淺煤層氣不固井水平井連續油管拖動壓裂工藝應用及評價

鄒長虹， 李同桂， 何 鵬， 張慧杰， 柯林華， 李 強

1中國石油西部鉆探吐哈井下作業公司 2中海油中聯煤層氣有限責任公司太原分公司 3中石油川慶鉆探工程有限公司國際工程公司

0 引言

目前，水平井壓裂改造常采用的工藝有橋射聯作分段壓裂、連續油管拖動壓裂、固井滑套分段壓裂、裸眼封隔器分段壓裂及油管分段壓裂，前者因工藝優勢在水平壓裂改造中應用廣泛。

從國內應用情況來看，連續油管拖動壓裂多用于中淺井、地層破裂壓力不高的地層。對于采用管外固井鉆完井的目的層，約50%需要通過注入預處理酸解決因水力噴射未有效穿透固井水泥環和鉆井液侵入帶,導致施工壓力高，加砂困難。對于淺煤層氣不固井水平井而言，可充分發揮連續油管拖動壓裂技術優勢，規避其工藝不足，工藝效率及應用效果得到更多專業人士的認可。

沁水盆地及壽陽、古交行政區域內煤層氣埋深一般1 000 m以淺，已探明并投入商業開采的主力可采層是3#、9#和15#煤層，大多不具有自然產能，地層壓力系數一般為0.3左右，固井地質條件差，因此氣層段套管基本不固井，而是依靠地層巖石膨脹和坍塌在管外形成有效封堵。因具有明顯的時效優勢，連續油管拖動壓裂逐漸取代油管拖動壓裂成為淺煤層氣不固井水平井壓裂改造的主要工藝技術。

1 連續油管作業設計

1.1 連續油管優選

對工藝實施產生實質影響的參數包括連續油管長度、管徑和屈服強度(即鋼級)，由于施工壓力是決定工藝能否實施的關鍵，因此相對于鋼級，連續油管長度和管徑的選擇更加重要。考慮到連續油管長度的適宜性，一般選擇連續油管長度大于最大井深(斜深)500～1 000 m。目前業內普遍使用的連續油管管徑為50.8 mm和60.3 mm(川慶鉆探井下作業公司曾有采用?44.5 mm油管試驗拖動壓裂的記錄)，相對而言?60.3 mm更優，不同規格連續油管每1 000 m計算摩阻值見表1。

表1 不同管徑每1 000 m連續油管摩阻(單位：MPa)

1.2 專用井口優選

連續油管拖動壓裂適用的井口應同時滿足井下工具順利通過、保護連續油管不被高速攜砂液過度沖蝕受損甚至刺斷的條件，其內部必須安裝連續油管保護套[1]。

2 井下工具組合及射孔參數優化

2.1 封隔器優選及結構改進

連續油管拖動壓裂工藝使用的封隔器在坐封方式、解封方式、承壓等級等方面都需要滿足壓裂工藝要求[2]。

2.1.1 坐封方式

連續油管適用的封隔器坐封方式包括擴張式、壓縮式和自封式，但自封式顯然不適用連續油管底封壓裂工藝，擴張式強度不夠、易解封等天然缺陷而逐漸被淘汰，僅壓縮式封隔器才可與該工藝匹配已成為業界共識，不論是國外知名的服務商(如貝克休斯、NCS)還是國內工程技術服務企業，都使用下放坐封、上提解封的Y系列封隔器。

2.1.2 封隔器外徑和膠筒結構

封隔器坐封時可施加的坐封力較小，并且水平段越長加壓值越低，甚至加不上壓，因此在封隔器不承受外力的情況下，封隔器膠筒僅須比套管內徑略小。依據實驗結果及現場經驗，一般情況下封隔器膠筒比套管內徑小6 mm，在加壓300 kg的情況下即可完成封隔器坐封[3]。封隔器外徑過小，不能有效封隔或是封隔后承壓能力弱，過大則通過性差、易遇卡。為了解決這一問題，通常將連續油管適用的Y系列封隔器膠筒設計為單長膠筒，使其在較小的壓力下可有效封隔且承壓值達到要求。為適應淺層煤層改造需要，封隔器膠筒長度一般為220～250 mm。

2.1.3 承壓等級

淺煤層氣不固井水平井氣層套管一般為N80級、?139.7 mm(壁厚9.17 mm或7.72 mm)，抗內壓強度分別為63.4 MPa和53.4 MPa,施工限壓為其80%即50.72 MPa或43 MPa，因此承壓值為50 MPa的封隔器適用于該類型井。

