水平井分段壓裂技術(shù)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用實踐

周加佳

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054)

0 前言

近年來，水平井分段壓裂改造技術(shù)越來越多地應(yīng)用于國內(nèi)外低滲透和非常規(guī)油氣藏的開發(fā)中，尤其頁巖氣藏水平井的規(guī)?；_發(fā)應(yīng)用，其核心技術(shù)就是水平井分段壓裂關(guān)鍵技術(shù)的突破和大規(guī)模應(yīng)用[1-3]。與此同時，我國煤層氣含量高，煤層氣資源總量大且分布廣泛，隨著我國煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展以及對煤層氣地面快速、高效抽采的技術(shù)需求[4-6]，煤層氣壓裂技術(shù)也逐步由直井單煤層大規(guī)模壓裂向水平井分段壓裂技術(shù)方向發(fā)展，相比于直井壓裂改造，水平井分段壓裂可大大提高單井泄流面積和導(dǎo)流能力，有效提高煤層氣單井產(chǎn)氣量。筆者通過對煤層氣水平井分段壓裂技術(shù)的適應(yīng)性分析，研究了針對不同地質(zhì)條件和不同完井方式下所對應(yīng)的分段壓裂技術(shù)，并進行了現(xiàn)場工程應(yīng)用實踐，以期為同類條件下的煤層氣水平井壓裂增產(chǎn)改造提供實踐經(jīng)驗。

1 煤層氣水平井分段壓裂技術(shù)適應(yīng)性分析

國內(nèi)近年來在山西、陜西、貴州和安徽等地陸續(xù)開展了煤層氣水平井分段壓裂工程試驗和技術(shù)研究，并取得一定的突破，單井產(chǎn)氣量由直井壓裂的幾百方增加到水平井壓裂的上萬方。工程實踐表明，分段壓裂水平井是實現(xiàn)煤層氣快速、高效抽采的一種有效方法。

分段壓裂水平井相對于直井來說，具有單井控制面積大、導(dǎo)流能力強、單井產(chǎn)量高、抽采率高以及對地形、交通等適應(yīng)性強的特點，能大范圍地溝通煤層裂隙系統(tǒng)，從而大幅度提高單井產(chǎn)能與抽采率。水平井分段壓裂技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，將垂直井與水平井與儲層的點或線的接觸變?yōu)閱尉鄠€面的排水降壓，大大提高了單井泄流面積和導(dǎo)流能力(圖1)。

圖1 壓裂改造泄流面積對比圖

針對煤層氣壓裂大規(guī)模、大排量、施工安全性以及對儲層低傷害的技術(shù)特點，目前適用于煤層氣水平井開發(fā)的分段壓裂增產(chǎn)技術(shù)主要為封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)和可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)[7-10]。相比較而言，封隔器滑套分段壓裂技術(shù)工藝完井和分段壓裂一體化作業(yè)，施工作業(yè)時間短，時效性強；水力噴射分段壓裂不用機械封隔一趟管柱實現(xiàn)多段壓裂，適應(yīng)于各種完井方式；可鉆橋塞分段壓裂易于大規(guī)模大排量施工，封隔效果好，壓裂段數(shù)不受限制，壓后井筒保持全通徑，便于后期生產(chǎn)中的施工作業(yè)(表1)。

表1 水平井分段壓裂技術(shù)工藝特點對比

不同壓裂方式都存在各自的工藝技術(shù)特點以及適應(yīng)性，結(jié)合不同地質(zhì)條件和不同完井方式，在煤層氣水平井開發(fā)中，提出了針對性的裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)和煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，并進行了現(xiàn)場工程應(yīng)用實踐，取得了良好的產(chǎn)氣效果。

2 裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)

封隔器滑套水平井分段壓裂技術(shù)主要是由封隔器和滑套組成井下分段壓裂工藝管柱，通過打壓完成所有井下封隔器坐封，逐級打開滑套，進行各層段壓裂，以完成所有層段壓裂改造。水平井封隔器滑套分段壓裂技術(shù)適用于套管和裸眼完井方式，一次打壓完成封隔器坐封，壓裂定位準確，施工快捷。

