黃中偉，李志軍，李根生，楊睿月，梅永貴，牛繼磊，李宗源，吳春升，溫海濤，叢日超

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油華北油田分公司，河北 任丘 062500；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；4.華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤層氣為清潔能源，開(kāi)發(fā)煤層氣有利于增加清潔能源供應(yīng)，遏制煤礦瓦斯災(zāi)害，減少溫室氣體排放，貢獻(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。我國(guó)煤層氣資源豐富，2 000 m以淺地質(zhì)資源量36.81×10m。但是，仍然面臨著單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期短、開(kāi)采難度大的難題。2020年全國(guó)煤層氣地面產(chǎn)量為58.2億m，遠(yuǎn)低于“十三五”規(guī)劃對(duì)煤層氣地面產(chǎn)量的要求(100億m)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤層氣生產(chǎn)井中約35%的投產(chǎn)井單井日均產(chǎn)量低于500 m。其中，大寧井田約46%的直井單井日均產(chǎn)氣量362 m，多分支水平井單井日均產(chǎn)氣量800～1 500 m；沁水盆地鄭莊區(qū)塊直井單井日均產(chǎn)氣量1 800 m；準(zhǔn)噶爾盆地南緣直井/叢式井平均單井日均產(chǎn)氣量低于1 000 m，難以實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)發(fā)。針對(duì)我國(guó)煤層氣資源“超低滲、低壓力、低飽和度”的特殊性，需要探索新的“促解吸、可流動(dòng)”儲(chǔ)層改造方式。

