煤層氣水平井油管拖動分段噴砂壓裂工藝實踐

連小華 張全江 梅永貴 毛生發 王青川 陳世亮

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000；2.中國石油天然氣集團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分段噴砂壓裂工藝實踐

連小華1張全江1梅永貴1毛生發1王青川1陳世亮2

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000；2.中國石油天然氣集團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”的技術思路，針對篩管完井的水平井，通過單噴槍和雙封隔器拖動分段造穴工藝，能夠在水平段形成多個洞穴，并將煤渣煤屑返排出地面，地層應力得到了有效釋放，為單井增產提供基礎。針對套管完井的L型水平井，通過油管拖動分段噴砂壓裂工藝，能夠在增大儲層改造面積的同時，保證主支與分支的聯通，很好的改善儲層滲透性。

分段噴砂壓裂 單噴槍拖動 雙封拖動 底封拖動 水平井

華北油田在沁水盆地煤層氣礦權面積5169km2，資源量約1.08萬億m3，探明儲量2189億m3。鄭莊區塊位于沁水盆地南部晉城地區，主體部分位于山西省沁水縣境內。地面主體為丘陵、山地，海拔600～1000m，埋深800～1000m，區內的主要生產層位是太原組和山西組的15號和3號煤層，煤層含氣量一般大于18m3/t，平均滲透率為0.05mD，屬于特低滲透區塊，如何進行儲層改造，如何提高特地滲透區塊的單井產量，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，無法實施有針對性的儲層改造措施。L型水平井是一種煤層氣開發的新井型，由一段直井側鉆出一定長度的水平段，由于煤層特性，水平段不進行固井，通過在水平段下篩管或套管完井，目前通過下射流泵或無桿泵進行排采，無針對性的儲層改造措施。在此基礎上，提出了“分段噴砂壓裂”的技術思路。

1 水平井分段噴砂壓裂技術思路

1.1 工藝優選

目前常用的煤層氣水平井壓裂工藝有連續油管帶底封拖動環空加砂壓裂工藝和油管拖動分段壓裂工藝。連續油管工藝適應各種井型，施工簡便、安全性高的特點，但是費用較高，完成1口L型水平井分段噴砂壓裂費用大約在800萬元，不符合煤層氣低成本開發的特點。基于節約施工成本和釋放地層應力的考慮，提出了油管拖動分段噴砂壓裂工藝，平均單井可節省資金600萬元。

1.2 工藝原理

水力噴射造穴技術是結合了水力射孔和水力造穴的一種增產工藝，該技術原理基于伯努利守恒方程。

v2/2+P/ρ=C

(1)

該方程表明，利用動能和壓能的轉換原理，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，產生高速射流切割篩管和煤層，在煤層內形成多個孔洞，而后通過反復蹩壓、放壓誘導煤層坍塌，再通過反復噴砂沖刷，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、壓裂一體化的增產改造新技術，其機理是通過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，并在孔眼頂端產生微裂縫，降低了地層的起裂壓力。射流繼續作用形成增壓，和環空壓力疊加超過破裂壓力瞬間將孔眼頂端處巖層壓開。根據伯努利守恒方程，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 噴砂壓裂工藝設計

2.1 設計思路

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

(2)針對篩管完井的水平井實施噴砂造穴工藝，在水平段井筒附近形成多個洞穴，釋放儲層應力。

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

(4)噴射基液選用清水，降低對地層污染。

(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，管柱結構如圖1所示，管柱工具結構如圖2所示，通過雙封隔器卡封篩管，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，對水平段煤層進行充分的噴射改造，通過洗井器防止管柱砂卡。

圖1 雙封拖動管柱示意圖

1—導向底球； 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構

(2)單噴槍拖動噴砂造穴工藝

采用油管接D83mm×1m常規噴槍噴射施工，每只噴槍均有6個噴嘴，噴嘴尺寸4.75mm，噴槍工具如圖3所示。經過數值模擬計算，得到流速介于180～300m/s之間，壓力不超過油管承受的限壓，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 單噴槍實物圖

(3)底封拖動噴砂壓裂工藝

采用在分支與主支交匯點噴砂射孔的方式保證主支與分支的聯通，在分支控制區域外水力噴射壓裂對主支進行改造，以達到增大改造體積的目的。

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

圖4 底封拖動管柱及效果示意圖

圖5 K541封隔器實物圖

3 現場應用

3.1 雙封隔器拖動噴砂造穴施工及效果分析

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

圖6 F6P1井生產曲線

3.2 單噴槍拖動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，成功實現了煤層分段噴砂造穴，實施情況如表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個點，每段施工均順利完成，共注入壓裂液3633.23m3，加砂212.71m3，增大儲層改造面積、改善儲層滲透性的同時，保證了主支與分支的聯通，整體增大儲層改造的控制面積。目前處于解吸產氣初期，日產氣300m3，套壓0.8MPa，流壓1.54MPa，預期會有較好的增產效果。

3.4 存在的問題

由于煤層氣L型水平井水平段未進行固井，因地層的非均質性，分段壓裂時壓裂液及支撐劑到達套管外部后未達到理想的均勻狀態，建議持續進行工藝優化，進行水平段固井后實施油管拖動分段壓裂改造，實現高效分段壓裂。

4 結論及建議

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

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

表1 ZH5平1井分段噴砂造穴實施情況

(3)油管拖動分段噴砂壓裂工藝對套管完井的L型水平井有較強的針對性，能夠在增大儲層改造面積的同時，保證主支與分支的聯通，很好的改善儲層滲透性，為今后低滲區塊規模開發提供指導意義。

(4)由于煤層氣L型水平井水平段未進行固井，因地層的非均質性，分段壓裂時壓裂液及支撐劑到達套管外部后未達到理想的均勻狀態，建議持續進行工藝優化，進行水平段固井后實施油管拖動分段壓裂改造，實現高效分段壓裂。

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(責任編輯 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

國家科技重大專項項目(示范工程)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程” (2011ZX05061)；華北油田公司科研項目“水平井高效作業技術與應用”(2016-HB-M11)；山西煤層氣分公司生產性科研課題“鄭莊區塊儲層改造技術研究及應用”

作者簡介連小華，女，碩士研究生，工程師，現主要從事煤層氣井下作業相關研究工作。