煤層氣水平井水力噴射分段造穴技術(shù)探索

楊睿月，黃中偉，李根生，陳健翔，溫海濤，秦小舟

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

我國(guó)煤層氣開發(fā)利用規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，成為補(bǔ)充天然氣供應(yīng)的區(qū)域性氣源。我國(guó)煤層氣資源豐富，但是“單井產(chǎn)量低”長(zhǎng)期難以改變。造成煤層氣單井產(chǎn)量低的主要原因有：第1，復(fù)雜的地質(zhì)條件，我國(guó)煤層普遍具有“三低一高”的特征，即低飽和度、低滲透性、低儲(chǔ)層壓力和變質(zhì)程度高，此類條件下的煤層氣開發(fā)是世界性難題。第2，尚未形成針對(duì)我國(guó)不同煤層地質(zhì)條件的適用性技術(shù)。水力壓裂是當(dāng)前煤層氣井增產(chǎn)改造的主要手段，但是針對(duì)彈性模量低、泊松比高、煤體結(jié)構(gòu)易破碎的儲(chǔ)層，常規(guī)水力壓裂形成的有效支撐裂縫僅集中于近井地帶8 m范圍內(nèi)，主裂縫延伸一般小于30 m，改造范圍受限。因此，儲(chǔ)層改造難度大是當(dāng)前煤層氣開發(fā)的“卡脖子”問題，亟需探索新的煤層氣增產(chǎn)改造方式。

煤礦采動(dòng)區(qū)(或采空區(qū))工程實(shí)踐表明應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致煤層氣地面井出現(xiàn)規(guī)律性高產(chǎn)現(xiàn)象。這是由于煤巖應(yīng)力釋放和體積膨脹改善了煤層的孔隙度和滲透性，同時(shí)降低了儲(chǔ)層壓力，實(shí)現(xiàn)煤礦采動(dòng)區(qū)周圍煤層氣井的高效開發(fā)。借鑒煤礦采動(dòng)卸壓增透理論，應(yīng)力釋放(原位)開發(fā)煤層氣逐步受到關(guān)注。如何在采動(dòng)區(qū)以外更大范圍(原位)實(shí)現(xiàn)煤層應(yīng)力釋放、促進(jìn)解吸采氣？直井裸眼洞穴完井技術(shù)證實(shí)了鉆井造洞穴可以實(shí)現(xiàn)煤層局部應(yīng)力釋放，但其能量傳遞范圍有限，洞穴遠(yuǎn)端地層很難受到周期性的張性和剪切力作用影響，且我國(guó)煤層物性普遍較差，致使最終改造效果都不理想，因此需求更大范圍的應(yīng)力釋放實(shí)現(xiàn)方式。

構(gòu)建“大直徑水平井”模擬煤礦巷道產(chǎn)生應(yīng)力釋放、改善煤層滲透性，有望突破“應(yīng)力釋放范圍小”的瓶頸難題，被認(rèn)為是煤層氣增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的儲(chǔ)備型技術(shù)，成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。張波等提出在煤層水平段采用氣體波動(dòng)壓力的方式誘導(dǎo)塌孔造穴，引起煤層應(yīng)力釋放，形成張性破裂帶和剪切破裂帶，擴(kuò)大井眼與儲(chǔ)層的接觸面積，提高井筒周圍煤儲(chǔ)層滲透率。桑樹勛等提出了水平井造洞穴應(yīng)力釋放構(gòu)造煤原位煤層氣開發(fā)理論，并研發(fā)了水力-機(jī)械聯(lián)合誘導(dǎo)擴(kuò)孔造穴工藝。盧義玉等提出“地面定向井+水力割縫卸壓方法”開發(fā)深部煤層氣，一方面水力割縫溝通天然裂縫、誘導(dǎo)產(chǎn)生裂隙，另一方面利用地應(yīng)力變化降低儲(chǔ)層壓力、提高氣體解吸、擴(kuò)散和滲流能力。這些技術(shù)推動(dòng)了水平井造穴開發(fā)煤層氣的理論認(rèn)識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。然而，氣體動(dòng)力造穴操作難度大，造穴半徑不可控，存在煤粉返排難和環(huán)境污染等問題；機(jī)械造穴工具擴(kuò)徑幅度有限，造穴過程中易發(fā)生刀桿變形、工具落井等井下事故。水力造穴利用高壓水射流或磨料射流破巖切割煤層形成洞穴，相比前2者，具有以下優(yōu)勢(shì)：① 靈活調(diào)控洞穴形狀和尺寸，通過采用不同的射流噴嘴和水力參數(shù)切割破碎煤層，形成不同截面形狀及長(zhǎng)度的洞穴，最大程度誘導(dǎo)煤層發(fā)生應(yīng)力釋放，進(jìn)而卸壓增透；② 構(gòu)建體積縫網(wǎng)，煤層是天然裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，射流產(chǎn)生的水楔效應(yīng)易激活天然裂縫，誘導(dǎo)新生裂隙形成，并溝通已有裂縫，增強(qiáng)氣體運(yùn)移通道的連通性。謝和平等提出煤炭深部原位流態(tài)化開采的科學(xué)構(gòu)想和理論技術(shù)體系。其中，深部原位能量誘導(dǎo)物理破碎流態(tài)化開采技術(shù)可通過煤層鉆孔或水力噴射釋放高應(yīng)力，誘導(dǎo)破煤實(shí)現(xiàn)，將固體煤炭切割破碎成流態(tài)化與煤層氣共同采出地面。因此，水力造穴更加符合煤炭原位流態(tài)化開采的科學(xué)構(gòu)想。但是，射流破巖性能和成孔特征直接影響造穴效果。此外，水平井造穴方法對(duì)不同煤層氣井完井方式的匹配性與適應(yīng)性尚缺乏充分考慮。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍、增強(qiáng)裂隙溝通、提高卸壓增透效果，筆者團(tuán)隊(duì)綜合非常規(guī)油氣儲(chǔ)層水力噴射分段壓裂與煤礦保護(hù)層卸壓增透的理論與方法，提出了水平井水力噴射分段造穴應(yīng)力釋放開采煤層氣的新思路，即：采用磨料射流進(jìn)行水力噴射定向造穴，通過優(yōu)化噴嘴的類型(如扇型、錐直型、旋轉(zhuǎn)型、直旋混合型等)、結(jié)構(gòu)、排布、組合及噴射參數(shù)，在三維空間上達(dá)到“網(wǎng)格式”切割破碎煤巖的效果，形成立體洞穴；采用彈性可控滑套實(shí)現(xiàn)逐級(jí)噴射造穴，形成多段多簇的三維卸壓空間，達(dá)到增加儲(chǔ)層滲透率、提高單井產(chǎn)量的目的(圖1)。在山西沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊(15號(hào)煤層)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：改造后穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到10 000 m/d，是區(qū)內(nèi)相鄰壓裂水平井日產(chǎn)氣量的4倍。因此，水平井水力噴射分段造穴儲(chǔ)層改造技術(shù)在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 煤層氣水平井水力噴射分段造穴示意