儲(chǔ)層改造是提高煤層氣產(chǎn)量的核心。借鑒美國(guó)頁(yè)巖油氣成功開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)低滲透非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)當(dāng)前主要按照“多層系、立體式、大井叢、工廠化”的思路，采用水平井“密切割+強(qiáng)加砂+暫堵轉(zhuǎn)向”模式的體積壓裂技術(shù)。山西大寧井田3號(hào)煤層采用水平井密集多簇壓裂(10段38簇，簇間距11～23 m)后單井日均產(chǎn)氣量16 000 m/d，是同區(qū)段直井的20～36倍，這說(shuō)明在煤層中采用體積壓裂方式有望提高單井產(chǎn)量，以達(dá)到“打碎儲(chǔ)層、解放儲(chǔ)層”的目的。葉建平等在借鑒美國(guó)頁(yè)巖氣井同步壓裂的基礎(chǔ)上，提出多井同步水力波及壓裂深部煤層，并在沁水盆地南部柿莊北區(qū)塊開(kāi)展了5口煤層氣直井(4口同步，1口對(duì)比)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明同步水力波及壓裂井裂縫比單獨(dú)壓裂井形成的縫網(wǎng)更復(fù)雜，波及體積較常規(guī)壓裂井大10×10～53.8×10m。在此基礎(chǔ)上，王海等對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用小井距(280～350 m)、小井組(2～3口)定向井同步水力波及壓裂施工，結(jié)果表明小井組定向井同步水力波及壓裂裂縫延伸效果較好(縫長(zhǎng)250～350 m)，裂縫規(guī)模增加，網(wǎng)狀裂縫明顯增多。針對(duì)延川南深部煤層“強(qiáng)非均質(zhì)性、高地應(yīng)力、可改造性差”等問(wèn)題，中國(guó)石化華東油氣分公司采用“大排量、大砂量、大液量”體積壓裂工藝，配合“低密度、長(zhǎng)運(yùn)移”支撐劑，以形成有效長(zhǎng)距離支撐、高導(dǎo)流能力的人工裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明壓后滲透率改善，見(jiàn)氣時(shí)間縮短，單井日均產(chǎn)氣量增加1 800 m。在此基礎(chǔ)上，采用可控沖擊波破裂增透解除堵塞，單井日均產(chǎn)氣量增加850 m；采用“氮?dú)鈹_動(dòng)”解決層內(nèi)疏通，單井日均產(chǎn)氣量增加400 m，形成了適用于延川南深部煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下“疏導(dǎo)解堵、擾動(dòng)增透、有效支撐、提液降壓”的增效技術(shù)系列。針對(duì)大寧—吉縣區(qū)塊煤層氣直井和水平井常規(guī)壓裂平均單井產(chǎn)量低的問(wèn)題，中石油煤層氣有限公司在鉆井壓裂一體化設(shè)計(jì)、射孔方式、段間距選擇、復(fù)合壓裂液體系等方面進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新，形成了煤層氣“水平井套管完井+定向射孔+分段壓裂”的工藝技術(shù)，先后進(jìn)行了4口L型水平井分段壓裂，單井氣產(chǎn)量介于6 000～97 000 m/d，取得了良好的產(chǎn)氣效果。此外，將連續(xù)油管噴砂射孔拖動(dòng)壓裂工藝與定向噴砂射孔工藝相結(jié)合，形成了適用于煤層氣水平井“連續(xù)油管+定向噴砂射孔+帶底封拖動(dòng)”的分級(jí)壓裂工藝。該工藝采用連續(xù)油管傳輸、提放管柱坐封、水力噴砂射孔、油套同注壓裂，拖動(dòng)管柱自下而上逐級(jí)分段體積壓裂施工，實(shí)現(xiàn)了射孔壓裂一體化作業(yè)，提高了作業(yè)效率。針對(duì)煤層天然裂縫發(fā)育且被碳酸鹽巖礦物充填、壓濾液濾失量大的問(wèn)題，陳萬(wàn)鋼等提出“潛在酸酸蝕裂縫充填礦物，清潔壓裂液攜砂”的煤層氣縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，并在沁水盆地南部潘河區(qū)塊3號(hào)和15號(hào)煤層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明縫網(wǎng)壓裂見(jiàn)氣早、產(chǎn)氣量高(2 100 m/d)。鑒于我國(guó)煤層普遍具有“超低滲、低壓力、低飽和度”的特點(diǎn)，為了提高水力壓裂的改造效果和反排效率，液氮伴注輔助水力壓裂技術(shù)在煤層氣增產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。張文勇等在平頂山十三礦進(jìn)行了煤層氣井液氮伴注輔助水力壓裂，單井最高日產(chǎn)氣量達(dá)1 708 m，是同區(qū)其他常規(guī)壓裂煤層氣井最高日產(chǎn)氣量的3～4倍；劉磊等在蘆嶺煤礦進(jìn)行了煤層氣井液氮伴注輔助水力壓裂，結(jié)果表明采用液氮伴注輔助水力壓裂見(jiàn)氣時(shí)間縮短，壓后產(chǎn)氣峰值3 145.2 m/d，穩(wěn)產(chǎn)期平均產(chǎn)氣量1 400 m/d。近年來(lái)，無(wú)水壓裂技術(shù)的出現(xiàn)為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了一種新思路，如超臨界CO壓裂技術(shù)、低溫液氮壓裂技術(shù)和高能氣體壓裂技術(shù)等，但由于配套設(shè)備、技術(shù)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等限制，目前在煤層氣現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。水力噴射分段壓裂是集噴射射孔、水力壓裂、水力封隔于一體化的高效增產(chǎn)措施，無(wú)需機(jī)械封隔、可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多段壓裂。該技術(shù)具有射流增壓、水力封隔和降低起裂壓力的作用，可提高作業(yè)效率、減少施工風(fēng)險(xiǎn)、降低作業(yè)成本，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外26個(gè)主要油氣田近千井次規(guī)模，平均增產(chǎn)1～4倍。

