限流壓裂工藝在織金煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

曾毅

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

目前織金工區(qū)煤層氣主要開(kāi)采層集中在6#、7#、17#、20#、23#、27#、30#等，層間距離小則幾米，大則上百米，層間的地應(yīng)力差異變化大。僅進(jìn)行單層壓裂改造不能獲得理想的增產(chǎn)效果，希望通過(guò)有效的多層壓裂改造，減少壓裂作業(yè)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)單井多層采氣，最大限度地提高單井產(chǎn)能。

多層分層壓裂包含多種技術(shù)手段，常規(guī)方式有：填砂、限流、投球、橋塞和工具封隔等分層壓裂技術(shù)。近幾年快速發(fā)展了兩種技術(shù)：水力噴射和封隔器配合滑套分層壓裂技術(shù)[1]。根據(jù)織金地區(qū)煤層埋深、厚度、煤層數(shù)量和層間距的特點(diǎn)，綜合工藝難度、施工周期和費(fèi)用等因素，開(kāi)展了系統(tǒng)的多層壓裂工藝技術(shù)研究。

1 多煤層分壓工藝研究

1.1 填砂壓裂

填砂分層壓裂是通過(guò)對(duì)已壓開(kāi)的下層填砂礫封堵，再壓上層的壓裂方式（圖1）。填砂的方式有兩種：①壓后探砂面，填砂到指定高度；②采用欠頂替的方式填砂。若采用欠頂替的方式，則可以通過(guò)頂替前的砂比，計(jì)算滿足砂面的頂替液量：

式中：V頂為頂替液量，m3；Voriginal為煤頂部需要的頂替液量，m3；H1為人工井底深度，m；H2為煤層頂部深度，m；V（t）是砂比，%（假設(shè)石英砂的密度是1.65 g/cm3）。

圖1 織4井填砂壓裂示意圖Fig.1 Sand pack fracturing sketch of well Zhi-4

1.2 分層管柱壓裂

該技術(shù)的工具組合是在最下部安裝坐封球座和壓差滑套，往上是封隔器和投球滑套等。根據(jù)需要壓裂的層數(shù)決定投球滑套、封隔器的數(shù)量及組合情況。在組合管柱下入井中并準(zhǔn)確定位后，先投球坐封，壓裂最下部的層段，然后再投球打開(kāi)第一級(jí)滑套并封堵下部層位，壓裂第二段（圖2）。

圖2 多煤層分層壓裂管柱Fig.2 Layer fracturing string of multiple seams

1.3 水力噴射分層壓裂

1.3.1 工作機(jī)理

水力噴射分層壓裂是集射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)措施。利用專用噴射工具產(chǎn)生高速流體穿透套管和巖石，形成孔眼，隨后流體在孔眼底部產(chǎn)生高于破裂壓力的壓力，造出單一裂縫。水力噴射裂縫一旦形成，由于噴嘴出口周?chē)黧w速度最高，其壓力就最低，流體就會(huì)自動(dòng)泵入裂縫而不會(huì)流到其它地方。環(huán)空的流體也會(huì)在壓差作用下進(jìn)入射流區(qū)而被吸入地層。水力噴射壓裂利用動(dòng)態(tài)分流技術(shù)成功解決了裂縫的定位控制問(wèn)題，通過(guò)流體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)讓其進(jìn)入地層的特定位置而不使用任何機(jī)械密封裝置。

1.3.2 工具組合

水力噴射壓裂工具組合是水力噴射壓裂中的關(guān)鍵部分，主要由扶正器、噴槍、單向閥和篩管組成（圖3）。

1.4 投球分層壓裂

投球選層壓裂是一次性連續(xù)完成多個(gè)含油氣層段常采用的一種分層加砂壓裂工藝技術(shù)。其工作原理是：由于氣層（兩層以上）之間的破裂壓力存在著差異，在壓裂施工時(shí)，首先將破裂壓力低的層段壓開(kāi)并加砂施工后，投入一定數(shù)量的尼龍球?qū)⒓航?jīng)加砂施工層段的射孔孔眼堵住，使壓裂液截流造成井內(nèi)壓力升高，將破裂壓力相對(duì)較高的層段壓開(kāi)并加砂施工。依此方式逐層進(jìn)行施工，直至完成井內(nèi)多層的加砂壓裂施工。壓后井底壓力下降，堵球在孔眼內(nèi)外壓差作用下脫離孔眼，通過(guò)洗井或隨自噴油流帶出地面或落入井底[2]。