筆者首先介紹了水平井水力噴射造穴應(yīng)力釋放開采煤層氣的原理。其次，由于煤巖具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，不同區(qū)塊、不同煤階煤巖的適應(yīng)性不同，為了探索磨料射流破碎不同煤巖的可行性及其破壞模式，采集不同礦區(qū)、不同堅(jiān)固性系數(shù)的低階煤、高階煤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用自主研發(fā)的高壓磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了淹沒條件下磨料射流破煤巖實(shí)驗(yàn)，分析了射流沖擊下煤巖的破裂機(jī)制及其儲(chǔ)層適應(yīng)性，為水力噴射造穴思路提供實(shí)驗(yàn)支撐與理論依據(jù)。最后，介紹了不同完井方式下水平井水力噴射分段造穴井下關(guān)鍵工具和現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)思路及其應(yīng)用前景。

1 水平井水力噴射分段造穴原理

水平井造穴應(yīng)力釋放開采煤層氣的基本原理是通過水平井?dāng)U孔或誘導(dǎo)塌孔，實(shí)現(xiàn)煤層大范圍應(yīng)力釋放，改善煤層孔隙度和滲透性，降低儲(chǔ)層壓力，促進(jìn)甲烷解吸產(chǎn)出，從而獲得有商業(yè)開采價(jià)值的煤層氣產(chǎn)量。水平井水力噴射分段造穴是采用磨料射流切割破碎煤層，通過優(yōu)化噴嘴類型、結(jié)構(gòu)和噴射方向形成具有一定尺寸和形狀的洞穴，并采用管柱拖動(dòng)式或投球滑套式實(shí)現(xiàn)逐級(jí)噴射造穴，具有定點(diǎn)噴射、精準(zhǔn)分段、多簇卸壓的優(yōu)勢(shì)。

水平井水力噴射造穴卸壓的本質(zhì)是煤層在磨料射流沖擊的作用下，打破原始地應(yīng)力后應(yīng)力持續(xù)重分布并引起損傷破裂的增滲過程。造穴區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)演化是決定煤層變形破裂的主控因素，即造穴誘導(dǎo)洞穴周邊及多穴之間發(fā)生局部應(yīng)力集中，當(dāng)局部應(yīng)力超過煤巖的抗拉/抗剪強(qiáng)度時(shí)，穴周即發(fā)生裂紋的萌生、擴(kuò)展、聚合。從洞穴應(yīng)力自由面到遠(yuǎn)場(chǎng)未受擾動(dòng)區(qū)，依據(jù)應(yīng)力重構(gòu)和分布演化特征，煤層依次發(fā)生破裂、損傷、塑性變形、彈性變形。這些變形區(qū)域的分布受到地應(yīng)力、天然裂縫、洞穴的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)等地質(zhì)與工程因素的影響。同時(shí)，這些變形區(qū)域又導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)變化，引起原生裂隙擴(kuò)展及新生裂隙形成，增強(qiáng)了裂隙和孔喉結(jié)構(gòu)的連通性，導(dǎo)致煤巖裂縫導(dǎo)流能力增加、基質(zhì)滲透率提高、滲流面積擴(kuò)大，這也是水平井造穴提產(chǎn)的核心。水平井造穴誘導(dǎo)應(yīng)力演化區(qū)域內(nèi)形成高滲通道有望擴(kuò)大煤層改造體積。

采用有限元-離散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method)建立水平井造穴誘導(dǎo)煤層應(yīng)力演化流-固耦合三維模型，計(jì)算域內(nèi)共造5段洞穴，模型設(shè)置，具體如表1和圖2所示，煤巖力學(xué)參數(shù)取自下文中的寺河煤礦(表2)。