綜上，采用縫網(wǎng)改造體積壓裂技術(shù)，通過(guò)最大限度地?cái)_動(dòng)原始地應(yīng)力場(chǎng)，在主裂縫外激活次級(jí)和更次一級(jí)裂縫，形成多級(jí)、多尺度、相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，能夠整體上改變煤儲(chǔ)層的滲透性。因此，如何有效溝通、激活各級(jí)割理裂隙，引導(dǎo)流體產(chǎn)出、疏理通道，形成主次相融的通暢流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)建“地下高速路網(wǎng)”是提高煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。此外，在后期排采過(guò)程中，地層易出砂，不僅堵塞孔裂隙通道，還會(huì)隨著流體流動(dòng)進(jìn)入管柱，造成泵漏、卡泵等井下事故，嚴(yán)重制約了煤層氣的開(kāi)發(fā)效果。澳大利亞蘇拉特盆地的煤層氣井由于煤粉、泥、砂等產(chǎn)出而導(dǎo)致關(guān)停約占總關(guān)停井?dāng)?shù)的80%。

基于以上難題與挑戰(zhàn)，筆者在前期水力噴射壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了水力噴射定向多簇壓裂配套防砂工藝與核心井下工具。通過(guò)采用“反重力法”實(shí)現(xiàn)定向噴砂射孔-壓裂一體化，通過(guò)控制裂縫延伸方向?qū)崿F(xiàn)防砂，并在山西沁水盆地鄭莊區(qū)塊開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，取得了日產(chǎn)氣量超萬(wàn)方的生產(chǎn)效果。筆者主要介紹水力噴射定向多簇壓裂技術(shù)、核心井下工具、壓裂工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用增產(chǎn)效果。

1 水力噴射定向多簇壓裂技術(shù)

水力噴射定向多簇壓裂工藝是一種集噴砂射孔、多段多簇壓裂、水力封隔、精準(zhǔn)定向?yàn)橐惑w的增產(chǎn)改造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定向溝通地質(zhì)甜點(diǎn)、一趟管柱多段多簇體積造縫，對(duì)煤層氣井具有良好的增產(chǎn)改造效果。此外，通過(guò)合理控制裂縫延伸方向，有效緩解煤粉、泥、砂等固體顆粒的產(chǎn)出，保障排采設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

水力噴射定向多簇壓裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于定向噴砂射孔，為后續(xù)壓裂造縫提供起裂點(diǎn)。為了達(dá)到精準(zhǔn)定向的目的，筆者研發(fā)了核心井下定向工具，主要包括偏心定向器和旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)，分別安裝于噴槍兩端，采用“反重力法”定向，通過(guò)智能指針自動(dòng)尋找環(huán)形空間最大值。在地面安裝時(shí)，需要設(shè)定噴嘴和智能指針的相對(duì)角度。管柱下放過(guò)程中，定向器帶動(dòng)噴槍旋轉(zhuǎn)，達(dá)到平衡位置時(shí)完成定向。工具下到指定位置后，反復(fù)多次上提下放管柱，確保定向完成，打壓鎖緊旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)(圖1)。

圖1 水力噴射定向壓裂示意Fig.1 Schematic diagram of oriented hydra-jet multi-stage fracturing

為進(jìn)一步說(shuō)明定向壓裂的作用，采用擴(kuò)展有限元方法模擬了不同射孔方向下裂縫的擴(kuò)展情況。圖2為采用ABAQUS平臺(tái)建立的二維壓裂幾何模型，模型長(zhǎng)寬各為50 m。由于實(shí)驗(yàn)所用的2口井均為水平井，為了觀察裂縫在垂直方向上的軌跡，方向?yàn)榇瓜驊?yīng)力方向，方向?yàn)樽钚〉貞?yīng)力方向。模型的中心設(shè)置了射孔孔眼，長(zhǎng)度為1 m。研究了水平井眼向上射孔和向下射孔時(shí)，4種射孔方向裂縫的延伸情況，射孔方向與垂向應(yīng)力方向的夾角分別為0°，30°，45°，60°，如圖2所示。表1為壓裂模型所用參數(shù)。壓裂液注入100 s后觀察裂縫的延伸情況。模擬結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同的射孔方向誘導(dǎo)形成的裂縫在初始擴(kuò)展階段延伸方向不同，但隨著裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，裂縫逐漸向平行于垂向應(yīng)力的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并最終完全平行于垂向應(yīng)力方向。此外，在水平井眼上部采用不同的射孔方向，形成的裂縫最終平行于垂向應(yīng)力方向，并向上延伸；在水平井眼下部向下射孔，形成的裂縫最終平行于垂向應(yīng)力方向，并向下延伸。因此，向下射孔能有效溝通水平井眼下方煤層，同時(shí)利用重力作用，可以有效緩解支撐劑的返吐和煤粉、泥、砂等固體顆粒的產(chǎn)出。

