煤層氣井高能氣體壓裂解堵工藝研究

陳金宏張建峰汪正超

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部，河北 062552；2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 710061；3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司，遼寧 124000）

煤層氣井高能氣體壓裂解堵工藝研究

陳金宏1張建峰2汪正超3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部，河北 062552；2.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 710061；3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司，遼寧 124000）

本文主要介紹采用高能氣體沖擊波對(duì)煤層氣低產(chǎn)井進(jìn)行二次壓裂，疏通產(chǎn)氣通道，提高產(chǎn)氣量的解堵工藝。該工藝主要通過加裝張力封隔器，限定高能氣體做功空間，獲得最好的壓裂效果。通過在壓裂管串上加裝縱向液壓減震器、篩管、PT檢測(cè)短節(jié)等，確保坐封性能、加水平衡壓力、記錄壓力變化的需要。通過安裝700型壓裂井口、高壓三通、容棒油管短節(jié)等，確保管串和井口設(shè)備的安全，并實(shí)現(xiàn)密封條件下的投棒起爆。

高能氣體 壓裂解堵 張力封隔器

目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)煤層氣直井和定向井都要進(jìn)行射孔和水力攜砂壓裂作業(yè)，以便提高煤層的滲透性，再經(jīng)過一段時(shí)間的排水降壓，獲得最大的出氣量。但部分井出氣一段時(shí)間后，出水出氣大幅減少，直至呈現(xiàn)為干井狀態(tài)，其主要原因一是壓裂聯(lián)通的有效空間內(nèi)已經(jīng)無氣無水，二是壓裂產(chǎn)生的煤粉倒吐進(jìn)入裂縫中，造成出氣出水通道堵塞。

煤層氣存在于煤的雙孔隙系統(tǒng)中，煤的雙孔隙系統(tǒng)為基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙。水力壓裂是目前較常用的煤氣層改造措施，由于在壓裂過程中壓力上升緩慢，產(chǎn)生的裂縫受到地層主應(yīng)力約束，一般只能形成兩翼對(duì)開的兩條垂直裂縫。而離主裂縫較遠(yuǎn)的煤氣層中難以再產(chǎn)生裂縫，煤氣層的滲透性和孔隙度基本不受影響，地應(yīng)力、溫度基本不改變，而壓力變化僅限于主裂縫附近，難以在離主裂縫較遠(yuǎn)的煤氣層中形成煤層氣解吸環(huán)境和條件，這部分煤層氣也難以解吸出來，所以有些井水力壓裂后衰減較快，重復(fù)壓裂改造也難以改變。

煤層與含油地層的巖石力學(xué)性質(zhì)不同，煤的機(jī)械強(qiáng)度低，大約只有油氣地層巖石的1／3～1／4，難以支持上覆巖石的壓力，容易破裂。煤層被鉆井、射孔吸水后，在多脈沖的復(fù)合壓裂作用下，將促進(jìn)煤層孔隙，節(jié)理發(fā)育。

與常規(guī)水力加砂壓裂相比，高能氣體壓裂能夠減小對(duì)煤儲(chǔ)層造成水敏性污染，而且裂縫的延伸方向不受地應(yīng)力控制，可形成多裂縫體系，成本低，不傷害煤層。

高能氣體壓裂具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要的有以下幾點(diǎn)：①不用大型壓裂設(shè)備；②不用大量的壓裂液；③不用注入支撐劑；④施工作業(yè)方便快捷；⑤對(duì)地層傷害小甚至無傷害；⑥成本費(fèi)用低。

高能氣體壓裂技術(shù)改造煤氣層作用機(jī)理是通過高能氣體壓裂裝置在煤氣層產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體壓裂煤氣層，促使煤氣層產(chǎn)生較長(zhǎng)的多裂縫體系，并溝通更多的天然裂縫，以形成網(wǎng)絡(luò)裂縫改善煤氣層泄氣通道；同時(shí)伴隨較強(qiáng)的多脈沖震蕩作用，提高和改善了煤氣層基質(zhì)孔隙間的連通性和滲透性。通過產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)裂縫、降低孔隙壓力、升溫（熱作用）、脈沖震蕩等作用改善煤層氣解吸環(huán)境，降低了煤層氣解吸壓力，有利于煤層氣的解吸和泄出，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