表1 造穴應(yīng)力演化模型參數(shù)設(shè)置

表2 煤巖顯微組分與工業(yè)分析信息

研究結(jié)果表明造穴誘導(dǎo)煤層垮塌、掉塊后，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生演化，穴周裂縫萌生，穴間發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)裂縫分布較為密集，單段穴周應(yīng)力場(chǎng)演化區(qū)域近似呈現(xiàn)橢圓形(圖2)。在正斷層應(yīng)力條件下(>>),洞穴頂部和底部多形成拉伸裂縫，兩側(cè)多形成剪切裂縫。同時(shí)，洞穴遠(yuǎn)端部分區(qū)域煤巖發(fā)生破裂，這是因?yàn)樵诙囱ㄐ纬傻倪^程中煤巖發(fā)生孔彈性響應(yīng)，高孔隙壓力分布在壓縮區(qū)域，而低孔隙壓力分布在拉張區(qū)域，導(dǎo)致煤巖在局部壓縮區(qū)域呈現(xiàn)出較高的剛度和脆性，容易破裂成縫，這些新形成的裂縫成為氣體運(yùn)移的通道，提高了煤層滲透率。沿著如圖2所示的截線—′，—′提取應(yīng)力分布數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)在—′截線上，計(jì)算域范圍內(nèi)應(yīng)力都有不同程度的降低；在—′截線上，由于受到地應(yīng)力的影響和其他洞穴的干擾，穴周呈現(xiàn)應(yīng)力集中，誘導(dǎo)裂縫形成。本模型中應(yīng)力降低區(qū)域(即應(yīng)力釋放區(qū)域)總體積為3 951 m，占整個(gè)計(jì)算域8%；裂縫總體積為60.34 m，占整個(gè)計(jì)算域0.12%。圖3為造穴后位移云圖，最大位移值為1.3 m，主要是洞穴形成后煤巖掉落所發(fā)生的位移，穴周位移分布呈現(xiàn)橢圓形，洞穴中部位移較大，兩端較小，與應(yīng)力分布相關(guān)聯(lián)。

圖2 煤層氣水平井分段造穴應(yīng)力演化云圖

圖3 煤層氣水平井分段造穴位移云圖

水平井造穴是應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互作用、相互影響的過程，造穴誘導(dǎo)煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu)，引起儲(chǔ)層巖石孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響流體滲流特性；流體滲流的過程改變儲(chǔ)層壓力的分布，儲(chǔ)層壓力的下降，促進(jìn)甲烷氣體的解吸，增加煤層透氣性；應(yīng)力場(chǎng)又受到孔隙壓力的影響，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致固體變形的發(fā)生，引起裂隙、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而又影響流體的流動(dòng)狀態(tài)。

水平井洞穴的空間尺寸、幾何形狀、數(shù)量、段(簇)間距、位置等決定了應(yīng)力釋放波及范圍和儲(chǔ)層滲透性改善范圍，從而影響水平井造穴的改造效果。這些造穴參數(shù)需結(jié)合具體的地質(zhì)和儲(chǔ)層條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的卸壓增透效果。

2 磨料射流噴射煤巖成孔特征實(shí)驗(yàn)

磨料射流破碎煤巖的成孔特征及其破壞模式是水力噴射高效造穴首先要解決的關(guān)鍵問題。筆者開展了淹沒條件下磨料直射流和旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)。此外，由于天然裂縫對(duì)巖石破裂、巖石應(yīng)力敏感性和流體滲流影響顯著，控制“人造氣藏”的改造效果。為了研究磨料射流噴射煤巖時(shí)，對(duì)天然裂縫的激活程度，筆者采集了不同天然裂縫發(fā)育程度的煤巖，并分為平行于層理噴射和垂直于層理噴射2種實(shí)驗(yàn)條件，從而為煤層應(yīng)力釋放、卸壓增透提供實(shí)驗(yàn)支撐與理論依據(jù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)“高壓水射流鉆井與完井實(shí)驗(yàn)室”自主研發(fā)的高壓磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成。主要由混砂單元、動(dòng)力單元、作業(yè)池單元、巖樣夾持單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元、液體循環(huán)單元6部分組成(圖4，5)?；焐皢卧蓛?chǔ)砂罐、螺旋輸砂器、離心泵、混砂罐和連接管線等組成，其中儲(chǔ)砂罐容積1.5 m，輸砂器輸砂能力40～120 kg/min，混砂罐容積0.6 m。攜砂液和磨料在混砂罐中通過攪拌器高速攪拌實(shí)現(xiàn)均勻混合。系統(tǒng)安裝有壓力傳感器和流量計(jì)，通過數(shù)據(jù)采集單元可以精準(zhǔn)監(jiān)控出口端壓力和排量。噴嘴和巖樣位于破巖作業(yè)單元，巖樣采用夾持器固定，通過升降平臺(tái)高度調(diào)節(jié)噴射距離。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)淹沒條件下噴射壓力0～70 MPa、噴射距離0～1 m、巖樣尺寸0～400 mm、淹沒度0～0.5 m、砂比質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～20%、磨料顆粒粒徑為10～120目的磨料射流或純水射流破巖實(shí)驗(yàn)，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)攜砂液和磨料循環(huán)使用。

圖4 高壓磨料射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 煤巖試樣

實(shí)驗(yàn)采用不同礦區(qū)不同煤階的煤巖。選取煤層氣開采的代表性礦區(qū)：準(zhǔn)噶爾盆地(深部煤)、鄂爾多斯盆地(中低階煤)和沁水盆地(高階煤)。具體為：新疆準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起西山窯組的低階煤(褐煤-長(zhǎng)焰煤)，取自井下巖心(深度為3 192.4～3 195.5 m)，屬于煤層氣資源豐富的深部煤。鄂爾多斯盆地大保當(dāng)煤礦的中低階煤(煙煤，深度為83.62～280.00 m)，和山西沁水盆地寺河礦太原組的高階煤(無(wú)煙煤，深度為70～110 m)。筆者所采集的煤巖均為原生結(jié)構(gòu)煤。煤工業(yè)分析、巖石力學(xué)性質(zhì)和礦物含量(XRD測(cè)試分析)如表2，3和圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)采用的高階煤在平行層理方向的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均明顯大于中、低階煤。大保當(dāng)煤礦在平行層理方向的抗拉強(qiáng)度和堅(jiān)固性系數(shù)都較其他2種煤巖高。此外，為了與砂巖成孔特征作對(duì)比，采集了焦作礦區(qū)頂板砂巖(彈性模量為57.99 GPa，抗壓強(qiáng)度為330.68 MPa，抗拉強(qiáng)度11.65 MPa)，巖石較為致密，天然裂縫不發(fā)育。