針對裸眼完井方式，在山西晉城寺河井田實施了一口2014ZX-U-05水平井封隔器滑套分段壓裂。2014ZX-U-05井為一多分支水平井，含有一個主支和四個分支，鉆遇目標煤層為15號煤層，煤層平均厚度2.87 m。水平井主井眼鉆井采用三開裸眼完井方式，主井眼完鉆井深1 352.76 m，壓裂水平段長628 m，分4段采用裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)對目標煤層進行分段壓裂改造。施工排量8 m3/min，壓裂平均砂比7%，每段加砂量30 m3。

2014ZX-U-05水平井井下壓裂管柱采用裸眼封隔器和滑套的管柱結(jié)構(gòu)，完鉆后主井眼水平段下入Φ114.3 mm生產(chǎn)套管以及7 個Φ146 mm 封隔器、4 個Φ139.7 mm 壓裂滑套。采用裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)分四段對目標煤層進行壓裂，一次打壓完成所有封隔器坐封，逐級打開各級滑套，由下至上完成各段的壓裂改造。壓裂放噴后鉆銑滑套球座，井下壓裂管柱不起出留作生產(chǎn)管柱進行排采生產(chǎn)，該井自2015年1月開始排采，最高日產(chǎn)氣量突破25 000 m3/d，并長期穩(wěn)定在20 000 m3/d以上，壓裂改造效果顯著。

2014ZX-U-05井下壓裂管柱組合(自下而上)：浮鞋+41/2″油管+承壓短節(jié)+41/2″油管+壓差滑套+41/2″油管+裸眼封隔器1+41/2″油管+裸眼封隔器2+投球滑套1/2.5″+裸眼封隔器3+41/2″油管+裸眼封隔器4+投球滑套2/2.625″+裸眼封隔器5+41/2″油管+裸眼封隔器6+41/2″油管+投球滑套3/2.812″+41/2″油管+裸眼封隔器7+41/2″油管+懸掛封隔器+插管+51/2″油管(圖2)。

圖2 裸眼封隔器滑套分段壓裂管柱示意圖

3 油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)

水力噴射分段壓裂技術(shù)是根據(jù)伯努利方程，通過高速水射流射開套管和地層，形成一定深度噴孔，噴孔內(nèi)流體動能轉(zhuǎn)化為壓能，當壓能足夠大時，誘生水力裂縫。在射流出口遠端流體速度最低，壓力最高，高出的壓力加上井底裂縫延伸壓力驅(qū)使裂縫向前延伸[11]。在水力噴射“水力封隔”的基礎(chǔ)上進一步地提高了封隔效果，不用機械封隔一趟管柱實現(xiàn)多段壓裂，可實現(xiàn)射孔、壓裂、封隔一體化作業(yè)，適用于套管、裸眼和篩管等不同完井方式。

為了降低對煤層的傷害，煤層氣水平井在煤層中鉆井時，多采用非固井套管完井方式。同時，為了滿足煤層氣大規(guī)模和大排量的施工要求，實現(xiàn)水平井有效的分段壓裂改造，采用油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)，油套同注可提高壓裂施工排量，環(huán)空加砂可有效提高壓裂規(guī)模[12]。

針對非固井套管完井方式，山西趙莊井田實施了一口ZX-U-01水平井的水力噴射分段壓裂。目標煤層3煤埋深762.98～768.19 m，煤層平均厚度5.21 m。水平井采用三開非固井套管完井方式，完鉆井深1 735.63 m，水平段長826m，分8段采用油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)進行分段壓裂改造。油管注入排量2.2～2.4 m3/min，油套環(huán)空注入排量6.0～6.5 m3/min，壓裂總施工排量7.9～8.7 m3/min，平均砂比10.25%～13.13%，共計加砂367 m3，壓裂液5 500 m3。

ZX-U-01水平井壓裂管柱采用油管拖動水力噴砂射孔、油套同注環(huán)空加砂壓裂的工藝方式對目標層段進行分段壓裂施工。井下壓裂管柱組合(自下而上)：導(dǎo)錐+篩管+單流閥+下扶正器+水力錨+封隔器+噴槍+上扶正器+1根油管+液壓丟手+73 mm平式油管(圖3)。