圖2 定向壓裂幾何模型Fig.2 Geometric model of directional fracturing

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖3 定向壓裂裂縫擴(kuò)展路徑Fig.3 Directional fracture trajectory

2 區(qū)塊概況

施工水平井位于山西省沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區(qū)塊。鄭莊區(qū)塊屬華北油田低滲高煤階儲(chǔ)層區(qū)塊。從2012年全面投入開(kāi)發(fā)，該區(qū)早期直井、裸眼多分支水平井產(chǎn)氣效果較差，其中2/3的礦井屬于低效井，單井日均產(chǎn)氣量長(zhǎng)期500 m左右，達(dá)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)(平均240 d)，產(chǎn)能到位率不足30%，區(qū)塊整體采出程度僅為5%，經(jīng)濟(jì)效益差。通過(guò)“十三五”創(chuàng)新攻關(guān)，形成了以L型水平井套管分段壓裂為主體的關(guān)鍵技術(shù)，單井產(chǎn)能大幅提升，平均日產(chǎn)氣量達(dá)到7 000 m，但單井日產(chǎn)萬(wàn)方的高產(chǎn)井比例低、壓裂排采出砂和煤粉卡泵問(wèn)題突出，水平段縱向分布的構(gòu)造煤制約壓裂改造效果。水力噴射定向多簇壓裂工藝對(duì)于該地層具有良好的技術(shù)適用性。它能一趟管柱完成噴砂射孔、多段多簇壓裂、精準(zhǔn)定向，既滿足了分段壓裂的改造需求，又能合理控制裂縫延伸方向，有效緩解壓裂排采出砂和煤粉卡泵問(wèn)題。同時(shí)，其工藝成本低于常規(guī)機(jī)械封隔分段壓裂，因?yàn)樗娚鋲毫褵o(wú)需進(jìn)行炮彈射孔，無(wú)需機(jī)械密封，減少了起下管柱次數(shù)，節(jié)約了施工時(shí)間和施工成本，同時(shí)不會(huì)造成射孔段煤層的壓實(shí)損害，是一種高效經(jīng)濟(jì)的壓裂手段。

2.1 構(gòu) 造

鄭莊區(qū)塊位于沁水復(fù)向斜軸部南端一帶，處于晉獲褶斷帶西部、沁水盆地南緣東西—北東向斷裂帶的北部，地層走向南北，平均傾角4°，斷層較少，無(wú)巖漿巖侵入。施工水平井附近構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單，總體上為一西北傾的單斜構(gòu)造，3號(hào)煤層頂海拔100～150 m，局部發(fā)育南東向的小斷層。

2.2 煤 層

本區(qū)3號(hào)煤層厚度較大且發(fā)育穩(wěn)定，一般6～8 m，平均埋深800 m。實(shí)際排采井解吸壓力折算顯示含氣量較高(一般20 m/t左右)；測(cè)井分析灰分含量較低(一般11%)。煤質(zhì)較好，主要為原生結(jié)構(gòu)煤，煤巖類型為半亮-半暗煤。評(píng)價(jià)井注入壓降試井分析表明本區(qū)塊3號(hào)煤層滲透性相對(duì)較低，平均試井滲透率0.124×10m，屬于低滲、特低滲儲(chǔ)層。優(yōu)選3號(hào)煤中上部?jī)?yōu)質(zhì)煤層進(jìn)行分段壓裂改造。目的層垂向應(yīng)力14.45 MPa，水平最大地應(yīng)力19.65 MPa，水平最小地應(yīng)力12.50 MPa。

