扇面水力噴砂定向射孔壓裂技術(shù)在煤層氣井中的應(yīng)用

吳建軍， 詹 順， 吳明楊， 劉學(xué)鵬

(中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院)

中國煤層氣儲藏多為低滲透儲藏，大部分井不壓裂基本無產(chǎn)量，所以儲層改造技術(shù)是煤層開發(fā)的主體增產(chǎn)技術(shù)之一。在煤層氣井開發(fā)中如何高效溝通井筒和煤儲層的流動通道至關(guān)重要。利用傳統(tǒng)的槍彈射孔技術(shù)和壓后沖砂完井工藝技術(shù)都將不同程度給煤層氣的開發(fā)帶來一定的傷害。

目前韓城區(qū)塊壓裂工藝存在的主要問題：

(1)目前射孔壓裂技術(shù)不利于裂縫在煤層的延伸，縫高的有效控制。煤層氣部分井利用射孔槍射孔，大液量和大排量壓裂工藝技術(shù)，因煤層與頂?shù)装鍛?yīng)力差普遍小于5.0 MPa，導(dǎo)致裂縫延伸高度過大，裂縫長度較短，支撐劑大量堆積在近井筒地帶，壓后所形成的有效支撐裂縫長度短，在排采中形成壓降漏斗面積小，并且常規(guī)射孔增加近井筒地帶的應(yīng)力集中，降低了井筒地帶滲透率，形成井筒污染帶，增加壓裂近井裂縫的復(fù)雜程度。

(2)煤層氣井壓后排采過程中，易產(chǎn)出大量的煤粉堵塞裂縫通道。韓城區(qū)塊煤質(zhì)軟，主要以碎粒煤和碎裂煤為主[1-2]，采用大排量和大液量壓裂工藝，改造后容易在近井地帶產(chǎn)生煤層破碎帶，剪切斷裂可能導(dǎo)致近井筒裂縫條數(shù)增加，單條裂縫寬度減小。

壓后排采中容易產(chǎn)生大量煤粉懸浮，沉降聚集，堵塞流體的運移通道，堵塞流體的運移通道，影響支撐裂縫連通性，一方面影響裂縫延伸，另一方面影響后期排采。

(3)傳統(tǒng)射孔槍射孔對煤層產(chǎn)生傷害[3-4]。傳統(tǒng)的槍彈射孔技術(shù)導(dǎo)通井筒與煤儲層，致使近井帶的煤層產(chǎn)生壓實作用，并對近井帶的儲層造成傷害，而水力噴砂射孔技術(shù)不會產(chǎn)生上述問題。

目前，水力噴砂壓裂技術(shù)在煤層氣中沒有大規(guī)模的推廣，現(xiàn)場應(yīng)用還較少。袁玉，劉營等[5-6]闡述了噴砂壓裂工藝在煤層氣井中的應(yīng)用情況，但沒有有效針對壓裂裂縫形態(tài)以及后期排采出現(xiàn)的問題。針對目前韓城區(qū)塊煤層氣壓裂所存在的問題，本文有針對性的開展扇面水力噴砂定向射孔壓裂工藝技術(shù)研究，將成果在現(xiàn)場實際應(yīng)用，并對后期效果開展技術(shù)跟蹤。

一、噴砂工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

水力噴砂射孔壓裂工藝技術(shù)是將射孔工藝和壓裂工藝一趟管柱聯(lián)作工藝技術(shù)。噴砂工具的噴嘴將高壓能量轉(zhuǎn)換為液體的動能，以獲得強大的射流沖擊力，作用于套管和煤層上進行破碎或切割，并形成孔道，完成水力射孔和儲層改造[7-8]。

1.噴嘴材料的選擇

噴嘴在射孔和壓裂的工作條件下是相當(dāng)苛刻，要承受高壓和高速工作液的沖蝕，另外，由于空化作用也可能在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生，從而加速內(nèi)流道表面的迅速破損。因此對噴嘴的抗沖蝕能力提出更高的要求。

常用來制造噴嘴的材料抗沖蝕能力見表1。綜合制造難度、成本和壽命三方面因素，選擇陶瓷可作為水力噴射壓裂技術(shù)噴嘴備選材料。

表1 材料噴嘴的體積沖蝕磨損率

2.噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 噴嘴工作參數(shù)選擇

對于連續(xù)水射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點之間應(yīng)用伯努利方程，忽略兩點之間的高度差，可得出以下關(guān)系式：

