趙莊礦U 型煤層氣井壓裂方案研究與應用

陳 鑫

（晉能控股煤業集團趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

隨著礦井地質條件復雜多變，開采難度增加，特別是煤與瓦斯突出礦井成為困擾各類地層資源綜合開采的一個重要問題[1-2]。當前高瓦斯礦井通常采用“煤氣一體化”的多維開采模式，可實現煤與煤層氣資源共采，為礦山資源協同開發奠基[3]。本文主要介紹了趙莊井田ZX-SP-02H 井，將連續油管+分段壓裂技術成功應用于礦山煤層氣U 型井采氣工程，為晉城礦區煤層氣開采工程建設與運行提供了寶貴的現場實施與管理經驗。

1 U 型井選型及井況

煤層氣水平井型的優化設計不僅關系到水平井部署的合理性和科學性，更影響到煤層氣水平井儲層改造的配套工藝措施。目前煤層氣水平井包括多分支水平井、U 型對接水平井、L 型水平井、V 型水平井、U 型對接及多分支復合井型等。U 型對接水平井不受鉆井層位、完井方式的影響，井身結構選擇余地大。另外，對接水平井因其采用排采直井進行排采，對排采設備及排采工藝技術要求則相對較低。同時，該井型多了一口直井對目標地層的揭露，為水平井井眼提高控制程度多了一個點的數據支撐。

趙莊礦ZX-SP-02 井為一組U 型井，其包括一口遠端連通水平井ZX-SP-02H 井以及ZX-SP-02V直井。趙莊井田3#煤層位于山西組下部，上距 K8砂巖平均距離 37.39 m，下距K7 砂巖平均距離7.20 m，層位穩定。3#煤層煤的普氏硬度系數為0.44～0.60，煤層厚度平均4.69 m，煤層埋深介于300～1000 m。受區域構造的影響，煤層在強大的構造應力作用下發生搓揉、擠壓、變形，致使煤的結構、構造發生變化，煤層上下分層明顯，且具有明顯的分層界面。本井及其附近處于瓦斯富集帶，瓦斯絕對涌出量為236.85 m3/min，相對瓦斯涌出量為14.82 m3/t，煤層瓦斯壓力較大，該井具有瓦斯抽放潛力。ZX-SP-02井深1 626.00 m，水平段長度為827 m。直井ZXSP-02V 在二疊系山西組3#煤層采用洞穴完井，以實ZX-SP-02U 在該處對接。U 型井身結構如圖1。

圖1 ZX-SP-02U 型井井身結構圖

2 壓裂設計方案

2.1 連續油管分段壓裂技術

依據水動力學原理，可采用連續油管技術，借助噴砂射孔、環空加砂壓裂相結合的方式，能夠分別實現H 井及V 井分層、分段技術[4]。其中V 井分段壓裂技術包括連續油管拖動分段壓裂技術等[5]。

2.2 水平井壓裂技術

水平井壓裂方式就是根據測井資料、儲層物性特征、固井質量的好壞等因素，將水平井筒分割成幾個段落，然后對各個段落分別進行射孔、壓裂。段間距初步設計，分8 段進行分段壓裂施工。水平井分段壓裂工藝應用比較多的是水力噴射分段壓裂技術、橋塞射孔聯作分段壓裂技術。該技術具有封隔可靠、分段壓裂級數多等特點。射孔和壓裂的施工程序采用封隔一段、射開一段、壓裂一段的方式完成全井段壓裂，采用電纜傳輸方式，橋塞坐封和射孔作業一次性完成。

2.3 定向射孔工藝

ZX-SP-02 井水平段長度設計擬將水平段分為8段進行射孔和壓裂。其中射孔采用水平定向的方式進行射孔。由于ZX-SP-02 井鉆孔井眼軌跡位于3#煤層的頂板內，為了確保對3#煤層分段壓裂工藝技術的成功實施，射孔必須要求穿透鋼套管、水泥環和部分泥巖頂板，保證壓裂時裂縫在3#煤層中延伸。因此研究決定采用垂直向下的定向射孔方式進行射孔，保證煤層段壓裂施工的成功。水平井射孔定向采用內定向方式進行施工，采用水力泵送電纜傳輸方式進行射孔。射孔槍選擇95 型的射孔槍，配備127 型超深穿透射孔彈，孔密為12 孔/m（表1）。射孔后，取出的射孔器材上檢查的射孔彈發射率要求不低于95%，否則將重新定向補孔或射孔。

表1 ZX-SP-02 井定向射孔技術參數一覽表

封隔方式采用快速可鉆式壓裂橋塞封隔壓裂井段。本次施工擬采用水力泵送電纜橋塞坐封的方式實現封隔。待所有井段壓裂結束后，可采用螺桿鉆將橋塞統一鉆掉，溝通水平井眼和直井。本井為套管完井，分段壓裂工具選用快速可鉆式復合壓裂橋塞，第一段采用無通道式橋塞，后面7 段采用球籠式橋塞。橋塞下入方式為水力泵送。

