連續油管分段壓裂在新疆煤層氣開發中的應用

張 軍 孫 斌

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

新疆阜康礦區、烏魯木齊礦區、達坂城礦區的煤層厚度大、層數多，壓裂改造的層數多，為了獲得儲層的充分改造和煤層氣的高效產出，試驗了煤層氣藏的體積壓裂改造工藝，采用連續油管底封拖動、油套環空加砂的方式在礦區內的數口井中成功實驗了連續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層利用不充分、儲層改造不充分、施工周期長、工序繁瑣等問題。

1 連續油管分段壓裂技術簡介

連續油管分段壓裂是一種安全、經濟、高效的壓裂工藝，大規模的應用于常規油氣和非常規油氣儲層的改造。該技術尤其適合在多層油氣井的多段逐級壓裂作業，起下壓裂管柱快，能大大縮短作業時間；能在欠平衡條件下作業，減輕或避免對儲層的傷害；使每個壓裂層段都能獲得合理充分的壓裂改造，使整口井的增產效果更好；下一次管柱壓裂的層數更多，可以實現多達十幾層的連續壓裂作業等諸多優點。

1.1 主要部件及工作原理

連續油管分段壓裂施工的主要設備部件包括(井口設備裝置見圖1)：

圖1 連續油管分段壓裂井口裝置

(1)連續油管車，用于承載操作控制設備、連續油管等設備；

(2)鵝頸管和注入頭，用于向上或向下施加載荷實現連續油管的起下；

(3)防噴裝置，包括放噴器、防噴管、防噴盒等，用于井口密封實現帶壓作業；

(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、節流管匯等。

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

1.2 分層方式

連續油管分段壓裂通常采用兩種分層方式：一種是利用連續油管帶壓填砂進行封堵已壓裂層段；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，作業周期短，但是對封隔器的性能要求高。

1.3 施工注入方式

目前連續油管分段壓裂多采用水力噴砂射孔+油套環空加砂壓裂的施工模式，相比于連續油管內注入壓裂具有以下優點：

(1)管路摩阻低；

(2)對連續油管和噴嘴的磨損小；

(3)降低大粒徑、高濃度支撐劑砂堵的風險；

(4)壓力干擾小，利于技術人員通過壓力變化獲取對施工情況的判斷。

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

2 現場實驗分析

2.1 實驗井基本情況

新疆阜康礦區、烏魯木齊礦區地層傾角大(30°～60°)、煤層厚度大(單層厚度30m)的特點，實驗井是礦區內的數口順煤層鉆進的大斜度井及水平井，其完鉆井深在800～1600m，可進行壓裂段為300～600m，一般進行5～8段壓裂。生產套管采用φ139.7mm、壁厚7.72mm、N80/P110鋼級的套管。

2.2 分層方式及工具管串

實驗的目地為探索適用于礦區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。

施工管柱結構自上而下為：φ2″連續油管+連續油管接頭+液壓丟手+變扣接頭+扶正器+噴射工具+壓力平衡閥+封隔器+機械定位器+導鞋。

2.3 注入方式

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

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中細砂、0.425～0.85mm中砂、0.600～1.180mm覆膜變形砂。

支撐劑用途：中細砂用于前置液中對裂縫進行打磨和降濾；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

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；噴射時間為12～15min；考慮到設備攜帶的4000m連續油管管內摩阻太大，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

在對前期壓裂施工數據進行總結分析的基礎上，結合排采資料分析，對壓裂規模進行確定。

(1)施工排量：噴砂射孔時，注入排量須保證噴射的砂漿能夠射開套管，根據水力噴砂射孔實驗數據：砂漿的流速應達到120m/s(本次施工為150m/s)以上，同時噴射的時間應為12～16min，此時噴砂射孔的效果最好，液體的利用效率也最高，具體施工時根據流速、噴嘴孔數和噴孔截面積計算獲取噴砂射孔時的施工排量；

(2)加砂強度：根據已排采產氣井的施工數據進行分析得出加砂強度較大時產氣量也較高，同時為控制成本，加砂強度不宜過高，每米射孔段加砂量5～10m3。

(3)加砂梯度(平均體積比)：壓裂施工設計原則采用由低到高分6～9個階梯進行加砂：前置液排量達到9m3/min后加入3～5個段砂塞，段砂塞目數為40～70目，砂比為3%～9%；攜砂液采用低到高分6～9個階梯進行加砂，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合理的范圍才能保證動態裂縫和支撐裂縫都能最優化。通過分析已排采井的壓裂施工數據，根據產氣井的施工數據，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，再考慮井網井距及主應力方向，同時考慮裂縫穿透比(一般來說最優的裂縫穿透比在0.4左右，也就是壓裂產生的裂縫半長與井距之間的比值為0.4，形成的動態裂縫長度至少在100m)，制定裂縫半長，從而決定壓裂規模。

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

2.8 施工情況分析

根據施工情況一覽表(見表1)可知，整體壓裂規模較好，總體砂量液量同以往單井壓裂3段差不多，平均單層花費時間為0.8天～1.5天，施工周期遠遠小于區塊填砂分層單層平均15天的周期時間。目前F-1井、D-1井已投產排采，均已經產氣，其中F-1井的日產量為周邊直井壓裂3段的日產量的3～5倍。

3 結論

(1)連續油管+底封拖動壓裂能夠實現對多個目的層段的快速分層壓裂，其施工周期短、對單層改造充分，對于具有煤層厚度大、層數多，需要進行多層壓裂改造特點的新疆煤層來說具有較好的適用性。

表1 連續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)比常規火攻射孔可以更有效的突破近井地帶的污染，更好的溝通儲層與井筒。

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

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