煤层气水平井水力喷射分段造穴技术探索

2022-10-23杨睿月黄中伟李根生陈健翔温海涛秦小舟

煤炭学报 2022年9期

杨睿月，黄中伟，李根生，陈健翔，温海涛，秦小舟

(中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)

我国煤层气开发利用规模快速增长，成为补充天然气供应的区域性气源。我国煤层气资源丰富，但是“单井产量低”长期难以改变。造成煤层气单井产量低的主要原因有：第1，复杂的地质条件，我国煤层普遍具有“三低一高”的特征，即低饱和度、低渗透性、低储层压力和变质程度高，此类条件下的煤层气开发是世界性难题。第2，尚未形成针对我国不同煤层地质条件的适用性技术。水力压裂是当前煤层气井增产改造的主要手段，但是针对弹性模量低、泊松比高、煤体结构易破碎的储层，常规水力压裂形成的有效支撑裂缝仅集中于近井地带8 m范围内，主裂缝延伸一般小于30 m，改造范围受限。因此，储层改造难度大是当前煤层气开发的“卡脖子”问题，亟需探索新的煤层气增产改造方式。

煤矿采动区(或采空区)工程实践表明应力释放会导致煤层气地面井出现规律性高产现象。这是由于煤岩应力释放和体积膨胀改善了煤层的孔隙度和渗透性，同时降低了储层压力，实现煤矿采动区周围煤层气井的高效开发。借鉴煤矿采动卸压增透理论，应力释放(原位)开发煤层气逐步受到关注。如何在采动区以外更大范围(原位)实现煤层应力释放、促进解吸采气？直井裸眼洞穴完井技术证实了钻井造洞穴可以实现煤层局部应力释放，但其能量传递范围有限，洞穴远端地层很难受到周期性的张性和剪切力作用影响，且我国煤层物性普遍较差，致使最终改造效果都不理想，因此需求更大范围的应力释放实现方式。

构建“大直径水平井”模拟煤矿巷道产生应力释放、改善煤层渗透性，有望突破“应力释放范围小”的瓶颈难题，被认为是煤层气增产稳产的储备型技术，成为了近年来的研究热点之一。张波等提出在煤层水平段采用气体波动压力的方式诱导塌孔造穴，引起煤层应力释放，形成张性破裂带和剪切破裂带，扩大井眼与储层的接触面积，提高井筒周围煤储层渗透率。桑树勋等提出了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发理论，并研发了水力-机械联合诱导扩孔造穴工艺。卢义玉等提出“地面定向井+水力割缝卸压方法”开发深部煤层气，一方面水力割缝沟通天然裂缝、诱导产生裂隙，另一方面利用地应力变化降低储层压力、提高气体解吸、扩散和渗流能力。这些技术推动了水平井造穴开发煤层气的理论认识与现场应用。然而，气体动力造穴操作难度大，造穴半径不可控，存在煤粉返排难和环境污染等问题；机械造穴工具扩径幅度有限，造穴过程中易发生刀杆变形、工具落井等井下事故。水力造穴利用高压水射流或磨料射流破岩切割煤层形成洞穴，相比前2者，具有以下优势：① 灵活调控洞穴形状和尺寸，通过采用不同的射流喷嘴和水力参数切割破碎煤层，形成不同截面形状及长度的洞穴，最大程度诱导煤层发生应力释放，进而卸压增透；② 构建体积缝网，煤层是天然裂缝发育的储层，射流产生的水楔效应易激活天然裂缝，诱导新生裂隙形成，并沟通已有裂缝，增强气体运移通道的连通性。谢和平等提出煤炭深部原位流态化开采的科学构想和理论技术体系。其中，深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术可通过煤层钻孔或水力喷射释放高应力，诱导破煤实现，将固体煤炭切割破碎成流态化与煤层气共同采出地面。因此，水力造穴更加符合煤炭原位流态化开采的科学构想。但是，射流破岩性能和成孔特征直接影响造穴效果。此外，水平井造穴方法对不同煤层气井完井方式的匹配性与适应性尚缺乏充分考虑。