2.3 頂、底板力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)鄰近井測(cè)井解釋成果，煤層頂板為砂巖，底板為砂巖灰?guī)r，含水性較弱、滲透性差，對(duì)煤層封隔作用較好。煤層頂板以上10 m內(nèi)深側(cè)向電阻率174 Ω·m，密度2.59 g/cm，自然伽馬44 API，測(cè)井解釋為砂巖層。3號(hào)煤壓裂投產(chǎn)后排水降壓階段日產(chǎn)水量3～5 m，產(chǎn)氣后穩(wěn)定在1～3 m。綜合評(píng)價(jià)，該區(qū)塊3號(hào)煤層頂?shù)装搴暂^弱，若無(wú)斷層溝通，投產(chǎn)后預(yù)測(cè)產(chǎn)水量較低。

2.4 鄰井壓裂及排采情況

鄰井日產(chǎn)氣量較低，距離增產(chǎn)改造井較近的DX井，于2008-06-19對(duì)3號(hào)煤層實(shí)施常規(guī)活性水壓裂，于2012-09-08投產(chǎn)，至今未產(chǎn)氣。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，本區(qū)直井開(kāi)發(fā)效果較差，采用L型水平井套管壓裂工藝探索生增產(chǎn)效果。

3 壓裂施工及應(yīng)用效果

3.1 壓裂設(shè)計(jì)與施工

鉆井井型采用L型井。相鄰平行布有2口水平井：ZX-1L井、ZX-2L井(圖4)。ZX-1L井井身結(jié)構(gòu)為二開(kāi)套管完井，完鉆井深1 810 m，水平段長(zhǎng)1 000 m，純煤進(jìn)尺975 m。水平段采用套管完井，套管外徑139.7 mm，壁厚7.72 mm，鋼級(jí)N80，下深1 809.85 m。ZX-2L井井身結(jié)構(gòu)為二開(kāi)套管完井，完鉆井深1 760 m，水平段長(zhǎng)1 000 m，純煤進(jìn)尺975 m。水平段同樣采用套管完井，套管外徑139.7 mm，壁厚7.72 mm，鋼級(jí)P110，下深1 759.88 m。

3.1.1 壓裂點(diǎn)的選擇

ZX-1L井水平段為810～1 810 m，ZX-2L井水平段為760～1 760 m。

根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)壓裂改造點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)先選擇全烴含量較高處作為噴射點(diǎn)，每口井壓裂10段。

圖4 ZX-2L井井身結(jié)構(gòu)及壓裂段/簇分布Fig.4 Wellbore structure and fracturing stage/cluster distribution of ZX-2L well

其中ZX-2L井一段2簇，簇間距為10 m，壓裂點(diǎn)自下而上見(jiàn)表2。

表2 壓裂點(diǎn)位置Table 2 Location of fracturing points m

3.1.2 壓裂工具結(jié)構(gòu)

水力噴射定向分段壓裂與常規(guī)噴射分段壓裂相似。主要包括2種壓裂工藝類型：拖動(dòng)管柱式壓裂工藝和不動(dòng)管柱式壓裂工藝。拖動(dòng)管柱式壓裂工藝適合于地層壓力低、加砂規(guī)模不大、壓裂層段跨度小的油氣井壓裂，其優(yōu)勢(shì)是一套工具即可壓裂多段，節(jié)約工具成本。不動(dòng)管柱式壓裂工藝依靠投球打滑套的方式實(shí)現(xiàn)逐層壓裂，適用于高壓棄井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的分段壓裂。ZX-1L井和ZX-2L井均采用帶底封拖動(dòng)管柱式定向壓裂。

為保證射孔-壓裂精準(zhǔn)定向，需設(shè)定噴嘴和智能指針的相對(duì)角度，并合理設(shè)計(jì)底部工具串結(jié)構(gòu)。為保證偏心定向器能夠帶動(dòng)噴槍靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在底部工具管串上加裝了3個(gè)扶正套。通過(guò)3點(diǎn)支撐，保證偏心定向器和噴槍居中。ZX-2L井含一段兩簇，壓裂工具管串需連接2組噴槍，噴槍與噴槍之間通過(guò)一根油管連接(即簇間距為10 m)。由于噴槍間存在一定間距，為了保證偏心定向器可以帶動(dòng)所有噴槍轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在每個(gè)噴槍兩端都安裝了偏心定向器和旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)(圖4)。