射孔和壓裂采用電纜傳輸時施工程序：1）對水平井第一段實施封堵和射孔。采用水力泵送電纜傳輸方式將快速可鉆式壓裂橋塞和射孔槍送至水平井段最遠端，點火坐封和定向射孔，然后將射孔槍提出井筒。2）采用光套管方式，壓裂第一段。3）壓裂結束后，再次采用水力泵送電纜傳輸方式，將橋塞和射孔槍輸送到設計位置后點火坐封，對已壓開的第一段封隔，對第二段進行定向射孔。重復以上步驟，直至按設計要求完成壓裂全井段。壓裂結束以后，關井等待壓力擴散。

2.4 鉆井液類型及性能

鉆井液使用主要考慮鉆進過程中對井眼的穩定性，平衡安全高效鉆進和儲層保護的矛盾，制定合理的鉆井液方案。選取鉆井液主要依據巖土層類型、鉆進施工過程中可能發生井塌、沉砂卡鉆等現象。鉆井液性能參數見表2。一開鉆井主要為表層土地層的鉆進，使用低粘補充膠液；二開鉆井使用空氣錘鉆進，包括直井段、定向段；三開鉆井主要針對鉆井施工過程中易出現的問題進行預防。

表2 ZX-SP-02H 鉆井液性能參數表

一開開鉆前做好泥漿水化工作，往循環罐打入清水35 m3，用混合漏斗加入土粉2000 kg，HVCMC 50 kg，純堿50 kg。做好人工開鑿方形井，深度1.80 m，準備好開鉆。鉆進過程中儲備生產用水，根據鉆井液的損耗情況，使用低粘補充膠液以保證足夠的鉆井液量。鉆進結束，進行大排量循環井底，修整井壁。

二開鉆進，直井段60.00～251.00 m 使用空氣錘鉆進，再往下采用聚合物鉆井液鉆進。鉆井液保證保持低密度固相、攜砂、井壁穩定等效果。二開前往循環罐內注入清水20 m3，經混合漏斗加入成分：K-PAM 150 kg，LV-CMC 100 kg， 并 加 入NaOH 100 kg，充分循環溶解，泥餅0.5 mm，pH 值為9，將失水控制在5 mL 以內，改善泥餅質量，增強其潤滑性。嚴格按時監測泥漿性能，分析砂樣與返出鉆屑，確保配制出能滿足井下需要的鉆井液體系。鉆開煤層后振動篩返出煤屑均為碎片狀，井壁和鉆井液性能都很穩定。二開完鉆后用1 t 土粉和50 kg HV-CMC 配置成黏度為90 s 的封閉液7 m3打入井底，確保了二開下技術套管的順利。下完后循環鉆井液，為固井工作做好準備。

三開鉆進中合理制定鉆井液施工參數，合理調整鉆井液性能。加入防塌潤滑劑等提高鉆井液的潤滑、防卡性能，每次下鉆到底后循環鉆井液，先小排量頂通水眼建立循環后再逐漸提高排量，使環空保持暢通，鉆進過程中加強鉆井液液面及返砂監測。

3 壓裂現場試驗

一開鉆進采用Φ374.7 mm 鉆頭，采用塔式鉆具組合，鉆進至20.00 m 遇基巖。鉆進至60.00 m，一開完鉆。下表層下入套管6 根，套管總長58.40 m，下深60.00 m，套管出地高-1.60 m。再固井，注隔離液2.0 m3，注G 級水泥7.0 t，水泥漿量6.0 m3（密度1.85 g/cm3），采用水泥漿替清水2.00 m3。

二開鉆井前，往循環罐內注入清水20 m3，經混合漏斗加入K-PAM 150 kg，LV-CMC 100 kg，并加入NaOH 100 kg，充分循環溶解均勻，完鉆后用1 t 土粉和50 kg HV-CMC 配置成黏度為90 s 的封閉液7 m3打入井底。鉆水泥塞，水泥塞塞面40.00 m，塞厚20.00 m。二開上直段采用空氣鉆鉆進，二開上直段鉆進至251.00 m，遇巖層出水，影響鉆井進度，增加用鉆井液鉆進，鉆進至井深380.00 m。起鉆，直井段電測。使用Φ241.3 mm 鉆頭導眼段鉆進，至井深846.00 m，打水泥塞回填，回填井段385.00～846.00 m，候凝48 h。下鉆探鉆水泥塞，開始自井深553.00 m 側鉆鉆進。井深714.00 m，垂深629.32 m 鉆遇3#煤，鉆進至井深799.00 m，二開完鉆后測多點。下技術套管，技套數據：Φ193.7 mm技術套管72 根，總長796.72 m，下深798.12 m，阻位785.91 m，套管出地高-1.40 m。進行技術套管實施過程，固井作業時注入隔離液3.00 m3，G 級水泥15 t，水泥漿量12.0 m3，水泥漿密度平均1.80 g/cm3，替漿19.40 m3，碰壓15 MPa。隨后進行套管試壓，試壓數據：井口清水加壓15 MPa，穩壓30 min，壓降為0 MPa。候凝48 h 后二開完。