为了进一步扩大应力释放范围、增强裂隙沟通、提高卸压增透效果，笔者团队综合非常规油气储层水力喷射分段压裂与煤矿保护层卸压增透的理论与方法，提出了水平井水力喷射分段造穴应力释放开采煤层气的新思路，即：采用磨料射流进行水力喷射定向造穴，通过优化喷嘴的类型(如扇型、锥直型、旋转型、直旋混合型等)、结构、排布、组合及喷射参数，在三维空间上达到“网格式”切割破碎煤岩的效果，形成立体洞穴；采用弹性可控滑套实现逐级喷射造穴，形成多段多簇的三维卸压空间，达到增加储层渗透率、提高单井产量的目的(图1)。在山西沁水盆地南部郑庄区块(15号煤层)开展现场试验：改造后稳定日产气量达到10 000 m/d，是区内相邻压裂水平井日产气量的4倍。因此，水平井水力喷射分段造穴储层改造技术在煤层气开发领域具有广阔的应用前景。

图1 煤层气水平井水力喷射分段造穴示意

笔者首先介绍了水平井水力喷射造穴应力释放开采煤层气的原理。其次，由于煤岩具有极强的非均质性，不同区块、不同煤阶煤岩的适应性不同，为了探索磨料射流破碎不同煤岩的可行性及其破坏模式，采集不同矿区、不同坚固性系数的低阶煤、高阶煤为实验对象，利用自主研发的高压磨料射流破岩实验系统，开展了淹没条件下磨料射流破煤岩实验，分析了射流冲击下煤岩的破裂机制及其储层适应性，为水力喷射造穴思路提供实验支撑与理论依据。最后，介绍了不同完井方式下水平井水力喷射分段造穴井下关键工具和现场工艺设计思路及其应用前景。

1 水平井水力喷射分段造穴原理

水平井造穴应力释放开采煤层气的基本原理是通过水平井扩孔或诱导塌孔，实现煤层大范围应力释放，改善煤层孔隙度和渗透性，降低储层压力，促进甲烷解吸产出，从而获得有商业开采价值的煤层气产量。水平井水力喷射分段造穴是采用磨料射流切割破碎煤层，通过优化喷嘴类型、结构和喷射方向形成具有一定尺寸和形状的洞穴，并采用管柱拖动式或投球滑套式实现逐级喷射造穴，具有定点喷射、精准分段、多簇卸压的优势。

水平井水力喷射造穴卸压的本质是煤层在磨料射流冲击的作用下，打破原始地应力后应力持续重分布并引起损伤破裂的增渗过程。造穴区域应力场及其动态演化是决定煤层变形破裂的主控因素，即造穴诱导洞穴周边及多穴之间发生局部应力集中，当局部应力超过煤岩的抗拉/抗剪强度时，穴周即发生裂纹的萌生、扩展、聚合。从洞穴应力自由面到远场未受扰动区，依据应力重构和分布演化特征，煤层依次发生破裂、损伤、塑性变形、弹性变形。这些变形区域的分布受到地应力、天然裂缝、洞穴的空间结构参数等地质与工程因素的影响。同时，这些变形区域又导致煤体结构变化，引起原生裂隙扩展及新生裂隙形成，增强了裂隙和孔喉结构的连通性，导致煤岩裂缝导流能力增加、基质渗透率提高、渗流面积扩大，这也是水平井造穴提产的核心。水平井造穴诱导应力演化区域内形成高渗通道有望扩大煤层改造体积。

采用有限元-离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method)建立水平井造穴诱导煤层应力演化流-固耦合三维模型，计算域内共造5段洞穴，模型设置，具体如表1和图2所示，煤岩力学参数取自下文中的寺河煤矿(表2)。

表1 造穴应力演化模型参数设置

表2 煤岩显微组分与工业分析信息

研究结果表明造穴诱导煤层垮塌、掉块后，应力场发生演化，穴周裂缝萌生，穴间发生应力集中，应力集中区域内裂缝分布较为密集，单段穴周应力场演化区域近似呈现椭圆形(图2)。在正断层应力条件下(>>),洞穴顶部和底部多形成拉伸裂缝，两侧多形成剪切裂缝。同时，洞穴远端部分区域煤岩发生破裂，这是因为在洞穴形成的过程中煤岩发生孔弹性响应，高孔隙压力分布在压缩区域，而低孔隙压力分布在拉张区域，导致煤岩在局部压缩区域呈现出较高的刚度和脆性，容易破裂成缝，这些新形成的裂缝成为气体运移的通道，提高了煤层渗透率。沿着如图2所示的截线—′，—′提取应力分布数值，可以发现在—′截线上，计算域范围内应力都有不同程度的降低；在—′截线上，由于受到地应力的影响和其他洞穴的干扰，穴周呈现应力集中，诱导裂缝形成。本模型中应力降低区域(即应力释放区域)总体积为3 951 m，占整个计算域8%；裂缝总体积为60.34 m，占整个计算域0.12%。图3为造穴后位移云图，最大位移值为1.3 m，主要是洞穴形成后煤岩掉落所发生的位移，穴周位移分布呈现椭圆形，洞穴中部位移较大，两端较小，与应力分布相关联。

