連小華 張全江 梅永貴 毛生發(fā) 王青川 陳世亮

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司渤海鉆探工程公司第二錄井分公司,河北 062552)

煤層氣水平井油管拖動(dòng)分段噴砂壓裂工藝實(shí)踐

連小華1張全江1梅永貴1毛生發(fā)1王青川1陳世亮2

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司渤海鉆探工程公司第二錄井分公司,河北 062552)

文章提出了“分段噴砂壓裂”的技術(shù)思路，針對(duì)篩管完井的水平井，通過(guò)單噴槍和雙封隔器拖動(dòng)分段造穴工藝，能夠在水平段形成多個(gè)洞穴，并將煤渣煤屑返排出地面，地層應(yīng)力得到了有效釋放，為單井增產(chǎn)提供基礎(chǔ)。針對(duì)套管完井的L型水平井，通過(guò)油管拖動(dòng)分段噴砂壓裂工藝，能夠在增大儲(chǔ)層改造面積的同時(shí)，保證主支與分支的聯(lián)通，很好的改善儲(chǔ)層滲透性。

分段噴砂壓裂 單噴槍拖動(dòng) 雙封拖動(dòng) 底封拖動(dòng) 水平井

華北油田在沁水盆地煤層氣礦權(quán)面積5169km2，資源量約1.08萬(wàn)億m3，探明儲(chǔ)量2189億m3。鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū)，主體部分位于山西省沁水縣境內(nèi)。地面主體為丘陵、山地，海拔600～1000m，埋深800～1000m，區(qū)內(nèi)的主要生產(chǎn)層位是太原組和山西組的15號(hào)和3號(hào)煤層，煤層含氣量一般大于18m3/t，平均滲透率為0.05mD，屬于特低滲透區(qū)塊，如何進(jìn)行儲(chǔ)層改造，如何提高特地滲透區(qū)塊的單井產(chǎn)量，成為迫在眉睫急需解決的問題。

以往煤層氣水平井井型主要是羽狀多分支水平井，完井方式為裸眼完井，無(wú)法實(shí)施有針對(duì)性的儲(chǔ)層改造措施。L型水平井是一種煤層氣開發(fā)的新井型，由一段直井側(cè)鉆出一定長(zhǎng)度的水平段，由于煤層特性，水平段不進(jìn)行固井，通過(guò)在水平段下篩管或套管完井，目前通過(guò)下射流泵或無(wú)桿泵進(jìn)行排采，無(wú)針對(duì)性的儲(chǔ)層改造措施。在此基礎(chǔ)上，提出了“分段噴砂壓裂”的技術(shù)思路。

1 水平井分段噴砂壓裂技術(shù)思路

1.1 工藝優(yōu)選

目前常用的煤層氣水平井壓裂工藝有連續(xù)油管帶底封拖動(dòng)環(huán)空加砂壓裂工藝和油管拖動(dòng)分段壓裂工藝。連續(xù)油管工藝適應(yīng)各種井型，施工簡(jiǎn)便、安全性高的特點(diǎn)，但是費(fèi)用較高，完成1口L型水平井分段噴砂壓裂費(fèi)用大約在800萬(wàn)元，不符合煤層氣低成本開發(fā)的特點(diǎn)。基于節(jié)約施工成本和釋放地層應(yīng)力的考慮，提出了油管拖動(dòng)分段噴砂壓裂工藝，平均單井可節(jié)省資金600萬(wàn)元。

1.2 工藝原理

水力噴射造穴技術(shù)是結(jié)合了水力射孔和水力造穴的一種增產(chǎn)工藝，該技術(shù)原理基于伯努利守恒方程。

v2/2+P/ρ=C

(1)

該方程表明，利用動(dòng)能和壓能的轉(zhuǎn)換原理，采用噴射原理形成噴孔和洞穴。安裝在施工管柱上的水力噴射工具，產(chǎn)生高速射流切割篩管和煤層，在煤層內(nèi)形成多個(gè)孔洞，而后通過(guò)反復(fù)蹩壓、放壓誘導(dǎo)煤層坍塌，再通過(guò)反復(fù)噴砂沖刷，使坍塌的煤巖被高速的噴砂射流破碎，完成造穴，造穴期間產(chǎn)生的煤粉返出地面。

