高壓水射流技術(shù)用于煤層氣開發(fā)的可行性分析 (2)

1、高壓水射流技術(shù)用于煤層氣開發(fā)的可行性分析摘 要 煤層氣井鉆進(jìn)和固井過程使近井地帶裂縫扭曲，給后期壓裂造成一定困難；高壓水力射流技術(shù)一方面利用水擊作用能有效解除鉆井、固井造成的堵塞，使井周環(huán)形區(qū)域應(yīng)力又再次調(diào)整，大部分區(qū)域應(yīng)力下降解除壓實(shí)效應(yīng)，另一方面在環(huán)空增加一定壓力使產(chǎn)生的微裂縫得以延伸，實(shí)現(xiàn)水力噴射壓裂，可以大幅提高井周的滲透率。本文就高壓水射流技術(shù)用于煤層氣開發(fā)進(jìn)行技術(shù)方面的探討，為煤層氣開采提供一種有效的增產(chǎn)手段。關(guān)鍵詞： 高壓 水射流技術(shù) 煤層氣開發(fā)Abstract：Crevice near the well is contorted during drilling and comp

2、letion,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 t

3、hrough 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 increas

4、ing production.Key words：High Pressure Hydraulic Jet technique Coal-bed Methane 1 問題的提出沁水煤層氣田低滲透、低孔隙度、低儲(chǔ)層壓力，自然產(chǎn)能低，通過壓裂改造，能夠在煤層中形成一定長(zhǎng)度的高導(dǎo)流能力的人工裂縫，加速煤層排水降壓、促進(jìn)煤層氣解吸、流動(dòng)，使煤層氣井獲得工業(yè)氣流，但是在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)能改造過程中發(fā)現(xiàn)一些問題：（1）壓裂破裂壓力變化幅度大（破裂壓力在12.635MPa），且易出現(xiàn)高壓；（2）地面施工壓力較高；（3）部分井加砂困難，砂比難以提升，發(fā)生砂堵。 分析原因主要是由于近井帶裂縫扭曲造成的。煤層氣井鉆進(jìn)和固井過

5、程中的液體滲入煤層，在煤層孔隙沉淀，同時(shí)流體攜帶的煤屑、砂粒泥粒在圍繞井筒以井外壁為內(nèi)邊界的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的煤層孔隙縫隙中沉淀，堵塞了煤層孔隙縫隙部分空間，降低了近井地帶裂縫的寬度和導(dǎo)流能力，從而使該環(huán)形區(qū)域的滲透率低于環(huán)形區(qū)域外煤層滲透率，也即低于煤層原始滲透率；另外井鉆成后應(yīng)力重新分布，近井環(huán)形區(qū)域內(nèi)應(yīng)力升高產(chǎn)生的壓實(shí)效應(yīng)，從而造成異常高的破裂壓力。針對(duì)以上存在的問題，如果能夠提出一種方法，可以有效的克服煤層氣井井周產(chǎn)生的應(yīng)力集中，改變井周圍附近的應(yīng)力場(chǎng)，清除井邊地帶高應(yīng)力產(chǎn)生的壓實(shí)效應(yīng)，改善井周圍的滲透性，減小壓裂規(guī)模，有效降低施工壓力，以減小壓裂施工規(guī)模和提高壓裂效率。2高壓水射流力學(xué)性質(zhì)

6、2.1 射流壓力分布當(dāng)壓力較低的水射流沖擊可滲透平面,邊界條件保持不變,且射流不可壓縮時(shí),射流沖擊面可滿足一個(gè)用高斯曲線來表達(dá)的壓力面,可用下列方程表示： （1）式中：P為壓力面上任意一點(diǎn)的壓力，MPa；P0為壓力面上中心點(diǎn)的壓力，MPa；r為壓力面上任意一點(diǎn)距壓力面上中心點(diǎn)的距離，m；a為由動(dòng)量定理求得的常數(shù)，；r0為射流半徑，m。由于所研究的對(duì)象(煤)是可滲透的,水在煤中的流動(dòng)滿足達(dá)西定律： （2） P(r,0)=f(r),當(dāng)時(shí), ,利用漢凱爾變換,則有 （3）由式（1）可知 （4）另,則自由邊界層上的壓力梯度分量為 （5） （6）式中,M為合流超比函數(shù).式（5）和式（6）說明當(dāng)高壓水射流

