申 平

(山西西山藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司， 山西 太原 030200)

我國(guó)煤層氣資源雖然豐富，但是面臨賦存地質(zhì)條件差，煤層滲透率低；煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)不夠完善等問題。隨著煤礦井下開采揭露以及氣井前期的過度排采導(dǎo)致儲(chǔ)層供給能力下降，破壞了煤層氣臨界解析壓力平衡，并伴隨出現(xiàn)裂縫閉合、堵塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致煤層中瓦斯無(wú)法繼續(xù)解析，出現(xiàn)產(chǎn)能下降的趨勢(shì)，甚至影響氣井服務(wù)年限。

常規(guī)聚能彈射孔是目前國(guó)內(nèi)外煤層氣開發(fā)使用最廣泛的一種射孔方法。聚能彈射孔工藝存在聚能彈對(duì)產(chǎn)層的傷害，成孔過程中射孔彈通過儲(chǔ)層對(duì)儲(chǔ)層有壓實(shí)(裂隙減小)作用，使?jié)B透率大大降低，影響產(chǎn)能；聚能彈壓密的煤層后續(xù)壓裂也會(huì)消耗一定的能量，致使壓裂半徑減小。

目前國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤層氣資源區(qū)塊面積有限，為了保證國(guó)家清潔能源可持續(xù)發(fā)展，需要開采利用低滲透、薄儲(chǔ)層煤層氣資源。為此，本文通過探索新的工藝技術(shù)以實(shí)現(xiàn)煤層氣單井儲(chǔ)層改造增產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低滲透、薄儲(chǔ)層煤層氣資源開發(fā)利用技術(shù)的突破。

1 水力噴砂射孔壓裂

1.1 工藝發(fā)展

水力噴砂射孔壓裂工藝于90年代末試驗(yàn)成功并已經(jīng)在低滲透油田開發(fā)增產(chǎn)中得到應(yīng)用。目前，水力噴砂射孔壓裂已經(jīng)開始在煤層氣井開發(fā)建設(shè)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有望成為煤層氣井增產(chǎn)的一種新技術(shù)措施。

1.2 工藝原理

水力噴砂射孔壓裂是水力噴砂射孔及水力壓裂組合的一種油氣開采、儲(chǔ)層增產(chǎn)工藝。水力噴砂射孔(磨料射流)工藝是通過泵車給管柱內(nèi)液體提供壓力，目的層位置液體通過噴射器噴射孔轉(zhuǎn)化為高速流體，高速流體不斷沖擊套管、水泥環(huán)和地層。在形成高速流體后加入一定比例的石英砂增加摩阻從而壓開目的層位置套管、水泥環(huán)。

水力噴砂射孔施工管柱組合由下而上依次為：倒錐絲堵、加厚短節(jié)、防砂水力錨、封隔器、固定噴槍、油管、扶正器、安全接頭、油管短節(jié)、外加厚油管至井口(根據(jù)井況可以對(duì)管柱進(jìn)行調(diào)整)。

2 兩種射孔壓裂技術(shù)的對(duì)比

2.1 施工程序

施工常規(guī)聚能彈射孔前先對(duì)井深進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)保證井筒內(nèi)充滿射孔液，最后下入電纜或靠壓力傳輸起爆聚能彈完成作業(yè)，1 000 m以內(nèi)的煤層氣井，大約2 h以內(nèi)完成作業(yè)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。施工目的儲(chǔ)層厚度按3 m計(jì)算，普通102射孔槍(24孔/m)施工一層價(jià)格在1.8萬(wàn)元左右，成本相對(duì)較低。

水力噴砂射孔施工程序相對(duì)復(fù)雜，射孔前需要下一趟施工管柱，形成射孔液的通道，同時(shí)備好施工所需的液體及石英砂，通常1 000 m以內(nèi)的煤層氣井施工(包含下放及提升管柱的時(shí)間)在4 h以上，作業(yè)費(fèi)相對(duì)較高，施工一層費(fèi)用一般在4萬(wàn)元以上。

2.2 射孔效果

常規(guī)聚能彈射孔是一種能量的瞬間釋放，受槍身、井筒空間、套管強(qiáng)度、水泥環(huán)厚度影響較為嚴(yán)重。近年來在煤層氣井鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，煤系地層中靠近煤層的區(qū)域，巖性變化較大，鉆進(jìn)中容易發(fā)生井斜，在糾斜過程中不可避免地導(dǎo)致井徑擴(kuò)大率增加，致使后期固井水泥環(huán)厚度過大，出現(xiàn)聚能彈無(wú)法穿透水泥環(huán)的情況，嚴(yán)重影響射孔效果。同時(shí)，聚能彈在釋放過程中還會(huì)造成近井地帶儲(chǔ)層污染，產(chǎn)生壓實(shí)作用，影響后期氣井產(chǎn)能。聚能彈射孔示意圖見圖1.