表3 煤巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)比

圖6 煤巖樣品礦物組成分布(XRD分析)

巖樣制備時(shí)，將其切割為邊長(zhǎng)100～200 mm的立方體，并采用環(huán)氧樹脂包裹，避免沖擊過程中發(fā)生整體破碎，如圖7所示。噴射時(shí)分平行于層理噴射和垂直于層理噴射2種實(shí)驗(yàn)工況。其中，新疆準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起的煤巖為直徑100 mm、高100 mm的井下巖心柱。

圖7 煤巖試樣(黃色虛線為層理面)

2.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由于不同區(qū)塊煤巖力學(xué)性質(zhì)差異較大，若保持相同噴射條件，部分煤巖未成孔，而部分煤巖整體破碎，無(wú)法觀測(cè)其成孔特征。因此，筆者采用改變泵壓或噴距的方法，在淹沒射流環(huán)境中研究不同噴射參數(shù)條件下磨料射流破巖的臨界距離，即由遠(yuǎn)及近逐次減小噴距或由低到高逐漸升高泵壓，當(dāng)觀察到煤巖成孔時(shí)，即認(rèn)為此距離為煤巖的臨界破壞距離，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案見表4。采用錐直型噴嘴和旋轉(zhuǎn)噴嘴(內(nèi)部有葉輪)(圖8)。直射流的流場(chǎng)呈紡錘形，旋轉(zhuǎn)射流的流場(chǎng)呈螺旋放射狀。相比于直射流，旋轉(zhuǎn)射流在徑向上的湍流脈動(dòng)增大了射流擴(kuò)散角和沖擊范圍，但同時(shí)也造成了強(qiáng)烈的湍流耗散，隨著噴距的增大，磨料顆粒速度快速衰減。因此，直射流用于實(shí)現(xiàn)水力深穿透，而旋轉(zhuǎn)射流主要用于擴(kuò)大孔徑。本實(shí)驗(yàn)方案中直射流噴射煤巖時(shí)采用大噴距(40倍以上噴嘴直徑)，而旋轉(zhuǎn)磨料射流采用小噴距(5～10倍噴嘴直徑)，下文中的無(wú)因次噴距指的是噴射距離與噴嘴直徑的比值。

圖8 噴嘴和旋轉(zhuǎn)射流噴嘴

表4 破巖實(shí)驗(yàn)方案

2.3 磨料破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖9(a)為白家海凸起煤巖磨料射流破巖結(jié)果。采用錐直型噴嘴沿垂直層理面方向噴射煤巖時(shí)，形成有一定深度的孔眼，孔眼內(nèi)沿層理面形成層狀剝蝕，煤巖發(fā)生體積破碎。采用旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴噴射白家海凸起煤巖時(shí)，旋轉(zhuǎn)磨料射流在沖擊巖石產(chǎn)生拉伸、水楔作用的同時(shí)，還增加了平行于巖石表面的切向載荷。由于煤巖強(qiáng)度較低，且發(fā)育有多條割理(黃色虛線為面割理)，在高壓旋轉(zhuǎn)磨料射流的沖蝕下，大塊煤巖沿著割理面發(fā)生剝蝕破壞。這是由于水力能量極易沿著割理面?zhèn)鲗?dǎo)，并直接作用于裂縫面，形成水楔效應(yīng)。因此，射流沖擊下，層裂是割理發(fā)育煤巖的破壞模式。此外，相較于直射流，旋轉(zhuǎn)射流能量集中于距離射流軸線一定距離的圓環(huán)內(nèi)，即中心區(qū)域沖蝕強(qiáng)度小，圓周區(qū)域沖蝕強(qiáng)度大。因此，巖心柱外側(cè)煤塊沿割理剝落，而中心區(qū)域保留。

圖9(b)為大保當(dāng)煤巖磨料射流破巖結(jié)果。直射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)噴射方向與層理面平行時(shí)，煤巖極易沿著層理面發(fā)生大塊剝蝕脫落。其原因同上，當(dāng)平行于層理面噴射時(shí)，水力能量作用于裂縫面形成水楔效應(yīng)，射流的動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，導(dǎo)致煤巖沿著平行于層理面方向發(fā)生拉伸破壞。拉伸破壞產(chǎn)生的微裂縫與沿層理面發(fā)育的割理或其他天然裂縫不斷擴(kuò)展、交匯，最終導(dǎo)致射流孔眼周圍煤巖沿裂縫面發(fā)生大塊剝落。當(dāng)垂直于層理面噴射時(shí)，破巖孔眼較為規(guī)則，且孔眼壁面光滑，與砂巖成孔特征類似(圖9(d))。主要原因是煤巖在垂直層理方向的抗拉強(qiáng)度比平行層理方向小，當(dāng)垂直于層理面噴射時(shí)，作用于孔眼壁面的壓力難以在平行層理面方向發(fā)生拉伸破壞，且當(dāng)割理不發(fā)育時(shí)，水楔效應(yīng)小，磨料顆粒的高頻沖蝕占主導(dǎo)地位。因此，在磨料顆粒的持續(xù)沖蝕作用下，容易形成光滑、規(guī)則的孔眼。采用旋轉(zhuǎn)磨料射流噴射大保當(dāng)煤巖時(shí)，旋轉(zhuǎn)磨料射流相對(duì)于直射流形成的孔眼大，且孔壁更加光滑、孔眼形狀更為規(guī)則。主要原因在于旋轉(zhuǎn)磨料射流可形成具有三維速度的磨料漿體，耦合沖蝕破碎、拉伸破壞、旋流磨削及水楔作用等多重破碎機(jī)制，破巖效率高、擴(kuò)散能力強(qiáng)，有利于形成大尺寸、規(guī)則、光滑孔眼。當(dāng)平行于層理面噴射時(shí)，易于在孔眼附近形成沿層理面的宏觀裂縫。垂直于層理面噴射時(shí)，形成了孔徑為94 mm的規(guī)則孔眼，與砂巖成孔特征類似(圖9(d))。因此，對(duì)于層理發(fā)育的煤巖，層裂是重要的破壞模式。

