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高压水射流技术用于煤层气开发的可行性分析
摘 要
煤层气井钻进和固井过程使近井地带裂缝扭曲, 给后期压裂造成一定困难; 高压水力射流技术一方面利用水击作用能有效解除钻井、 固井造成的堵塞, 使井周环形区域应力又再次调整, 大部分区域应力下降解除压实效应, 另一方面在环空增加一定压力使产生的微裂缝得以延伸, 实现水力喷射压裂, 能够大幅提高井周的渗透率。本文就高压水射流技术用于煤层气开发进行技术方面的探讨, 为煤层气开采提供一种有效的增产手段。
关键词: 高压 水射流技术 煤层气开发

Abstract: Crevice near the well is contorted during drilling and completion,It will be influence the fracturing working. Hydraulic Jet flow technique takes advantage of the hydraulic perforating and hydraulic fracturing technologies,it will eliminate the formation plugging, adjust annular ayer stress near the well,in the other hand, it will extend the micro-crevice through increasing pressure,and improve penetrability. The paper described the technique about its current situation,principles and processes, introduced technical characteristics and then analyzed the hydraulic jet technique used in coal-bed methane exploitation,It will offer a new method of increasing production.
Key words: High Pressure Hydraulic Jet technique Coal-bed Methane

1 问题的提出
沁水煤层气田低渗透、 低孔隙度、 低储层压力, 自然产能低, 经过压裂改造, 能够在煤层中形成一定长度的高导流能力的人工裂缝, 加速煤层排水降压、 促进煤层气解吸、 流动, 使煤层气井获得工业气流, 可是在现场产能改造过程中发现一些问题:
( 1) 压裂破裂压力变化幅度大( 破裂压力在12.6～35MPa) , 且易出现高压;
( 2) 地面施工压力较高;
( 3) 部分井加砂困难, 砂比难以提升, 发生砂堵。
分析原因主要是由于近井带裂缝扭曲造成的。煤层气井钻进和固井过程中的液体渗入煤层, 在煤层孔隙沉淀, 同时流体携带的煤屑、 砂粒泥粒在围绕井筒以井外壁为内边界的环形区域内的煤层孔隙缝隙中沉淀, 堵塞了煤层孔隙缝隙部分空间, 降低了近井地带裂缝的宽度和导流能力, 从而使该环形区域的渗透率低于环形区域外煤层渗透率, 也即低于煤层原始渗透率; 另外井钻成后应力重新分布, 近井环形区域内应力升高产生的压实效应, 从而造成异常高的破裂压力。
针对以上存在的问题 如果能够提出一种方法, 能够有效的克服煤层气井井周产生的应力集中, 改变井周围附近的应力场, 清除井边地带高应力产生的压实效应, 改进井周围的渗透性, 减小压裂规模, 有效降低施工压力, 以减小压裂施工规模和提高压裂效率。
2　高压水射流力学性质
2.1 射流压力分布
当压力较低的水射流冲击可渗透平面,边界条件保持不变,且射流不可压缩时,射流冲击面可满足一个用高斯曲线来表示的压力面,可用下列方程表示:
( 1)
式中:
P为压力面上任意一点的压力, MPa;
P0为压力面上中心点的压力, MPa;
r为压力面上任意一点距压力面上中心点的距离, m;
a为由动量定理求得的常数, ;
r0为射流半径, m。
由于所研究的对象(煤)是可渗透的,水在煤中的流动满足达西定律:
( 2)
P(r,0)=f(r),
当时, ,利用汉凯尔变换,则有
( 3)
由式( 1) 可知
( 4)
另,则自由边界层上的压力梯度分量为
( 5)
( 6)
式中,M为合流超比函数.