图2 煤层气水平井分段造穴应力演化云图

图3 煤层气水平井分段造穴位移云图

水平井造穴是应力场和渗流场相互作用、相互影响的过程，造穴诱导煤岩储层应力场重构，引起储层岩石孔隙和裂隙结构发生变化，从而影响流体渗流特性；流体渗流的过程改变储层压力的分布，储层压力的下降，促进甲烷气体的解吸，增加煤层透气性；应力场又受到孔隙压力的影响，导致应力状态发生改变，应力状态的改变导致固体变形的发生，引起裂隙、孔隙结构发生变化，从而又影响流体的流动状态。

水平井洞穴的空间尺寸、几何形状、数量、段(簇)间距、位置等决定了应力释放波及范围和储层渗透性改善范围，从而影响水平井造穴的改造效果。这些造穴参数需结合具体的地质和储层条件进行优化设计，以达到最优的卸压增透效果。

2 磨料射流喷射煤岩成孔特征实验

磨料射流破碎煤岩的成孔特征及其破坏模式是水力喷射高效造穴首先要解决的关键问题。笔者开展了淹没条件下磨料直射流和旋转磨料射流破岩实验。此外，由于天然裂缝对岩石破裂、岩石应力敏感性和流体渗流影响显著，控制“人造气藏”的改造效果。为了研究磨料射流喷射煤岩时，对天然裂缝的激活程度，笔者采集了不同天然裂缝发育程度的煤岩，并分为平行于层理喷射和垂直于层理喷射2种实验条件，从而为煤层应力释放、卸压增透提供实验支撑与理论依据。

2.1 实验系统

本实验采用中国石油大学(北京)“高压水射流钻井与完井实验室”自主研发的高压磨料射流破岩实验系统完成。主要由混砂单元、动力单元、作业池单元、岩样夹持单元、数据采集与控制单元、液体循环单元6部分组成(图4，5)。混砂单元由储砂罐、螺旋输砂器、离心泵、混砂罐和连接管线等组成，其中储砂罐容积1.5 m，输砂器输砂能力40～120 kg/min，混砂罐容积0.6 m。携砂液和磨料在混砂罐中通过搅拌器高速搅拌实现均匀混合。系统安装有压力传感器和流量计，通过数据采集单元可以精准监控出口端压力和排量。喷嘴和岩样位于破岩作业单元，岩样采用夹持器固定，通过升降平台高度调节喷射距离。该实验系统可实现淹没条件下喷射压力0～70 MPa、喷射距离0～1 m、岩样尺寸0～400 mm、淹没度0～0.5 m、砂比质量分数0～20%、磨料颗粒粒径为10～120目的磨料射流或纯水射流破岩实验，还可实现实验系统携砂液和磨料循环使用。

图4 高压磨料射流实验系统

图5 磨料射流破岩实验系统示意

2.2 实验方案

2.2.1 煤岩试样

实验采用不同矿区不同煤阶的煤岩。选取煤层气开采的代表性矿区：准噶尔盆地(深部煤)、鄂尔多斯盆地(中低阶煤)和沁水盆地(高阶煤)。具体为：新疆准噶尔盆地白家海凸起西山窑组的低阶煤(褐煤-长焰煤)，取自井下岩心(深度为3 192.4～3 195.5 m)，属于煤层气资源丰富的深部煤。鄂尔多斯盆地大保当煤矿的中低阶煤(烟煤，深度为83.62～280.00 m)，和山西沁水盆地寺河矿太原组的高阶煤(无烟煤，深度为70～110 m)。笔者所采集的煤岩均为原生结构煤。煤工业分析、岩石力学性质和矿物含量(XRD测试分析)如表2，3和图6所示。可以发现，本实验采用的高阶煤在平行层理方向的抗压强度和弹性模量均明显大于中、低阶煤。大保当煤矿在平行层理方向的抗拉强度和坚固性系数都较其他2种煤岩高。此外，为了与砂岩成孔特征作对比，采集了焦作矿区顶板砂岩(弹性模量为57.99 GPa，抗压强度为330.68 MPa，抗拉强度11.65 MPa)，岩石较为致密，天然裂缝不发育。

