碎軟低滲煤層水平井水力噴砂射孔工藝優化

張永成，趙祉友，汪 奇，文賢利，劉亮亮，李德慧，張 為，王旭超，李大冬

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.晉能控股集團有限公司，山西 大同 037000；3.中原石油勘探局井下特種作業公司，河南 濮陽 457000；4.新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5.中國石油工程建設有限公司，北京 100120；6.華陽一礦通風工區，山西 陽泉 045000)

隨著我國推進能源生產消費革命，加快非常規油氣開發步伐，有力地促進了水平井及分段壓裂技術的快速發展[1-3]。實踐證明，水平井分段壓裂技術是改造低滲儲層的有效技術途徑，特別是對碎軟低滲煤儲層水平井的壓裂改造，可有效提高煤層氣井的產氣量和采出程度，降低開發成本，實現煤層氣商業化開發[4，5]。

水力噴射壓裂可在地層中形成具有一定長度的填砂裂縫，這些深穿透、高導流能力的縫隙使油氣能順利入井，達到了增產的目的。早在20世紀70年代，水力噴砂射孔工藝技術就已大規模應用。1996年，國外針對水平井儲層改造問題首次提出“水力噴砂壓裂”新型增產工藝。近年來，我國引進該技術并不斷加以改進，取得了良好的效果[6-8]。隨著煤層氣水平井建井技術的日趨成熟，水力噴射分段壓裂也逐漸引入煤層氣水平井的開發，沿用油氣及非常規油氣水平井水力噴射分段壓裂技術，有效促進煤層氣開發，但在碎軟煤層氣水平井壓裂過程中，還沒完全獲得突破，主要原因是，煤巖彈性模量低，泊松比高，在水力噴射成孔的過程中容易出現井眼垮塌，在軟煤施工中還會產生大量煤粉，給工程作業造成極大的不便，大大降低了施工效率；此外，煤層氣水平井分段壓裂關鍵工具缺乏地質工藝適應性的自主創新，壓裂成本較高[9]。

以沁水盆地趙莊礦區煤層氣U型水平井壓裂工程施工為契機，研發水力噴砂射孔壓裂工具，以適應趙莊軟煤煤層氣開發需要。由于煤層氣儲層本身改造要求砂量大，與常規油氣壓裂有較大差異，直接采用油田的噴砂射孔工具，因磨損原因、結構設計不佳、水力參數不匹配，往往導致無法正常完成煤層氣井壓裂作業，甚至造成井下事故[10-12]?，F場急需適當的工具及工藝參數來指導作業，減少煤層垮塌次數，提高工作效率。為此，根據軟煤煤層氣井壓裂施工要求和水力噴砂射孔壓裂工藝特點，優化設計噴嘴和主體工具，實現降本增效。

1 碎軟煤層水力噴射改造理念提出

碎軟煤層水平井受井筒應力集中的影響，在鉆井、射孔、壓裂過程中在近井地帶形成煤屑、煤粉，會導致排采過程中煤粉大量運移，堵塞滲流通道，使得煤層氣井穩產期短，產氣量衰減迅速。針對上述問題，提出了利用水力噴砂射孔壓裂來降低碎軟煤層水平井煤粉的產生，在射孔過層中通過高壓水射流循環沖出煤粉，同時壓后進行水力噴砂補射孔，充分攜帶井筒及壓裂孔眼附近煤粉，減少近井帶煤粉對排采的影響。