水力噴射定向壓裂噴槍本體長(zhǎng)為500 mm，外徑92 mm。六孔噴槍本體上安裝6個(gè)直徑為6 mm的噴嘴，兩孔噴槍本體上安裝2個(gè)直徑為6 mm的噴嘴。噴嘴呈兩排平行布置，2排噴嘴之間的夾角為120°。由于該井水平段在煤層中，不需考慮頂?shù)装逵绊?，因?排噴嘴分別選擇在4點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘方向噴射壓裂，以減少壓后支撐劑返吐及生產(chǎn)過(guò)程中出砂，防卡防埋。

ZX-1L井水力噴射定向壓裂管串組合實(shí)物如圖5所示，主要包括：導(dǎo)向頭+扶正器+偏心定向器+凡爾+防砂水力錨+K344封隔器+六孔噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+扶正器+油管短節(jié)1根+扶正器+安全接頭+D73 mm外加厚油管至井口(六孔噴槍下入到壓裂點(diǎn)位置)。

ZX-2L井水力噴射定向壓裂(1段2簇)管串組合實(shí)物如圖6所示，主要包括：導(dǎo)向頭+單流閥+扶正器+偏心定向器+防砂水力錨+K344封隔器+兩孔噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+扶正器+D73 mm外加厚油管1根+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+扶正器+偏心定向器+六孔噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+D73 mm外加厚油管+安全接頭(兩孔噴槍和六孔噴槍下入到壓裂點(diǎn)位置)。

圖5 ZX-1L井壓裂管串組合(單段單簇)Fig.5 Fracturing string assembly of ZX-1L well (one cluster per stage)

圖6 ZX-2L井壓裂管串組合(一段兩簇)Fig.6 Fracturing string assembly of ZX-2L well (two clusters per stage)

3.1.3 壓裂工藝

2口井的壓裂中均采用了“大排量、階梯式加砂”的泵注工藝。壓裂液為清水和0.5%氯化鉀。ZX-1L井單段加入40/70目石英砂20.0 m,20/40目石英砂30.0～35.0 m，施工排量最大為6.0 m/min。ZX-2L井單段加入40/70目石英砂20.0 m,20/40目石英砂30.0 m，施工排量最大為6.2 m/min。為了滿足施工排量要求，射孔階段采用油管噴砂射孔，砂比為7%，壓裂階段采用套管加攜砂液，油管補(bǔ)液。2口井單段平均加砂量50 m、液量800 m。2口井總加砂量分別為530.8，425.9 m，總液量分別為8 251，6 665.8 m。2口井的具體施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 壓裂施工參數(shù)Table 3 Fracturing parameters

壓裂施工采用套管加砂拖動(dòng)式定向噴射壓裂。主要流程為：上提下放管柱，鎖緊旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)；投球；基液替井筒，坐封封隔器；打壓驗(yàn)封；水力噴砂射孔；階梯變排量泵注前置液壓開(kāi)地層；套管泵注攜砂液，油管補(bǔ)液；泵注頂替液；停泵，測(cè)壓降30 min；關(guān)井2 h，打開(kāi)套管放噴；上提管柱，壓裂下一層段。

ZX-1L井和ZX-2L井典型單段施工曲線如圖7所示。從圖7可以看出，在水力噴砂射孔階段，實(shí)際砂比控制在7%左右，油管排量基本恒定，但是油壓呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明噴嘴在高速石英砂的磨蝕下孔徑略有擴(kuò)大。加砂前后出現(xiàn)壓力尖峰是因?yàn)榛焐昂笤黾恿遂o液柱壓力，此時(shí)油壓會(huì)下降。在前置液注入階段，采用了階梯式提排量的方式，最大排量為6.0 m/min左右，達(dá)到該值后排量基本恒定。與常規(guī)壓裂不同，該階段油套壓力平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯的地層破裂點(diǎn)。這是因?yàn)樵谒娚吧淇纂A段，高速砂粒沖擊孔眼周圍巖石，在巖石表面形成微裂紋，從而有效降低了孔眼周圍巖石的起裂壓力。在階梯式加砂階段，排量穩(wěn)定在6.0 m/min左右，隨著砂質(zhì)量濃度的不斷提高和改變，油套壓力基本不變，說(shuō)明裂縫一直向前延伸，縫高、縫寬控制得當(dāng)，未出現(xiàn)壓裂液大量濾失、竄層和砂堵的問(wèn)題。