7、沖擊煤或巖石時(shí)，沖擊表面的顆粒受到水壓作用，在距射流沖擊面中心1.81倍的射流半徑處，煤或巖石顆粒上作用力的方向由向內(nèi)的受壓變?yōu)橄蛲獾氖芾Ｓ捎诿汉痛蠖鄶?shù)巖石的拉伸強(qiáng)度僅為壓縮強(qiáng)度的1/20或更小,也就是說在1.81倍射流半徑的沖擊范圍外，煤或巖石發(fā)生了沖蝕或破裂，因此旋轉(zhuǎn)射流的效率要比固定射流的效率高,成孔均勻。高壓水射流作用于金屬或煤巖表面,主要由以下作用引起金屬或煤的結(jié)構(gòu)破壞：（1）射流打擊作用；（2）射流脈沖負(fù)荷引起的疲勞破壞作用；（3）水楔作用；（4）氣蝕破壞作用；（5）射流打擊在材料上產(chǎn)生的應(yīng)力波。雖然以上因素同時(shí)起作用,但對(duì)煤或巖石等脆性材料的破壞形式是徑向裂紋、錐狀裂紋和橫向裂

8、紋擴(kuò)展。煤和巖石在射流正前方一定深度的剪應(yīng)力達(dá)到最大，在打擊區(qū)周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于煤和巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，即使射流的打擊應(yīng)力達(dá)不到巖石的抗壓強(qiáng)度，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力也可以超過煤或巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度，在煤或巖體內(nèi)形成裂隙并相互交匯。當(dāng)射流進(jìn)入裂隙空間,在水楔的作用下，裂隙擴(kuò)展，使金屬或煤破碎。2.2 成孔直徑成孔直徑的大小直接影響到鉆進(jìn)摩擦阻力、鉆孔的排渣能力以及鉆孔的穩(wěn)定性。射流的成孔直徑是決定鉆進(jìn)成功與否的關(guān)鍵因素之一。成孔直徑主要決定于噴嘴直徑的大小、噴嘴的噴射角度和射流的沖蝕寬度。圖1表示帶有2個(gè)對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴（為簡(jiǎn)便起見圖1只顯示1個(gè)噴嘴）的鉆頭，這個(gè)鉆頭適用于軟

9、巖和煤層鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中,鉆孔的中心部位往往會(huì)留有1個(gè)半徑為R的煤或巖柱,為了解決這個(gè)問題，可以在鉆頭前部安裝1個(gè)防護(hù)罩。防護(hù)罩可以使噴嘴與孔底保持一個(gè)固定的距離，優(yōu)化鉆進(jìn)效率。反向噴嘴提供的推進(jìn)動(dòng)力使噴嘴防護(hù)罩緊靠孔底，當(dāng)孔底的壓力大于反向噴嘴提供的推進(jìn)動(dòng)力時(shí)，噴嘴防護(hù)罩離開孔底后再次前進(jìn)時(shí)，就可以將鉆孔的中心部位留有的煤或巖柱破碎。由圖1可以給出成孔直徑的計(jì)算公式如下: （7）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在煤層鉆進(jìn)中水平孔的成孔形狀并不是圓形的，而是近似長(zhǎng)方形的，這是由于煤是層狀的，射流的穿層切割能力比層內(nèi)切割能力弱。3水力射流壓裂技術(shù)原理3.1 技術(shù)原理 水力射流壓裂技術(shù)結(jié)合了水力射孔和水力壓裂的新