圖3 水力噴砂壓裂工具示意圖Fig.3 Schematic diagram of sand jet fracturing tool

1.5 限流法壓裂

限流法分層壓裂工藝是一種一次施工壓開(kāi)多層段的分壓方法。限流壓裂的目的是：①多個(gè)欲處理層段實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理；②通過(guò)限流布孔可控制裂縫向垂向方向的過(guò)程延伸。工藝成功的關(guān)鍵在于克服層間地應(yīng)力差異。

為達(dá)到一次施工同時(shí)壓開(kāi)多層的目的，必須在各層段限制射孔孔眼數(shù)和直徑。有限的孔眼數(shù)和孔徑所產(chǎn)生的摩阻使井底壓力迅速提高，并超過(guò)所有層段的破裂壓力和縫內(nèi)凈壓力，達(dá)到同時(shí)壓開(kāi)每一層段的目的。限流法壓裂主要依據(jù)孔眼摩阻來(lái)調(diào)節(jié)各目的層之間的由于最小水平主應(yīng)力不同而導(dǎo)致破裂的不同時(shí)性，使之同時(shí)破裂并進(jìn)一步延伸[3]。由于要依靠孔眼摩阻調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到一次施工壓開(kāi)多個(gè)層段的目的，就要求準(zhǔn)確了解各目的層之間的最小水平主應(yīng)力值，在射孔孔眼布置設(shè)計(jì)時(shí)，就要依據(jù)最小應(yīng)力剖面。對(duì)于地應(yīng)力較低的層段，相應(yīng)的孔數(shù)要少些，對(duì)于地應(yīng)力較高的層段，相應(yīng)的孔數(shù)要多些，這樣結(jié)合最小水平主應(yīng)力剖面，適當(dāng)改變每個(gè)層段的射孔數(shù)及孔眼直徑，就可以達(dá)到一次壓裂施工同時(shí)壓開(kāi)多層的目的。因此，限流法壓裂對(duì)層間地應(yīng)力差沒(méi)有明確限制，但也不能差異太大，隔層厚度一般在20～40 m最適宜。

1.6 多煤層壓裂工藝優(yōu)選結(jié)果

不同的壓裂方式適用于不同的地層條件，主要以煤層的最小主應(yīng)力剖面來(lái)確定相應(yīng)的壓裂方式，隔層厚度也是需要考慮的因素。對(duì)各壓裂方式的特點(diǎn)、所使用的地層條件和使用的局限性進(jìn)行總結(jié)和比較，結(jié)合織金地區(qū)多煤層的特點(diǎn)和實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行壓裂方式優(yōu)選。

從圖4中可以看出，織金區(qū)塊煤層埋藏較淺、煤層跨度小、應(yīng)力差異較小，采用限流壓裂既能克服多層合壓改造不均衡的劣勢(shì)，又能保證現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度，滿足織金區(qū)塊施工的需求。

圖4 多煤層壓裂工藝選擇圖版Fig.4 Schematic diagram of multiple seam fracturing technique

2 多煤層限流壓裂設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 限流壓裂基本方程

在壓裂施工過(guò)程中，壓力系統(tǒng)存在著如下關(guān)系[4]：

式中：PBHTP為井底施工壓力，MPa；Pw為井口壓力，MPa；ΔPf為管線摩阻；ΔPef為孔眼壓差，MPa；ΔPfe為裂縫的進(jìn)入摩阻，MPa。

式（2）中ΔPfe≈0。對(duì)于深度相差不大的幾個(gè)層段，Pw、Ph、ΔPf在同一次施工中幾乎一致，所以須通過(guò)調(diào)整ΔPef來(lái)實(shí)現(xiàn)各層不同的井底施工壓力。根據(jù)Crump的研究，ΔPef的計(jì)算如下：

式中：q為排量，m3/min；ρ為壓裂液密度，kg/m3；n為射孔數(shù)目；cd為孔眼流量系數(shù)；d為孔眼直徑，mm。

由于攜砂液的泵注，射孔孔眼受到支撐劑的沖蝕磨損，孔眼結(jié)構(gòu)和孔徑變化明顯，孔眼摩阻隨之降低。Cramer通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了水力孔眼直徑和流過(guò)孔眼支撐劑總量的線性方程式，考慮到壓裂液黏度、排量、砂濃度及孔徑對(duì)孔眼摩阻的影響，郭建春等人建立了孔眼直徑磨蝕的微分表達(dá)式：