水力噴砂射孔壓裂是根據動能—壓能轉化原理，利用高壓水射流，將動能轉化為水壓能，引起巖層破碎。根據工藝特點，碎軟低滲煤層水力噴射壓裂工藝包含水力噴砂射孔、高壓射流、環空壓裂以及水力補射孔清洗。為了提高射孔的效率，在水流中加入砂粒，利用砂粒來沖擊、切割，首先射穿套管、水泥環層，可射開多個孔，并建立井上下地面水力循環系統，通過水力循環作用將軟煤在鉆井、作業及射孔過程中產生的煤粉攜帶至地面，保持射孔孔眼清潔；水力噴砂射穿套管和水泥環后，繼續沖蝕切割近井地層巖石，當超過了巖石的抗拉強度極限和抗剪強度極限，就實現高壓水射流壓裂；高壓射流能夠在噴射器出口斷面處產生一個低壓區域，配合環空注入的攜砂液進入該低壓區域后，在射流液體黏滯作用下，攜砂液被帶入射孔孔道和裂縫，實現裂縫的延伸和擴展，最終達到壓開巖石、改造儲層的目的；針對碎軟煤層的特點，壓裂改造完成后進行水力噴砂補射孔，即在改造各段中點進行，以增大滲流面積，同時利用補射孔產生的水力循環，清洗軟煤在壓裂過程中堆積在孔眼及井筒附近的煤粉，實現“射孔-增透-控粉”為一體的壓裂改造效果[13，14]。

2 水力噴砂射孔壓裂工藝優化

目前，煤層氣水平井水力噴射分段壓裂技術包括三種：連續油管拖動水力噴砂射孔分段壓裂、不動管柱水力噴砂射孔分段壓裂和油管拖動水力噴砂射孔分段壓裂。連續油管拖動水力噴砂射孔分段壓裂雖然工藝方便，但壓裂成本相對較高；不動管柱水力噴砂射孔分段壓裂則存在管柱結構復雜，排量受變徑限制，且存在管內滑套提前打開的可能性。從施工成本和工藝角度考慮采用油管拖動水力噴砂射孔分段壓裂工藝，能完全實現碎軟煤層水平井封隔-射開-壓裂，完成全井段壓裂及施工。施工主要工藝要求如下：

1)對水平井第一段實施封堵和射孔：先坐封，然后進行水力噴砂射孔，要求射孔排量大于2 m3/min，射孔時間大于15 min，射孔后進行頂替，以充分返排煤粉，頂替液量不低于井筒容積。

2)采用油管噴砂射孔+油套環空聯合注入的方式進行第一段壓裂，壓裂施工總排量不低于8 m3/min。

3)壓裂結束后關井，禁止放噴避免砂卡管柱，待井口壓力表壓力降至0 MPa進行作業。拖動油管至第二段壓裂位置后，再次對水平井第二段實施封堵和噴砂射孔，充分返排煤粉后，以同樣的方式對第二段進行壓裂施工。

4)重復以上步驟，依次對水平井完成多次分段壓裂，直至按設計要求完成全部壓裂施工。

5)壓裂結束以后，對每兩個壓裂段之間進行一次水力噴砂補射孔，補射孔要求與第一段射孔要求相同，主要是返排射孔及壓裂過程中近井帶煤粉。補射孔結束后提出井下壓裂管柱，待井口壓力表壓力降至0 MPa后，沖砂洗井，并進行下一步施工程序。

3 噴砂射孔工具優化及組合

噴砂射孔工具是水力壓裂的關鍵工具，主要功能是提供高速磨料射流，射孔套管、水泥塞和一定深度的巖層，建立壓裂、生產通道。對于碎軟煤層，要考慮噴嘴的排量能夠實現對煤粉的攜帶；而流體對噴射工具的腐蝕、噴射至套管以及巖石后所形成的返流對噴射工具直接造成的損傷也不容忽視，因而對噴射工具進行優化，是整個水力噴砂射孔壓裂工藝設計當中最為重要的環節。根據油管排量、儲層特點，可通過優化調整噴嘴大小、數量、位置，來實現不同工藝需求[15，16]。

3.1 噴嘴設計

噴嘴是噴砂射孔工具的核心部件，其性能直接影響水力壓裂的效率和效果。噴嘴設計主要考慮流道形狀設計、噴嘴直徑設計及材質優選。

3.1.1 噴嘴形狀設計

噴嘴形狀直接影響噴嘴的效率。噴嘴的能量轉換系數、流量系數、速度系數之間存在如下關系[17]：

式中，η為能量轉換系數；Cd為噴嘴流量系數；μ為噴嘴速度系數。

由式(1)可知，在其他條件相同的情況下，噴嘴的流量系數、噴嘴速度系數越高，其能量轉換效率越高，在相同的壓力下流體的流速越大，動能越大，噴射效果越好；同時，噴嘴的摩阻損耗越小，對噴嘴的沖蝕越小。