10、型增產(chǎn)工藝。該工藝有三個(gè)過程共同完成，水力噴砂射孔、水力壓裂（通過普通油管或鉆桿或連續(xù)油管）以及環(huán)控?cái)D壓（通過另外一個(gè)泵）。通過安裝在施工管柱上的水力噴射工具，利用水擊作用在地層形成一個(gè)（或多個(gè)）噴射孔道，從而在近井地帶產(chǎn)生微裂縫，裂縫產(chǎn)生后環(huán)空增加一定壓力使產(chǎn)生的裂縫得以延伸，實(shí)現(xiàn)水力噴射壓裂。該技術(shù)基于伯努利方程： （8）方程（8）表明流體束中的能量維持常量，雖然實(shí)際上摩擦緩慢消耗能量使其轉(zhuǎn)化為熱能（但這個(gè)簡(jiǎn)化方程不包含溫度因素）。有方程可知流體束的速度變化引起壓力反向變化。噴嘴出口處速度最高壓力就最低，隨著流體不斷深入孔道速度逐漸減小，壓力不斷升高，到孔道端處速度達(dá)到最低壓力最高。常規(guī)造

11、縫方法需要對(duì)整個(gè)井筒加壓，大多數(shù)情況下觀察到的破裂壓力比裂縫擴(kuò)展壓力要大的多，而且井內(nèi)的每個(gè)裂縫都必須克服該壓力。水力噴射壓裂通過噴射流體在孔道內(nèi)動(dòng)能到壓能的轉(zhuǎn)換利用噴射滯止壓力破巖從而在噴射點(diǎn)處產(chǎn)生微裂縫。由于能量集中在孔道端處，井筒不受破裂壓力的影響，從而消除了壓力曲線中地層破裂時(shí)壓力峰值，并且近井筒扭曲問題很少出現(xiàn)。水力射流裂縫一旦形成，由于噴嘴出口周圍流體速度最高，其壓力就最低，故流體會(huì)自動(dòng)泵入裂縫而不會(huì)流到其他地方。環(huán)空的流體也會(huì)在壓差作用下進(jìn)入射流區(qū)被吸入地層。水力噴射壓裂利用動(dòng)態(tài)分流技術(shù)成功解決了定位控制問題，通過流體的動(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。3.

12、2 影響因素分析 水力射流壓裂過程中，固體顆粒受水載體加速，高速?zèng)_擊套管和巖石，產(chǎn)生切割作用。如何優(yōu)化射流參數(shù)盡可能充分利用水里能量是該技術(shù)的關(guān)鍵之一。影響水力噴射壓裂的因素主要包括流體參數(shù)、磨料參數(shù)、圍壓以及巖石性質(zhì)。流體參數(shù)的影響受壓力、排量和噴嘴直徑控制。噴射深度隨壓力的增加近似呈線性增加，孔徑也隨壓力的升高而變大，但存在一個(gè)臨界壓力，低于臨界壓力就不能再破巖。每個(gè)壓力下都有一個(gè)最大破裂深度，當(dāng)達(dá)到最大深度時(shí)，增加噴射時(shí)間只能增加孔徑而對(duì)孔深幾乎沒有影響。排量增加，射孔深度顯著增加，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來是時(shí)一個(gè)非常有用的結(jié)論。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可以通過提高排量來降低壓力要求，大排量低壓射孔不但孔徑明顯

13、變大而且破碎情況有所改善，孔中基本沒有殘留顆粒堆積。由于磨料射流的有效速度增加，較大的噴嘴直徑能增加深度。磨料參數(shù)主要包括磨料類型、粒度、濃度。在一定壓力和排量下，磨料的切割能力隨硬度的增加而增大，且?guī)Ю饨堑那懈钅芰?qiáng)。噴射深度并不隨磨料濃度和粒度的增加一直增加，相反在磨料粒徑增加到一定程度時(shí)射孔深度反而有下降趨勢(shì)，表明磨料有一最佳濃度值和粒徑值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最佳濃度范圍為6%8%，適用濃度4%10%，最佳粒度為0.40.6mm，現(xiàn)場(chǎng)推薦采用5%8%，0.40.8mm。最佳濃度隨壓力的增高而增大。圍壓對(duì)射流的影響很大，圍壓條件下射流流體能量損失很厲害。在其它條件相同的情況下，有圍壓時(shí)要比沒有