3.2 增產(chǎn)效果

ZX-1L井和ZX-2L井于2021-04-26投產(chǎn)，采用水力管式泵。ZX-1L井于8月24日開(kāi)始產(chǎn)氣，11月4日產(chǎn)量突破10 000 m/d，此時(shí)井底流壓為0.851 MPa，套壓為0.652 MPa。11月17日產(chǎn)量達(dá)到11 268 m/d，井底流壓為0.759 MPa，套壓為0.652 MPa，目前日產(chǎn)氣量持續(xù)穩(wěn)定在10 100 m左右。ZX-2L井于5月27日開(kāi)始產(chǎn)氣，7月8日產(chǎn)量突破10 000 m/d，此時(shí)井底流壓為1.298 MPa，套壓為1.193 MPa。穩(wěn)產(chǎn)5個(gè)月后，因發(fā)生電力故障停井3 d，之后迅速恢復(fù)產(chǎn)量，10月15日產(chǎn)量突破16 000 m/d，11月17日產(chǎn)量達(dá)到17 802 m/d，井底流壓為0.728 MPa，套壓為0.623 MPa，之后產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定在16 000 m/d左右，如圖8所示。

圖7 ZX-1L井和ZX-2L井典型壓裂施工曲線Fig.7 Typical fracturing curves of ZX-1L well and ZX-2L well

圖8 ZX-1L井和ZX-2L井排采曲線Fig.8 Production curves of ZX-1L well and ZX-2L well

截至2022-02-19，ZX-1L井已排采生產(chǎn)278 d(不含因電力故障停井22 d)，累計(jì)產(chǎn)水4 494 m，平均日產(chǎn)水16.2 m；產(chǎn)氣172 d，大部分生產(chǎn)時(shí)間在提產(chǎn)階段，日產(chǎn)氣量達(dá)到10 000 m/d的提產(chǎn)時(shí)間為1個(gè)月。目前，累計(jì)產(chǎn)氣1 267 298 m。ZX-2L井已排采生產(chǎn)294 d(不含因電力故障停井6 d)，累計(jì)產(chǎn)水5 008 m，平均日產(chǎn)水17.0 m；產(chǎn)氣271 d，日產(chǎn)氣量達(dá)到10 000 m的提產(chǎn)時(shí)間為1個(gè)月。目前，累計(jì)產(chǎn)氣3 228 343 m。2口井均具有提產(chǎn)速度快、達(dá)產(chǎn)時(shí)間短、穩(wěn)產(chǎn)氣量高的特點(diǎn)。兩口井當(dāng)前的日產(chǎn)氣和產(chǎn)水量見(jiàn)表4。

表4 水力噴射定向防砂壓裂井穩(wěn)定日產(chǎn)量Table 4 Daily production of hydra-jet oriented multi-stage fracturing m3

鄭莊區(qū)塊在“十三五”期間形成了疏導(dǎo)式壓裂改造和疏導(dǎo)式排采控制的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高階煤層氣效益開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變后區(qū)塊直井單井日均產(chǎn)氣量由2015年的950 m上升到2020年的1 800 m，水平井單井日均產(chǎn)氣量由2015年的4 000 m上升到2020年的7 000 m。采用水力噴射定向多簇壓裂施工的2口井，日產(chǎn)氣量是同區(qū)塊轉(zhuǎn)變后直井單井日均產(chǎn)氣量的5～9倍，是水平井單井日均產(chǎn)氣量的1.4～2.3倍。

