煤層氣井大排量清水壓裂施工主管線的工藝改進(jìn)與應(yīng)用

岳太振

【摘要】本文講述了沁水煤田套管注入、大排量清水壓裂技術(shù)在應(yīng)用過程中，對(duì)施工主管線進(jìn)行了工藝改進(jìn)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1182口，在應(yīng)用過程中效果很好，不但增加了施工進(jìn)度也大大降低了施工成本。

【關(guān)鍵詞】大排量 清水壓裂 注入主管線

我國煤層氣的勘探開發(fā)以來，國內(nèi)形成了多種煤層氣井壓裂改造的工藝技術(shù)，主要包括大排量清水壓裂、清潔壓裂液壓裂、氮?dú)饣駽O2泡沫壓裂等壓裂工藝。使用最為普遍的改造措施是大排量清水壓裂工藝。

1 問題提出

1.1 工藝難點(diǎn)及研發(fā)

沁水煤田特點(diǎn)； 煤巖較軟，其楊氏模量為1 135 ～4 602 MPa； 泊松比平均為0.33；低楊氏模量高泊松比易產(chǎn)生變形。另外，不同與砂巖層，煤層割理較為發(fā)育，且具有很強(qiáng)吸附能力，極易受到傷害，影響產(chǎn)能。

針對(duì)以上特征，壓裂施工會(huì)中存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）節(jié)理、裂縫發(fā)育，濾失增加，易造成砂堵而使施工停止；

（2）儲(chǔ)層基質(zhì)低孔、低滲，高吸附，水基線性膠壓裂液破膠后易形成殘?jiān)?，?duì)煤層傷害較大；

（3）煤儲(chǔ)層人工裂縫形態(tài)復(fù)雜，易形成T 形或I 形裂縫，不利于加砂；

針對(duì)以上難點(diǎn)充分調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)，采用清水降低儲(chǔ)層傷害，大排量提高壓裂液效率、提高凈壓力，研究應(yīng)用了以套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂配套工藝技術(shù)。

1.2 原施工管線存在的問題

清水套管壓裂工藝的特點(diǎn)是壓裂液為清水，排量大，清水?dāng)y砂摩阻很高，對(duì)地面管線尤其是彎頭處磨損很大，每施工3口井彎頭處就可能破損，施工被迫中斷，如下圖1所示：

2 施工主管線工藝改進(jìn)2.1 問題的產(chǎn)生原因

首先從損壞的類型分析，屬于管程磨損嚴(yán)重造成的。相同排量條件下清水的摩阻是凍膠壓裂液的3倍，排量8.0-8.5m3/min注入條件下流體呈現(xiàn)紊流特征，該狀態(tài)下在彎頭處流線發(fā)生改變，加砂后石英砂顆粒的進(jìn)入會(huì)使彎頭處承受的剪切應(yīng)力增加，工作時(shí)間長(zhǎng)便會(huì)產(chǎn)生破壞。2.2 理論分析2.2.1？磨損產(chǎn)生的機(jī)理

磨損通常有以下3中類型：擦動(dòng)磨損——顆粒摩擦引起的表面破壞；刮痕磨損——顆粒深入表面引起的局部剝離；撞擊磨損——顆粒撞擊使表面局部組織的破碎和脫離。

如圖2所示，流體通過彎頭時(shí)，由于離心力和慣性力撞向管道外側(cè)的內(nèi)壁，一部分顆粒沿管道外側(cè)的內(nèi)壁滑動(dòng)，另一部分顆粒又從外側(cè)內(nèi)壁反射到內(nèi)側(cè)的內(nèi)壁，反復(fù)運(yùn)動(dòng)就會(huì)在外壁中部產(chǎn)生凹坑，因此撞擊和摩擦是引起彎頭磨損的主要原因。

圖2？彎頭內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)形式及損壞情況2.2.2？磨損影響因素

流體注入速度、流體固相含量、流態(tài)以及彎頭耐磨等對(duì)磨損都有一定的影響；

（1）流體撞擊角對(duì)磨損的影響

流體撞擊角對(duì)磨損影響有密切關(guān)系。經(jīng)過研究磨損量與撞擊角符合圖2-2關(guān)系，當(dāng)顆粒以20°～30°角撞擊時(shí)磨損最嚴(yán)重，而垂直以90°撞擊時(shí)反而減少。

（2）彎頭的結(jié)構(gòu)及形狀對(duì)磨損的影響

彎頭曲率半徑對(duì)磨損的影響有直接關(guān)系，曲率半徑越大越接近直管，相應(yīng)的磨損和壓力損失越小，因此在選擇彎頭或彎管時(shí)要考慮該因素。

另外，彎管的粗糙度越大，摩擦阻力也越大，彎管越易磨損。2.3 注入管線的工藝改進(jìn)

通過對(duì)彎頭磨損機(jī)理及影響因素分析，流體注入速度、流體固相含量是不能進(jìn)行改變的因素，若要解決損壞問題要從改變彎頭或彎管結(jié)構(gòu)形狀入手，尋找與之相適應(yīng)的新材料。經(jīng)過調(diào)研最后確定選用多層鋼絲纏繞支架軟管線代替原有的硬彎頭管線，該管線由內(nèi)膠層、外膠層組成，內(nèi)、外膠層之間分布4-6層鋼絲纏繞層，增加抗磨損的強(qiáng)度；同時(shí)內(nèi)膠層涂有樹脂層，起到特殊的防護(hù)效果；增加最小彎曲半徑，使流體盡量以90°垂直撞擊彎管內(nèi)壁，減少磨損量。

2.4 技術(shù)指標(biāo)

該工藝在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中考核的主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)在承壓安全上，現(xiàn)以內(nèi)徑88.9mm承壓70MPa軟管線為例加以說明。

（1）抗內(nèi)壓額定壓力為70MPa；

（2）爆破壓力≥140MPa；

（3）內(nèi)、外膠層與鋼絲纏繞增強(qiáng)層間粘合強(qiáng)度≥2.5KN/m；3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最初經(jīng)過應(yīng)用36層后發(fā)現(xiàn)該套軟管線已經(jīng)破損，隨即更換，為確保施工安全最后確定應(yīng)用30層更換一套。自2007年4月份投入使用以來，使用該工藝共施工1182層，效果良好。采用軟管線施工時(shí)較硬管線便于連接，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；軟管線損壞頻率明顯降低同時(shí)避免施工中斷現(xiàn)象，大大提高了施工進(jìn)度；采用軟管線避免了高壓管線刺漏的不確定性，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全，有效降低安全成本。

4 結(jié)論

（1）由于煤儲(chǔ)層本身特征與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層存在有較大差異，因此攻關(guān)配套了套管注入、高排量、活性水?dāng)y砂為主的煤層氣清水壓裂工藝，進(jìn)一步造成注入管線與該工藝的不匹配。

（2）原注入管線常發(fā)生刺漏的主要原因在于清水?dāng)y砂摩阻很高，工作時(shí)間長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生破損。通過對(duì)磨損產(chǎn)生機(jī)理及影響因素的分析，從改變彎頭及彎管結(jié)構(gòu)及形狀入手，優(yōu)選替代材料最終確定了多層鋼絲纏繞支架軟管線作為施工主管線。

（3）該工藝改進(jìn)后，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)踐證明，不但降低了現(xiàn)場(chǎng)施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免施工中斷現(xiàn)象，大大提高了施工速度，還有效降低了施工成本。

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