1 施工工藝

采用700型壓裂井口，確保井口密閉后的承壓安全性，確保管柱不會(huì)竄出井口裝置。用4個(gè)地錨對(duì)700型壓裂井口進(jìn)行固定，預(yù)防管柱及井口裝置被高能氣體頂出。在700型壓裂井口上安裝三通閥門，既可用來向油管內(nèi)注水，又可在長(zhǎng)時(shí)間不能泄壓到安全范圍時(shí)，從閥門快速泄壓。在三通閥門上安裝容棒油管短節(jié)，起爆棒提前放在下閘板關(guān)閉的容棒油管短節(jié)內(nèi)，在井口密閉狀態(tài)下，只需打開下閘板起爆棒落下，人員就可離開，無需投棒后再關(guān)閉井口，節(jié)約了時(shí)間，確保人員能到達(dá)安全的位置。在容棒油管短節(jié)上部安裝壓力表，通過觀察壓力表數(shù)值，掌握井內(nèi)壓力變化情況，以便確定下步作業(yè)的安全時(shí)間。

在一定的距離位置加裝封隔器，限定高能氣體做功空間，以便對(duì)目的層產(chǎn)生最大的壓裂作用。撞擊點(diǎn)火器上安裝雙母篩管，使封隔器下套管空間與連接油管聯(lián)通，可以隨時(shí)從井口的油管內(nèi)向封隔器下的套管內(nèi)加水。通過三次加水，確保封隔器下部充滿水，封隔器上部套管內(nèi)充滿水，封隔器上部油管內(nèi)盡量多的水，用來平衡壓力，確保井下管柱不被沖擊變形。采取三級(jí)延時(shí)起爆方式，杜絕因瞬間壓力過大橫向炸壞套管。加裝兩級(jí)減震器，杜絕因瞬間縱向壓力過大拉斷封隔器下的套管和沖開封隔器。

2 壓裂管串

結(jié)合煤層氣井的實(shí)際情況，本著安全、有效的原則，設(shè)計(jì)出圖1所示的壓裂管串，其自下向上依次為：篩管尾D102mm＋裝藥篩管（內(nèi)裝2根壓裂藥柱）D102mm＋隔板延時(shí)點(diǎn)火器接頭D102mm＋延時(shí)10min傳爆裝置D102mm＋燃爆接頭（內(nèi)裝燃燒轉(zhuǎn)爆轟裝置）D102mm＋裝藥篩管（內(nèi)裝2根壓裂藥柱）D102mm＋隔板延時(shí)點(diǎn)火器接頭D102mm＋延時(shí)5min傳爆裝置D102mm＋燃爆接頭（內(nèi)裝燃燒轉(zhuǎn)爆轟裝置）D102mm＋裝藥篩管（內(nèi)裝2根壓裂藥柱）D102mm＋撞擊點(diǎn)火器D73mm＋雙母篩管D93mm＋PT壓力短節(jié)D110mm＋精確測(cè)量油管（加厚）D73mm×3根＋校深油管短節(jié)（加厚）D73mm×1根＋精確測(cè)量油管（加厚）D73mm×3＋縱向液壓減震器φ106mm＋張力封隔器D112mm＋油管（加厚）D73mm×N根＋調(diào)整深度油管短節(jié)（加厚）D73mm＋油補(bǔ)距。

3 施工工序

3.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

圖1 壓裂管串結(jié)構(gòu)圖

起出井內(nèi)全部抽油桿和油管，下GX－T140套管刮削器，在封隔器座封井段上下5m之內(nèi)，反復(fù)刮削四次。下通井規(guī)D116mm通井，通井規(guī)D116mm＋油管（加厚）D73mm＋油補(bǔ)距，至井底。連接泵車，安裝自封，用清水徹底循壞1.5周以上，保證井筒暢通無污物。

This is an interesting study that looks at IL-1β as a potential inflammatory cytokine stimulus for tumour formation in pNETs. While chronic in flammation is known to contribute to carcinogenesis, in the pancreas, this is peculiar to PDAC where association with chronic pancreatitis is not uncommon.