式( 5) 和式( 6) 说明当高压水射流冲击煤或岩石时, 冲击表面的颗粒受到水压作用, 在距射流冲击面中心1.81倍的射流半径处, 煤或岩石颗粒上作用力的方向由向内的受压变为向外的受拉。由于煤和大多数岩石的拉伸强度仅为压缩强度的1/20或更小,也就是说在1.81倍射流半径的冲击范围外, 煤或岩石发生了冲蚀或破裂, 因此旋转射流的效率要比固定射流的效率高,成孔均匀。
高压水射流作用于金属或煤岩表面,主要由以下作用引起金属或煤的结构破坏: ( 1) 射流打击作用; ( 2) 射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用; ( 3) 水楔作用; ( 4) 气蚀破坏作用; ( 5) 射流打击在材料上产生的应力波。虽然以上因素同时起作用,但对煤或岩石等脆性材料的破坏形式是径向裂纹、 锥状裂纹和横向裂纹扩展。煤和岩石在射流正前方一定深度的剪应力达到最大, 在打击区周围产生拉应力。由于煤和岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度, 即使射流的打击应力达不到岩石的抗压强度, 拉应力和剪应力也能够超过煤或岩石的抗拉和抗剪的极限强度, 在煤或岩体内形成裂隙并相互交汇。当射流进入裂隙空间,在水楔的作用下, 裂隙扩展, 使金属或煤破碎。
2.2 成孔直径
成孔直径的大小直接影响到钻进摩擦阻力、 钻孔的排渣能力以及钻孔的稳定性。射流的成孔直径是决定钻进成功与否的关键因素之一。成孔直径主要决定于喷嘴直径的大小、 喷嘴的喷射角度和射流的冲蚀宽度。图1表示带有2个对称的旋转射流喷嘴( 为简便起见图1只显示1个喷嘴) 的钻头, 这个钻头适用于软岩和煤层钻进。在钻进过程中,钻孔的中心部位往往会留有1个半径为R的煤或岩柱,为了解决这个问题, 能够在钻头前部安装1个防护罩。防护罩能够使喷嘴与孔底保持一个固定的距离, 优化钻进效率。反向喷嘴提供的推进动力使喷嘴防护罩紧靠孔底, 当孔底的压力大于反向喷嘴提供的推进动力时, 喷嘴防护罩离开孔底后再次前进时, 就能够将钻孔的中心部位留有的煤或岩柱破碎。
由图1能够给出成孔直径的计算公式如下:
( 7)
现场试验发现, 在煤层钻进中水平孔的成孔形状并不是圆形的, 而是近似长方形的, 这是由于煤是层状的, 射流的穿层切割能力比层内切割能力弱。
3　水力射流压裂技术原理
3.1 技术原理
水力射流压裂技术结合了水力射孔和水力压裂的新型增产工艺。该工艺有三个过程共同完成, 水力喷砂射孔、 水力压裂( 经过普通油管或钻杆或连续油管) 以及环控挤压( 经过另外一个泵) 。经过安装在施工管柱上的水力喷射工具, 利用水击作用在地层形成一个( 或多个) 喷射孔道, 从而在近井地带产生微裂缝, 裂缝产生后环空增加一定压力使产生的裂缝得以延伸, 实现水力喷射压裂。
该技术基于伯努利方程:
( 8)
方程( 8) 表明流体束中的能量维持常量, 虽然实际上摩擦缓慢消耗能量使其转化为热能( 但这个简化方程不包含温度因素) 。有方程可知流体束的速度变化引起压力反向变化。喷嘴出口处速度最高压力就最低, 随着流体不断深入孔道速度逐渐减小, 压力不断升高, 到孔道端处速度达到最低压力最高。常规造缝方法需要对整个井筒加压, 大多数情况下观察到的破裂压力比裂缝扩展压力要大的多, 而且井内的每个裂缝都必须克服该压力。水力喷射压裂经过喷射流体在孔道内动能到压能的转换利用喷射滞止压力破岩从而在喷射点处产生微裂缝。由于能量集中在孔道端处, 井筒不受破裂压力的影响, 从而消除了压力曲线中地层破裂时压力峰值, 而且近井筒扭曲问题很少出现。