圖9(c)為寺河礦煤巖磨料射流破巖結(jié)果。直射流結(jié)果表明，當(dāng)平行于層理面噴射時(shí)，大塊煤巖剝落，且形成了多條沿層理面的宏觀裂縫。當(dāng)垂直于層理面噴射時(shí)，巖樣中心形成了具有一定深度(53 mm)的孔眼，且伴隨有層狀剝落，與白家海凸起煤巖成孔特征類似。采用旋轉(zhuǎn)磨料射流噴射寺河礦煤巖，促其形成大孔徑。當(dāng)平行于層理面噴射時(shí)，形成了74 mm的規(guī)則孔眼，且孔眼內(nèi)形成多條沿層理方向貫通的裂縫。其粗糙度比垂直層理巖樣和砂巖高。雖未像大保當(dāng)煤巖發(fā)生層裂，但是隨著噴射時(shí)間的持續(xù)，層理面被不斷激活，有發(fā)生層裂的趨勢(shì)。當(dāng)垂直于層理面噴射時(shí)，形成了孔徑為75 mm的規(guī)則孔眼，結(jié)果同大保當(dāng)煤巖和砂巖一致。

圖9 磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)

2.4 天然裂縫的影響

由上述內(nèi)容可知，在磨料射流的沖蝕作用下，平行層理的煤巖主要以層裂為主，且水楔作用相較于砂巖及其他天然裂縫不發(fā)育的巖石更強(qiáng)；垂直層理的煤巖主要以磨蝕破壞為主，與砂巖類似。采用CT掃描表征3種煤巖樣品內(nèi)部天然裂隙的分布特征。掃描樣品為直徑20 mm、高45 mm的圓柱體，掃描精度為10 μm。圖10為煤樣的CT掃描切片圖。每個(gè)巖樣分別截取了15 mm和30 mm處的掃描切片及三維重構(gòu)圖作對(duì)比分析。圖10中灰色部分為基質(zhì)，白色部分為充填礦物，黑色線為裂縫。由于煤巖中的礦物多充填在割理中，因此通過觀測(cè)切片上白色礦物的分布可以判斷出割理的大致方向。由圖10可以看出，白家海凸起煤巖有多條規(guī)律分布的割理；大保當(dāng)煤巖較為致密，在本次CT掃描的分辨率下，只有幾條相互貫穿、隨機(jī)分布的天然裂縫，縱向上有層理分布；寺河礦煤巖有清晰且規(guī)則分布的割理，且大部分被礦物所填充，同時(shí)分布有與面割理相垂直的天然裂縫，圖10中紅色箭頭為面割理方向，A,B,C區(qū)域內(nèi)為被礦物填充的端割理，縱向上有層理分布。在磨料射流沖擊下，層理、割理及其他天然裂隙會(huì)對(duì)煤巖產(chǎn)生2方面的影響：首先，當(dāng)射流沖擊煤巖表面時(shí)，由于水楔作用，煤巖更易沿著裂隙發(fā)生層裂。其次，在破壞的過程中，由水楔作用誘導(dǎo)劈裂的裂縫不斷向內(nèi)部延伸，當(dāng)與天然裂隙溝通后，將沿著天然裂隙的方向繼續(xù)延伸，最終影響煤巖的破壞形態(tài)。因此，煤巖內(nèi)天然裂隙的走向影響著巖石的破壞形態(tài)，天然裂隙的數(shù)量或密度影響著煤巖的破壞程度。由圖10可知，從割理或天然裂縫的數(shù)量來(lái)看，白家海凸起煤巖>寺河礦煤巖>大保當(dāng)煤巖，說(shuō)明在射流沖擊下，白家海凸起煤巖破壞程度最大，而大保當(dāng)煤巖的破壞易受層理影響。觀察3種煤巖的割理、裂隙走向，可以看出白家海凸起煤巖割理較多且多條走向近乎平行，裂縫開度也較其他兩區(qū)域煤巖大。這種分布狀態(tài)會(huì)使煤巖在經(jīng)受射流沖擊時(shí)，易沿割理方向發(fā)生劈裂破壞。大保當(dāng)煤巖的割理走向不明顯，同時(shí)天然裂縫分布散亂無(wú)序，部分天然裂縫相互貫通，導(dǎo)致巖石在經(jīng)受射流沖擊時(shí)，易沿著層理或天然裂縫發(fā)生整體劈裂。寺河礦煤巖的割理走向非常明顯，而天然裂縫走向沒有明顯規(guī)律。XRD礦物測(cè)試分析(圖6)表明，充填在割理中的礦物主要成分是方解石，在承受水力沖擊時(shí)，其破壞的難易程度高于未被礦物充填的天然裂縫，但是低于巖石基質(zhì)。天然裂縫雖然數(shù)量較少，但是多與割理方向垂直。因此，寺河煤巖內(nèi)的天然裂縫易與割理相互分割，在承受水力沖擊時(shí)，易出現(xiàn)層狀剝落或影響孔壁的粗糙度。