3.2 下入壓裂管串

將在地面連接好的壓裂管串慢速下入井中。

3.3 深度校正

管串下到預(yù)定位置后，用自然伽馬磁定位測(cè)井儀進(jìn)行校深，計(jì)算調(diào)整值后，調(diào)整油管進(jìn)行定位。從井口的油管內(nèi)向井中加水至套管內(nèi)水返出井口，確保封隔器下套管內(nèi)環(huán)空內(nèi)充滿清水。

3.4 張力封隔器坐封

管柱下至指定深度后，反轉(zhuǎn)管柱半圈，上提管柱，增加負(fù)荷30～50kN，封隔器坐封。再次從井口的油管內(nèi)向井中加水，以補(bǔ)充坐封過程中漏失的水。

3.5 油管懸掛器坐封

丈量油管掛高度，井中管串上部加替換短節(jié)，短節(jié)比油管掛高出15cm。上提井中管串至高出油管掛15cm，觀察噸位。打上安全卡瓦，卸掉替換短節(jié)，換裝油管掛。下坐油管掛，上緊頂絲，油管掛下坐的長(zhǎng)度必須小于替換短節(jié)的下放深度，以確保管串30～50kN的預(yù)緊力。

3.6 安裝井口設(shè)備

把700型壓裂井口上法蘭安裝好，井口螺絲均勻上緊，打好地錨。安裝高壓三通、容棒油管短節(jié)，一側(cè)安裝閘門。向油管內(nèi)注水完畢后關(guān)閉側(cè)閘門。起爆棒放置容棒油管短節(jié)內(nèi)，容棒油管短節(jié)上部安裝壓力表。

3.7 投棒起爆

無關(guān)人員及設(shè)備遠(yuǎn)離井口到安全位置后，爆破員打開容棒油管短節(jié)下部的閘門，起爆棒下入井內(nèi)，爆破員迅速撤離井口，投棒落下引爆撞擊點(diǎn)火器，大約2分鐘引爆第一級(jí)，7分鐘引爆第二級(jí)，12分鐘引爆第三級(jí)，井口附近應(yīng)能聽到明顯的起爆聲。

3.8 設(shè)備拆除

引爆完成后，作業(yè)人員不能立即到井口，需觀察井口壓力變化，待井口壓力降到安全值后，再進(jìn)行下一步作業(yè)，如需放壓，可從高壓三通閘門控制放壓。井口無壓力后，拆除700型井口上法蘭，頂絲松開。提出油管掛，打上安全卡瓦。換裝3～5m油管短節(jié)，下放管柱，可以正常下放后，正傳油管1／2圈，封隔器銷釘更換軌道，上提管串解封。起出井中所有管串，拆下PT壓力測(cè)試短節(jié)，讀取PT曲線，進(jìn)行壓裂過程分析。

4 效果評(píng)價(jià)

＃1－075井為一口3號(hào)煤開發(fā)井，構(gòu)造位置位于局部向斜翼部，3號(hào)煤層井段655.00～659.80m，解吸壓力2.5MPa，推測(cè)含氣量大于20m3／t。2011年11月投產(chǎn)，最高日產(chǎn)氣200m3，之后氣量、水量快速下降，目前流壓0.05MPa，不產(chǎn)氣，日產(chǎn)水0.6m3。

分析認(rèn)為井低產(chǎn)的主要原因是壓裂溝通鄰近斷層，煤層有效改造范圍較小，通過高能氣體壓裂解堵作業(yè)后，改善儲(chǔ)層滲透性，提高產(chǎn)氣量。

本井目前生產(chǎn)3號(hào)煤層，流壓0.05MPa，套壓0.04，日產(chǎn)氣100m3，預(yù)計(jì)日產(chǎn)水量2m3左右，要求下φ32mm泵，泵吸入口下深至3號(hào)煤層底以下。

從圖2可以看出與施工作業(yè)相關(guān)的壓力、溫度曲線圖，未進(jìn)入液面前壓力為零，進(jìn)入頁(yè)面后隨著深度的增加壓力也隨之增高溫度基本保持平穩(wěn)，大約于21：50第一次加滿液體，此時(shí)壓力儀壓力到達(dá)約6.1MPa的峰值，隨著時(shí)間的流逝由于液體滲漏，壓力逐漸降低為約5.1MPa，從圖2中看出約22：50注液坐封時(shí)壓力有所波動(dòng)約0.2MPa之后隨著時(shí)間的流逝壓力平穩(wěn)降低，大約在0：17第一次起爆，0：22第二次起爆，0：29第三次起爆。