水力噴射壓裂是集水力射孔、壓裂一體化的增產(chǎn)改造新技術(shù)，其機(jī)理是通過(guò)噴射工具噴射高速射流沖擊套管或巖石，形成一定直徑和深度的射孔孔眼，并在孔眼頂端產(chǎn)生微裂縫，降低了地層的起裂壓力。射流繼續(xù)作用形成增壓，和環(huán)空壓力疊加超過(guò)破裂壓力瞬間將孔眼頂端處巖層壓開。根據(jù)伯努利守恒方程，射流出口附近的流體速度最高，壓力最低，環(huán)空流體在壓差作用下被吸入地層，維持裂縫的延伸。

2 噴砂壓裂工藝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

(1)采用拖動(dòng)管柱的方式，施工完成一段后，待井口壓力降落為0后，拆井口，拖動(dòng)管柱至下一目的層，依次類推。

(2)針對(duì)篩管完井的水平井實(shí)施噴砂造穴工藝，在水平段井筒附近形成多個(gè)洞穴，釋放儲(chǔ)層應(yīng)力。

(3)針對(duì)套管完井的水平井實(shí)施噴砂壓裂工藝，在水平段進(jìn)行加砂壓裂，增大儲(chǔ)層改造面積，提高儲(chǔ)層滲透性。

(4)噴射基液選用清水，降低對(duì)地層污染。

(5)噴砂射孔選用20/40目石英砂，砂比小于10%。

(6)噴砂壓裂選用20/40目、40/70目石英砂組合，起到較好的支撐效果。

2.2 噴砂造穴工藝

(1)雙封隔器拖動(dòng)噴砂造穴工藝

該工藝采用雙封噴槍加洗井器的工具組合，管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，管柱工具結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)雙封隔器卡封篩管，在噴槍噴嘴和篩管孔眼的雙重限流下使噴射液體集中作用于煤層，對(duì)水平段煤層進(jìn)行充分的噴射改造，通過(guò)洗井器防止管柱砂卡。

圖1 雙封拖動(dòng)管柱示意圖

1—導(dǎo)向底球； 2—封隔器1； 3—噴槍；4—封隔器2； 5—洗井器圖2 噴砂造穴管柱工具結(jié)構(gòu)

(2)單噴槍拖動(dòng)噴砂造穴工藝

采用油管接D83mm×1m常規(guī)噴槍噴射施工，每只噴槍均有6個(gè)噴嘴，噴嘴尺寸4.75mm，噴槍工具如圖3所示。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到流速介于180～300m/s之間，壓力不超過(guò)油管承受的限壓，噴射形成最大直徑不小于2m的洞穴，確定噴射排量為1.5～3.0m3/min。

圖3 單噴槍實(shí)物圖

(3)底封拖動(dòng)噴砂壓裂工藝

采用在分支與主支交匯點(diǎn)噴砂射孔的方式保證主支與分支的聯(lián)通，在分支控制區(qū)域外水力噴射壓裂對(duì)主支進(jìn)行改造，以達(dá)到增大改造體積的目的。

分為底封拖動(dòng)加砂分段壓裂和噴砂射孔兩個(gè)工序，下入管柱后封隔器完成坐封，先進(jìn)行改造點(diǎn)施工，施工時(shí)采用油套混注，套管加砂壓裂，油管補(bǔ)液，形成洞穴、噴孔及裂縫，加入40/70目和20/40目支撐劑組合進(jìn)行支撐；然后進(jìn)行水力噴砂射孔，噴射套管，使主支與分支聯(lián)通，拖動(dòng)管柱及效果示意圖如圖4，K541封隔器如圖5所示。

圖4 底封拖動(dòng)管柱及效果示意圖

圖5 K541封隔器實(shí)物圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 雙封隔器拖動(dòng)噴砂造穴施工及效果分析

該工藝在FP1井應(yīng)用，共完成10段壓裂，注入壓裂液410m3，該井施工后洗出煤屑7m3，目前日產(chǎn)氣2400m3，套壓0.4MPa，生產(chǎn)曲線見圖6所示，具有較大產(chǎn)氣潛力，取得了很好的改造效果。