水力射流裂缝一旦形成, 由于喷嘴出口周围流体速度最高, 其压力就最低, 故流体会自动泵入裂缝而不会流到其它地方。环空的流体也会在压差作用下进入射流区被吸入地层。水力喷射压裂利用动态分流技术成功解决了定位控制问题, 经过流体的动态运动让其进入地层的特定位置而不使用任何机械密封装置。
3.2 影响因素分析
水力射流压裂过程中, 固体颗粒受水载体加速, 高速冲击套管和岩石, 产生切割作用。如何优化射流参数尽可能充分利用水里能量是该技术的关键之一。影响水力喷射压裂的因素主要包括流体参数、 磨料参数、 围压以及岩石性质。
流体参数的影响受压力、 排量和喷嘴直径控制。喷射深度随压力的增加近似呈线性增加, 孔径也随压力的升高而变大, 但存在一个临界压力, 低于临界压力就不能再破岩。每个压力下都有一个最大破裂深度, 当达到最大深度时, 增加喷射时间只能增加孔径而对孔深几乎没有影响。排量增加, 射孔深度显著增加, 这对现场应用来是时一个非常有用的结论。现场施工时能够经过提高排量来降低压力要求, 大排量低压射孔不但孔径明显变大而且破碎情况有所改进, 孔中基本没有残留颗粒堆积。由于磨料射流的有效速度增加, 较大的喷嘴直径能增加深度。
磨料参数主要包括磨料类型、 粒度、 浓度。在一定压力和排量下, 磨料的切割能力随硬度的增加而增大, 且带棱角的切割能力强。喷射深度并不随磨料浓度和粒度的增加一直增加, 相反在磨料粒径增加到一定程度时射孔深度反而有下降趋势, 表明磨料有一最佳浓度值和粒径值。根据试验结果, 最佳浓度范围为6%～8%, 适用浓度4%～10%, 最佳粒度为0.4～0.6mm, 现场推荐采用5%～8%, 0.4～0.8mm。最佳浓度随压力的增高而增大。
围压对射流的影响很大, 围压条件下射流流体能量损失很厉害。在其它条件相同的情况下, 有围压时要比没有围压时的喷射深度低很多。
煤层本身的特性对喷砂压裂也有较大影响, 煤层不同于常规砂岩气藏储层, 煤易碎, 易受压缩, 煤层的天然裂缝和基质割理发育, 加之弹性模量比砂、 页岩低, 泊松比比砂、 页岩高, 因此煤层的裂缝扩张比较复杂; 弹性模量对裂缝发育影响很大, 裂缝宽度基本与其成反比, 也是控制裂缝向上下围岩扩展的重要条件。
4　高压水射流压裂技术应用于煤层气井的可行性技术探讨
4.1 高压水射流压裂技术的优点
( 1) 射孔工艺是将射孔弹射入煤层, 以实现沟通煤层和井筒的目的, 它将会使射孔产生压密效应, 弹头留在孔端, 且射孔距离很短。而添加磨料的水射流压裂技术是利用射流技术将井壁射开, 并将地层掏出空洞, 超过污染带, 解除钻井、 固井及开采过程造成的堵塞; 同时不产生任何附加应力, 使井周环形区域应力又再次调整, 大部分区域应力下降解除压实效应, 从而提高了井周的渗透率。
( 2) 不需要机械封隔, 能够自动隔离, 可用于裸眼、 套管完井。
( 3) 一次管柱可进行多段压裂, 施工周期短, 有利于降低储层伤害。
( 4) 可进行定向喷射压裂, 准确造缝。
( 5) 喷射压裂可有效降低地层破裂压力, 保证高破裂压力地层的压开和压裂施工。
( 6) 可避免近井地带的砂堵, 对储层伤害小, 而且施工程序简单, 降低煤层气开发成本。
4.2 沁水地区的裂缝发育情况
沁水盆地的晋A、 晋B 井进行了地面电位测量, 测试结果见表1。
表1 地面电位测试结果
井号
煤组
井深, m
厚度, m
裂缝方位
裂缝长度预测
晋A
3#
525.6-532.0
6.2
北东80°对称
北东73m, 南西54m
15#
652.8-616.0
3.2
北东80°对称
北东62m, 南西57m
