水力喷射压裂技术在柳林地区的应用

水力喷射压裂技术在柳林地区的应用
发布时间：2022-08-18T09:41:09.848Z 来源：《科学与技术》2022年第30卷第7期作者：张贺
[导读] 为减少管外串流对压裂效果的影响，根据柳林地区煤层气水平井采用套管不固井方式完井的现状
张贺
中联煤层气（山西）有限责任公司，山西太原 030000
摘要
为减少管外串流对压裂效果的影响，根据柳林地区煤层气水平井采用套管不固井方式完井的现状，提出了采用水力喷射压裂方式进行储层改造。

为满足施工要求，优选40/70目石英砂作为喷砂磨料，采用油管补液、套管加砂的方式施工。

四口水平井共完成32段压裂施工，井口压力平稳，均按设计完成施工，平均每段加砂49.5m3，平均每段液量789.6m3。

通过后期排采，证明水力喷射压裂技术可以有效解决不固井套管完井压裂改造技术难题，为柳林地区煤层气水平井压裂指明了技术方向。

关键词：水力喷射，煤层气，水平井，分段压裂
柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘的山西省井内，面积约194. 42 km2，构造上位于鄂尔多斯盆地东缘离石鼻状构造南翼，总体为一向西或西南倾斜的单斜构造[1]。

区块构造简单、断层稀少，煤系发育，水文地质条件简单，煤层气勘探开发具有比较优越的地质条件。

8#、9#煤平均厚度10.49m，煤层分布稳定、产气量减低、产水量较大，顶板为石灰岩或泥灰岩，偶为细粒砂岩或泥岩；底板岩性多为砂质泥岩或泥岩，局部为细、中、粗粒砂岩，偶为炭质泥岩 [2,3]。

根据参数井煤样测试及该区历史生产井产气状况分析，柳林区块南部8+9#煤为低渗储层，整体渗透率小于0.4md，需要对水平段实施分段压裂改造，提高单井控制面积及产气量。

目前该地区水平井采用外径为139.7mm的生产套管、水平段不固井的完井方式，采用常规分段压裂方式容易造成关外串流，影响改造效果。

需要采用一种有针对性的改造方式，实现该地区水平井高效改造。

水力喷砂射孔与压裂联作是集射孔、压裂一体化的改造措施，具有井下管柱结构简单、施工效率高、射孔深度大等特点，已经在深层、海上低渗油藏、低渗气藏、高压储层、煤层气等储层广泛应用[4-11]。

为提高柳林地区煤层气井产量，在借鉴其他地区成功应用经验的基础上，优化了射孔磨料和施工方式，形成了适合柳林地区煤层气井的水力喷射压裂技术。

1 水力喷射压裂技术原理[12,14]
水力喷射压裂技术分为水力喷射射孔和水力喷射压裂两个过程，是低渗透油气藏增产改造的一种有效技术措施，也是水力压裂的前沿技术和未来发展方向。

1.1 水力喷射射孔
水力喷射射孔是水力喷射压裂的第一步，在地面上用高压泵车将含有固体磨料的工作液加压，经油管泵送至井下指定射孔位置，利用喷嘴的截流作用将高压能量转变为动能，产生高速射流。

在高速流体和磨料的作用下切割套管和煤层，完成射孔。

根据伯努利方程，射流出口附近的流体速度最高、压力最低，油管内流体会自动泵入裂缝，环空的流体在压差作用下进入射流区被吸入地层，随着液量的增加，裂缝逐渐扩展和延伸。

图1 水力喷砂射孔示意图
1.2 水力喷射压裂
完成水力喷射射孔后，打开套管闸门，从油管和环空同时泵入流体，油管中的流体经过喷射工具继续在喷射通道中增压。

当环空压力和喷射压力之和大于地层破裂压力时，地层被压开，裂缝在净压力的作用下不断向远端延伸。

携砂液通过环空进入地层，完成水力压裂施工。

高速射流能够在不使用封隔器的条件下完成分段压裂，避免压裂段之间的串流。

1.3 水力喷射压裂技术特点
水力喷射压裂井下管柱结构简单，可以实现一趟管柱多段压裂。

完成一段压裂施工后，上提井下管柱即可直接进行下一段压裂，一趟管柱可完成3-4段压裂施工，缩短了施工周期。

喷砂嘴的耐磨性决定了井下管柱的施工次数，采用耐磨、高效的喷嘴可以一次完成多段压裂施工。

2 水力喷射压裂设计
2.1 施工管柱
柳林地区煤层气水平井采用外径为139.7mm的生产套管完井，水平段没有固井。

通洗井后，下入“导向底球+短节+防砂水力锚
+K341(Y344)封隔器+固定喷枪+扶正器+D73mm外加厚油管1根+安全接头+D73mm外加厚油管至井口”压裂施工管柱。

每压裂一段，拖动管柱，调整喷砂器至下一喷射点，水力喷射射孔后开始下一段压裂施工。

所有压裂段施工结束后，起出压裂管柱，下冲砂管柱，冲砂后起出冲砂管柱，结束施工。

图2 柳林地区水平井水力喷射压裂管柱
2.2 磨料参数
常用的水力喷射射孔磨料主要为石英砂和陶粒，在施工压力和排量一定时，磨料的切割能力随着硬度的增加而增大。

砂粒速度越大动能越大，冲击力越强，导致喷嘴的应力、应变越大。

砂粒速度在100m/s时，18分钟后喷嘴容积改变了0.000011 cm3。

砂粒速度在200m/s时，15分钟后喷嘴容积改变了0.000028 cm3。

砂粒密度对碰撞效果也有明显影响，密度越大动能越大，冲击力越强，导致喷嘴的应力、应变越大。

颗粒密度为800kg/m3时，喷嘴容积变化了0.0000124 cm3，颗粒密度为3200kg/m3时，喷嘴容积变化了0.0000308 cm3。

综合考虑喷射效果和喷嘴的耐磨强度，选择40/70目石英砂作为磨料，其在28MPa下的破碎率≤14%，使用浓度为7%，平均每段用量为1.5m3。

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3 压裂施工情况
目前柳林地区已完成4口水平井水力喷砂压裂，平均水平段长度841.2m，共压裂32段，累计入井压裂液25265.9m3，累计加砂1585m3。

从单段施工曲线看，射孔过程中井口压力波动较大，射孔完成后压裂趋于平稳，加砂过程中裂缝延伸明显，施工顺利。

图5 压裂施工曲线（单段）
图6 施工数据
已实施的四口井选择4070目石英砂作为射孔磨料，采用7%的砂比进行喷砂射孔，射孔时油管排量为2.0-2.5m3/min，单段射孔用砂量为1.5-1.8m3。

射孔过程中井口压力波动较大，喷砂射孔结束后，井口压力稳定在36.4-58.2MPa。

4 结论
1）水力喷射压裂在柳林地区煤层气水平井成功应用，解决了套管不固井完井方式下分段改造技术难题，避免了压裂过程中管外串流问题；2）施工过程中，一趟管柱完成3-4段压裂，减少了起下钻次数，缩短了作业周期；3）水力喷射压裂管柱结构简单，降低了管柱井下卡钻的风险，可以在易砂卡的出去推广应用；4）喷嘴的磨损程度决定了一趟管柱压裂的段数，除了优化喷射参数、优选磨料外，采用高强度、耐磨喷嘴可以进一步提高一趟管柱的压裂段数，提高施工效率，降低操作成本。

参考文献
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