式中：dH為沖蝕后的水力孔眼直徑，cm；dhinitial為沖蝕前的孔眼直徑，cm；q（t）為攜砂液排量，m3/min；v（t）為砂濃度，kg/m3；t為攜砂液泵注時(shí)間，min。cd表征攜砂液通過(guò)射孔孔眼的能力，一般前置液階段取0.50～0.60，攜砂液階段取0.80～0.95。

EIRabba通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立了施工中不同類(lèi)型壓裂液流經(jīng)孔眼的流量系數(shù)，以及攜砂液流量系數(shù)計(jì)算公式，以便準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程中的孔眼壓降。

2.2 限流壓裂設(shè)計(jì)

圖5 織8井多煤層應(yīng)力剖面Fig.5 Stress profile of multiple seams of well Zhi-8

以織8井為例，進(jìn)行垂直裂縫限流法壓裂設(shè)計(jì)。如圖5所示，3-1#、3-2#、6-1#、6-2#煤層間的應(yīng)力差異較小，因此，采用限流壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，射孔數(shù)量分配差異小，以均勻分配為主。

根據(jù)應(yīng)力剖面計(jì)算結(jié)果，對(duì)比多煤層壓裂采用常規(guī)射孔和限流射孔的差異，并模擬不同布孔方案對(duì)煤層水力裂縫剖面的影響，優(yōu)化最終的射孔方案。

表1是模擬織8井壓裂效果選用的壓裂參數(shù)，表2是常規(guī)射孔方案下的模擬結(jié)果（16孔/m）。從表2、圖6中可以看出，由于各煤層主應(yīng)力差異不大，3-2#煤層、緊鄰的6-1#與6-2#煤層射孔數(shù)較多，產(chǎn)生的裂縫支撐半長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)。若要減小這兩層的裂縫長(zhǎng)度，需減少射孔數(shù)。同樣，若要改變支撐縫寬和縫高，也可通過(guò)改變射孔數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)整后的射孔方案，壓裂能達(dá)到多個(gè)煤層均勻改造的目的。模擬結(jié)果見(jiàn)表3及圖7。

表1 模擬織8井壓裂施工參數(shù)Table 1 Simulatedfracturing construction curve of well Zhi-8

表2 常規(guī)射孔方案及模擬結(jié)果（16孔/m）Table 2 Conventionalperforation plan and simulation results(16 eyes per meter)

表3 限流壓裂射孔方案及模擬結(jié)果Table 3 Limited entry perforation plan and simulation results

圖6 采用常規(guī)射孔壓裂模擬Fig.6 Simulateddiagram of conventional perforation

2.3 限流壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012年8月18日，在織8井實(shí)施限流壓裂。

前置液用量360 m3，攜砂液用量394 m3，施工排量8.0 m3/min，施工壓力36 MPa左右，停泵壓力25.5 MPa，該井共用液 767.9 m3，加砂 50 m3，平均砂比11.4%。

織8井為多煤層壓裂，煤層跨度41.3 m，具有一定的應(yīng)力差值，因此，采用限流壓裂，控制射孔數(shù)25個(gè)，以大排量施工。從施工曲線上看（圖8），起泵之后壓力呈現(xiàn)“鋸齒”狀，有明顯的獨(dú)立射孔眼被壓開(kāi)顯示。為保證每條裂縫都能盡可能延伸，施工時(shí)放大了前置液以及低砂比攜砂液量，盡可能保證各煤層段都得到改造。

圖7 織8井采用限流射孔設(shè)計(jì)模擬Fig.7 Simulated diagram of well Zhi-8 by limited entry perforation

圖8 織8井壓裂施工曲線Fig.8 Fracturing construction curve of well Zhi-8

3 結(jié)論和建議

1）織金區(qū)塊煤層埋藏較淺、煤層薄，合層壓裂、限流壓裂、投球壓裂、填砂逐層壓裂工藝依賴煤層應(yīng)力差值或煤層跨度進(jìn)行優(yōu)化。

2）限流壓裂要求煤層應(yīng)力差異?。ǎ? MPa），但施工周期較短，一趟可完成多煤層壓裂。

3）限流壓裂施工工藝通過(guò)優(yōu)化射孔，減少孔密，在一定程度上節(jié)約了投資成本。

4）限流壓裂在織8井的應(yīng)用，證實(shí)了限流壓裂工藝技術(shù)是提高織金區(qū)塊增產(chǎn)效果的有效技術(shù)手段，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1]中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司.中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2]李安啟，姜海，陳彩虹.我國(guó)煤層氣井水力壓裂的實(shí)踐及煤層裂縫模型選擇分析[J].天然氣工業(yè)，2004，24（5）：91-94.

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