連續(xù)油管分段壓裂在新疆煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用

張 軍 孫 斌

(1.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830009；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

新疆阜康礦區(qū)、烏魯木齊礦區(qū)、達(dá)坂城礦區(qū)的煤層厚度大、層數(shù)多，壓裂改造的層數(shù)多，為了獲得儲(chǔ)層的充分改造和煤層氣的高效產(chǎn)出，試驗(yàn)了煤層氣藏的體積壓裂改造工藝，采用連續(xù)油管底封拖動(dòng)、油套環(huán)空加砂的方式在礦區(qū)內(nèi)的數(shù)口井中成功實(shí)驗(yàn)了連續(xù)油管快速高效壓裂工藝，該工藝解決了煤層氣井多層壓裂儲(chǔ)層利用不充分、儲(chǔ)層改造不充分、施工周期長、工序繁瑣等問題。

1 連續(xù)油管分段壓裂技術(shù)簡介

連續(xù)油管分段壓裂是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的壓裂工藝，大規(guī)模的應(yīng)用于常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的改造。該技術(shù)尤其適合在多層油氣井的多段逐級(jí)壓裂作業(yè)，起下壓裂管柱快，能大大縮短作業(yè)時(shí)間；能在欠平衡條件下作業(yè)，減輕或避免對(duì)儲(chǔ)層的傷害；使每個(gè)壓裂層段都能獲得合理充分的壓裂改造，使整口井的增產(chǎn)效果更好；下一次管柱壓裂的層數(shù)更多，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)十幾層的連續(xù)壓裂作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 主要部件及工作原理

連續(xù)油管分段壓裂施工的主要設(shè)備部件包括(井口設(shè)備裝置見圖1)：

圖1 連續(xù)油管分段壓裂井口裝置

(1)連續(xù)油管車，用于承載操作控制設(shè)備、連續(xù)油管等設(shè)備；

(2)鵝頸管和注入頭，用于向上或向下施加載荷實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管的起下；

(3)防噴裝置，包括放噴器、防噴管、防噴盒等，用于井口密封實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)；

(4)壓裂井口裝置，包括壓裂頭、平板閥等，用于連接套管與壓裂設(shè)備和壓裂過程中注入流程的倒換；

(5)井下工具串，包括校深工具等，用于校驗(yàn)工具深度和噴砂射孔等；

(6)地面管匯裝置，包括高壓管匯、低壓管匯、節(jié)流管匯等。

施工作業(yè)時(shí)通過注入頭加持連續(xù)油管向下輸送，直至將連續(xù)油管攜帶的工具串送至指定位置，對(duì)第一個(gè)目的層段進(jìn)行壓裂，完成壓裂后拖動(dòng)連續(xù)油管至第二個(gè)目的層段座封，封堵下部壓開層位，再對(duì)第二段進(jìn)行壓裂，以此類推直到完成所有層段的壓裂，將連續(xù)油管帶工具串提出井筒。

1.2 分層方式

連續(xù)油管分段壓裂通常采用兩種分層方式：一種是利用連續(xù)油管帶壓填砂進(jìn)行封堵已壓裂層段；另一種是利用封隔器封堵已壓裂層段。兩者各有利弊：填砂封堵工藝，其操作簡單，但填砂、沉降周期長；封隔器封堵工藝，坐封、解封速度快，作業(yè)周期短，但是對(duì)封隔器的性能要求高。

1.3 施工注入方式

目前連續(xù)油管分段壓裂多采用水力噴砂射孔+油套環(huán)空加砂壓裂的施工模式，相比于連續(xù)油管內(nèi)注入壓裂具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)管路摩阻低；

(2)對(duì)連續(xù)油管和噴嘴的磨損??；

(3)降低大粒徑、高濃度支撐劑砂堵的風(fēng)險(xiǎn)；

(4)壓力干擾小，利于技術(shù)人員通過壓力變化獲取對(duì)施工情況的判斷。

而對(duì)于煤層壓裂來說，受其低孔低滲易受傷害特點(diǎn)的影響，通常采用低粘液體作為壓裂液，壓裂時(shí)需要一定的排量才能實(shí)現(xiàn)造縫攜砂的目的，因此須采用環(huán)空注入才能滿足壓裂施工的需求。

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)井基本情況

新疆阜康礦區(qū)、烏魯木齊礦區(qū)地層傾角大(30°～60°)、煤層厚度大(單層厚度30m)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)井是礦區(qū)內(nèi)的數(shù)口順煤層鉆進(jìn)的大斜度井及水平井，其完鉆井深在800～1600m，可進(jìn)行壓裂段為300～600m，一般進(jìn)行5～8段壓裂。生產(chǎn)套管采用φ139.7mm、壁厚7.72mm、N80/P110鋼級(jí)的套管。

2.2 分層方式及工具管串

實(shí)驗(yàn)的目地為探索適用于礦區(qū)煤層多層段的快速分層壓裂工藝，因此采用封隔器封堵的分層工藝。

施工管柱結(jié)構(gòu)自上而下為：φ2″連續(xù)油管+連續(xù)油管接頭+液壓丟手+變扣接頭+扶正器+噴射工具+壓力平衡閥+封隔器+機(jī)械定位器+導(dǎo)鞋。

2.3 注入方式

壓裂施工時(shí)，在不同階段采用不同的注入方式。噴砂射孔時(shí)：從φ2″連續(xù)油管內(nèi)注入；加砂壓裂時(shí)：從φ2″連續(xù)油管與φ139.7mm套管的環(huán)空同時(shí)注入。