表3 煤岩力学性质对比

图6 煤岩样品矿物组成分布(XRD分析)

岩样制备时，将其切割为边长100～200 mm的立方体，并采用环氧树脂包裹，避免冲击过程中发生整体破碎，如图7所示。喷射时分平行于层理喷射和垂直于层理喷射2种实验工况。其中，新疆准噶尔盆地白家海凸起的煤岩为直径100 mm、高100 mm的井下岩心柱。

图7 煤岩试样(黄色虚线为层理面)

2.2.2 实验参数

由于不同区块煤岩力学性质差异较大，若保持相同喷射条件，部分煤岩未成孔，而部分煤岩整体破碎，无法观测其成孔特征。因此，笔者采用改变泵压或喷距的方法，在淹没射流环境中研究不同喷射参数条件下磨料射流破岩的临界距离，即由远及近逐次减小喷距或由低到高逐渐升高泵压，当观察到煤岩成孔时，即认为此距离为煤岩的临界破坏距离，详细实验方案见表4。采用锥直型喷嘴和旋转喷嘴(内部有叶轮)(图8)。直射流的流场呈纺锤形，旋转射流的流场呈螺旋放射状。相比于直射流，旋转射流在径向上的湍流脉动增大了射流扩散角和冲击范围，但同时也造成了强烈的湍流耗散，随着喷距的增大，磨料颗粒速度快速衰减。因此，直射流用于实现水力深穿透，而旋转射流主要用于扩大孔径。本实验方案中直射流喷射煤岩时采用大喷距(40倍以上喷嘴直径)，而旋转磨料射流采用小喷距(5～10倍喷嘴直径)，下文中的无因次喷距指的是喷射距离与喷嘴直径的比值。

图8 喷嘴和旋转射流喷嘴

表4 破岩实验方案

2.3 磨料破岩实验结果分析

图9(a)为白家海凸起煤岩磨料射流破岩结果。采用锥直型喷嘴沿垂直层理面方向喷射煤岩时，形成有一定深度的孔眼，孔眼内沿层理面形成层状剥蚀，煤岩发生体积破碎。采用旋转磨料射流喷嘴喷射白家海凸起煤岩时，旋转磨料射流在冲击岩石产生拉伸、水楔作用的同时，还增加了平行于岩石表面的切向载荷。由于煤岩强度较低，且发育有多条割理(黄色虚线为面割理)，在高压旋转磨料射流的冲蚀下，大块煤岩沿着割理面发生剥蚀破坏。这是由于水力能量极易沿着割理面传导，并直接作用于裂缝面，形成水楔效应。因此，射流冲击下，层裂是割理发育煤岩的破坏模式。此外，相较于直射流，旋转射流能量集中于距离射流轴线一定距离的圆环内，即中心区域冲蚀强度小，圆周区域冲蚀强度大。因此，岩心柱外侧煤块沿割理剥落，而中心区域保留。

图9(b)为大保当煤岩磨料射流破岩结果。直射流实验结果表明当喷射方向与层理面平行时，煤岩极易沿着层理面发生大块剥蚀脱落。其原因同上，当平行于层理面喷射时，水力能量作用于裂缝面形成水楔效应，射流的动压转变为静压，导致煤岩沿着平行于层理面方向发生拉伸破坏。拉伸破坏产生的微裂缝与沿层理面发育的割理或其他天然裂缝不断扩展、交汇，最终导致射流孔眼周围煤岩沿裂缝面发生大块剥落。当垂直于层理面喷射时，破岩孔眼较为规则，且孔眼壁面光滑，与砂岩成孔特征类似(图9(d))。主要原因是煤岩在垂直层理方向的抗拉强度比平行层理方向小，当垂直于层理面喷射时，作用于孔眼壁面的压力难以在平行层理面方向发生拉伸破坏，且当割理不发育时，水楔效应小，磨料颗粒的高频冲蚀占主导地位。因此，在磨料颗粒的持续冲蚀作用下，容易形成光滑、规则的孔眼。采用旋转磨料射流喷射大保当煤岩时，旋转磨料射流相对于直射流形成的孔眼大，且孔壁更加光滑、孔眼形状更为规则。主要原因在于旋转磨料射流可形成具有三维速度的磨料浆体，耦合冲蚀破碎、拉伸破坏、旋流磨削及水楔作用等多重破碎机制，破岩效率高、扩散能力强，有利于形成大尺寸、规则、光滑孔眼。当平行于层理面喷射时，易于在孔眼附近形成沿层理面的宏观裂缝。垂直于层理面喷射时，形成了孔径为94 mm的规则孔眼，与砂岩成孔特征类似(图9(d))。因此，对于层理发育的煤岩，层裂是重要的破坏模式。

