曾毅
(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500)
目前織金工區(qū)煤層氣主要開(kāi)采層集中在6#、7#、17#、20#、23#、27#、30#等,層間距離小則幾米,大則上百米,層間的地應(yīng)力差異變化大。僅進(jìn)行單層壓裂改造不能獲得理想的增產(chǎn)效果,希望通過(guò)有效的多層壓裂改造,減少壓裂作業(yè)次數(shù),實(shí)現(xiàn)單井多層采氣,最大限度地提高單井產(chǎn)能。
多層分層壓裂包含多種技術(shù)手段,常規(guī)方式有:填砂、限流、投球、橋塞和工具封隔等分層壓裂技術(shù)。近幾年快速發(fā)展了兩種技術(shù):水力噴射和封隔器配合滑套分層壓裂技術(shù)[1]。根據(jù)織金地區(qū)煤層埋深、厚度、煤層數(shù)量和層間距的特點(diǎn),綜合工藝難度、施工周期和費(fèi)用等因素,開(kāi)展了系統(tǒng)的多層壓裂工藝技術(shù)研究。
填砂分層壓裂是通過(guò)對(duì)已壓開(kāi)的下層填砂礫封堵,再壓上層的壓裂方式(圖1)。填砂的方式有兩種:①壓后探砂面,填砂到指定高度;②采用欠頂替的方式填砂。若采用欠頂替的方式,則可以通過(guò)頂替前的砂比,計(jì)算滿足砂面的頂替液量:
式中:V頂為頂替液量,m3;Voriginal為煤頂部需要的頂替液量,m3;H1為人工井底深度,m;H2為煤層頂部深度,m;V(t)是砂比,%(假設(shè)石英砂的密度是1.65 g/cm3)。
圖1 織4井填砂壓裂示意圖Fig.1 Sand pack fracturing sketch of well Zhi-4
該技術(shù)的工具組合是在最下部安裝坐封球座和壓差滑套,往上是封隔器和投球滑套等。根據(jù)需要壓裂的層數(shù)決定投球滑套、封隔器的數(shù)量及組合情況。在組合管柱下入井中并準(zhǔn)確定位后,先投球坐封,壓裂最下部的層段,然后再投球打開(kāi)第一級(jí)滑套并封堵下部層位,壓裂第二段(圖2)。
圖2 多煤層分層壓裂管柱Fig.2 Layer fracturing string of multiple seams
1.3.1 工作機(jī)理
水力噴射分層壓裂是集射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)措施。利用專用噴射工具產(chǎn)生高速流體穿透套管和巖石,形成孔眼,隨后流體在孔眼底部產(chǎn)生高于破裂壓力的壓力,造出單一裂縫。水力噴射裂縫一旦形成,由于噴嘴出口周?chē)黧w速度最高,其壓力就最低,流體就會(huì)自動(dòng)泵入裂縫而不會(huì)流到其它地方。環(huán)空的流體也會(huì)在壓差作用下進(jìn)入射流區(qū)而被吸入地層。水力噴射壓裂利用動(dòng)態(tài)分流技術(shù)成功解決了裂縫的定位控制問(wèn)題,通過(guò)流體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)讓其進(jìn)入地層的特定位置而不使用任何機(jī)械密封裝置。
1.3.2 工具組合
水力噴射壓裂工具組合是水力噴射壓裂中的關(guān)鍵部分,主要由扶正器、噴槍、單向閥和篩管組成(圖3)。
投球選層壓裂是一次性連續(xù)完成多個(gè)含油氣層段常采用的一種分層加砂壓裂工藝技術(shù)。其工作原理是:由于氣層(兩層以上)之間的破裂壓力存在著差異,在壓裂施工時(shí),首先將破裂壓力低的層段壓開(kāi)并加砂施工后,投入一定數(shù)量的尼龍球?qū)⒓航?jīng)加砂施工層段的射孔孔眼堵住,使壓裂液截流造成井內(nèi)壓力升高,將破裂壓力相對(duì)較高的層段壓開(kāi)并加砂施工。依此方式逐層進(jìn)行施工,直至完成井內(nèi)多層的加砂壓裂施工。壓后井底壓力下降,堵球在孔眼內(nèi)外壓差作用下脫離孔眼,通過(guò)洗井或隨自噴油流帶出地面或落入井底[2]。
圖3 水力噴砂壓裂工具示意圖Fig.3 Schematic diagram of sand jet fracturing tool
限流法分層壓裂工藝是一種一次施工壓開(kāi)多層段的分壓方法。限流壓裂的目的是:①多個(gè)欲處理層段實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理;②通過(guò)限流布孔可控制裂縫向垂向方向的過(guò)程延伸。工藝成功的關(guān)鍵在于克服層間地應(yīng)力差異。
