煤层气水平井油管拖动分段喷砂压裂工艺实践

连小华 张全江 梅永贵 毛生发 王青川 陈世亮

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司, 山西 048000；2.中国石油天然气集团公司渤海钻探工程公司第二录井分公司,河北 062552)

煤层气水平井油管拖动分段喷砂压裂工艺实践

连小华1张全江1梅永贵1毛生发1王青川1陈世亮2

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司, 山西 048000；2.中国石油天然气集团公司渤海钻探工程公司第二录井分公司,河北 062552)

文章提出了“分段喷砂压裂”的技术思路，针对筛管完井的水平井，通过单喷枪和双封隔器拖动分段造穴工艺，能够在水平段形成多个洞穴，并将煤渣煤屑返排出地面，地层应力得到了有效释放，为单井增产提供基础。针对套管完井的L型水平井，通过油管拖动分段喷砂压裂工艺，能够在增大储层改造面积的同时，保证主支与分支的联通，很好的改善储层渗透性。

分段喷砂压裂 单喷枪拖动 双封拖动 底封拖动 水平井

华北油田在沁水盆地煤层气矿权面积5169km2，资源量约1.08万亿m3，探明储量2189亿m3。郑庄区块位于沁水盆地南部晋城地区，主体部分位于山西省沁水县境内。地面主体为丘陵、山地，海拔600～1000m，埋深800～1000m，区内的主要生产层位是太原组和山西组的15号和3号煤层，煤层含气量一般大于18m3/t，平均渗透率为0.05mD，属于特低渗透区块，如何进行储层改造，如何提高特地渗透区块的单井产量，成为迫在眉睫急需解决的问题。

以往煤层气水平井井型主要是羽状多分支水平井，完井方式为裸眼完井，无法实施有针对性的储层改造措施。L型水平井是一种煤层气开发的新井型，由一段直井侧钻出一定长度的水平段，由于煤层特性，水平段不进行固井，通过在水平段下筛管或套管完井，目前通过下射流泵或无杆泵进行排采，无针对性的储层改造措施。在此基础上，提出了“分段喷砂压裂”的技术思路。

1 水平井分段喷砂压裂技术思路

1.1 工艺优选

目前常用的煤层气水平井压裂工艺有连续油管带底封拖动环空加砂压裂工艺和油管拖动分段压裂工艺。连续油管工艺适应各种井型，施工简便、安全性高的特点，但是费用较高，完成1口L型水平井分段喷砂压裂费用大约在800万元，不符合煤层气低成本开发的特点。基于节约施工成本和释放地层应力的考虑，提出了油管拖动分段喷砂压裂工艺，平均单井可节省资金600万元。

1.2 工艺原理

水力喷射造穴技术是结合了水力射孔和水力造穴的一种增产工艺，该技术原理基于伯努利守恒方程。

v2/2+P/ρ=C

(1)

该方程表明，利用动能和压能的转换原理，采用喷射原理形成喷孔和洞穴。安装在施工管柱上的水力喷射工具，产生高速射流切割筛管和煤层，在煤层内形成多个孔洞，而后通过反复蹩压、放压诱导煤层坍塌，再通过反复喷砂冲刷，使坍塌的煤岩被高速的喷砂射流破碎，完成造穴，造穴期间产生的煤粉返出地面。

水力喷射压裂是集水力射孔、压裂一体化的增产改造新技术，其机理是通过喷射工具喷射高速射流冲击套管或岩石，形成一定直径和深度的射孔孔眼，并在孔眼顶端产生微裂缝，降低了地层的起裂压力。射流继续作用形成增压，和环空压力叠加超过破裂压力瞬间将孔眼顶端处岩层压开。根据伯努利守恒方程，射流出口附近的流体速度最高，压力最低，环空流体在压差作用下被吸入地层，维持裂缝的延伸。