图9(c)为寺河矿煤岩磨料射流破岩结果。直射流结果表明，当平行于层理面喷射时，大块煤岩剥落，且形成了多条沿层理面的宏观裂缝。当垂直于层理面喷射时，岩样中心形成了具有一定深度(53 mm)的孔眼，且伴随有层状剥落，与白家海凸起煤岩成孔特征类似。采用旋转磨料射流喷射寺河矿煤岩，促其形成大孔径。当平行于层理面喷射时，形成了74 mm的规则孔眼，且孔眼内形成多条沿层理方向贯通的裂缝。其粗糙度比垂直层理岩样和砂岩高。虽未像大保当煤岩发生层裂，但是随着喷射时间的持续，层理面被不断激活，有发生层裂的趋势。当垂直于层理面喷射时，形成了孔径为75 mm的规则孔眼，结果同大保当煤岩和砂岩一致。

图9 磨料射流破岩实验

2.4 天然裂缝的影响

由上述内容可知，在磨料射流的冲蚀作用下，平行层理的煤岩主要以层裂为主，且水楔作用相较于砂岩及其他天然裂缝不发育的岩石更强；垂直层理的煤岩主要以磨蚀破坏为主，与砂岩类似。采用CT扫描表征3种煤岩样品内部天然裂隙的分布特征。扫描样品为直径20 mm、高45 mm的圆柱体，扫描精度为10 μm。图10为煤样的CT扫描切片图。每个岩样分别截取了15 mm和30 mm处的扫描切片及三维重构图作对比分析。图10中灰色部分为基质，白色部分为充填矿物，黑色线为裂缝。由于煤岩中的矿物多充填在割理中，因此通过观测切片上白色矿物的分布可以判断出割理的大致方向。由图10可以看出，白家海凸起煤岩有多条规律分布的割理；大保当煤岩较为致密，在本次CT扫描的分辨率下，只有几条相互贯穿、随机分布的天然裂缝，纵向上有层理分布；寺河矿煤岩有清晰且规则分布的割理，且大部分被矿物所填充，同时分布有与面割理相垂直的天然裂缝，图10中红色箭头为面割理方向，A,B,C区域内为被矿物填充的端割理，纵向上有层理分布。在磨料射流冲击下，层理、割理及其他天然裂隙会对煤岩产生2方面的影响：首先，当射流冲击煤岩表面时，由于水楔作用，煤岩更易沿着裂隙发生层裂。其次，在破坏的过程中，由水楔作用诱导劈裂的裂缝不断向内部延伸，当与天然裂隙沟通后，将沿着天然裂隙的方向继续延伸，最终影响煤岩的破坏形态。因此，煤岩内天然裂隙的走向影响着岩石的破坏形态，天然裂隙的数量或密度影响着煤岩的破坏程度。由图10可知，从割理或天然裂缝的数量来看，白家海凸起煤岩>寺河矿煤岩>大保当煤岩，说明在射流冲击下，白家海凸起煤岩破坏程度最大，而大保当煤岩的破坏易受层理影响。观察3种煤岩的割理、裂隙走向，可以看出白家海凸起煤岩割理较多且多条走向近乎平行，裂缝开度也较其他两区域煤岩大。这种分布状态会使煤岩在经受射流冲击时，易沿割理方向发生劈裂破坏。大保当煤岩的割理走向不明显，同时天然裂缝分布散乱无序，部分天然裂缝相互贯通，导致岩石在经受射流冲击时，易沿着层理或天然裂缝发生整体劈裂。寺河矿煤岩的割理走向非常明显，而天然裂缝走向没有明显规律。XRD矿物测试分析(图6)表明，充填在割理中的矿物主要成分是方解石，在承受水力冲击时，其破坏的难易程度高于未被矿物充填的天然裂缝，但是低于岩石基质。天然裂缝虽然数量较少，但是多与割理方向垂直。因此，寺河煤岩内的天然裂缝易与割理相互分割，在承受水力冲击时，易出现层状剥落或影响孔壁的粗糙度。

