煤層氣水平井篩管密集分段徑向射流增透方法

畢延森 高德利 鮮保安

摘要：水平井煤層傷害后滲透性差、常規分段水力射流間距長，為提高近井壁煤層滲透性，優化設計了彈簧-液壓式封隔器與注液短節，提出了以篩孔為噴嘴的煤層氣水平井篩管密集分段徑向射流增透方法。建立了單個篩孔徑向射流破巖計算模型和近井壁煤巖增透滲流增量比計算模型，優化設計了篩管孔密、篩孔出口流速和射流排量，分析了井壁煤巖固相侵入帶與濾液侵入帶的滲透率比值Kγ、固相侵入帶深度Hs 對滲流增量比的影響規律。研究結果表明，彈簧-液壓式封隔器采用了無骨架式膠筒、徑向滑塊和強力彈簧設計，解決了密集分段徑向射流工具在篩管內的高頻次封隔穩定性難題，實現了煤層氣水平井篩管完井與射流增透一趟鉆；在Hs=3.5 cm、Kγ=0.01 條件下，篩孔徑向水力射流間距減小為篩孔間距0.05 m，水平井段煤巖滲流增量比增加5.5%，實現了煤層水平井段密封分段徑向射流增透作業。研究結果為解決采用篩管完井的煤層氣水平井儲層傷害難題提供技術指導，為近井壁煤巖增透作業提供理論支撐。

關鍵詞：煤層氣；水平井；密集分段；篩管完井；滲流增量比

中圖分類號：TE257 文獻標識碼： A

0 引言

針對我國煤層低壓、低滲以及強非均質性等特征，高德利等［1］闡述了適用于我國煤層氣高效開發的水平井鉆完井技術與適應性。水平井分段壓裂是原生低滲透煤層的有效增產技術［2］，但是難以在煤體結構嚴重破碎變形的煤層形成有效的體積裂縫［3］，壓裂后產出大量煤粉導致后期頻繁修井，嚴重影響單井煤層氣的穩定和連續生產。因此，針對天然裂縫發育、滲透性較好、含氣量高的復雜結構煤層，水平井段篩管完井后下入油管循環洗井，降解鉆井液高分子材料，沖刷井壁殘余濾餅。上述方法只處理了水平井眼內鉆井液和井壁外濾餅，但是未消除近井壁煤儲層傷害，井壁煤巖裂縫堵塞問題依然存在［4］。

水平井雙管柱篩管完井增透技術可在篩管下入過程中通過內管柱建立水力循環消除由于煤屑堆積造成的完井管柱遇阻，輔助活動管柱方法解除完井管柱阻卡，提高了復雜煤體結構煤層水平井篩管完井成功率［5］，通過篩管內旋轉射流穿透篩孔消除了近井壁煤層傷害，提高了構造煤層水平井單井產量［6］。鮮保安等［7］通過實驗研究對煤層水平井雙管柱完井技術消除井壁煤巖傷害與增透機理進行了研究分析，但未對增透效果進行量化評價。現有水平井雙管柱篩管完井增透技術配套的旋轉噴頭在篩管內旋轉噴射，噴嘴射流穿透篩孔后才能徑向沖擊井壁，并在井壁形成漫流，提高了井壁濾餅清除效果，同時對井壁煤巖裂縫進行解堵與增透，但是增透效率較低。

水射流技術早在20 世紀五六十年代開始應用于油氣井完井和增產，逐步形成配套設備與工藝，針對國內煤層低壓、低滲特征，相關學者開展了水射流破巖及裂縫擴展研究［8］，開展了煤層氣水平井水射流增產現場試驗［9］。楊睿月等［10］提出了采用水力噴射對水平井段煤層進行分段造穴的方法，釋放煤層應力并提高滲透率，實現儲層增產。煤層氣水平井水力噴射［11］采用的噴槍本體長為500 mm，外徑92 mm，安裝有6 個噴嘴，對近井壁煤巖穿透深度大，有效解除近井壁煤層傷害，增加了滲透性。但該技術現場應用對1 000 m 水平井段煤層分10 段（20 簇，簇間距10 m） 進行水力噴射，未對段間距（60.3～318.0 m） 內煤巖直接水力噴射；同時，常規水力噴射需要在完井作業完成后重新下入噴槍等工具穿透套管后對井壁煤巖進行水力噴射，未實現完井管柱下入與水力增透作業一趟鉆［12］。

學者對高壓水射流沖擊破巖的力學特征進行研究，程樹范［13］采用LS-DYNA 建立了水中高壓水射流成孔的數值模型，模擬了射流成孔過程，結果表明隨射流速度增加，成孔深度顯著增加后緩慢趨于穩定，射流速度對成孔直徑與射流直徑之比的影響不顯著。Xiao 等［14］通過室內實驗研究了水射流沖擊破碎煤產生的應力波規律，揭示了煤巖的破壞模式和斷裂特征；葛兆龍等［15］采用掃描電子顯微鏡、CT 和核磁共振技術分析高壓水射流作用下煤巖破壞形式及微觀變化，結果表明煤體以縱向劈裂為主要破壞形式，沖蝕后大孔隙增長8 倍；真三軸條件下水射流破碎煤巖模式為壓剪破壞［16］。胡強法等［17］利用流體力學方法開展了旋轉噴頭射流工具水力參數優化及工具優選。穆朝民等［18］通過理論推導、數值模擬及模型試驗等方法研究了高壓水射流對煤巖的損傷機制、破碎強度，分析了煤體破碎區與擴展區的力學特征［19］。理論與實驗研究主要基于現有水射流工具與技術，未見雙管柱篩管分段篩孔徑向射流破巖計算模型，近井壁煤巖射流破碎強度未考慮圍壓影響。

1 方法過程

基于煤層氣水平井雙管柱篩管完井、分段水射流增透技術，優化設計彈簧-液壓式封隔器和注液短節，提出煤層氣水平井以篩孔為噴嘴的密集分段徑向射流增透方法，減小水平井段井壁煤巖鉆井液傷害與水力射流分段間距，實現完井增透“一趟鉆”作業。基于現有煤層氣水平井井身結構及新疆阜康地區煤巖力學與物性參數等，建立水平井篩管徑向射流與滲流增量比計算模型，優化篩管徑向射流技術參數，量化評價增透效果。