圖1 聚能彈射孔示意圖

水力噴砂射孔通過高壓射流對(duì)套管、水泥環(huán)、地層持續(xù)進(jìn)行作用形成穩(wěn)定通道，套管強(qiáng)度、井筒空間、水泥環(huán)厚度等因素對(duì)射孔效果影響相對(duì)較小。通過地面觀測(cè)作業(yè)參數(shù)變化數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)分析出射孔效果，及時(shí)調(diào)整射孔壓力、排量等參數(shù)，能夠保證射孔質(zhì)量。由于水力噴砂射孔通常采用清水加石英砂進(jìn)行施工，同時(shí)在作業(yè)過程中不斷對(duì)地層沖擊形成裂縫，避免了壓實(shí)效應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)層污染和傷害較小。從工藝效果分析，水力噴砂射孔更適用于煤層氣井施工。

3 水力噴砂射孔壓裂應(yīng)用

選擇古交礦區(qū)屯蘭礦XST-134(老井)井對(duì)壓裂改造前后效果進(jìn)行分析對(duì)比。XST-134井于2013年6月對(duì)8#、9#煤層進(jìn)行常規(guī)聚能彈射孔壓裂，初期投產(chǎn)后最高產(chǎn)氣量為200 m3/d，未能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能；2020年9月分別對(duì)8#、9#煤層進(jìn)行水力噴砂射孔壓裂，以期對(duì)老井儲(chǔ)層進(jìn)行技術(shù)改造，達(dá)到提升產(chǎn)能的目的。

通過視電阻率、體積密度、自然伽馬3種測(cè)井方法對(duì)XST-134井鉆遇煤層埋深、層厚及頂?shù)装鍘r性、層段進(jìn)行解釋(表1),可以正確判斷施工目的層地質(zhì)條件以及確定射孔壓裂時(shí)工具下放位置。

表1 XST-134測(cè)井解釋表

3.1 射孔技術(shù)參數(shù)

該井8#、9#煤層采用噴砂射孔，安裝0.8 m的噴槍，8個(gè)d6.3 mm的噴嘴，60°相位組合(圖2).

圖2 噴槍設(shè)計(jì)示意圖

0.8 m射孔噴槍在煤層段對(duì)應(yīng)的安裝位置，施工備液量及施工射孔噴砂參數(shù)見表2.

表2 射孔參數(shù)表

3.2 射孔泵注程序

油管正替、噴砂射孔、循環(huán)3個(gè)施工程序相應(yīng)的排量、液量、時(shí)間、支撐劑參數(shù)等射孔泵注技術(shù)參數(shù)見表3.

表3 射孔泵注程序表

3.3 壓裂技術(shù)參數(shù)

8#、9#煤層對(duì)應(yīng)壓裂設(shè)計(jì)排量、支撐劑參數(shù)及壓裂液量、壓裂方式等壓裂參數(shù)見表4.

表4 壓裂參數(shù)表

4 壓裂效果分析

4.1 后期排采方案

該次壓裂施工完井投運(yùn)后遵循“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”的原則，針對(duì)該井設(shè)置合理的套壓、產(chǎn)水量、液面等排采參數(shù)，進(jìn)行定壓排采。

在連續(xù)降液面階段，保證液面以2～3 m/d的速度下降，以能滿足液面降速要求的最小沖次啟抽，穩(wěn)定液面排采。

在穩(wěn)產(chǎn)階段，以平穩(wěn)提產(chǎn)和降液面為主要控制方式，根據(jù)排采中套壓液面動(dòng)態(tài)交替情況，控制套壓平緩并氣，保證井底流壓緩慢穩(wěn)定降低，防止壓裂支撐劑、煤粉受到流壓波動(dòng)涌向井筒及近井地帶，造成煤儲(chǔ)層裂縫重新閉合或者煤粉卡泵增加修井次數(shù)，從而降低產(chǎn)能。

4.2 壓裂效果分析

XST-134井于2013年對(duì)8#、9#煤層進(jìn)行常規(guī)聚能彈射孔壓裂投運(yùn)，2020年9月19日完成對(duì)8#、9#煤層的水力噴砂射孔壓裂改造投運(yùn)。壓裂改造前后流量、套壓對(duì)比見圖3.

圖3 壓裂改造前后流量、套壓對(duì)比圖

圖3中，流量為瞬時(shí)流量，數(shù)據(jù)選自2019年1月—2021年3月，每個(gè)月選取月初、月中、月末3組數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)?？梢钥闯觯Ｒ?guī)聚能彈射孔壓裂投運(yùn)后產(chǎn)氣效果并沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2020年9月對(duì)該井進(jìn)行壓裂改造，采用水力噴砂射孔壓裂后產(chǎn)能有顯著提升，瞬流基本穩(wěn)定在38 m3/h，套壓0.6 MPa左右，達(dá)到了增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目的。前后施工除射孔工藝外，其他工藝流程相同，基本能夠判斷影響該井產(chǎn)能的最主要因素是射孔質(zhì)量。究其原因是由于鉆井質(zhì)量影響井斜角、井徑擴(kuò)大率，導(dǎo)致水泥環(huán)過厚，8#、9#煤層部分井段常規(guī)聚能彈射孔效果不好，影響了壓裂質(zhì)量。而水力噴砂射孔工藝則克服了水泥環(huán)過厚等因素，達(dá)到了預(yù)期射孔壓裂效果。

5 結(jié) 論

本文分別從工藝原理、施工程序、射孔效果3個(gè)方面闡述了常規(guī)聚能彈射孔與水力噴砂射孔優(yōu)劣點(diǎn)，并通過XST-134井射孔壓裂參數(shù)及改造前后數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

1) 水力噴砂射孔壓裂技術(shù)可作為煤層氣井增產(chǎn)及壓裂改造的一項(xiàng)新技術(shù)措施。2) 噴砂射孔對(duì)于低滲儲(chǔ)層可以達(dá)到射孔和解堵雙重目的。3) 可以根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層條件實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)噴射壓裂過程的施工排量，優(yōu)化施工質(zhì)量。4) 水力噴砂射孔沒有常規(guī)聚能彈射孔造成的壓實(shí)破碎帶，從而降低儲(chǔ)層施工破裂壓力。5) 水力噴砂射孔一定程度上解決了鉆井過程中井徑擴(kuò)大率增加導(dǎo)致的水泥環(huán)過厚而影響射孔質(zhì)量的問題。