為達(dá)到一次施工同時(shí)壓開(kāi)多層的目的,必須在各層段限制射孔孔眼數(shù)和直徑。有限的孔眼數(shù)和孔徑所產(chǎn)生的摩阻使井底壓力迅速提高,并超過(guò)所有層段的破裂壓力和縫內(nèi)凈壓力,達(dá)到同時(shí)壓開(kāi)每一層段的目的。限流法壓裂主要依據(jù)孔眼摩阻來(lái)調(diào)節(jié)各目的層之間的由于最小水平主應(yīng)力不同而導(dǎo)致破裂的不同時(shí)性,使之同時(shí)破裂并進(jìn)一步延伸[3]。由于要依靠孔眼摩阻調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到一次施工壓開(kāi)多個(gè)層段的目的,就要求準(zhǔn)確了解各目的層之間的最小水平主應(yīng)力值,在射孔孔眼布置設(shè)計(jì)時(shí),就要依據(jù)最小應(yīng)力剖面。對(duì)于地應(yīng)力較低的層段,相應(yīng)的孔數(shù)要少些,對(duì)于地應(yīng)力較高的層段,相應(yīng)的孔數(shù)要多些,這樣結(jié)合最小水平主應(yīng)力剖面,適當(dāng)改變每個(gè)層段的射孔數(shù)及孔眼直徑,就可以達(dá)到一次壓裂施工同時(shí)壓開(kāi)多層的目的。因此,限流法壓裂對(duì)層間地應(yīng)力差沒(méi)有明確限制,但也不能差異太大,隔層厚度一般在20~40 m最適宜。
不同的壓裂方式適用于不同的地層條件,主要以煤層的最小主應(yīng)力剖面來(lái)確定相應(yīng)的壓裂方式,隔層厚度也是需要考慮的因素。對(duì)各壓裂方式的特點(diǎn)、所使用的地層條件和使用的局限性進(jìn)行總結(jié)和比較,結(jié)合織金地區(qū)多煤層的特點(diǎn)和實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行壓裂方式優(yōu)選。
從圖4中可以看出,織金區(qū)塊煤層埋藏較淺、煤層跨度小、應(yīng)力差異較小,采用限流壓裂既能克服多層合壓改造不均衡的劣勢(shì),又能保證現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度,滿足織金區(qū)塊施工的需求。
圖4 多煤層壓裂工藝選擇圖版Fig.4 Schematic diagram of multiple seam fracturing technique
在壓裂施工過(guò)程中,壓力系統(tǒng)存在著如下關(guān)系[4]:
式中:PBHTP為井底施工壓力,MPa;Pw為井口壓力,MPa;ΔPf為管線摩阻;ΔPef為孔眼壓差,MPa;ΔPfe為裂縫的進(jìn)入摩阻,MPa。
式(2)中ΔPfe≈0。對(duì)于深度相差不大的幾個(gè)層段,Pw、Ph、ΔPf在同一次施工中幾乎一致,所以須通過(guò)調(diào)整ΔPef來(lái)實(shí)現(xiàn)各層不同的井底施工壓力。根據(jù)Crump的研究,ΔPef的計(jì)算如下:
式中:q為排量,m3/min;ρ為壓裂液密度,kg/m3;n為射孔數(shù)目;cd為孔眼流量系數(shù);d為孔眼直徑,mm。
由于攜砂液的泵注,射孔孔眼受到支撐劑的沖蝕磨損,孔眼結(jié)構(gòu)和孔徑變化明顯,孔眼摩阻隨之降低。Cramer通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了水力孔眼直徑和流過(guò)孔眼支撐劑總量的線性方程式,考慮到壓裂液黏度、排量、砂濃度及孔徑對(duì)孔眼摩阻的影響,郭建春等人建立了孔眼直徑磨蝕的微分表達(dá)式:
式中:dH為沖蝕后的水力孔眼直徑,cm;dhinitial為沖蝕前的孔眼直徑,cm;q(t)為攜砂液排量,m3/min;v(t)為砂濃度,kg/m3;t為攜砂液泵注時(shí)間,min。cd表征攜砂液通過(guò)射孔孔眼的能力,一般前置液階段取0.50~0.60,攜砂液階段取0.80~0.95。