圖2 整個(gè)作業(yè)過程P－T曲線圖

在圖3中，大約0：17第一次起爆壓力峰值達(dá)到了大約8.8MPa，溫度迅速上升到約70℃，第二次設(shè)計(jì)延遲起爆5分鐘，大約在5分鐘后約0：22準(zhǔn)時(shí)起爆此時(shí)峰值壓力約6.4MPa，溫度上升到75℃，第三次起爆延遲大約7分鐘后峰值壓力約7.1MPa，隨后壓力溫度逐漸降低。

圖3 燃爆過程P－T曲線放大圖

燃爆后約6小時(shí)內(nèi)，由于爆燃形成的高溫在油管和煤層的熱量傳導(dǎo)仍在繼續(xù)，在對(duì)流的作用下溫度傳感器處的溫度往復(fù)變化并下降，同時(shí)伴隨有氣體的向上運(yùn)移。在圖4中，約10：10油管排氣誘發(fā)煤層氣體迅速上涌油管液面迅速上升，反映到井口壓力計(jì)為壓力迅速由3.5MPa上升到5.5MPa，然后解封上提油管，之間有兩次短暫休息，其壓力值表現(xiàn)為平直段，直至起出液面壓力值為零，同時(shí)溫度也隨之下降。

圖4 燃爆6小時(shí)后P－T曲線放大圖

從施工作業(yè)開始到首次起爆前的壓力溫度變化，與施工情況基本吻合，第一次起爆疏通阻力較大，因此在井內(nèi)形成的壓力也相對(duì)較大，并且伴有較明顯的3次逐漸減弱的沖擊波形成過程，這對(duì)疏通沖刷孔道、孔隙起到了非常好的作用，為氣體運(yùn)移和后期排采提供了良好的環(huán)境，在熱傳導(dǎo)對(duì)流作用下氣體向上運(yùn)移，并在井口形成了約2MPa壓力，在釋放的同時(shí)誘發(fā)煤層內(nèi)氣體上涌，油管液面迅速上升。另外因射孔段煤層孔隙、裂縫發(fā)育由于巨大的壓力沖擊，致使孔道得以迅速疏通，壓力瞬間釋放，在極短的時(shí)間內(nèi)壓力迅速降低，致使難以形成較大峰值壓力，但這也正是油氣通道暢通的表現(xiàn)，第二和第三次起爆壓力峰值有所降低的表象也正因?yàn)槿绱?，之后隨著管柱起出壓力逐漸降低，起出液面壓力回零直至完成作業(yè)。

［1］ 吳晉軍.煤層氣開發(fā)新技術(shù)試驗(yàn)研究與探索［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，24（5）：43－45.

［2］ 李俊峰.高能氣體壓裂對(duì)煤層氣井增產(chǎn)改造作用［J］.能源與節(jié)能，2012（10）：22－23.

［3］ 劉新龍.煤層氣高能氣體壓裂開發(fā)技術(shù)［J］.中國(guó)化工貿(mào)易，2011，3（5）：1－1.

（責(zé)任編輯 桑逢云）

Study on the Technology of High Energy Gas Fracturing of Coalbed Methane Wells

CHEN Jinhong1，ZHANG Jianfeng2，WANG Zhengchao3
（1.Well Logging Co.，China Petroleum Group Ltd.，Hebei062552；2.Xi’an Wuhua Blasting Equipment Co.，Ltd.Shaanxi710061；3.Well Logging Co.，CNPC Greatwall Drilling Co.，Liaoning 124000）

This papermainly introduces the plugging removal technique of using high energy gas shock wave to the coal bed gas production wells for secondary fracturing to clear the gas channel and increase the gas production.This technique ismainly through the installation of tension packer and limiting the high energy gas fracturing work space to get the best results.Through installing vertical hydraulic shock absorber on the fracturing string，sieve tube，and Pt detection sub to ensure the sit sealing performance，water pressure balance and record the pressure variation.By installing the 700 types of fracturing wellhead，high－pressure tee，rod tubing joint capacity，etc.to ensure the safety ofwellhead equipment and tube，and then realizing the initiation of dropping bar under the condition of sealing conditions.

High energy gas；plugging removal technique；tension packer

陳金宏，男，高級(jí)工程師，一直從事測(cè)井采集及科研管理工作。