圖10 3種煤巖的CT掃描

綜合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于砂巖，磨料射流的水楔作用對(duì)煤巖更強(qiáng)，且磨料顆粒易嵌入到層理裂隙中，在水力能量的沖擊作用下，加劇煤巖的磨蝕破壞。特別是天然裂隙發(fā)育的煤巖，水力噴射造穴易激活天然裂隙，包括割理、層理及其他分布的天然裂縫，引發(fā)穴周生成大量裂隙，形成大范圍的應(yīng)力釋放區(qū)域，從而改善儲(chǔ)層滲透性。因此，現(xiàn)場(chǎng)選擇噴射方位時(shí)應(yīng)盡量考慮平行于層理噴射或天然裂縫發(fā)育的區(qū)域，可視為工程甜點(diǎn)，以溝通大量天然裂縫。此外，實(shí)驗(yàn)還表明磨料直射流在較大的噴距下(40倍無(wú)因次噴距)仍然能破壞煤巖，而旋轉(zhuǎn)磨料射流雖然作用距離短但形成的孔眼直徑大且孔壁光滑。實(shí)際施工作業(yè)中，錐直型和旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴可交錯(cuò)排布于噴槍上，采用磨料直射流實(shí)現(xiàn)深穿透，旋轉(zhuǎn)磨料射流擴(kuò)大孔徑，在套管井中可同時(shí)起到開窗破套管的作用，從而最大程度擴(kuò)大造穴范圍、實(shí)現(xiàn)卸壓增透。

3 水平井水力噴射分段造穴工藝設(shè)計(jì)

3.1 裸眼水平井水力噴射分段造穴

(1)井下核心工具。裸眼水平井水力噴射分段造穴井下工具主要包括定向裝置、噴槍、噴嘴等。筆者團(tuán)隊(duì)提出了2種定向裝置：① 重力法定向，工具橫截面設(shè)計(jì)了環(huán)形滑道、內(nèi)置鋼球，鋼球在重力作用下始終處于滑道最下端。地面安裝時(shí)，需要設(shè)定噴嘴與指示銷釘?shù)南鄬?duì)角度，工具管串進(jìn)入水平段后、油管內(nèi)打壓、帶動(dòng)噴槍旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定向，且無(wú)需旋轉(zhuǎn)接頭。② 反重力法定向，也稱偏心定向器，水平井段工具串坐底，配有偏心重力塊和智能指針，當(dāng)偏心定向器在水平段移動(dòng)時(shí)，偏心重力塊會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到水平段底部，而智能指針自動(dòng)尋找環(huán)形空間最大值。地面安裝時(shí)，需要設(shè)定噴嘴和智能指針的相對(duì)角度。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、定向較為精確，可反復(fù)拖動(dòng)管柱，噴嘴角度不變，工作可靠。

噴槍上布置有不同角度、不同類型的噴嘴，包括扇型噴嘴、錐直型噴嘴和旋轉(zhuǎn)射流噴嘴等。若進(jìn)行定向噴射，需將噴嘴布置在噴槍一側(cè)，并根據(jù)定向噴射的方向設(shè)定與智能指針的相對(duì)角度。扇型噴嘴以扇面“網(wǎng)格式”切割破碎煤層，錐直型噴嘴形成的磨料直射流主要實(shí)現(xiàn)水力深穿透，旋轉(zhuǎn)磨料射流主要為擴(kuò)大噴射孔徑。

實(shí)現(xiàn)分段造穴的方式主要有2種：普通油管或連續(xù)油管拖動(dòng)式和不動(dòng)管柱滑套式。采用基于投球可控彈性滑套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“順序開啟、同步造穴”的多段多簇體積造穴。拖動(dòng)式工具管串組合主要包括：導(dǎo)向頭+單流閥+偏心定向器+噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+安全接頭+油管。不動(dòng)管柱滑套式工具管串組合(如三級(jí)噴射造穴管柱)主要包括：導(dǎo)向頭+單流閥+偏心定向器+一級(jí)無(wú)滑套噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+油管短節(jié)+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+偏心定向器+二級(jí)帶滑套噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+油管短節(jié)+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+偏心定向器+三級(jí)帶滑套噴槍+旋轉(zhuǎn)密封短節(jié)+安全接頭+油管。裸眼水平井水力噴射分段造穴井下工具管串(三級(jí)噴射造穴管柱)如圖11所示。

圖11 裸眼水平井水力噴射分段造穴井下工具管串示意

(2)工藝流程。普通油管拖動(dòng)式的分段噴射造穴工藝流程為：在地面組合定向裝置和定向噴槍，根據(jù)定向方向，設(shè)定噴嘴和智能指針的相對(duì)角度；用油管下入噴槍到造穴點(diǎn)，采用基液正替1個(gè)井筒容積；油管泵入攜砂液(6%～10%體積分?jǐn)?shù)的石英砂)進(jìn)行噴射作業(yè)，待地面不返出煤粉后停止泵入攜砂液，完成該段噴射造穴作業(yè)；采用基液正替1.5個(gè)井筒容積；上提油管進(jìn)行下一段造穴。不動(dòng)管柱滑套式分段噴射造穴工藝流程為：在地面組合定向裝置和定向噴槍，根據(jù)定向方向，設(shè)定噴嘴和智能指針的相對(duì)角度；用油管下入噴槍到造穴點(diǎn)，采用基液正替1個(gè)井筒容積；投球，坐封一級(jí)噴槍的單流閥；油管泵入攜砂液(6%～10%體積分?jǐn)?shù)的石英砂)進(jìn)行噴射作業(yè)，待地面不返出煤粉后停止泵入攜砂液，完成第1段噴射造穴作業(yè)；投球，打開第2級(jí)噴槍的滑套，重復(fù)第1級(jí)泵注程序，完成第2段噴射造穴作業(yè)；循環(huán)以上流程，直至完成所有造穴段的噴射作業(yè)；采用基液正替2個(gè)井筒容積，起出管柱。