图10 3种煤岩的CT扫描

综合室内实验结果发现，相较于砂岩，磨料射流的水楔作用对煤岩更强，且磨料颗粒易嵌入到层理裂隙中，在水力能量的冲击作用下，加剧煤岩的磨蚀破坏。特别是天然裂隙发育的煤岩，水力喷射造穴易激活天然裂隙，包括割理、层理及其他分布的天然裂缝，引发穴周生成大量裂隙，形成大范围的应力释放区域，从而改善储层渗透性。因此，现场选择喷射方位时应尽量考虑平行于层理喷射或天然裂缝发育的区域，可视为工程甜点，以沟通大量天然裂缝。此外，实验还表明磨料直射流在较大的喷距下(40倍无因次喷距)仍然能破坏煤岩，而旋转磨料射流虽然作用距离短但形成的孔眼直径大且孔壁光滑。实际施工作业中，锥直型和旋转磨料射流喷嘴可交错排布于喷枪上，采用磨料直射流实现深穿透，旋转磨料射流扩大孔径，在套管井中可同时起到开窗破套管的作用，从而最大程度扩大造穴范围、实现卸压增透。

3 水平井水力喷射分段造穴工艺设计

3.1 裸眼水平井水力喷射分段造穴

(1)井下核心工具。裸眼水平井水力喷射分段造穴井下工具主要包括定向装置、喷枪、喷嘴等。笔者团队提出了2种定向装置：① 重力法定向，工具横截面设计了环形滑道、内置钢球，钢球在重力作用下始终处于滑道最下端。地面安装时，需要设定喷嘴与指示销钉的相对角度，工具管串进入水平段后、油管内打压、带动喷枪旋转到预定角度，能够实现精确定向，且无需旋转接头。② 反重力法定向，也称偏心定向器，水平井段工具串坐底，配有偏心重力块和智能指针，当偏心定向器在水平段移动时，偏心重力块会转动到水平段底部，而智能指针自动寻找环形空间最大值。地面安装时，需要设定喷嘴和智能指针的相对角度。结构相对简单、定向较为精确，可反复拖动管柱，喷嘴角度不变，工作可靠。

喷枪上布置有不同角度、不同类型的喷嘴，包括扇型喷嘴、锥直型喷嘴和旋转射流喷嘴等。若进行定向喷射，需将喷嘴布置在喷枪一侧，并根据定向喷射的方向设定与智能指针的相对角度。扇型喷嘴以扇面“网格式”切割破碎煤层，锥直型喷嘴形成的磨料直射流主要实现水力深穿透，旋转磨料射流主要为扩大喷射孔径。

实现分段造穴的方式主要有2种：普通油管或连续油管拖动式和不动管柱滑套式。采用基于投球可控弹性滑套结构实现“顺序开启、同步造穴”的多段多簇体积造穴。拖动式工具管串组合主要包括：导向头+单流阀+偏心定向器+喷枪+旋转密封短节+安全接头+油管。不动管柱滑套式工具管串组合(如三级喷射造穴管柱)主要包括：导向头+单流阀+偏心定向器+一级无滑套喷枪+旋转密封短节+油管短节+旋转密封短节+偏心定向器+二级带滑套喷枪+旋转密封短节+油管短节+旋转密封短节+偏心定向器+三级带滑套喷枪+旋转密封短节+安全接头+油管。裸眼水平井水力喷射分段造穴井下工具管串(三级喷射造穴管柱)如图11所示。