EIRabba通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立了施工中不同類(lèi)型壓裂液流經(jīng)孔眼的流量系數(shù),以及攜砂液流量系數(shù)計(jì)算公式,以便準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程中的孔眼壓降。
圖5 織8井多煤層應(yīng)力剖面Fig.5 Stress profile of multiple seams of well Zhi-8
以織8井為例,進(jìn)行垂直裂縫限流法壓裂設(shè)計(jì)。如圖5所示,3-1#、3-2#、6-1#、6-2#煤層間的應(yīng)力差異較小,因此,采用限流壓裂設(shè)計(jì)時(shí),射孔數(shù)量分配差異小,以均勻分配為主。
根據(jù)應(yīng)力剖面計(jì)算結(jié)果,對(duì)比多煤層壓裂采用常規(guī)射孔和限流射孔的差異,并模擬不同布孔方案對(duì)煤層水力裂縫剖面的影響,優(yōu)化最終的射孔方案。
表1是模擬織8井壓裂效果選用的壓裂參數(shù),表2是常規(guī)射孔方案下的模擬結(jié)果(16孔/m)。從表2、圖6中可以看出,由于各煤層主應(yīng)力差異不大,3-2#煤層、緊鄰的6-1#與6-2#煤層射孔數(shù)較多,產(chǎn)生的裂縫支撐半長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)。若要減小這兩層的裂縫長(zhǎng)度,需減少射孔數(shù)。同樣,若要改變支撐縫寬和縫高,也可通過(guò)改變射孔數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)整后的射孔方案,壓裂能達(dá)到多個(gè)煤層均勻改造的目的。模擬結(jié)果見(jiàn)表3及圖7。
表1 模擬織8井壓裂施工參數(shù)Table 1 Simulatedfracturing construction curve of well Zhi-8
表2 常規(guī)射孔方案及模擬結(jié)果(16孔/m)Table 2 Conventionalperforation plan and simulation results(16 eyes per meter)
表3 限流壓裂射孔方案及模擬結(jié)果Table 3 Limited entry perforation plan and simulation results
圖6 采用常規(guī)射孔壓裂模擬Fig.6 Simulateddiagram of conventional perforation
2012年8月18日,在織8井實(shí)施限流壓裂。
前置液用量360 m3,攜砂液用量394 m3,施工排量8.0 m3/min,施工壓力36 MPa左右,停泵壓力25.5 MPa,該井共用液 767.9 m3,加砂 50 m3,平均砂比11.4%。
織8井為多煤層壓裂,煤層跨度41.3 m,具有一定的應(yīng)力差值,因此,采用限流壓裂,控制射孔數(shù)25個(gè),以大排量施工。從施工曲線上看(圖8),起泵之后壓力呈現(xiàn)“鋸齒”狀,有明顯的獨(dú)立射孔眼被壓開(kāi)顯示。為保證每條裂縫都能盡可能延伸,施工時(shí)放大了前置液以及低砂比攜砂液量,盡可能保證各煤層段都得到改造。
圖7 織8井采用限流射孔設(shè)計(jì)模擬Fig.7 Simulated diagram of well Zhi-8 by limited entry perforation
圖8 織8井壓裂施工曲線Fig.8 Fracturing construction curve of well Zhi-8
1)織金區(qū)塊煤層埋藏較淺、煤層薄,合層壓裂、限流壓裂、投球壓裂、填砂逐層壓裂工藝依賴煤層應(yīng)力差值或煤層跨度進(jìn)行優(yōu)化。
2)限流壓裂要求煤層應(yīng)力差異?。ǎ? MPa),但施工周期較短,一趟可完成多煤層壓裂。
3)限流壓裂施工工藝通過(guò)優(yōu)化射孔,減少孔密,在一定程度上節(jié)約了投資成本。
4)限流壓裂在織8井的應(yīng)用,證實(shí)了限流壓裂工藝技術(shù)是提高織金區(qū)塊增產(chǎn)效果的有效技術(shù)手段,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
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