3.3 防砂效果

圖9 ZX-1L井、ZX-2L井裂縫定向擴(kuò)展示意Fig.9 Schematic diagram of directional propagation of fractures in ZX-1L Well and ZX-2L Well

現(xiàn)場(chǎng)取水樣表明水質(zhì)清，沒(méi)有出砂。從排采曲線上看，兩口井的生產(chǎn)均保持穩(wěn)定，在壓裂改造后近一年的生產(chǎn)中未出現(xiàn)因出砂卡泵導(dǎo)致的關(guān)井修井現(xiàn)象。排采設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，惟一一次作業(yè)是出水量大，換大泵加快降液速度。水力噴射定向壓裂起到防砂效果的主要原因是通過(guò)地面設(shè)置定向方向，精準(zhǔn)定位裂縫起裂和延伸方向。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，裂縫向水平井下部(4點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘方向)延伸(圖9)，氣體向上運(yùn)移至井筒，而固體顆粒由于重力作用，沉積在裂縫底部，這樣大大減少了砂、泥、煤粉等固體顆粒的產(chǎn)出，保障了生產(chǎn)的平穩(wěn)進(jìn)行，減少了生產(chǎn)過(guò)程中砂堵、卡泵、砂埋等事故的發(fā)生，降低了修井作業(yè)的頻率和成本。

此外，從ZX-1L井和ZX-2L井的增產(chǎn)效果還可以發(fā)現(xiàn)，定方位選擇性射孔壓裂加砂順利、增產(chǎn)效果顯著，而全方位射孔壓裂可能會(huì)引起裂縫起裂無(wú)序、縫間干擾、擴(kuò)展不均，導(dǎo)致多條無(wú)效縫的產(chǎn)生。因此，定點(diǎn)定向造縫、合理優(yōu)化布縫是煤層氣高效壓裂技術(shù)的關(guān)鍵。

綜上所述，水力噴射定向多段壓裂工藝集噴砂射孔、多簇壓裂、水力封隔、精準(zhǔn)定向于一體，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定向溝通地質(zhì)甜點(diǎn)、一趟管柱多段多簇體積造縫，兼顧水力噴射誘導(dǎo)造縫和定向壓裂雙重效果，可大幅降低縱向構(gòu)造煤對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展的影響，提高造縫長(zhǎng)度，同時(shí)可起到防砂的作用。該工藝的成功實(shí)踐，為煤層氣水平井的高效開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)支撐和增產(chǎn)方向。除了原生結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層改造外，該技術(shù)還可推廣應(yīng)用于構(gòu)造煤頂?shù)装宥ㄏ驂毫?、多?薄互層定點(diǎn)定向穿層改造等。

4 結(jié) 論

(1)水力噴射定向多段多簇壓裂工藝是一種集噴砂射孔、多簇壓裂、水力封隔、精準(zhǔn)定向?yàn)橐惑w的增產(chǎn)改造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定向造縫、一趟管柱多段多簇體積壓裂。

(2)研發(fā)了“反重力法”配合旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)進(jìn)行定向的新方法，即通過(guò)智能指針實(shí)現(xiàn)噴嘴在水平井段的精準(zhǔn)定向，兼顧體積壓裂和減少出砂的效果。

(3)山西沁水盆地鄭莊區(qū)塊試驗(yàn)的兩口井取得了增產(chǎn)和防砂的雙重突破，改造后產(chǎn)氣量分別達(dá)到了10 100和16 000 m/d，是同區(qū)塊直井單井日均產(chǎn)氣量的5～9倍，是水平井單井日均產(chǎn)氣量的1.4～2.3倍。生產(chǎn)過(guò)程中2口井均未出砂，排采設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

(4)定點(diǎn)定向造縫、合理優(yōu)化布縫是煤層氣井高效壓裂的關(guān)鍵。該技術(shù)可推廣應(yīng)用于構(gòu)造煤頂?shù)装宥ㄏ驂毫?、多?薄互層定點(diǎn)定向穿層改造等，為煤層氣水平井的高效開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)支撐和增產(chǎn)方向。