2 喷砂压裂工艺设计

2.1 设计思路

(1)采用拖动管柱的方式，施工完成一段后，待井口压力降落为0后，拆井口，拖动管柱至下一目的层，依次类推。

(2)针对筛管完井的水平井实施喷砂造穴工艺，在水平段井筒附近形成多个洞穴，释放储层应力。

(3)针对套管完井的水平井实施喷砂压裂工艺，在水平段进行加砂压裂，增大储层改造面积，提高储层渗透性。

(4)喷射基液选用清水，降低对地层污染。

(5)喷砂射孔选用20/40目石英砂，砂比小于10%。

(6)喷砂压裂选用20/40目、40/70目石英砂组合，起到较好的支撑效果。

2.2 喷砂造穴工艺

(1)双封隔器拖动喷砂造穴工艺

该工艺采用双封喷枪加洗井器的工具组合，管柱结构如图1所示，管柱工具结构如图2所示，通过双封隔器卡封筛管，在喷枪喷嘴和筛管孔眼的双重限流下使喷射液体集中作用于煤层，对水平段煤层进行充分的喷射改造，通过洗井器防止管柱砂卡。

图1 双封拖动管柱示意图

1—导向底球； 2—封隔器1； 3—喷枪；4—封隔器2； 5—洗井器图2 喷砂造穴管柱工具结构

(2)单喷枪拖动喷砂造穴工艺

采用油管接D83mm×1m常规喷枪喷射施工，每只喷枪均有6个喷嘴，喷嘴尺寸4.75mm，喷枪工具如图3所示。经过数值模拟计算，得到流速介于180～300m/s之间，压力不超过油管承受的限压，喷射形成最大直径不小于2m的洞穴，确定喷射排量为1.5～3.0m3/min。

图3 单喷枪实物图

(3)底封拖动喷砂压裂工艺

采用在分支与主支交汇点喷砂射孔的方式保证主支与分支的联通，在分支控制区域外水力喷射压裂对主支进行改造，以达到增大改造体积的目的。

分为底封拖动加砂分段压裂和喷砂射孔两个工序，下入管柱后封隔器完成坐封，先进行改造点施工，施工时采用油套混注，套管加砂压裂，油管补液，形成洞穴、喷孔及裂缝，加入40/70目和20/40目支撑剂组合进行支撑；然后进行水力喷砂射孔，喷射套管，使主支与分支联通，拖动管柱及效果示意图如图4，K541封隔器如图5所示。

图4 底封拖动管柱及效果示意图

图5 K541封隔器实物图

3 现场应用

3.1 双封隔器拖动喷砂造穴施工及效果分析

该工艺在FP1井应用，共完成10段压裂，注入压裂液410m3，该井施工后洗出煤屑7m3，目前日产气2400m3，套压0.4MPa，生产曲线见图6所示，具有较大产气潜力，取得了很好的改造效果。

图6 F6P1井生产曲线

3.2 单喷枪拖动喷砂造穴施工及效果分析

ZH5平1共施工8段，注入压裂液933.23m3，加砂8.58m3。共冲出煤屑约8m3，成功实现了煤层分段喷砂造穴，实施情况如表1所示。目前正在降流压阶段，流压4.9MPa。

3.3 底封拖动分段喷砂压裂施工及效果分析

ZH7平1-1井工施工喷砂压裂改造7段，喷砂射孔6个点，每段施工均顺利完成，共注入压裂液3633.23m3，加砂212.71m3，增大储层改造面积、改善储层渗透性的同时，保证了主支与分支的联通，整体增大储层改造的控制面积。目前处于解吸产气初期，日产气300m3，套压0.8MPa，流压1.54MPa，预期会有较好的增产效果。

3.4 存在的问题

由于煤层气L型水平井水平段未进行固井，因地层的非均质性，分段压裂时压裂液及支撑剂到达套管外部后未达到理想的均匀状态，建议持续进行工艺优化，进行水平段固井后实施油管拖动分段压裂改造，实现高效分段压裂。

4 结论及建议

(1)油管拖动分段喷砂压裂工艺在沁南郑庄区块L型煤层气水平井实践成功，为今后沁南煤层气水平井储层改造提供了一定的借鉴。

(2)油管拖动分段喷砂造穴工艺对筛管完井的L型水平井有较强的针对性，能够在水平段形成多个洞穴，并将煤渣煤屑返排出地面，地层应力得到了有效释放，为单井增产提供基础。

表1 ZH5平1井分段喷砂造穴实施情况

(3)油管拖动分段喷砂压裂工艺对套管完井的L型水平井有较强的针对性，能够在增大储层改造面积的同时，保证主支与分支的联通，很好的改善储层渗透性，为今后低渗区块规模开发提供指导意义。

(4)由于煤层气L型水平井水平段未进行固井，因地层的非均质性，分段压裂时压裂液及支撑剂到达套管外部后未达到理想的均匀状态，建议持续进行工艺优化，进行水平段固井后实施油管拖动分段压裂改造，实现高效分段压裂。

[1] 王猛，朱炎铭，李伍，等.沁水盆地郑庄区块构造演化与煤层气成藏[J].中国矿业大学学报，2012，41(3)：425-431.

