水力噴砂射孔拖動壓裂在煤層氣開發中的應用*

張 勇，何宜霏，李 民，王艷峰，于澤蛟

(漾泉藍焰煤層氣有限責任公司，山西 晉中 045300)

0 引言

左權某區塊的煤層氣井共有5～6層薄煤，煤層厚度為0.5～1 m。本區塊利用多煤層的地質優勢，采用分壓合采的方式，以實現多煤層壓裂共同開采煤層氣，提高單井產氣量的目的。傳統壓裂方式需要提前射孔，且使用彈槍射孔技術溝通煤儲層，會造成近井地帶的污染及傷害[1-4]，而水力噴砂射孔拖動壓裂技術，不僅可以同步實現射孔和壓裂的作業目的，還可以加快工程施工進度[5-7]。因此，要對其工作原理和施工流程進行探究，優化施工參數，更好地發揮工藝優勢，并在現場成功應用。

1 水力噴砂射孔拖動壓裂工藝

1.1 工藝流程及原理

水力噴砂射孔拖動壓裂技術工藝流程，即先噴砂射孔作業、目的煤層壓裂施工和拖動壓裂管柱至下一目的煤層重復射孔、壓裂施工3個施工階段[8-11]。首先把壓裂管柱及射孔槍等設備下至壓裂改造目的煤層處，利用地面高壓泵車將一定比例的攜砂液泵送至射孔槍，以較高的速度射出噴嘴，再次增加沖流壓力和能量，不斷對套管和固井水泥環做沖蝕、消磨作用，形成一定規格的孔眼導通煤儲層，實現射孔的目的[12-15]。具體應用中，是立足于動量和沖量定律，借助高壓泵提供壓力，將壓裂液和含磨料液體經過噴嘴轉化為具有一定動量的液流，在遇到套管和巖層等障礙物后可以實現沖量做功。隨后的壓裂采用油套共注的方式施工，從油管注入活性水壓裂液，從套管注入攜砂壓裂液，各保持一定的流量和壓力，在此壓裂過程中，套管壓力和油管壓力需要有一定的壓力差，確保煤儲層下面封隔器有效坐封，隔絕已壓裂完成的煤層，實現壓裂施工互不影響的目的。壓裂的目的就是將添加的支撐劑等物質填充到壓裂縫隙中，通過水力降壓作業，將支撐劑等物質滯留在裂縫中，以此實現壓裂改造地層、提升地層滲透性，以及為煤層氣的產出提供良好的通道。最后，壓裂施工完成之后，按設計上提拖動壓裂管柱至下一壓裂目的煤層，重復以上射孔、壓裂程序，從下往上，逐層壓裂改造目的煤儲層。

1.2 工具組合

水力噴砂射孔拖動壓裂技術的工具組合由下至上為導向絲堵、油管短接水力錨、封隔器、扶正器、噴槍、扶正器、油管短接、油管、安全接頭、加厚油管，具體如圖1所示。噴槍，是噴射壓裂核心部件，聚集高壓能量轉化為動能，獲得沖擊力以及環空液力分隔。水力錨，是噴砂壓裂施工時通過水力錨作用防止管柱上下竄動。扶正器，是使噴槍位于中心位置，減少工具擺動，避免因撞擊造成損壞。安全接頭，是當其下面管柱遇卡時，可將其上面管柱正旋倒扣丟手，取出上部管柱，并對下端沖砂打撈。

圖1 水力噴砂射孔拖動壓裂工具組合

1.3 具體施工步驟

通井及刮削：用通井規和刮管器分別對井壁通井和刮管，然后洗井。目的是保證壓裂管柱可以順利下至目的層位，以及封隔器可以有效坐封，保持井內干凈。

下射孔及壓裂工具組合：丈量好管柱組合后，按設計下入預計深度，確保噴槍可正對目的煤層。

試壓：對套管和油管的地面管匯進行壓力測試，其要求承受能力分別為45 MPa和50 MPa。

低替、坐封和驗封：首先用壓裂液置換出井筒內的液體，然后對油管打壓至20 MPa，確保封隔器可以完全坐封，最后關閉套管閥，泵入少量壓裂液，若油壓和套壓同時升高，驗證坐封成功。

噴砂射孔：從油管注入壓裂液，壓力升高至穩定時加入一定比例的砂，噴砂射孔約20～30 min，壓力有明顯下降時，停止泵入攜砂液，射孔成功。

洗井：采用正洗井的方式清洗井內管柱，把射孔時殘留在近井處的射孔砂、水泥環渣等雜物清洗出井外，暢通壓裂通道，以及確保施工安全。

壓裂：采用油套共注的方式壓裂施工，從油管注入無砂壓裂液，套管注入攜砂液。當油套壓差大于8 MPa封隔器完全坐封后，按照設計壓裂施工。

停泵、測壓降：壓裂完成后，關閉閥門觀察壓裂變化情況，待其壓力基本穩定結束。

放噴壓裂液：提前連接好放噴管線，按設計要求放噴壓裂液，并做好現場記錄。目的是疏通壓裂通道，分析、評價壓裂效果。

最后，拖動噴砂射孔、壓裂管柱組合至下一目的煤層，重復以上施工步驟。

2 現場應用

2.1 案例概況

選取左權ZYHY-07煤層氣井進行技術應用分析，該井是一口地面垂直井，套管完井的方式，開采主要目的煤層有15號、14號、13號、10號、8號、9號煤層，屬于單井多煤層共采的煤層氣井，采用噴砂射孔拖動壓裂方式進行儲層改造，管柱示意圖如圖2所示。

圖2 ZYHY-07井壓裂管柱示意圖

2.2 施工過程及注意事項

施工過程：具體施工中，從下往上逐層壓裂煤層，壓裂15號煤層無需封隔器分隔，采用光套管壓裂方式壓裂，從14號煤層開始采用噴砂射孔壓裂方式壓裂。按以上步驟，將射孔壓裂工具組合下至14號煤層，開始施工。噴砂射孔參數見表1，共計用砂量2.98 m3，壓裂液量66 m3，施工壓力由49 MPa降至35 MPa。壓裂參數見表2，共計使用砂量10.28 m3，壓裂液272.5 m3，停泵壓力6.9 MPa，測壓降30 min后壓力降至5.32 MPa。緊接著進行放噴排液作業，達到壓裂作業目的。

表1 ZYHY-07井14號煤層噴砂射孔參數

表2 ZYHY-07井14號煤層壓裂參數

注意事項：需要注意射孔完成后正洗井時，必須清洗干凈，避免上提拖動工具組合時，造成砂卡事故。一般壓裂3層之后，噴槍一定程度上受損，要進行更換噴槍設備，檢查井下壓裂工具組合。由于ZYHY-07井8號和9號煤層相距1.3 m，兩層煤基本處于同一壓力體系，可以在以上工組組合上增設一個噴槍，分別放置兩煤層相應的位置，實現兩層煤共同射孔、壓裂，且不受影響。

3 結語

針對多煤層、薄煤層的煤層氣井，噴砂射孔拖動壓裂技術有很強的適用性，可以大大提高工作效率。與常規水力壓裂相比，該技術不僅減少了上下管柱、填砂等施工程序，還節約了近3倍的壓裂施工成本。通過現場實踐，噴砂射孔拖動壓裂技術成功應用，并總結了實施過程中遇到的問題和要點，為以后煤層氣的開發和工藝技術應用打下了良好的基礎。