煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法

毕延森 高德利 鲜保安

摘要：水平井煤层伤害后渗透性差、常规分段水力射流间距长，为提高近井壁煤层渗透性，优化设计了弹簧-液压式封隔器与注液短节，提出了以筛孔为喷嘴的煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法。建立了单个筛孔径向射流破岩计算模型和近井壁煤岩增透渗流增量比计算模型，优化设计了筛管孔密、筛孔出口流速和射流排量，分析了井壁煤岩固相侵入带与滤液侵入带的渗透率比值Kγ、固相侵入带深度Hs 对渗流增量比的影响规律。研究结果表明，弹簧-液压式封隔器采用了无骨架式胶筒、径向滑块和强力弹簧设计，解决了密集分段径向射流工具在筛管内的高频次封隔稳定性难题，实现了煤层气水平井筛管完井与射流增透一趟钻；在Hs=3.5 cm、Kγ=0.01 条件下，筛孔径向水力射流间距减小为筛孔间距0.05 m，水平井段煤岩渗流增量比增加5.5%，实现了煤层水平井段密封分段径向射流增透作业。研究结果为解决采用筛管完井的煤层气水平井储层伤害难题提供技术指导，为近井壁煤岩增透作业提供理论支撑。

关键词：煤层气；水平井；密集分段；筛管完井；渗流增量比

中图分类号：TE257 文献标识码： A

0 引言

针对我国煤层低压、低渗以及强非均质性等特征，高德利等［1］阐述了适用于我国煤层气高效开发的水平井钻完井技术与适应性。水平井分段压裂是原生低渗透煤层的有效增产技术［2］，但是难以在煤体结构严重破碎变形的煤层形成有效的体积裂缝［3］，压裂后产出大量煤粉导致后期频繁修井，严重影响单井煤层气的稳定和连续生产。因此，针对天然裂缝发育、渗透性较好、含气量高的复杂结构煤层，水平井段筛管完井后下入油管循环洗井，降解钻井液高分子材料，冲刷井壁残余滤饼。上述方法只处理了水平井眼内钻井液和井壁外滤饼，但是未消除近井壁煤储层伤害，井壁煤岩裂缝堵塞问题依然存在［4］。

水平井双管柱筛管完井增透技术可在筛管下入过程中通过内管柱建立水力循环消除由于煤屑堆积造成的完井管柱遇阻，辅助活动管柱方法解除完井管柱阻卡，提高了复杂煤体结构煤层水平井筛管完井成功率［5］，通过筛管内旋转射流穿透筛孔消除了近井壁煤层伤害，提高了构造煤层水平井单井产量［6］。鲜保安等［7］通过实验研究对煤层水平井双管柱完井技术消除井壁煤岩伤害与增透机理进行了研究分析，但未对增透效果进行量化评价。现有水平井双管柱筛管完井增透技术配套的旋转喷头在筛管内旋转喷射，喷嘴射流穿透筛孔后才能径向冲击井壁，并在井壁形成漫流，提高了井壁滤饼清除效果，同时对井壁煤岩裂缝进行解堵与增透，但是增透效率较低。

水射流技术早在20 世纪五六十年代开始应用于油气井完井和增产，逐步形成配套设备与工艺，针对国内煤层低压、低渗特征，相关学者开展了水射流破岩及裂缝扩展研究［8］，开展了煤层气水平井水射流增产现场试验［9］。杨睿月等［10］提出了采用水力喷射对水平井段煤层进行分段造穴的方法，释放煤层应力并提高渗透率，实现储层增产。煤层气水平井水力喷射［11］采用的喷枪本体长为500 mm，外径92 mm，安装有6 个喷嘴，对近井壁煤岩穿透深度大，有效解除近井壁煤层伤害，增加了渗透性。但该技术现场应用对1 000 m 水平井段煤层分10 段（20 簇，簇间距10 m） 进行水力喷射，未对段间距（60.3～318.0 m） 内煤岩直接水力喷射；同时，常规水力喷射需要在完井作业完成后重新下入喷枪等工具穿透套管后对井壁煤岩进行水力喷射，未实现完井管柱下入与水力增透作业一趟钻［12］。

学者对高压水射流冲击破岩的力学特征进行研究，程树范［13］采用LS-DYNA 建立了水中高压水射流成孔的数值模型，模拟了射流成孔过程，结果表明随射流速度增加，成孔深度显著增加后缓慢趋于稳定，射流速度对成孔直径与射流直径之比的影响不显著。Xiao 等［14］通过室内实验研究了水射流冲击破碎煤产生的应力波规律，揭示了煤岩的破坏模式和断裂特征；葛兆龙等［15］采用扫描电子显微镜、CT 和核磁共振技术分析高压水射流作用下煤岩破坏形式及微观变化，结果表明煤体以纵向劈裂为主要破坏形式，冲蚀后大孔隙增长8 倍；真三轴条件下水射流破碎煤岩模式为压剪破坏［16］。胡强法等［17］利用流体力学方法开展了旋转喷头射流工具水力参数优化及工具优选。穆朝民等［18］通过理论推导、数值模拟及模型试验等方法研究了高压水射流对煤岩的损伤机制、破碎强度，分析了煤体破碎区与扩展区的力学特征［19］。理论与实验研究主要基于现有水射流工具与技术，未见双管柱筛管分段筛孔径向射流破岩计算模型，近井壁煤岩射流破碎强度未考虑围压影响。

1 方法过程

基于煤层气水平井双管柱筛管完井、分段水射流增透技术，优化设计弹簧-液压式封隔器和注液短节，提出煤层气水平井以筛孔为喷嘴的密集分段径向射流增透方法，减小水平井段井壁煤岩钻井液伤害与水力射流分段间距，实现完井增透“一趟钻”作业。基于现有煤层气水平井井身结构及新疆阜康地区煤岩力学与物性参数等，建立水平井筛管径向射流与渗流增量比计算模型，优化筛管径向射流技术参数，量化评价增透效果。