該工藝不僅適用于裸眼水平井，還適用于篩管完井的水平井。筆者團(tuán)隊(duì)與中石油華北油田前期在山西沁水盆地鄭莊區(qū)塊開展了篩管水平井的現(xiàn)場(chǎng)造穴工程試驗(yàn)，改造后穩(wěn)定日產(chǎn)氣量達(dá)到10 000 m，是相鄰多級(jí)壓裂水平井的4倍，單段噴射造穴泵注程序如圖12所示。

圖12 單段噴射造穴泵注程序示意

3.2 套管水平井水力噴射分段造穴

套管水平井環(huán)空和煤層之間有套管和水泥環(huán)阻隔，扇型射流不能有效切割套管，因此裸眼完井水平井水力噴射分段造穴工藝所用的扇型噴嘴不適用于套管水平井。錐直型噴嘴是套管井噴砂射孔的常用裝置，其噴射出的磨料直射流能穿透套管、水泥環(huán)，溝通儲(chǔ)層，并形成一定規(guī)模的孔穴。但是僅采用錐直型噴嘴造穴會(huì)使破碎的煤渣無(wú)法有效返排出地面。錐直型噴嘴形成的磨料直射流在套管上的穿孔直徑約為1 cm，該孔眼是煤渣由地層進(jìn)入油管和套管環(huán)空的唯一通道。因此大量破碎的煤渣會(huì)被套管阻擋在地層中，無(wú)法返排出地面，對(duì)噴射造穴效率造成極大影響，最終形成的孔穴也由于煤渣的堆積無(wú)法有效卸壓增透，達(dá)到預(yù)期目的。為解決以上問題，筆者團(tuán)隊(duì)提出采用“直-旋混合噴嘴噴槍”進(jìn)行套管水平井水力噴射分段造穴的工藝技術(shù)。筆者團(tuán)隊(duì)前期研究表明旋轉(zhuǎn)射流噴嘴形成的旋轉(zhuǎn)磨料射流可在套管上開出大直徑孔洞，其成孔直徑約為7 cm。錐直型噴嘴形成的磨料直射流在煤巖中的射孔距離可達(dá)1 m以上，可破碎煤層形成大體積和長(zhǎng)距離的洞穴。因此，套管水平井水力噴射分段造穴可以采用旋轉(zhuǎn)磨料射流在套管上開出大直徑孔洞，作為破碎的煤渣由套管外進(jìn)入套管與油管環(huán)空的通道；通過錐直型噴嘴形成的磨料直射流在煤層中造穴，同時(shí)攜帶破碎的巖屑由套管上開出的孔洞進(jìn)入油套環(huán)空，從而被攜帶出地面。

(1)井下核心工具。除了上述定向器，主要包括噴槍本體、旋轉(zhuǎn)射流噴嘴、錐直型噴嘴和滑套等。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和錐直型噴嘴沿噴槍軸線方向安裝在噴槍本體上，通過滑套控制旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的開關(guān)。

(2)工藝流程。首先，在地面組裝造穴噴槍，通過油管將造穴噴槍送入到作業(yè)層位，采用基液正替1個(gè)井筒容積。然后，油管泵入攜砂液(6%～10%體積分?jǐn)?shù)的石英砂)開始噴射作業(yè)，旋轉(zhuǎn)磨料射流進(jìn)行套管開窗和地層擴(kuò)孔、磨料直射流在煤層中造穴(圖13(a))。接著，向油管投閥球，以低排量送球入座，滑套下行，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，而不關(guān)閉錐直型噴嘴。油管泵入攜砂液(6%～10%體積分?jǐn)?shù)的石英砂)開始噴射作業(yè)，攜砂液從錐直型噴嘴噴出，在煤層中造穴，破碎的煤渣由套管孔眼進(jìn)入油套環(huán)空，由流體攜帶返出地面(圖13(b))。待地面不返出煤粉后停止泵入攜砂液，完成該段的噴射造穴作業(yè)。投入閥球，封堵該段噴槍，循環(huán)以上步驟，開展下一段造穴作業(yè)。

圖13 套管水平井直-旋混合射流噴射造穴示意

煤層氣完井方式的選擇主要取決于儲(chǔ)層地質(zhì)條件。裸眼完井適用于堅(jiān)硬致密、井壁穩(wěn)定不易坍塌的煤層；篩管完井適用于井壁不穩(wěn)定、有可能發(fā)生井眼坍塌或易出砂的煤層；套管完井適用于含水夾層、易塌夾層等井壁不穩(wěn)定的煤層或?qū)娱g存在壓力、巖性等差異的復(fù)雜儲(chǔ)層；此外，裸眼完井和篩管完井一般適用于單一厚儲(chǔ)層或壓力、巖性基本一致的多層儲(chǔ)層，而套管完井的適用范圍較廣。因此，針對(duì)不同的完井方式，水力噴射分段造穴所配套的工具、工藝有所差別。對(duì)于裸眼井和篩管井，造穴成本較低且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；對(duì)于套管井，需采用直-旋混合射流噴槍，成本相對(duì)較高且工藝復(fù)雜，但其優(yōu)勢(shì)是可以選擇性分段造穴，避免層段干擾、氣水竄通。

3.3 碎軟煤層頂?shù)装宥ㄏ驀娚湓煅?/h3>

碎軟煤層具有煤體結(jié)構(gòu)破碎、彈性模量低、泊松比高、滲透性低的特點(diǎn)。直接在碎軟煤層中鉆水平井易發(fā)生井壁坍塌、埋鉆具、下套管困難等問題；碎軟煤層水力壓裂存在壓裂液易竄流、裂縫延伸短、煤粉產(chǎn)生多、卸壓范圍小、單井產(chǎn)量低且衰減速度快等問題。因此，針對(duì)碎軟煤層，可采用頂板或底板間接造穴的思路(圖14)，即：在結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的煤層底板或頂板巖石鉆進(jìn)水平井，水平段一般采用套管完井，然后以大液量、大排量、高砂比向煤層進(jìn)行高密度定向噴射造穴，井下工具和工藝流程與套管水平井水力噴射分段造穴類似，需要根據(jù)煤層位置選擇相應(yīng)的定向器及設(shè)計(jì)噴槍上噴嘴的排布位置。從而提高碎軟煤層改造效果。

