水力喷砂射孔拖动压裂在煤层气开发中的应用*

张 勇，何宜霏，李 民，王艳峰，于泽蛟

(漾泉蓝焰煤层气有限责任公司，山西 晋中 045300)

0 引言

左权某区块的煤层气井共有5～6层薄煤，煤层厚度为0.5～1 m。本区块利用多煤层的地质优势，采用分压合采的方式，以实现多煤层压裂共同开采煤层气，提高单井产气量的目的。传统压裂方式需要提前射孔，且使用弹枪射孔技术沟通煤储层，会造成近井地带的污染及伤害[1-4]，而水力喷砂射孔拖动压裂技术，不仅可以同步实现射孔和压裂的作业目的，还可以加快工程施工进度[5-7]。因此，要对其工作原理和施工流程进行探究，优化施工参数，更好地发挥工艺优势，并在现场成功应用。

1 水力喷砂射孔拖动压裂工艺

1.1 工艺流程及原理

水力喷砂射孔拖动压裂技术工艺流程，即先喷砂射孔作业、目的煤层压裂施工和拖动压裂管柱至下一目的煤层重复射孔、压裂施工3个施工阶段[8-11]。首先把压裂管柱及射孔枪等设备下至压裂改造目的煤层处，利用地面高压泵车将一定比例的携砂液泵送至射孔枪，以较高的速度射出喷嘴，再次增加冲流压力和能量，不断对套管和固井水泥环做冲蚀、消磨作用，形成一定规格的孔眼导通煤储层，实现射孔的目的[12-15]。具体应用中，是立足于动量和冲量定律，借助高压泵提供压力，将压裂液和含磨料液体经过喷嘴转化为具有一定动量的液流，在遇到套管和岩层等障碍物后可以实现冲量做功。随后的压裂采用油套共注的方式施工，从油管注入活性水压裂液，从套管注入携砂压裂液，各保持一定的流量和压力，在此压裂过程中，套管压力和油管压力需要有一定的压力差，确保煤储层下面封隔器有效坐封，隔绝已压裂完成的煤层，实现压裂施工互不影响的目的。压裂的目的就是将添加的支撑剂等物质填充到压裂缝隙中，通过水力降压作业，将支撑剂等物质滞留在裂缝中，以此实现压裂改造地层、提升地层渗透性，以及为煤层气的产出提供良好的通道。最后，压裂施工完成之后，按设计上提拖动压裂管柱至下一压裂目的煤层，重复以上射孔、压裂程序，从下往上，逐层压裂改造目的煤储层。

1.2 工具组合

水力喷砂射孔拖动压裂技术的工具组合由下至上为导向丝堵、油管短接水力锚、封隔器、扶正器、喷枪、扶正器、油管短接、油管、安全接头、加厚油管，具体如图1所示。喷枪，是喷射压裂核心部件，聚集高压能量转化为动能，获得冲击力以及环空液力分隔。水力锚，是喷砂压裂施工时通过水力锚作用防止管柱上下窜动。扶正器，是使喷枪位于中心位置，减少工具摆动，避免因撞击造成损坏。安全接头，是当其下面管柱遇卡时，可将其上面管柱正旋倒扣丢手，取出上部管柱，并对下端冲砂打捞。

图1 水力喷砂射孔拖动压裂工具组合

1.3 具体施工步骤

通井及刮削：用通井规和刮管器分别对井壁通井和刮管，然后洗井。目的是保证压裂管柱可以顺利下至目的层位，以及封隔器可以有效坐封，保持井内干净。

下射孔及压裂工具组合：丈量好管柱组合后，按设计下入预计深度，确保喷枪可正对目的煤层。

试压：对套管和油管的地面管汇进行压力测试，其要求承受能力分别为45 MPa和50 MPa。

低替、坐封和验封：首先用压裂液置换出井筒内的液体，然后对油管打压至20 MPa，确保封隔器可以完全坐封，最后关闭套管阀，泵入少量压裂液，若油压和套压同时升高，验证坐封成功。

喷砂射孔：从油管注入压裂液，压力升高至稳定时加入一定比例的砂，喷砂射孔约20～30 min，压力有明显下降时，停止泵入携砂液，射孔成功。

洗井：采用正洗井的方式清洗井内管柱，把射孔时残留在近井处的射孔砂、水泥环渣等杂物清洗出井外，畅通压裂通道，以及确保施工安全。

压裂：采用油套共注的方式压裂施工，从油管注入无砂压裂液，套管注入携砂液。当油套压差大于8 MPa封隔器完全坐封后，按照设计压裂施工。

停泵、测压降：压裂完成后，关闭阀门观察压裂变化情况，待其压力基本稳定结束。

放喷压裂液：提前连接好放喷管线，按设计要求放喷压裂液，并做好现场记录。目的是疏通压裂通道，分析、评价压裂效果。

最后，拖动喷砂射孔、压裂管柱组合至下一目的煤层，重复以上施工步骤。

2 现场应用

2.1 案例概况

选取左权ZYHY-07煤层气井进行技术应用分析，该井是一口地面垂直井，套管完井的方式，开采主要目的煤层有15号、14号、13号、10号、8号、9号煤层，属于单井多煤层共采的煤层气井，采用喷砂射孔拖动压裂方式进行储层改造，管柱示意图如图2所示。

图2 ZYHY-07井压裂管柱示意图

2.2 施工过程及注意事项

施工过程：具体施工中，从下往上逐层压裂煤层，压裂15号煤层无需封隔器分隔，采用光套管压裂方式压裂，从14号煤层开始采用喷砂射孔压裂方式压裂。按以上步骤，将射孔压裂工具组合下至14号煤层，开始施工。喷砂射孔参数见表1，共计用砂量2.98 m3，压裂液量66 m3，施工压力由49 MPa降至35 MPa。压裂参数见表2，共计使用砂量10.28 m3，压裂液272.5 m3，停泵压力6.9 MPa，测压降30 min后压力降至5.32 MPa。紧接着进行放喷排液作业，达到压裂作业目的。

表1 ZYHY-07井14号煤层喷砂射孔参数

表2 ZYHY-07井14号煤层压裂参数

注意事项：需要注意射孔完成后正洗井时，必须清洗干净，避免上提拖动工具组合时，造成砂卡事故。一般压裂3层之后，喷枪一定程度上受损，要进行更换喷枪设备，检查井下压裂工具组合。由于ZYHY-07井8号和9号煤层相距1.3 m，两层煤基本处于同一压力体系，可以在以上工组组合上增设一个喷枪，分别放置两煤层相应的位置，实现两层煤共同射孔、压裂，且不受影响。

3 结语

针对多煤层、薄煤层的煤层气井，喷砂射孔拖动压裂技术有很强的适用性，可以大大提高工作效率。与常规水力压裂相比，该技术不仅减少了上下管柱、填砂等施工程序，还节约了近3倍的压裂施工成本。通过现场实践，喷砂射孔拖动压裂技术成功应用，并总结了实施过程中遇到的问题和要点，为以后煤层气的开发和工艺技术应用打下了良好的基础。