不同噴嘴結構的流量與速度之間的關系如圖1所示，可以看出，流線形噴嘴的流量系數最高，能量轉換效率也最高。但在實際加工過程中，流線形噴嘴的加工難度大，精度難以控制，成本較高。圓錐收斂形噴嘴的流量系數僅次于流線形噴嘴，而且便于生產加工，精度容易控制。據此，噴嘴結構選擇圓錐收斂形，并優化設計噴嘴為2級收斂噴嘴，收縮角為90°和40°。

圖1 不同噴嘴結構的流量系數和速度系數Fig.1 Flow coefficient and velocity coefficient of different nozzle structures

3.1.2 噴嘴直徑優化

為保障噴砂射孔正常作業，保障射孔液及煤粉有效返排，噴嘴的尺寸應與地面泵的排量和壓力匹配。為保障煤層氣水平井環空加砂大排量壓裂施工，壓裂施工使用N80-?73 mm平式油管，排量2.0～2.5 m3/min。按照式(2)和式(3)，根據表1給定參數，求得噴嘴直徑及射速。

表1 噴嘴直徑及射速計算Table 1 Calculation of nozzle diameter and firing rate

式中，d為噴嘴直徑，mm；Q為油管排量，L/min；n為噴嘴數量，個；P為射流壓力，MPa。

式中，V為射流速度，m/s。

根據室內實驗研究，噴嘴尺寸越大，在套管以及地層形成的孔徑也就越大，利于后期作業，也利于軟煤層煤粉的排出，但噴嘴過大要考慮管柱風險；而提高噴射速度，有助于提高施工效果，在噴嘴一定情況下，提高射速噴嘴壓降也逐漸增加，噴嘴磨損增大。權衡多方面因素，射流速度在160～210 m/s時，能夠滿足射孔壓裂要求；采用N80-?73 mm平式油管，更利于環空加砂壓裂實施，優化設計取噴嘴直徑d=6.7mm；排量范圍現場控制在2.0～2.5 m3/min時，射流壓力為16.5～25.8 MPa，射流速度為158.8～196.9 m/s。

3.1.3 噴嘴材質選擇

噴嘴材料應兼具高硬度和高耐磨性，兩者缺一不可。通常，用于制作噴嘴的硬質合金材料有碳化鎢、碳化硅、碳化硼、氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等。碳化鎢的含量決定噴嘴的硬度，其含量越高，噴嘴硬度越大，耐磨性越好，但是抗拉強度越低，脆性越強，抗沖擊傷害越弱。因此，設計采用綜合性能較好的YG6X作為噴嘴加工材料，該材料的碳化鎢含量為93.5%，密度為14.6～15 g/cm3，硬度HRC 91.7～92.5，抗拉強度1400 kN。

考慮噴嘴要求大排量且循環攜帶煤粉的特點，采用防反沖蝕破壞一體化硬質合金圓錐收斂型噴嘴，噴嘴直徑6.7 mm，兩級收縮角90°和40°，采用圓弧過渡；外圓采用內接8邊形，可快速安裝與拆卸噴嘴，如圖2所示。該噴嘴加工精度容易控制，便于生產。

圖2 噴嘴結構設計(mm)Fig.2 Nozzle structure design

3.2 本體設計優化

進行射流切割時，在射流起始段，高壓流體從噴嘴形成高速射流，形成未經擾動的位能核心區，其內的射流軸向動壓保持常數，等于射流出口壓力。位能核心的流動速度為定值，等于射流的出口速度，這部分介質組成了等速核心，是射流的精華。射流起始段長度Lf是反應射流凝聚性的基本結構參數，其大小亦決定噴砂射孔工具本體的外徑。在影響射流結構特性的各參數中，最主要的是射流壓力、射流起始段的雷諾數及噴嘴結構、加工精度和內表面粗糙度[18，19]。對于射流起始段雷諾數可按式(4)計算：

Re=(Vd/υ)×10-3

(4)