圖6 F6P1井生產(chǎn)曲線

3.2 單噴槍拖動(dòng)噴砂造穴施工及效果分析

ZH5平1共施工8段，注入壓裂液933.23m3，加砂8.58m3。共沖出煤屑約8m3，成功實(shí)現(xiàn)了煤層分段噴砂造穴，實(shí)施情況如表1所示。目前正在降流壓階段，流壓4.9MPa。

3.3 底封拖動(dòng)分段噴砂壓裂施工及效果分析

ZH7平1-1井工施工噴砂壓裂改造7段，噴砂射孔6個(gè)點(diǎn)，每段施工均順利完成，共注入壓裂液3633.23m3，加砂212.71m3，增大儲(chǔ)層改造面積、改善儲(chǔ)層滲透性的同時(shí)，保證了主支與分支的聯(lián)通，整體增大儲(chǔ)層改造的控制面積。目前處于解吸產(chǎn)氣初期，日產(chǎn)氣300m3，套壓0.8MPa，流壓1.54MPa，預(yù)期會(huì)有較好的增產(chǎn)效果。

3.4 存在的問題

由于煤層氣L型水平井水平段未進(jìn)行固井，因地層的非均質(zhì)性，分段壓裂時(shí)壓裂液及支撐劑到達(dá)套管外部后未達(dá)到理想的均勻狀態(tài)，建議持續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，進(jìn)行水平段固井后實(shí)施油管拖動(dòng)分段壓裂改造，實(shí)現(xiàn)高效分段壓裂。

4 結(jié)論及建議

(1)油管拖動(dòng)分段噴砂壓裂工藝在沁南鄭莊區(qū)塊L型煤層氣水平井實(shí)踐成功，為今后沁南煤層氣水平井儲(chǔ)層改造提供了一定的借鑒。

(2)油管拖動(dòng)分段噴砂造穴工藝對(duì)篩管完井的L型水平井有較強(qiáng)的針對(duì)性，能夠在水平段形成多個(gè)洞穴，并將煤渣煤屑返排出地面，地層應(yīng)力得到了有效釋放，為單井增產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

表1 ZH5平1井分段噴砂造穴實(shí)施情況

(3)油管拖動(dòng)分段噴砂壓裂工藝對(duì)套管完井的L型水平井有較強(qiáng)的針對(duì)性，能夠在增大儲(chǔ)層改造面積的同時(shí)，保證主支與分支的聯(lián)通，很好的改善儲(chǔ)層滲透性，為今后低滲區(qū)塊規(guī)模開發(fā)提供指導(dǎo)意義。

(4)由于煤層氣L型水平井水平段未進(jìn)行固井，因地層的非均質(zhì)性，分段壓裂時(shí)壓裂液及支撐劑到達(dá)套管外部后未達(dá)到理想的均勻狀態(tài)，建議持續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，進(jìn)行水平段固井后實(shí)施油管拖動(dòng)分段壓裂改造，實(shí)現(xiàn)高效分段壓裂。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Practice of Tubing Drag Sand-blasting Staged Fracturing Process for CBM Horizontal Well

LIAN Xiaohua1, ZHANG Quanjiang1, MEI Yonggui1, MAO Shengfa1, WANG Qingchuan1, CHEN Shiliang2

(1. Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina Huabei Oilfield Co., Shanxi 048000； 2. No.2 Logging Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd., Hebei 062552)

The technical idea of “sand-blasting staged fracturing” is put forward in the paper. As to the screen completion of the horizontal well, single spray gun and double-sealing drag segmented cave building technology make it possible to form multiple caves in the horizontal section. The coal cinder can be discharged back to the ground and the formation stress has been effectively released, which provides the basis for increasing production of single well. As to the L-type horizontal well of casing completion, tubing drag sand-blasting staged fracturing technique can increase the reservoir reconstruction area and at the same time ensure the connection between main branch and branch, which will improve the permeability of the reservoir.

Sand-blasting staged fracturing; single spray gun drag; double-sealing drag; bottom-sealing drag; horizontal well

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(示范工程)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程” (2011ZX05061)；華北油田公司科研項(xiàng)目“水平井高效作業(yè)技術(shù)與應(yīng)用”(2016-HB-M11)；山西煤層氣分公司生產(chǎn)性科研課題“鄭莊區(qū)塊儲(chǔ)層改造技術(shù)研究及應(yīng)用”

作者簡(jiǎn)介連小華，女，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事煤層氣井下作業(yè)相關(guān)研究工作。