图11 裸眼水平井水力喷射分段造穴井下工具管串示意

(2)工艺流程。普通油管拖动式的分段喷射造穴工艺流程为：在地面组合定向装置和定向喷枪，根据定向方向，设定喷嘴和智能指针的相对角度；用油管下入喷枪到造穴点，采用基液正替1个井筒容积；油管泵入携砂液(6%～10%体积分数的石英砂)进行喷射作业，待地面不返出煤粉后停止泵入携砂液，完成该段喷射造穴作业；采用基液正替1.5个井筒容积；上提油管进行下一段造穴。不动管柱滑套式分段喷射造穴工艺流程为：在地面组合定向装置和定向喷枪，根据定向方向，设定喷嘴和智能指针的相对角度；用油管下入喷枪到造穴点，采用基液正替1个井筒容积；投球，坐封一级喷枪的单流阀；油管泵入携砂液(6%～10%体积分数的石英砂)进行喷射作业，待地面不返出煤粉后停止泵入携砂液，完成第1段喷射造穴作业；投球，打开第2级喷枪的滑套，重复第1级泵注程序，完成第2段喷射造穴作业；循环以上流程，直至完成所有造穴段的喷射作业；采用基液正替2个井筒容积，起出管柱。

该工艺不仅适用于裸眼水平井，还适用于筛管完井的水平井。笔者团队与中石油华北油田前期在山西沁水盆地郑庄区块开展了筛管水平井的现场造穴工程试验，改造后稳定日产气量达到10 000 m，是相邻多级压裂水平井的4倍，单段喷射造穴泵注程序如图12所示。

图12 单段喷射造穴泵注程序示意

3.2 套管水平井水力喷射分段造穴

套管水平井环空和煤层之间有套管和水泥环阻隔，扇型射流不能有效切割套管，因此裸眼完井水平井水力喷射分段造穴工艺所用的扇型喷嘴不适用于套管水平井。锥直型喷嘴是套管井喷砂射孔的常用装置，其喷射出的磨料直射流能穿透套管、水泥环，沟通储层，并形成一定规模的孔穴。但是仅采用锥直型喷嘴造穴会使破碎的煤渣无法有效返排出地面。锥直型喷嘴形成的磨料直射流在套管上的穿孔直径约为1 cm，该孔眼是煤渣由地层进入油管和套管环空的唯一通道。因此大量破碎的煤渣会被套管阻挡在地层中，无法返排出地面，对喷射造穴效率造成极大影响，最终形成的孔穴也由于煤渣的堆积无法有效卸压增透，达到预期目的。为解决以上问题，笔者团队提出采用“直-旋混合喷嘴喷枪”进行套管水平井水力喷射分段造穴的工艺技术。笔者团队前期研究表明旋转射流喷嘴形成的旋转磨料射流可在套管上开出大直径孔洞，其成孔直径约为7 cm。锥直型喷嘴形成的磨料直射流在煤岩中的射孔距离可达1 m以上，可破碎煤层形成大体积和长距离的洞穴。因此，套管水平井水力喷射分段造穴可以采用旋转磨料射流在套管上开出大直径孔洞，作为破碎的煤渣由套管外进入套管与油管环空的通道；通过锥直型喷嘴形成的磨料直射流在煤层中造穴，同时携带破碎的岩屑由套管上开出的孔洞进入油套环空，从而被携带出地面。

(1)井下核心工具。除了上述定向器，主要包括喷枪本体、旋转射流喷嘴、锥直型喷嘴和滑套等。旋转射流喷嘴和锥直型喷嘴沿喷枪轴线方向安装在喷枪本体上，通过滑套控制旋转射流喷嘴的开关。

(2)工艺流程。首先，在地面组装造穴喷枪，通过油管将造穴喷枪送入到作业层位，采用基液正替1个井筒容积。然后，油管泵入携砂液(6%～10%体积分数的石英砂)开始喷射作业，旋转磨料射流进行套管开窗和地层扩孔、磨料直射流在煤层中造穴(图13(a))。接着，向油管投阀球，以低排量送球入座，滑套下行，关闭旋转射流喷嘴，而不关闭锥直型喷嘴。油管泵入携砂液(6%～10%体积分数的石英砂)开始喷射作业，携砂液从锥直型喷嘴喷出，在煤层中造穴，破碎的煤渣由套管孔眼进入油套环空，由流体携带返出地面(图13(b))。待地面不返出煤粉后停止泵入携砂液，完成该段的喷射造穴作业。投入阀球，封堵该段喷枪，循环以上步骤，开展下一段造穴作业。