(1)

式中：p1,p2—噴嘴內(nèi)外靜壓力；ρ1,ρ2—噴嘴內(nèi)外密度；ν1,ν2—噴嘴內(nèi)外流體平均流速。

在兩點之間應(yīng)用連續(xù)方程可得:

ρ1·v1·A1=ρ2·v2·A2

(2)

如果噴嘴流道為圓管形結(jié)構(gòu)，并假設(shè)噴嘴前后密度相同，則由式(1)、式(2)可得：

(3)

式中：d1,d2—噴嘴內(nèi)外直徑。

己知射流速度，可由q=vA計算出射流流量。

2.2 噴嘴射流沖擊力

連續(xù)水射流沖擊物體的壓力分布在沖擊物體表面，是流體將以射流沖擊形成輻射狀均勻地向四周流動。在沖擊中心處，壓力為滯止壓力。隨著據(jù)中心徑向距離的增大，射流對物體的作用力逐步減小至環(huán)境壓力，通?？烧J(rèn)為零。

2.3 噴距

噴距是指噴嘴軸線與噴嘴出口截面和孔底的交點之間的距離，即射流從噴嘴出口到達孔底所經(jīng)歷的路程。

根據(jù)水力噴射壓裂的需要，噴嘴直徑選擇4～6 mm的情況下，本體選擇98～108 mm，則在?139.7 mm套管(內(nèi)徑121.2～124.3 mm)，噴距為6.6～8.15 mm。

二、噴砂工具室外試驗驗證

1.試驗?zāi)康?/h3>

用于確定水力噴砂射孔噴嘴的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，噴嘴的耐磨性，了解各施工參數(shù)對射孔效果的影響。

2.試驗原理

水力噴砂射孔技術(shù)是利用高壓水射流加砂(磨料)完成射穿套管和地層的一種新技術(shù)和新工藝。采用實驗片模擬套管、實驗靶模擬地層，采用油管直接接噴嘴總成模擬射孔器進行噴砂射孔模擬試驗。

3.試驗步驟和數(shù)據(jù)分析

(1)配置壓裂液0.7 m3；石英砂0.2 m3。

(2)連接噴砂射孔模擬試驗裝置。

(3)測試噴砂射孔射穿套管的情況。試驗泵注4%～12%石英砂壓裂液，排量230 L/min，泵壓12 MPa，每5 min記錄一次，并注意觀察試驗裝置末端返液口的情況。壓力數(shù)值均不變，說明套管并未射開，壓力突然變化，判斷模擬套管射穿。

試驗結(jié)論：試驗中記錄了射孔孔深與磨料粒徑、噴射時間、磨料濃度和噴射排量的數(shù)據(jù)關(guān)系，如圖1～圖4所示。得出在使用?8.4 mm噴嘴、噴距8.0 mm、排量230 L/min、砂子粒徑0.4～0.6 mm的情況下，水力噴砂能夠有效射開?7.72 mm套管，所采用的噴嘴耐磨性好。

圖1 磨料粒徑和噴砂射孔深度試驗數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖2 噴射時間和噴砂射孔深度試驗數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖3 磨料濃度和噴砂射孔深度試驗數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖4 噴射排量和噴砂射孔深度試驗數(shù)據(jù)關(guān)系圖

三、扇面定向噴砂射孔

隨著定向射孔方位角的增大，破裂壓力逐漸升高，裂縫在近井地帶也越來越扭曲，且裂縫的轉(zhuǎn)向距離也越來越大。通過定向噴砂射孔實現(xiàn)噴砂器最大主應(yīng)力方位的定向，有效控制裂縫位置、裂縫起裂的初始方向；減少近井應(yīng)力集中和復(fù)雜裂縫的形成、控制形成較長支撐主裂縫。合適的射流速度、射流壓力，噴射時間，利用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化了噴射工具，確定了合適的噴嘴尺寸和噴嘴分布方式，45°扇形射孔器的結(jié)構(gòu)方式如圖5所示。噴嘴為4個，每排噴嘴2個，兩排噴嘴之間的夾角為45°。