式中，Re為射流起始段雷諾數；υ為運動粘度，m2/s(清水的運動粘度為1.01×10-6m2/s)。

前蘇聯相關學者對高壓水射流做過大量的實驗研究工作。對于射流壓力高、雷諾數Re>0.4×106時，射流起始段長度直接取決于射流的形成條件，而不再和雷諾數有關。此時Lf一般可在式(5)范圍內變化：

Lf=(53～106)d

(5)

式中，Lf為射流起始段長度，mm。

按照噴嘴結構設計，噴槍采用6個6.7 mm噴嘴計算：射流壓力在16.5～25.8 MPa范圍，排量在2000～2500 L/min，速度在158.8～196.9 m/s，具體見表2。計算該條件下的雷諾數Re均大于0.4×106，故采用式(5)計算Lf值為355.1～710.2 mm。

表2 Re及Lf計算Table 2 Calculation of Re and Lf

對于?139.7 mm生產套管完井，假設采用?215.9 mm鉆頭，井眼擴徑率為12%，固井后巖石邊界距井眼軸線距離：R=121.98 mm。也就是說，噴嘴即使位于井筒軸線位置，也可以有效射流亦能射穿套管、水泥塞，并射入巖石一定深度?？紤]到噴砂射孔工具受到射流的回擊傷害，設計本體外徑為105 mm，內徑50.8 mm，圓柱面切削內接正六邊形作為噴嘴安裝平面，對稱平面間距94 mm，如圖3所示。為提高耐磨蝕性，本體表面噴涂0.5 mm硬質合金材料。

圖3 噴砂工具本體結構(mm)Fig.3 Structure of sandblasting tool body

3.3 管柱組合及功能

根據煤層氣水平井壓裂工藝需求，配套相應的井下工具，實現管柱功能設計，拖動底封噴砂射孔壓裂管柱及工具組合為：?73 mm導錐篩管+單流閥+?116 mm下扶正器+?111mm-K344底封封隔器+噴砂射孔工具+?116 mm上扶正器+?89 mm丟手接頭+ N80-?73 mm平式油管，如圖4所示。具有以下功能：

圖4 油管拖動底封壓裂管柱Fig.4 Oil pipe dragging bottom seal fracturing string

1)管柱具有暫時性封隔下部層位的功能，需要封隔器密封可靠、易解封、可多次重復座封，采用K344底封擴張式封隔器。

2)管柱具有噴砂射孔功能，采用自主研發的噴砂射孔工具，保證排量不小于2 m3，能有效攜帶煤粉。

3)管柱具有錨定功能，采用一種防砂式水力錨，確保在壓裂過程井下工具串穩定，也就是保證封隔器位置和射孔點位置不變。

4)管柱具有扶正功能，采用上下扶正器，使封隔器及輔助工具盡量居中，確保封隔器密封可靠以及降低砂卡的風險。

5)管柱具有大排量反洗井功能，采用一種耐磨球籃式單流閥，既能夠正向隔離下部層位又能夠大排量反循環洗井。

6)管制具有丟手功能，采用液壓丟手接頭，一旦出現卡鉆等異常情況，可快速丟手分離壓裂油管和井下工具串，簡化后期修井程序。

4 現場應用

4.1 試驗井數據

山西晉城礦區趙莊區塊煤層具有碎軟、低滲特點，常規水力壓裂改造效果不佳，煤層氣開發難度大。為提高煤層氣開發效果，晉煤集團在趙莊區塊施工了一口U型對接井組(井號為ZX-U井)，首次采用自主研發噴砂射孔工具進行油管拖動管柱水平井分段壓裂技術對碎軟低滲煤儲層進行改造。井組包括相互對接的1口水平井和1口垂直井。根據測井結果，該井組垂直井開發的3號煤層埋深762.98～768.19 m，煤層厚度5.21 m。其中，垂直井用作排采生產，水平井進行分段壓裂作業，水平段長度為826 m。ZX-U煤層氣水平井井身結構如圖5所示。

