氣效果，表明水力噴射分段壓裂技術(shù)在趙莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)中具有較好的應用前景。

圖4 ZX-U-01水平井生產(chǎn)曲線圖

4 煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)

可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)主要是采用電纜傳輸橋塞與射孔槍，實現(xiàn)射孔、壓裂聯(lián)作。采用可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)，在水平段采用泵注方式將橋塞和射孔槍聯(lián)作工具泵送至水平段指定封隔位置，通過分級點火裝置，實現(xiàn)橋塞坐封，并上提射孔槍到達上段射孔位置進行射孔作業(yè)。在分段壓裂過程中通過逐級下入橋塞和射孔槍，實現(xiàn)水平井逐級分段壓裂改造?？摄@橋塞分段壓裂技術(shù)適用于套管固井完井方式，封隔性好，由于壓裂段數(shù)和施工規(guī)模不受限制，可滿足煤層氣井大排量施工的要求。

碎軟低滲煤層在我國分布廣泛，針對碎軟低滲煤層的地面煤層氣開發(fā)，通過在緊鄰碎軟煤層的頂板巖層部署水平井進行煤層氣開發(fā)，采用可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)實現(xiàn)煤層氣水平井大規(guī)模和大排量的壓裂施工。

安徽蘆嶺井田實施了一口LG01水平井煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂。目標煤層8煤埋深729.15～740.55 m，平均厚度11.4 m。LG01-H井水平段軌跡控制在8煤層頂板巖層中，通過在水平段垂直向下定向射孔后實施分段壓裂，實現(xiàn)水平井眼與8煤層的溝通(圖5)。水平井采用三開套管固井完井方式，完鉆井深1 485.96 m，水平段長585.96 m，分7段采用可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)進行壓裂改造，施工排量9.5～10 m3/min，平均砂比9.27%～15.48%，共計加砂542.5 m3，壓裂液6 627 m3。

圖5 LG01水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

LG01井自2015年1月開始排采，最高日產(chǎn)氣量達到10754.8 m3/d，實現(xiàn)連續(xù)92天日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在 10 000 m3/d以上，連續(xù)512 d日產(chǎn)氣量高達7 000 m3/d以上的產(chǎn)氣效果(圖6)。截止2019年5月，累計產(chǎn)氣量已突破640萬m3。實踐證明，采用煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)開發(fā)碎軟低滲煤層煤層氣取得了較好的產(chǎn)氣效果，為碎軟低滲煤層的煤層氣開發(fā)提供了一條新的技術(shù)途徑。

圖6 LG01水平井生產(chǎn)曲線圖

5 結(jié)論

①水平井分段壓裂相對于直井壓裂改造可大幅提高單井泄流面積和導流能力， 有效提高單井產(chǎn)能，可滿足煤層氣地面快速、高效抽采的技術(shù)需求。

②鑒于煤層氣壓裂大規(guī)模大排量的技術(shù)特點，適用于煤層氣水平井開發(fā)的分段壓裂技術(shù)主要為封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)和可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)。

③針對不同地質(zhì)條件和不同完井方式，提出了裸眼完井封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、非固井套管完井油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)和碎軟低滲煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，并分別在山西晉城寺河、山西晉城趙莊、安徽淮北蘆嶺井田進行了現(xiàn)場工程應用實踐，穩(wěn)定產(chǎn)氣量分別為20 000 m3/d、3 000 m3/d、10 000 m3/d，取得了良好的產(chǎn)氣效果。