四、現(xiàn)場應(yīng)用試驗

1.最大主應(yīng)力方向

結(jié)合整列聲波測井和斷裂帶確定最大主應(yīng)力方向，在韓城區(qū)塊韓X井向6井11#煤層最大主應(yīng)力方向為北東45°。

圖5 45°扇形射孔器結(jié)構(gòu)圖

扇面定向水力噴砂射孔壓裂壓裂工藝在韓城區(qū)塊韓X井向6井11#煤層開展水力噴射連續(xù)加砂壓裂。水力射孔階段液量84 m3；砂量3.7 m3，射孔砂比約7%；排量約3.6 m3/min，最高54.15 MPa，射孔壓力逐步下降至在47 MPa左右； 射孔開始約5 min后出液口開始變黑變渾濁，表明套管已射開。

壓裂前置液階段：隨著液體注入，油壓從47.21 MPa升高到最高值55.7 MPa，之后穩(wěn)定在46.4 MPa，套壓23.44升高到最高值30.65 MPa，之后套壓下降到17.4 MPa，之后穩(wěn)定在16.6 MPa，油套壓最高值時油管進液11.7 m3，套管進液2.4 m3。油管進液20.5 m3，套管進液4.3 m3后開始加段塞，砂比5%，加砂0.4 m3，砂比6%，加砂0.6 m3，油管共注入壓裂液65.1 m3，套管共注入壓裂液17.8 m3。

攜砂液液階段：油壓穩(wěn)定在44.9 MPa，套壓穩(wěn)定在16.5 MPa，油管攜砂液 113 m3，砂比7%～15%，加砂11.8 m3，套管進液35 m3。

頂替液階段：油壓穩(wěn)定在42.8 MPa，套壓穩(wěn)定在16.9 MPa，此階段油管共注入頂替液8.2 m3，套管共注入頂替液2.3 m3。壓裂頂替結(jié)束時油壓18.69 MPa、套壓12.38 MPa，壓裂施工曲線見圖6。

2.噴砂射孔裂后評價

(1)閉合壓力12.6 MPa小于上頂板巖石應(yīng)力(21.4 MPa)和下底板巖石應(yīng)力(20.9 MPa)，有水擊效應(yīng)存在，反映壓裂裂縫在煤層中延伸，形態(tài)相對簡單。

圖6 韓X井向6井現(xiàn)場施工和壓裂施工曲線圖

(2)油套壓有一個突降點，油壓從最高值55.7 MPa迅速下降且穩(wěn)定在46.4 MPa，壓力波動小于5 MPa，套壓從最高值30.65 MPa迅速下降到17.4 MPa，之后穩(wěn)定在16.6 MPa。

3.工具施工前和施工后對比情況

噴砂工具近壓帽附近有輕微返濺凹坑，不影響工具強度。噴槍入井前：噴嘴?8.4 mm，施工后：噴嘴?8.4 mm，扶正器與定向短節(jié)外觀上沒有沖蝕現(xiàn)象，工具滿足現(xiàn)場施工。

4.排采情況

投產(chǎn)開機即起套壓，排采近兩個月，產(chǎn)氣量171 m3/d，套壓2.29 MPa，產(chǎn)水量0.34 m3/d和井底壓力2.31 MPa，排采曲線如圖7所示。

圖7 韓X井向6井排采曲線圖

五、結(jié)論

(1)水力噴砂工具結(jié)構(gòu)的得到優(yōu)化。結(jié)合煤層氣井壓裂工藝要求，研究不同噴嘴孔徑，噴嘴布置、不同排量下的射流速度、噴嘴壓降、管內(nèi)磨阻以及施工泵壓等參數(shù)，最后形成煤層氣井射孔壓裂專用噴射器結(jié)構(gòu)。

(2)實現(xiàn)扇面水力噴砂定向射孔，優(yōu)化水力噴砂射孔定位和最大主應(yīng)力方位的定向管柱結(jié)構(gòu)。該工藝能有效控制裂縫位置、裂縫高度，裂縫起裂的初始方向；減少近井多裂縫、控制形成較長支撐主裂縫以及對儲層壓后防護起到積極的推動作用。

(3)建立扇面水力噴砂定向射孔壓裂施工工藝制度。根據(jù)煤層氣井地質(zhì)條件和地層特性，建立了該壓裂工藝的施工準(zhǔn)備、噴射裝置的調(diào)試、噴砂射孔階段、加砂壓裂以及排液等施工制度。