圖5 ZX-U煤層氣水平井井身結構Fig.5 Structure of ZX-U coalbed methane horizontal well

綜合考慮各類壓裂工藝的優缺點和壓裂工況特點，考慮軟煤層塌孔、煤粉大、施工成本及工藝適應性等因素，ZX-U煤層氣水平采用井自主研發水力噴砂射孔壓裂工具，配套N80-?73 mm油管拖動管柱，水力噴砂射孔、環空加砂壓裂方式施工。根據完井要求，施工過程中，要求油管限壓55 MPa，套管限壓45 MPa，油壓始終高于套壓；油管排量可達25 m3/min以上，套管排量可達到8.5 m3/min；要求每段噴砂射孔時間達到15 min以上，并充分循環頂替攜帶煤粉產出。通過設計研發噴砂射孔壓裂工具，保障了壓裂施工成功率。

4.2 施工過程

ZX-U煤層氣水平井正式壓裂共施工八段，具體壓裂施工曲線如圖6所示。該井施工過程總體順利，由于地層原因，第6段和第7段壓裂過程中施工壓力過高，但也完成了加砂壓裂要求。單段噴砂射孔時間都滿足了15 min，并且充分循環頂替。壓裂實際注入總液量5415.6 m3，總砂量373.2 m3(其中40～70目石英砂16.0 m3，20～40目石英砂285.2 m3和16～20石英砂72.0 m3)。從各段壓后施工曲線看，停泵后各段壓力曲線下降迅速，說明壓后改造效果明顯，有效提高了儲層的滲透性。

圖6 ZX-U井各段壓裂施工曲線Fig.6 Fracturing construction curve for each section of ZX-U well

為提高水平井眼泄流面積，8段壓裂結束后，在每兩個壓裂段之間進行補射孔，通過水力噴砂補射孔，新孔眼能夠增大導流通道，同時補射孔過程中建立的水力循環能有效清洗壓裂過程中堆積在已有射孔孔眼的煤粉，有效提高對軟煤層的作業效果。共補射孔8段，累計使用射孔砂7 m3，用液量293.9 m3。整體補射孔作業射開顯示良好，射開壓降明顯。

4.3 試驗效果

試驗結果表明，ZX-U井壓后投產，最高產量達到5000 m3/d以上，排采3 a時間，井口套壓0.12 MPa，產水量1.7 m3/d，日產氣量達到3514 m3/d，顯著降低了煤粉對排采的影響。從排采數據分析，優化設計后的水力噴砂射孔工具的噴嘴和主體，完全滿足了煤層氣水平井拖動油管水力噴砂射孔工藝技術要求，順利完成了在趙莊礦區低滲煤層的分段壓裂施工，取得了良好的增產改造效果。統計表明，采用連續油管分段壓裂單段費用約為45萬元，油管拖動水力噴砂射孔壓裂單段費用約為35萬元，與連續油管分段壓裂技術相比，單段壓裂作業成本降低了28.5%[20]。

5 結 論

1)針對碎軟低滲煤層水平井煤粉產出危害，提出采用水力噴砂射孔壓裂來實現“射孔-增透-控粉”為一體的壓裂改造理念，具體工藝包含水力噴砂射孔、高壓射流、環空壓裂以及水力補射孔清洗。

2)設計改進的防反沖蝕破壞一體化硬質合金圓錐收斂型噴嘴，適合于拖動油管水力噴砂射孔壓裂工藝，具有加工簡單、精度易控制的特點，噴嘴直徑d=6.7 mm；設計采用圓弧過渡的兩級收縮角，分別為90°和40°，外圓采用內接8邊形；能實現排量2.0～2.5 m3/min時，射流壓力為16.5～25.8 MPa，射流速度為158.8～196.9 m/s，可較好地滿足碎軟低滲儲層煤層氣水平井分段壓裂要求。

3)設計噴射器本體外徑為105 mm，圓柱面切削內接正六邊形作為噴嘴安裝平面，對稱平面間距94 mm。本體表面噴涂0.5 mm硬質合金材料，可以有效射流亦能射穿套管、水泥塞，并射入巖石一定深度。

4)經壓裂射孔施工和煤層氣水平井排采驗證，優化后的工藝及工具，滿足了碎軟低滲煤層水平井的分段壓裂施工要求，增產改造效果良好，顯著降低了煤粉對排采的影響。與連續油管分段壓裂技術相比，油管拖動水力噴砂射孔壓裂單段壓裂作業成本降低了28.5%。