水力噴砂射孔壓裂技術在煤層氣增產中的應用

申 平

(山西西山藍焰煤層氣有限責任公司， 山西 太原 030200)

我國煤層氣資源雖然豐富，但是面臨賦存地質條件差，煤層滲透率低；煤層氣勘探開發技術不夠完善等問題。隨著煤礦井下開采揭露以及氣井前期的過度排采導致儲層供給能力下降，破壞了煤層氣臨界解析壓力平衡，并伴隨出現裂縫閉合、堵塞等現象，導致煤層中瓦斯無法繼續解析，出現產能下降的趨勢，甚至影響氣井服務年限。

常規聚能彈射孔是目前國內外煤層氣開發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產層的傷害，成孔過程中射孔彈通過儲層對儲層有壓實(裂隙減小)作用，使滲透率大大降低，影響產能；聚能彈壓密的煤層后續壓裂也會消耗一定的能量，致使壓裂半徑減小。

目前國內優質煤層氣資源區塊面積有限，為了保證國家清潔能源可持續發展，需要開采利用低滲透、薄儲層煤層氣資源。為此，本文通過探索新的工藝技術以實現煤層氣單井儲層改造增產，同時實現低滲透、薄儲層煤層氣資源開發利用技術的突破。

1 水力噴砂射孔壓裂

1.1 工藝發展

水力噴砂射孔壓裂工藝于90年代末試驗成功并已經在低滲透油田開發增產中得到應用。目前，水力噴砂射孔壓裂已經開始在煤層氣井開發建設中進行實驗，有望成為煤層氣井增產的一種新技術措施。

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、儲層增產工藝。水力噴砂射孔(磨料射流)工藝是通過泵車給管柱內液體提供壓力，目的層位置液體通過噴射器噴射孔轉化為高速流體，高速流體不斷沖擊套管、水泥環和地層。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。

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、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、外加厚油管至井口(根據井況可以對管柱進行調整)。

2 兩種射孔壓裂技術的對比

2.1 施工程序

施工常規聚能彈射孔前先對井深進行校驗，同時保證井筒內充滿射孔液，最后下入電纜或靠壓力傳輸起爆聚能彈完成作業，1 000 m以內的煤層氣井，大約2 h以內完成作業，操作相對簡單。施工目的儲層厚度按3 m計算，普通102射孔槍(24孔/m)施工一層價格在1.8萬元左右，成本相對較低。

水力噴砂射孔施工程序相對復雜，射孔前需要下一趟施工管柱，形成射孔液的通道，同時備好施工所需的液體及石英砂，通常1 000 m以內的煤層氣井施工(包含下放及提升管柱的時間)在4 h以上，作業費相對較高，施工一層費用一般在4萬元以上。

2.2 射孔效果

常規聚能彈射孔是一種能量的瞬間釋放，受槍身、井筒空間、套管強度、水泥環厚度影響較為嚴重。近年來在煤層氣井鉆進過程中發現，煤系地層中靠近煤層的區域，巖性變化較大，鉆進中容易發生井斜，在糾斜過程中不可避免地導致井徑擴大率增加，致使后期固井水泥環厚度過大，出現聚能彈無法穿透水泥環的情況，嚴重影響射孔效果。同時，聚能彈在釋放過程中還會造成近井地帶儲層污染，產生壓實作用，影響后期氣井產能。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套管、水泥環、地層持續進行作用形成穩定通道，套管強度、井筒空間、水泥環厚度等因素對射孔效果影響相對較小。通過地面觀測作業參數變化數據可以實時分析出射孔效果，及時調整射孔壓力、排量等參數，能夠保證射孔質量。由于水力噴砂射孔通常采用清水加石英砂進行施工，同時在作業過程中不斷對地層沖擊形成裂縫，避免了壓實效應，對儲層污染和傷害較小。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用

選擇古交礦區屯蘭礦XST-134(老井)井對壓裂改造前后效果進行分析對比。XST-134井于2013年6月對8#、9#煤層進行常規聚能彈射孔壓裂，初期投產后最高產氣量為200 m3/d，未能達到設計產能；2020年9月分別對8#、9#煤層進行水力噴砂射孔壓裂，以期對老井儲層進行技術改造，達到提升產能的目的。

通過視電阻率、體積密度、自然伽馬3種測井方法對XST-134井鉆遇煤層埋深、層厚及頂底板巖性、層段進行解釋(表1),可以正確判斷施工目的層地質條件以及確定射孔壓裂時工具下放位置。

表1 XST-134測井解釋表

3.1 射孔技術參數

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

圖2 噴槍設計示意圖

0.8 m射孔噴槍在煤層段對應的安裝位置，施工備液量及施工射孔噴砂參數見表2.

表2 射孔參數表

3.2 射孔泵注程序

油管正替、噴砂射孔、循環3個施工程序相應的排量、液量、時間、支撐劑參數等射孔泵注技術參數見表3.

表3 射孔泵注程序表

3.3 壓裂技術參數

8#、9#煤層對應壓裂設計排量、支撐劑參數及壓裂液量、壓裂方式等壓裂參數見表4.

表4 壓裂參數表

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后遵循“連續、緩慢、穩定、長期”的原則，針對該井設置合理的套壓、產水量、液面等排采參數，進行定壓排采。

在連續降液面階段，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，穩定液面排采。

在穩產階段，以平穩提產和降液面為主要控制方式，根據排采中套壓液面動態交替情況，控制套壓平緩并氣，保證井底流壓緩慢穩定降低，防止壓裂支撐劑、煤粉受到流壓波動涌向井筒及近井地帶，造成煤儲層裂縫重新閉合或者煤粉卡泵增加修井次數，從而降低產能。

4.2 壓裂效果分析

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

圖3 壓裂改造前后流量、套壓對比圖

圖3中，流量為瞬時流量，數據選自2019年1月—2021年3月，每個月選取月初、月中、月末3組數據作為分析依據。可以看出，常規聚能彈射孔壓裂投運后產氣效果并沒有達到預期目標。

2020年9月對該井進行壓裂改造，采用水力噴砂射孔壓裂后產能有顯著提升，瞬流基本穩定在38 m3/h，套壓0.6 MPa左右，達到了增產穩產目的。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能的最主要因素是射孔質量。究其原因是由于鉆井質量影響井斜角、井徑擴大率，導致水泥環過厚，8#、9#煤層部分井段常規聚能彈射孔效果不好，影響了壓裂質量。而水力噴砂射孔工藝則克服了水泥環過厚等因素，達到了預期射孔壓裂效果。

5 結 論

本文分別從工藝原理、施工程序、射孔效果3個方面闡述了常規聚能彈射孔與水力噴砂射孔優劣點，并通過XST-134井射孔壓裂參數及改造前后數據分析得到以下結論：

1) 水力噴砂射孔壓裂技術可作為煤層氣井增產及壓裂改造的一項新技術措施。2) 噴砂射孔對于低滲儲層可以達到射孔和解堵雙重目的。3) 可以根據不同的井身結構、儲層條件實時設計噴射壓裂過程的施工排量，優化施工質量。4) 水力噴砂射孔沒有常規聚能彈射孔造成的壓實破碎帶，從而降低儲層施工破裂壓力。5) 水力噴砂射孔一定程度上解決了鉆井過程中井徑擴大率增加導致的水泥環過厚而影響射孔質量的問題。