图13 套管水平井直-旋混合射流喷射造穴示意

煤层气完井方式的选择主要取决于储层地质条件。裸眼完井适用于坚硬致密、井壁稳定不易坍塌的煤层；筛管完井适用于井壁不稳定、有可能发生井眼坍塌或易出砂的煤层；套管完井适用于含水夹层、易塌夹层等井壁不稳定的煤层或层间存在压力、岩性等差异的复杂储层；此外，裸眼完井和筛管完井一般适用于单一厚储层或压力、岩性基本一致的多层储层，而套管完井的适用范围较广。因此，针对不同的完井方式，水力喷射分段造穴所配套的工具、工艺有所差别。对于裸眼井和筛管井，造穴成本较低且工艺相对简单；对于套管井，需采用直-旋混合射流喷枪，成本相对较高且工艺复杂，但其优势是可以选择性分段造穴，避免层段干扰、气水窜通。

3.3 碎软煤层顶底板定向喷射造穴

碎软煤层具有煤体结构破碎、弹性模量低、泊松比高、渗透性低的特点。直接在碎软煤层中钻水平井易发生井壁坍塌、埋钻具、下套管困难等问题；碎软煤层水力压裂存在压裂液易窜流、裂缝延伸短、煤粉产生多、卸压范围小、单井产量低且衰减速度快等问题。因此，针对碎软煤层，可采用顶板或底板间接造穴的思路(图14)，即：在结构相对稳定的煤层底板或顶板岩石钻进水平井，水平段一般采用套管完井，然后以大液量、大排量、高砂比向煤层进行高密度定向喷射造穴，井下工具和工艺流程与套管水平井水力喷射分段造穴类似，需要根据煤层位置选择相应的定向器及设计喷枪上喷嘴的排布位置。从而提高碎软煤层改造效果。

图14 碎软煤间接定向喷射造穴示意

煤粉的排出是水平井造穴需重点解决的问题之一，可通过大排量洗井(至少3 m/min)或采用添加一定增黏剂的洗井液洗井，以达到煤粉高效返排的效果。此外，煤粉的顺利返排还和其颗粒大小相关，需针对不同地应力条件和力学性质的煤层，优化磨料射流喷嘴结构和泵注程序，将煤岩最大程度地切割破碎成小颗粒，利于煤粉返出。从底板向上部煤层造穴，煤粉由于重力作用落入井筒中易随洗井液返出；从顶板向下部煤层造穴，煤粉不容易彻底排出，因此顶板向下造穴主要起到松动煤层、诱导应力释放、沟通天然裂隙、提供卸压空间的作用。但顶板定向造穴也有其优势，即在后期排采过程中，气体向上运移至井筒，而砂、泥、煤粉等固体颗粒由于重力作用沉积在洞穴底部，可减少固体颗粒的产出，保障生产的平稳进行，减少砂堵、卡泵、砂埋等事故的发生，降低修井作业的频率和成本。

4 应用前景

我国煤层气资源赋存条件复杂、开发技术难度大、经济效益不佳，这是煤层气产业发展面临的主要困难和问题。但是，煤层气资源的高效开发又承担着保障国家能源安全，助力“双碳”目标实现的重要使命。“十四五”时期，煤层气等非常规天然气技术创新攻关已纳入国家科技计划总体布局。加强深部煤、构造煤、低阶煤煤层气及煤系气的富集成藏规律、渗流机理、增产改造和配套工艺及设备的研究攻关，发展适应性低成本高效勘探开发技术，是提升煤层气产量和开发效率的必经途径。

煤层气水平井水力喷射分段造穴工艺可在水平段进行逐级喷射造穴，形成多段立体卸压空间，激活天然裂缝系统，增加储层渗透率，从而提高单井产量。在储层地质条件方面，该技术主要适用于构造煤、深部煤及压裂造缝效果欠佳或无法实现分支井眼重入的松软煤层等。在完井方法上，可适用于裸眼井、筛管井、套管井、顶底板间接改造井等。采用“地质工程一体化”的理念优化工艺参数及方案设计，综合地质甜点、工程甜点，采用大数据和人工智能等方法，优化三维洞穴空间的尺寸、形状、数量、段间距等关键造穴参数，以达到最优的卸压增透效果，从而提高煤层气单井产能。此外，该工艺还可为煤系夹层、薄互层等压裂改造不充分的储层提供重要借鉴，具有广阔的应用前景。