圖3 油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂管柱示意圖

ZX-U-01水平井2016年9月正式開始排采，截止2017年底，最高產(chǎn)氣量5 147.4 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)量3 000 m3/d以上，累計產(chǎn)氣量86.7萬m3(圖4)，是臨近直井產(chǎn)量的15～20倍，顯示了良好的產(chǎn)氣效果，表明水力噴射分段壓裂技術(shù)在趙莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)中具有較好的應(yīng)用前景。

圖4 ZX-U-01水平井生產(chǎn)曲線圖

4 煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)

可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)主要是采用電纜傳輸橋塞與射孔槍，實現(xiàn)射孔、壓裂聯(lián)作。采用可鉆橋塞電纜射孔聯(lián)作技術(shù)，在水平段采用泵注方式將橋塞和射孔槍聯(lián)作工具泵送至水平段指定封隔位置，通過分級點火裝置，實現(xiàn)橋塞坐封，并上提射孔槍到達上段射孔位置進行射孔作業(yè)。在分段壓裂過程中通過逐級下入橋塞和射孔槍，實現(xiàn)水平井逐級分段壓裂改造?？摄@橋塞分段壓裂技術(shù)適用于套管固井完井方式，封隔性好，由于壓裂段數(shù)和施工規(guī)模不受限制，可滿足煤層氣井大排量施工的要求。

碎軟低滲煤層在我國分布廣泛，針對碎軟低滲煤層的地面煤層氣開發(fā)，通過在緊鄰碎軟煤層的頂板巖層部署水平井進行煤層氣開發(fā)，采用可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)實現(xiàn)煤層氣水平井大規(guī)模和大排量的壓裂施工。

安徽蘆嶺井田實施了一口LG01水平井煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂。目標煤層8煤埋深729.15～740.55 m，平均厚度11.4 m。LG01-H井水平段軌跡控制在8煤層頂板巖層中，通過在水平段垂直向下定向射孔后實施分段壓裂，實現(xiàn)水平井眼與8煤層的溝通(圖5)。水平井采用三開套管固井完井方式，完鉆井深1 485.96 m，水平段長585.96 m，分7段采用可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)進行壓裂改造，施工排量9.5～10 m3/min，平均砂比9.27%～15.48%，共計加砂542.5 m3，壓裂液6 627 m3。

圖5 LG01水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

LG01井自2015年1月開始排采，最高日產(chǎn)氣量達到10754.8 m3/d，實現(xiàn)連續(xù)92天日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在 10 000 m3/d以上，連續(xù)512 d日產(chǎn)氣量高達7 000 m3/d以上的產(chǎn)氣效果(圖6)。截止2019年5月，累計產(chǎn)氣量已突破640萬m3。實踐證明，采用煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)開發(fā)碎軟低滲煤層煤層氣取得了較好的產(chǎn)氣效果，為碎軟低滲煤層的煤層氣開發(fā)提供了一條新的技術(shù)途徑。

圖6 LG01水平井生產(chǎn)曲線圖

5 結(jié)論

①水平井分段壓裂相對于直井壓裂改造可大幅提高單井泄流面積和導(dǎo)流能力， 有效提高單井產(chǎn)能，可滿足煤層氣地面快速、高效抽采的技術(shù)需求。

②鑒于煤層氣壓裂大規(guī)模大排量的技術(shù)特點，適用于煤層氣水平井開發(fā)的分段壓裂技術(shù)主要為封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)和可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)。

③針對不同地質(zhì)條件和不同完井方式，提出了裸眼完井封隔器滑套分段壓裂技術(shù)、非固井套管完井油管拖動油套同注水力噴射分段壓裂技術(shù)和碎軟低滲煤層頂板水平井可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)，并分別在山西晉城寺河、山西晉城趙莊、安徽淮北蘆嶺井田進行了現(xiàn)場工程應(yīng)用實踐，穩(wěn)定產(chǎn)氣量分別為20 000 m3/d、3 000 m3/d、10 000 m3/d，取得了良好的產(chǎn)氣效果。