2.4 壓裂液類型

壓裂液主要采用活性水壓裂液(清水+1%KCL)，少量采用清潔壓裂液。

2.5 支撐劑類型

支撐劑的粒徑：0.212～0.425mm中細(xì)砂、0.425～0.85mm中砂、0.600～1.180mm覆膜變形砂。

支撐劑用途：中細(xì)砂用于前置液中對(duì)裂縫進(jìn)行打磨和降濾；中砂用于攜砂液，主要用于支撐裂縫，尾追覆膜變形砂為了防止支撐劑回流。

2.6 噴砂射孔參數(shù)

使用噴射工具噴砂射孔，每段4孔，噴嘴孔徑4.5mm；使用粒徑較小的40～70目石英砂噴射；噴砂射孔排量平均0.7m3/min；噴射時(shí)間為12～15min；考慮到設(shè)備攜帶的4000m連續(xù)油管管內(nèi)摩阻太大，所以使用的射孔液為高粘低阻的0.2%胍膠基液。

2.7 壓裂參數(shù)

在對(duì)前期壓裂施工數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合排采資料分析，對(duì)壓裂規(guī)模進(jìn)行確定。

(1)施工排量：噴砂射孔時(shí)，注入排量須保證噴射的砂漿能夠射開套管，根據(jù)水力噴砂射孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：砂漿的流速應(yīng)達(dá)到120m/s(本次施工為150m/s)以上，同時(shí)噴射的時(shí)間應(yīng)為12～16min，此時(shí)噴砂射孔的效果最好，液體的利用效率也最高，具體施工時(shí)根據(jù)流速、噴嘴孔數(shù)和噴孔截面積計(jì)算獲取噴砂射孔時(shí)的施工排量；

(2)加砂強(qiáng)度：根據(jù)已排采產(chǎn)氣井的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出加砂強(qiáng)度較大時(shí)產(chǎn)氣量也較高，同時(shí)為控制成本，加砂強(qiáng)度不宜過高，每米射孔段加砂量5～10m3。

(3)加砂梯度(平均體積比)：壓裂施工設(shè)計(jì)原則采用由低到高分6～9個(gè)階梯進(jìn)行加砂：前置液排量達(dá)到9m3/min后加入3～5個(gè)段砂塞，段砂塞目數(shù)為40～70目，砂比為3%～9%；攜砂液采用低到高分6～9個(gè)階梯進(jìn)行加砂，平均砂比為 10%～14%。

(4)前置液比例及用液量：壓裂施工中造縫主要發(fā)生在前置液階段，因此提高前置液占總液量的百分比就可以獲得更長的裂縫，但是前置液百分比需要確定一個(gè)合理的范圍才能保證動(dòng)態(tài)裂縫和支撐裂縫都能最優(yōu)化。通過分析已排采井的壓裂施工數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)氣井的施工數(shù)據(jù)，定為前置液的比例在40%～50%左右。整體施工液量在700～900m3。

(5)綜合以上因素，再考慮井網(wǎng)井距及主應(yīng)力方向，同時(shí)考慮裂縫穿透比(一般來說最優(yōu)的裂縫穿透比在0.4左右，也就是壓裂產(chǎn)生的裂縫半長與井距之間的比值為0.4，形成的動(dòng)態(tài)裂縫長度至少在100m)，制定裂縫半長，從而決定壓裂規(guī)模。

(6)井口限壓必須綜合考慮固井質(zhì)量、水泥返高，以及套管、井口、管線、壓裂設(shè)備的承壓能力。對(duì)于N80鋼級(jí)、外徑139.7mm、壁厚7.72mm的套管施工時(shí)限壓45MPa，40MPa以上降低施工排量。

2.8 施工情況分析

根據(jù)施工情況一覽表(見表1)可知，整體壓裂規(guī)模較好，總體砂量液量同以往單井壓裂3段差不多，平均單層花費(fèi)時(shí)間為0.8天～1.5天，施工周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于區(qū)塊填砂分層單層平均15天的周期時(shí)間。目前F-1井、D-1井已投產(chǎn)排采，均已經(jīng)產(chǎn)氣，其中F-1井的日產(chǎn)量為周邊直井壓裂3段的日產(chǎn)量的3～5倍。

3 結(jié)論

(1)連續(xù)油管+底封拖動(dòng)壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)目的層段的快速分層壓裂，其施工周期短、對(duì)單層改造充分，對(duì)于具有煤層厚度大、層數(shù)多，需要進(jìn)行多層壓裂改造特點(diǎn)的新疆煤層來說具有較好的適用性。

表1 連續(xù)油管分段壓裂施工情況一覽表

(2)采用力噴砂射孔(高速水射流攜砂穿透套管及固井水泥環(huán))比常規(guī)火攻射孔可以更有效的突破近井地帶的污染，更好的溝通儲(chǔ)層與井筒。

(3)連續(xù)油管水力噴射環(huán)空加砂壓裂利用油套環(huán)空作為注入通道，再使用配合降摩阻性能好、攜砂性能強(qiáng)的清潔壓裂液，大幅度降低了施工摩阻損耗，能夠用較高的排量對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行大規(guī)模壓裂。

(4)噴砂射孔采用連續(xù)油管作為注入管柱，其施工壓力均在65MPa左右，接近連續(xù)油管的最大承壓，其主要是由于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)使用的連續(xù)油管長度為4000m，管路摩阻高導(dǎo)致，目前煤層氣井的深度普遍在1000m左右，建議根據(jù)煤層氣的井深使用長度較短的連續(xù)油管以降低管路摩阻。