進行三開前鉆水泥塞。實探塞面位置786.12 m，鉆完水泥塞，起鉆。鉆進至井深1 611.00 m 水平井與直井連通，連通時水平井振動篩泥漿失返2 min，消耗泥漿2.5 m3，泵壓下降1 MPa，同時直井返氣返水現象明顯，連通后繼續鉆進至井深1 626.00 m。每次結束后，采用掃塞洗井，具體為Φ118 mm 單牙輪鉆頭+接頭（230 mm×210 mm）+Φ73 mmDP×167 mm。 下生產套管，共下入Φ139.7 mm 套管158 根，總長1 607.99 m，下深1 608.39 m，套管出地高-0.40 m。開始環空替清水作業，共替清水230.00 m3，隨后下入組合鉆具進行通井作業，通井至連通點，無遇阻現象，起鉆，并拆卸井口防噴器，安裝井口完井。

施工完鉆井后，進行水平井完井管柱研究，煤層氣U 型對接水平井完井管柱通常采用“浮鞋+套管+浮箍+套管串”的完井管柱結構。這種完井管柱存在諸多問題，如水平井筒下部固井水泥漿頂替效率低、單向閥易失效、固井質量差以及固井水泥漿容易竄至直井洞穴等問題。鑒于上述問題，本次示范工程完井管柱優化為“引鞋+短套管（內置水泥塞）+套管+篩管（短套管）+浮箍+短套管+關井閥+套管串”的完井管柱結構（如圖2 所示）。固井水泥漿通過篩管（篩眼螺旋布置）向水平井井口循環，一方面可以提高套管環空頂替效率，另一方面增加了篩管前段緩沖距離，避免固井水泥漿竄至排采直井洞穴。此外，為了增加水平井段套管居中度及下入難度，扶正器采用滾輪扶正器，通過模擬優化扶正器間距為20～30 m。水平井完井管柱示意圖如圖2。

圖2 水平井完井管柱示意圖

4 試驗效果分析

ZX-SP-02U 型井方案研究實施后，依據不同階段測試要求，壓力計數據提取測試過程分別為：下井階段及注入測試0～12 h，每10 s 采1 個數據點；壓降初期0～3 h，每2 s 采一個數據點；3～8 h，每5 s 采一個數據點；8～20 h，每10 s 采一個數據點；壓降后期每20 s 采一個數據點。原地應力測試全過程，每1 s 采1 個數據點。ZX-SP-02U 型井下測試管柱記錄如表3。整個測試過程封隔器坐封壓力為15.50 MPa。

表3 ZX-SP-02U 型井下測試管柱記錄

累計注入時長12 h，關井壓降時長1 d，地面最大注入壓力1.00 MPa。注入從較低的地面注入壓力開始，保證在注入時間內，最大注入壓力低于煤層破裂壓力。在維持排量相對穩定的情況下，持續注入12 h 后，井下關井測試井底壓力恢復情況。根據ZX-SP-02 井3#煤層測試的數據資料分析出的煤層滲透率值為2.31 md。通過ZX-SP-02 井3#煤層資料的滲透率與該地區同煤層進行比較，得出滲透率屬于正常范圍，儲層壓力為3.53 MPa，壓力梯度值為4.61×10-3MPa/m。現場壓裂實踐表明，定向射孔＋分段壓裂工藝施工結果由于滑套及連續油管壓裂方式；采用大排量（8 m3/min 左右）、大砂量、中砂比（攜砂液平均砂比 15%左右）的大規模水力壓裂方式適合趙莊井田的煤儲層增產改造。

5 結論

本井屬于煤層氣遠端連通水平井，完井方法為套管完井（不固井），采用連續油管+分段壓裂工具進行分段壓裂。該項技術在試驗井的現場得到了成功應用，全井井身質量及固井質量符合設計要求，將水平段軌跡控制在3#煤層頂界以上0～2 m 的范圍內，水平段長800 多米，分8 段進行壓裂，成功實現了煤層與井筒之間的有效溝通。試驗證明該技術穿透能力和定向效果較理想，對晉城礦區的地面煤層氣開發具有良好的借鑒意義。