2.1.4 解封方式與平衡閥改進

上提解封是唯一可行的方式，但關鍵要克服由于封隔器上、下層之間在壓裂結束后形成的負壓差導致封隔器無法解封的難題。吐哈油田三塘湖盆地湖×井因封隔器平衡閥為球形密封，截面積差較大導致解封困難，經多天控壓放噴減小上下游壓差封隔器才得以解封。為杜絕壓差卡鉆，將封隔器平衡閥由半球形密封改進為多級、芯軸式密封，減小承壓截面積，保證平衡閥密封可靠。

2.1.5 防砂卡設計及結構優化

一是封隔器“J”形換向槽由開放式改為封閉式，以適應水平井特點，防止砂粒進入造成坐不了封或解不了封；二是在保證強度的基礎上，盡量減小平衡閥芯軸承壓截面積，減小平衡閥打開后壓差誘導出砂刺壞平衡閥密封機構的風險；三是反洗閥和封隔器膠筒盡量靠近，減少沉砂。

2.2 水力噴槍及噴砂射孔參數設計

水力噴槍選擇主要考慮流速與排量、節流壓力(施工壓力)、套管規格(含鋼級)匹配，射孔效率及噴嘴耐磨性、噴槍本體抗反濺能力。

2.2.1 噴射速度

采用該工藝射穿套管(一般鋼級為N80或P110，壁厚為9.17 mm或7.72 mm)的臨界速度是160 m/s，流速越快穿深越大，噴射時間越短，但射速越快對噴嘴磨損和對噴槍本體的反濺越嚴重，施工壓力也越高，噴射速度上限不應超過230 m/s[4]，現場一般按200 m/s左右執行。

2.2.2 噴嘴直徑與噴槍規格

連續油管適用的水力噴槍噴嘴直徑一般為3.5～6.0 mm，考慮噴砂射孔后套管應力集中，4孔噴槍噴嘴一般為90°相位角徑向分布，6孔噴槍噴嘴一般為60°相位角螺旋分布。中聯煤層氣公司所屬區域通常使用4.76 mm×4或3.175 mm×6噴槍。

2.2.3 噴嘴結構優化

主要關系噴嘴的耐磨性能和射流性能(過噴嘴后水流的能量損失越小性能越佳)。通過Fluent軟件仿真模擬，錐直形噴嘴、帶圓弧入口的錐直噴嘴、橢圓形+直噴嘴、等變速形噴嘴和流線性噴嘴中，在其它條件不變的情況下，等變速形噴嘴射流能量損失低、耐沖蝕性能佳、綜合性能最優[4]。

2.2.4 水力噴槍抗反濺性能優化

噴砂射孔磨料從套管內壁高速反濺沖蝕噴槍外表面，嚴重時可造成噴嘴脫落而失效[5]。為增加噴槍的抗反濺能力，將噴嘴分布由外凹陷設計改為圓柱面設計，同時在外表面加裝強抗反濺防磨套，增強噴槍抗反濺能力，延長其使用壽命。

2.2.5 噴嘴大小與長徑比優化

對于等變速噴嘴而言，仿真模擬及實驗結果表明，噴嘴入口直徑/噴嘴出口直徑比值、長徑比為2.5～3.0時，噴嘴受到的沖蝕速率最?。皇湛s段長度/噴嘴出口直徑在2.0～2.5時沖蝕速率存在最小值[4]。

2.2.6 磨料類型

通常磨料硬度越高、形狀越不規則、邊角越尖銳和表面越粗糙的砂粒，對材料沖擊越嚴重。常見的主要有陶粒、石英砂、金剛砂和硅砂，一般選用性價比較高的石英砂。

2.2.7 磨料濃度

砂濃度增加對套管的沖擊增加，噴嘴材料磨損率與射流濃度成線性正相關關系。隨著砂粒濃度增加，磨損率達到最大值，此時在其它參數不變的情況下增加磨料濃度，射孔深度反而減小。同時，考慮到噴砂射孔后需要試擠，如果磨料濃度過高，極易造成射孔磨料堵塞裂縫，對后期的主壓裂不利。從試驗結果來看，6%～8%的砂濃度是最適宜的[6]。

3 壓裂工藝參數適用性分析優化

3.1 壓裂液

國內煤氣層壓裂試驗和應用過①二氧化碳泡沫壓裂[7]、氮氣泡沫壓裂[8]以及②純氣體(二氧化碳[9]、氮氣[10])、③交聯液壓裂[11]和④活性水壓裂[11]，但①和②不僅對壓裂設備要求高且經濟性較差，而液體③雖然提高了加砂強度，增加了裂縫的導流能力，但其殘留對煤層微裂縫、割理帶來了新的傷害，應用效果仍然不理想。目前，普遍采用清水加無殘留黏土穩定劑作為壓裂液，不追求主裂縫的導流能力，而是通過主裂縫溝通煤氣層割理、提高壓裂排量彌補液體濾失形成更多更復雜微裂縫，延長煤層氣井的穩采時間，提高累產，使經濟效益最大化。