[2] 曹新款，朱炎铭，王道华，等.郑庄区块煤层气赋存特征及控气地质因素[J].煤田地质与勘探，2011，39(1) ：16-19.

[3] 蔡路，姚艳斌，张永平，等.沁水盆地郑庄区块煤储层水力压裂曲线类型及其地质影响因素[J].石油学报，2015，36(s1)：83-90.

[4] 倪元勇，崔树清，王风锐，等.沁水盆地南部煤层气钻井工艺技术适用性分析及对策[J].中国煤层气，2014，11(2)：8-11.

[5] 董建辉，王先国，乔磊，等.煤层气多分支水平井钻井技术在樊庄区块的应用[J].煤田地质与勘探，2008，36(4)：21-24.

[6] 马发明.不动管柱水力喷射逐层压裂技术[J].天然气工业，2010，30(10)：25-28.

[7] 房启龙，刘红磊，赖建林，等.水力喷射分段压裂技术在延平1井的应用[J].油气藏评价与开发，2013，3(6)：76-80.

[8] 靳宝军，邢景宝，郑锋辉，等.连续油管喷砂射孔环空压裂工艺在大牛地气田的应用[J].钻采工艺，2011，34(2)：39-41.

[9] 任发俊，贾浩民，张耀刚，等.水平井水力喷射分段改造工艺在靖边气田的应用[J].天然气工业，2010，31(10)：57-60.

[10] 周鹏遥，杨向同，刘会锋，等.连续油管带底封喷砂射孔环空分段压裂技术在塔里木和田河气田的应用[J].油气井测试，2015，24(5)：49-51.

[11] 秦利峰，刘忠，刘玉明，等.水力喷射压裂工艺在郑庄里必区煤层气开发中的应用[J].中国煤层气，2016，13(4)：30-33.

[12] 姜德铭，王青川，谭金华，等. 水力喷射拖动分压工艺在水平井的应用[J].油气井测试，2012，21(6)：55-58.

[13] 严向阳，赵海燕，王腾飞，等.非常规储层水平井分段压裂新技术及适用性分析[J].油气藏评价与开发，2016，6(2)：69-73.

[14] 黄中伟，李根生，史怀忠，等.一围压下磨料射流喷射套管及灰岩实验研究[J].中国石油大学学报，2014，38(6)：86-89.

(责任编辑 桑逢云)

Practice of Tubing Drag Sand-blasting Staged Fracturing Process for CBM Horizontal Well

LIAN Xiaohua1, ZHANG Quanjiang1, MEI Yonggui1, MAO Shengfa1, WANG Qingchuan1, CHEN Shiliang2

(1. Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina Huabei Oilfield Co., Shanxi 048000； 2. No.2 Logging Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd., Hebei 062552)

The technical idea of “sand-blasting staged fracturing” is put forward in the paper. As to the screen completion of the horizontal well, single spray gun and double-sealing drag segmented cave building technology make it possible to form multiple caves in the horizontal section. The coal cinder can be discharged back to the ground and the formation stress has been effectively released, which provides the basis for increasing production of single well. As to the L-type horizontal well of casing completion, tubing drag sand-blasting staged fracturing technique can increase the reservoir reconstruction area and at the same time ensure the connection between main branch and branch, which will improve the permeability of the reservoir.

Sand-blasting staged fracturing; single spray gun drag; double-sealing drag; bottom-sealing drag; horizontal well

国家科技重大专项项目(示范工程)“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程” (2011ZX05061)；华北油田公司科研项目“水平井高效作业技术与应用”(2016-HB-M11)；山西煤层气分公司生产性科研课题“郑庄区块储层改造技术研究及应用”

作者简介连小华，女，硕士研究生，工程师，现主要从事煤层气井下作业相关研究工作。