限流压裂工艺在织金煤层气开发中的应用

曾毅

（西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

目前织金工区煤层气主要开采层集中在6#、7#、17#、20#、23#、27#、30#等，层间距离小则几米，大则上百米，层间的地应力差异变化大。仅进行单层压裂改造不能获得理想的增产效果，希望通过有效的多层压裂改造，减少压裂作业次数，实现单井多层采气，最大限度地提高单井产能。

多层分层压裂包含多种技术手段，常规方式有：填砂、限流、投球、桥塞和工具封隔等分层压裂技术。近几年快速发展了两种技术：水力喷射和封隔器配合滑套分层压裂技术[1]。根据织金地区煤层埋深、厚度、煤层数量和层间距的特点，综合工艺难度、施工周期和费用等因素，开展了系统的多层压裂工艺技术研究。

1 多煤层分压工艺研究

1.1 填砂压裂

填砂分层压裂是通过对已压开的下层填砂砾封堵，再压上层的压裂方式（图1）。填砂的方式有两种：①压后探砂面，填砂到指定高度；②采用欠顶替的方式填砂。若采用欠顶替的方式，则可以通过顶替前的砂比，计算满足砂面的顶替液量：

式中：V顶为顶替液量，m3；Voriginal为煤顶部需要的顶替液量，m3；H1为人工井底深度，m；H2为煤层顶部深度，m；V（t）是砂比，%（假设石英砂的密度是1.65 g/cm3）。

图1 织4井填砂压裂示意图Fig.1 Sand pack fracturing sketch of well Zhi-4

1.2 分层管柱压裂

该技术的工具组合是在最下部安装坐封球座和压差滑套，往上是封隔器和投球滑套等。根据需要压裂的层数决定投球滑套、封隔器的数量及组合情况。在组合管柱下入井中并准确定位后，先投球坐封，压裂最下部的层段，然后再投球打开第一级滑套并封堵下部层位，压裂第二段（图2）。

图2 多煤层分层压裂管柱Fig.2 Layer fracturing string of multiple seams

1.3 水力喷射分层压裂

1.3.1 工作机理

水力喷射分层压裂是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施。利用专用喷射工具产生高速流体穿透套管和岩石，形成孔眼，随后流体在孔眼底部产生高于破裂压力的压力，造出单一裂缝。水力喷射裂缝一旦形成，由于喷嘴出口周围流体速度最高，其压力就最低，流体就会自动泵入裂缝而不会流到其它地方。环空的流体也会在压差作用下进入射流区而被吸入地层。水力喷射压裂利用动态分流技术成功解决了裂缝的定位控制问题，通过流体的动态运动让其进入地层的特定位置而不使用任何机械密封装置。

1.3.2 工具组合

水力喷射压裂工具组合是水力喷射压裂中的关键部分，主要由扶正器、喷枪、单向阀和筛管组成（图3）。

1.4 投球分层压裂

投球选层压裂是一次性连续完成多个含油气层段常采用的一种分层加砂压裂工艺技术。其工作原理是：由于气层（两层以上）之间的破裂压力存在着差异，在压裂施工时，首先将破裂压力低的层段压开并加砂施工后，投入一定数量的尼龙球将己经加砂施工层段的射孔孔眼堵住，使压裂液截流造成井内压力升高，将破裂压力相对较高的层段压开并加砂施工。依此方式逐层进行施工，直至完成井内多层的加砂压裂施工。压后井底压力下降，堵球在孔眼内外压差作用下脱离孔眼，通过洗井或随自喷油流带出地面或落入井底[2]。

图3 水力喷砂压裂工具示意图Fig.3 Schematic diagram of sand jet fracturing tool

1.5 限流法压裂

限流法分层压裂工艺是一种一次施工压开多层段的分压方法。限流压裂的目的是：①多个欲处理层段实现同时处理；②通过限流布孔可控制裂缝向垂向方向的过程延伸。工艺成功的关键在于克服层间地应力差异。

为达到一次施工同时压开多层的目的，必须在各层段限制射孔孔眼数和直径。有限的孔眼数和孔径所产生的摩阻使井底压力迅速提高，并超过所有层段的破裂压力和缝内净压力，达到同时压开每一层段的目的。限流法压裂主要依据孔眼摩阻来调节各目的层之间的由于最小水平主应力不同而导致破裂的不同时性，使之同时破裂并进一步延伸[3]。由于要依靠孔眼摩阻调节来达到一次施工压开多个层段的目的，就要求准确了解各目的层之间的最小水平主应力值，在射孔孔眼布置设计时，就要依据最小应力剖面。对于地应力较低的层段，相应的孔数要少些，对于地应力较高的层段，相应的孔数要多些，这样结合最小水平主应力剖面，适当改变每个层段的射孔数及孔眼直径，就可以达到一次压裂施工同时压开多层的目的。因此，限流法压裂对层间地应力差没有明确限制，但也不能差异太大，隔层厚度一般在20～40 m最适宜。

1.6 多煤层压裂工艺优选结果

不同的压裂方式适用于不同的地层条件，主要以煤层的最小主应力剖面来确定相应的压裂方式，隔层厚度也是需要考虑的因素。对各压裂方式的特点、所使用的地层条件和使用的局限性进行总结和比较，结合织金地区多煤层的特点和实际情况来进行压裂方式优选。