KCl是已經知的性價比最高的無機黏土穩定劑，室內評價實驗表明1.5%～2%的KCl水溶液防膨率分別為83.37%和87.95%，雖防膨率接近但2%的KCl水溶液防膨效果更好。

3.2 施工排量和砂比

依據錄井解釋結果和三維地數據，利用FracPro軟件對單井模擬，中聯煤層氣壽陽區域及沁水盆地淺煤層氣水平井適宜的壓裂排量為6～8 m3/min，單段加砂量為20～35 m3，鋪砂濃度為3.8～4.8 kg/m2。由于活性水壓裂完全依靠大排量攜砂，砂堵前的壓力曲線特征極不明顯，幾乎未給施工指揮人員留出采取措施預防砂堵的反應時間，因此在設計和施工過程中不追求高砂比，依據經驗最高砂比取值一般不超過20%，平均砂比一般取值10%左右，砂比一般以2%～3%遞增。

4 現場應用及效果評價

為減小壓裂過程中壓裂工具被卡的風險，在優化核心工具結構的同時，對工藝流程也同步進行了優化，即增加一趟套管接箍定位和連續油管長度校準工序，相應地在拖動壓裂工具串取消了機械式接箍定位器(CCL)。2020年在壽陽和晉城采用連續油管拖動壓裂工藝實施5口淺煤層氣不固井水平井32段壓裂改造，除1段因射孔不完善上提工具10m重新射孔外，其它31段均1次完成，射孔一次成功率達到97%，封隔器一次坐封、驗封、解封成功率100%，取得預期效果。

4.1 水力噴砂射孔參數及射孔效果

由表2可知,TS-b井噴砂射孔共7段，除第1段和第6段外，噴砂射孔過程中套壓在某一時間點出現明顯下降，這是射開套管的直接顯示，也是區別于管外有水泥環水力噴砂射孔最顯著的特征。

表2 5口水平井噴砂射孔參數

4.2 改進后的工具性能

5口水平井拖動壓裂都實現了工具一次入井完成所有層段的壓裂，封隔器坐封、試壓、解封一次合格，其中TS-a井完成10段，為5口水平井之最。起出后檢查工具完好，水力噴槍噴嘴只有輕度磨損，封隔器膠筒、錨牙及外觀完好，換向機構正常。

4.3 平均砂比與最高砂比

5口井的應用表明，最高砂比為17%～19%，平均砂比10%左右?；钚运h空加砂壓裂對砂比異常敏感，如果砂比提升幅度過大或達到臨界砂比，極易導致砂堵。

4.4 壓裂后的產量評價

5口水平經連續油管拖動壓裂改造，取得了較好的效果，目前產量是鄰近區域直井的3～5倍。水平井壓裂改造后的產氣量基本與壓裂改造段數呈正相關關系(見表3)。

表3 5口水平井生產參數

5 認識與結論

(1)相對于其它工藝，連續油管拖動壓裂應用于不固井淺煤氣水平井有明顯的技術優勢：平均轉層時間不超過20 min，壓裂后井筒全通徑且水平段幾乎無沉砂，施工壓力遠低于管材的承壓極限，射孔難度小且壓力曲線可直觀顯示射孔情況。

(2)工具組合及改進后的封隔器、水力噴槍性能完全滿足淺煤層氣不固井水平井連續油管底封拖動壓裂工藝要求，一次入井可順利完成10段以上壓裂，具備在淺煤層氣水平井規模應用的條件，也為3 000 m以淺常規砂巖直定向和水平井應用奠定了基礎。

(3)活性水加砂壓裂成本低，但攜砂能力差，壓裂過程濾失大、支撐劑在縫內沉降速度快，有效支撐縫長、鋪砂濃度和裂縫導流能力不夠，一定程度上影響壓裂改造效果。今后可在充分的經濟評價基礎上，試驗、應用清潔壓裂液，最大限度地提高壓裂液的攜砂能力，形成并支撐更加復雜的縫網，進一步改善措施效果。

(4)活性水加砂壓裂砂堵前的壓力曲線特征極不明顯，主壓裂時最高砂比接近20%，超過該值發生砂堵的概率很高，這與歷史數據吻合。

(5)地質條件相似的情況下，壓裂改造段數與措施效果基本呈正相關關系。