晋B
3#
539.0-544.4
5.4
北东80°对称
北东51m, 南西60m
15#
626.4-629.4
3.0
北东65°对称
北东53m, 南西65m
从表中能够看出, 裂缝的方位是北东80°对称。根据大地电位法监测得到的裂缝方位, 将生产井排方向沿此方位部署或将裂缝方位沿此方向延伸, 将有利于井间连通。
4.3 水力喷射提高低渗透煤层渗透性实验研究
根据煤层气的渗透系数公式可知, 气体吸附作用和固体变形作用对煤层的渗透性都有重要影响, 吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化, 固体的变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化, 吸附与变形共同作用的结果, 使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值, 当孔隙压变化小于临界值时, 渗透系数衰减, 孔隙压变化大于临界值时, 渗透系数增加。因此根据煤层气渗透系数随着有效体积应力的增加而呈幂指数式迅速减小的规律, 太原理工大学取潞安矿务局3# 煤层的煤开展了相关的室内实验, 实验采用同一块试件, 分别对试件不喷射时和对试件喷射以后两次试验进行, 并对试验结果进行比较, 实验证明: 采用高压水力喷射的方法释放煤体中的部分有效体积应力, 能够增加煤层内裂缝、 裂隙的数量、 长度和张开度, 从而提高低渗透煤层的渗透率。

4.4 高压水射流压裂技术应用于煤层气井的可行性
我们如果给高压水射流装置安装一个井下定向仪器, 使水力射流的射流方向沿着最大主应力方向, 那么由于水射流射流形成的纵向裂缝大于射孔炮眼面积, 有利于压裂裂缝的起裂; 同时割缝摩阻小于射孔炮眼摩阻, 降低了井口施工压力; 同时由于形成的割缝为纵向一条线, 起始裂缝形状简单, 近井摩阻小, 不易在近井地带引起砂堵, 且割缝方向沿着最大主应力方向, 有利于井间连通, 使井距加大,减少钻井数量及费用;
另外水射流割缝使煤层的暴露面积增大, 提高煤层气井的解吸面积, 够沟通煤层裂隙,提高煤层的透气性, 增加裂隙扩展。
当前井下定位的技术比较成熟, 成本较低的主要有无线测井和有线测井两种, 其定向精度能够满足水力割缝定向的要求。
高压水力喷射设备能够操作简单, 使用方便, 因而利用现场低压裂设备即可完成施工, 如图2所示, 不需要其它专门设备。
5　结论及建议
5.1 结论
( 1) 高压水射流压裂技术是一项集水力喷砂射孔和水力压裂于一体的新型储层改造技术, 适合于煤层气井的特性, 能够满足煤层气井的增产需要。
( 2) 施工过程中应用喷射压裂能够有效降低井底地层破裂压力, 可在任何位置准确造缝, 而且不同位置能够采用不同压裂方案。
( 3) 一次下管住能够连续进行多段压裂, 施工程序简单、 周期短、 效率高。
5.2 建议
( 1) 水射流是水力喷射压裂的关键, 优化射流水力参数对喷射压裂施工起到重要的指导作用。
( 2) 相关水力参数的优化将是水力喷射压裂的关键, 如油管排量、 环空排量、 环空压力控制等。
参 考 文 献
[1] 万玉金.煤层气单井产量影响因素分析[J].天然气工业, , 25(1).
[2] 罗山强, 等.影响煤层井产能因素初步研究[J].断块油气田, 1997, 4(1):42246.
[3] 郑秀华.煤层气井压裂液的研究[J].西部探矿工程, 1996, 1(1).
[4] 王红霞, 戴凤春, 钟寿鹤, 等.煤层气压裂施工的研究与应用[J].油气井测试, , 2(1)。