从图4中可以看出，织金区块煤层埋藏较浅、煤层跨度小、应力差异较小，采用限流压裂既能克服多层合压改造不均衡的劣势，又能保证现场施工的进度，满足织金区块施工的需求。

图4 多煤层压裂工艺选择图版Fig.4 Schematic diagram of multiple seam fracturing technique

2 多煤层限流压裂设计及应用

2.1 限流压裂基本方程

在压裂施工过程中，压力系统存在着如下关系[4]：

式中：PBHTP为井底施工压力，MPa；Pw为井口压力，MPa；ΔPf为管线摩阻；ΔPef为孔眼压差，MPa；ΔPfe为裂缝的进入摩阻，MPa。

式（2）中ΔPfe≈0。对于深度相差不大的几个层段，Pw、Ph、ΔPf在同一次施工中几乎一致，所以须通过调整ΔPef来实现各层不同的井底施工压力。根据Crump的研究，ΔPef的计算如下：

式中：q为排量，m3/min；ρ为压裂液密度，kg/m3；n为射孔数目；cd为孔眼流量系数；d为孔眼直径，mm。

由于携砂液的泵注，射孔孔眼受到支撑剂的冲蚀磨损，孔眼结构和孔径变化明显，孔眼摩阻随之降低。Cramer通过实验建立了水力孔眼直径和流过孔眼支撑剂总量的线性方程式，考虑到压裂液黏度、排量、砂浓度及孔径对孔眼摩阻的影响，郭建春等人建立了孔眼直径磨蚀的微分表达式：

式中：dH为冲蚀后的水力孔眼直径，cm；dhinitial为冲蚀前的孔眼直径，cm；q（t）为携砂液排量，m3/min；v（t）为砂浓度，kg/m3；t为携砂液泵注时间，min。cd表征携砂液通过射孔孔眼的能力，一般前置液阶段取0.50～0.60，携砂液阶段取0.80～0.95。

EIRabba通过实验方法建立了施工中不同类型压裂液流经孔眼的流量系数，以及携砂液流量系数计算公式，以便准确计算施工过程中的孔眼压降。

2.2 限流压裂设计

图5 织8井多煤层应力剖面Fig.5 Stress profile of multiple seams of well Zhi-8

以织8井为例，进行垂直裂缝限流法压裂设计。如图5所示，3-1#、3-2#、6-1#、6-2#煤层间的应力差异较小，因此，采用限流压裂设计时，射孔数量分配差异小，以均匀分配为主。

根据应力剖面计算结果，对比多煤层压裂采用常规射孔和限流射孔的差异，并模拟不同布孔方案对煤层水力裂缝剖面的影响，优化最终的射孔方案。

表1是模拟织8井压裂效果选用的压裂参数，表2是常规射孔方案下的模拟结果（16孔/m）。从表2、图6中可以看出，由于各煤层主应力差异不大，3-2#煤层、紧邻的6-1#与6-2#煤层射孔数较多，产生的裂缝支撑半长相对较长。若要减小这两层的裂缝长度，需减少射孔数。同样，若要改变支撑缝宽和缝高，也可通过改变射孔数来实现。调整后的射孔方案，压裂能达到多个煤层均匀改造的目的。模拟结果见表3及图7。

表1 模拟织8井压裂施工参数Table 1 Simulatedfracturing construction curve of well Zhi-8

表2 常规射孔方案及模拟结果（16孔/m）Table 2 Conventionalperforation plan and simulation results(16 eyes per meter)

表3 限流压裂射孔方案及模拟结果Table 3 Limited entry perforation plan and simulation results

图6 采用常规射孔压裂模拟Fig.6 Simulateddiagram of conventional perforation

2.3 限流压裂现场应用

2012年8月18日，在织8井实施限流压裂。

前置液用量360 m3，携砂液用量394 m3，施工排量8.0 m3/min，施工压力36 MPa左右，停泵压力25.5 MPa，该井共用液 767.9 m3，加砂 50 m3，平均砂比11.4%。

织8井为多煤层压裂，煤层跨度41.3 m，具有一定的应力差值，因此，采用限流压裂，控制射孔数25个，以大排量施工。从施工曲线上看（图8），起泵之后压力呈现“锯齿”状，有明显的独立射孔眼被压开显示。为保证每条裂缝都能尽可能延伸，施工时放大了前置液以及低砂比携砂液量，尽可能保证各煤层段都得到改造。

图7 织8井采用限流射孔设计模拟Fig.7 Simulated diagram of well Zhi-8 by limited entry perforation

图8 织8井压裂施工曲线Fig.8 Fracturing construction curve of well Zhi-8

3 结论和建议

1）织金区块煤层埋藏较浅、煤层薄，合层压裂、限流压裂、投球压裂、填砂逐层压裂工艺依赖煤层应力差值或煤层跨度进行优化。

2）限流压裂要求煤层应力差异小（＜5 MPa），但施工周期较短，一趟可完成多煤层压裂。

3）限流压裂施工工艺通过优化射孔，减少孔密，在一定程度上节约了投资成本。

4）限流压裂在织8井的应用，证实了限流压裂工艺技术是提高织金区块增产效果的有效技术手段，值得进一步推广应用。

[1]中联煤层气有限责任公司.中国煤层气勘探开发技术研究[M].北京：石油工业出版社，2007.

[2]李安启，姜海，陈彩虹.我国煤层气井水力压裂的实践及煤层裂缝模型选择分析[J].天然气工业，2004，24（5）：91-94.

[3]张新民，庄军，张遂安.中国煤层气地质与资源评价[M].北京:科学出版社,2002.

[4]张亚蒲，杨正明，鲜保安.煤层气增产技术[J].特种油气藏，2006，13（1）：95-98.