圖14 碎軟煤間接定向噴射造穴示意

煤粉的排出是水平井造穴需重點(diǎn)解決的問題之一，可通過大排量洗井(至少3 m/min)或采用添加一定增黏劑的洗井液洗井，以達(dá)到煤粉高效返排的效果。此外，煤粉的順利返排還和其顆粒大小相關(guān)，需針對(duì)不同地應(yīng)力條件和力學(xué)性質(zhì)的煤層，優(yōu)化磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)和泵注程序，將煤巖最大程度地切割破碎成小顆粒，利于煤粉返出。從底板向上部煤層造穴，煤粉由于重力作用落入井筒中易隨洗井液返出；從頂板向下部煤層造穴，煤粉不容易徹底排出，因此頂板向下造穴主要起到松動(dòng)煤層、誘導(dǎo)應(yīng)力釋放、溝通天然裂隙、提供卸壓空間的作用。但頂板定向造穴也有其優(yōu)勢(shì)，即在后期排采過程中，氣體向上運(yùn)移至井筒，而砂、泥、煤粉等固體顆粒由于重力作用沉積在洞穴底部，可減少固體顆粒的產(chǎn)出，保障生產(chǎn)的平穩(wěn)進(jìn)行，減少砂堵、卡泵、砂埋等事故的發(fā)生，降低修井作業(yè)的頻率和成本。

4 應(yīng)用前景

我國(guó)煤層氣資源賦存條件復(fù)雜、開發(fā)技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)效益不佳，這是煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要困難和問題。但是，煤層氣資源的高效開發(fā)又承擔(dān)著保障國(guó)家能源安全，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要使命?！笆奈濉睍r(shí)期，煤層氣等非常規(guī)天然氣技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)已納入國(guó)家科技計(jì)劃總體布局。加強(qiáng)深部煤、構(gòu)造煤、低階煤煤層氣及煤系氣的富集成藏規(guī)律、滲流機(jī)理、增產(chǎn)改造和配套工藝及設(shè)備的研究攻關(guān)，發(fā)展適應(yīng)性低成本高效勘探開發(fā)技術(shù)，是提升煤層氣產(chǎn)量和開發(fā)效率的必經(jīng)途徑。

煤層氣水平井水力噴射分段造穴工藝可在水平段進(jìn)行逐級(jí)噴射造穴，形成多段立體卸壓空間，激活天然裂縫系統(tǒng)，增加儲(chǔ)層滲透率，從而提高單井產(chǎn)量。在儲(chǔ)層地質(zhì)條件方面，該技術(shù)主要適用于構(gòu)造煤、深部煤及壓裂造縫效果欠佳或無(wú)法實(shí)現(xiàn)分支井眼重入的松軟煤層等。在完井方法上，可適用于裸眼井、篩管井、套管井、頂?shù)装彘g接改造井等。采用“地質(zhì)工程一體化”的理念優(yōu)化工藝參數(shù)及方案設(shè)計(jì)，綜合地質(zhì)甜點(diǎn)、工程甜點(diǎn)，采用大數(shù)據(jù)和人工智能等方法，優(yōu)化三維洞穴空間的尺寸、形狀、數(shù)量、段間距等關(guān)鍵造穴參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的卸壓增透效果，從而提高煤層氣單井產(chǎn)能。此外，該工藝還可為煤系夾層、薄互層等壓裂改造不充分的儲(chǔ)層提供重要借鑒，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

(1)水平井水力噴射造穴卸壓的本質(zhì)是煤層在磨料射流沖擊的作用下打破原始地應(yīng)力后應(yīng)力持續(xù)重分布并引起損傷破裂的增滲過程。多段洞穴間發(fā)生應(yīng)力干擾，應(yīng)力集中區(qū)域和洞穴周邊裂縫分布密集，成為氣體運(yùn)移的通道，提高了煤層滲透率。

(2)磨料射流沖擊下，層裂是煤巖重要的破裂機(jī)制，相較于砂巖，磨料射流的水楔作用對(duì)煤巖更強(qiáng)，且磨料顆粒易嵌入到層理裂隙中，加劇煤巖的磨蝕破壞。因此，水力噴射造穴易激活天然裂縫，誘導(dǎo)穴周生成大量裂隙，形成大范圍的應(yīng)力釋放區(qū)域，從而改善儲(chǔ)層滲透性。

(3)介紹了裸眼井、篩管井、套管井、頂?shù)装彘g接改造井等不同完井方式下水力噴射分段造穴的井下核心工具和工藝流程。核心工具包括定向器、噴槍、噴嘴等。普通油管或連續(xù)油管拖動(dòng)式和不動(dòng)管柱滑套式是實(shí)現(xiàn)分段造穴、多簇卸壓的主要方式。

(4)合理優(yōu)化水力參數(shù)和造穴參數(shù)是水力噴射分段造穴高效改造煤層的關(guān)鍵。該技術(shù)可望推廣應(yīng)用于構(gòu)造煤、深部煤、煤系薄互層及壓裂造縫效果欠佳或無(wú)法實(shí)現(xiàn)分支井眼重入的松軟煤層等，為煤層氣水平井高效開發(fā)提供新的技術(shù)支撐和增產(chǎn)方向。