14、圍壓時(shí)的噴射深度低很多。煤層本身的特性對(duì)噴砂壓裂也有較大影響，煤層不同于常規(guī)砂巖氣藏儲(chǔ)層，煤易碎，易受壓縮，煤層的天然裂縫和基質(zhì)割理發(fā)育，加之彈性模量比砂、頁巖低，泊松比比砂、頁巖高，所以煤層的裂縫擴(kuò)張比較復(fù)雜；彈性模量對(duì)裂縫發(fā)育影響很大，裂縫寬度基本與其成反比，也是控制裂縫向上下圍巖擴(kuò)展的重要條件。4高壓水射流壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤層氣井的可行性技術(shù)探討4.1 高壓水射流壓裂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) （1）射孔工藝是將射孔彈射入煤層，以實(shí)現(xiàn)溝通煤層和井筒的目的，它將會(huì)使射孔產(chǎn)生壓密效應(yīng)，彈頭留在孔端，且射孔距離很短。而添加磨料的水射流壓裂技術(shù)是利用射流技術(shù)將井壁射開，并將地層掏出空洞，超過污染帶，解除鉆井、固井

15、及開采過程造成的堵塞；同時(shí)不產(chǎn)生任何附加應(yīng)力，使井周環(huán)形區(qū)域應(yīng)力又再次調(diào)整，大部分區(qū)域應(yīng)力下降解除壓實(shí)效應(yīng)，從而提高了井周的滲透率。（2）不需要機(jī)械封隔，能夠自動(dòng)隔離，可用于裸眼、套管完井。（3）一次管柱可進(jìn)行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲(chǔ)層傷害。（4）可進(jìn)行定向噴射壓裂，準(zhǔn)確造縫。（5）噴射壓裂可有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工。（6）可避免近井地帶的砂堵，對(duì)儲(chǔ)層傷害小，而且施工程序簡(jiǎn)單，降低煤層氣開發(fā)成本。4.2 沁水地區(qū)的裂縫發(fā)育情況沁水盆地的晉A、晉B 井進(jìn)行了地面電位測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表1。 表1 地面電位測(cè)試結(jié)果井號(hào)煤組井深，m厚度，m裂縫方位裂縫長(zhǎng)度預(yù)測(cè)

16、晉A3#525.6-532.06.2北東80°對(duì)稱北東73m，南西54m15#652.8-616.03.2北東80°對(duì)稱北東62m，南西57m晉B3#539.0-544.45.4北東80°對(duì)稱北東51m，南西60m15#626.4-629.43.0北東65°對(duì)稱北東53m，南西65m從表中可以看出，裂縫的方位是北東80°對(duì)稱。根據(jù)大地電位法監(jiān)測(cè)得到的裂縫方位，將生產(chǎn)井排方向沿此方位部署或?qū)⒘芽p方位沿此方向延伸，將有利于井間連通。4.3 水力噴射提高低滲透煤層滲透性實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)煤層氣的滲透系數(shù)公式可知, 氣體吸附作用和固體變形作用對(duì)煤層的滲透性都

17、有重要影響, 吸附作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨孔隙壓呈負(fù)冪函數(shù)規(guī)律變化, 固體的變形作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨有效體積應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化, 吸附與變形共同作用的結(jié)果, 使?jié)B透系數(shù)隨孔隙壓變化表現(xiàn)為存在一臨界值, 當(dāng)孔隙壓變化小于臨界值時(shí), 滲透系數(shù)衰減, 孔隙壓變化大于臨界值時(shí)，滲透系數(shù)增加。因此根據(jù)煤層氣滲透系數(shù)隨著有效體積應(yīng)力的增加而呈冪指數(shù)式迅速減小的規(guī)律, 太原理工大學(xué)取潞安礦務(wù)局3# 煤層的煤開展了相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用同一塊試件, 分別對(duì)試件不噴射時(shí)和對(duì)試件噴射以后兩次試驗(yàn)進(jìn)行, 并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較, 實(shí)驗(yàn)證明：采用高壓水力噴射的方法釋放煤體中的部分有效體積應(yīng)力, 可以增加煤層內(nèi)裂縫、裂隙

18、的數(shù)量、長(zhǎng)度和張開度, 從而提高低滲透煤層的滲透率。4.4 高壓水射流壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤層氣井的可行性我們?nèi)绻o高壓水射流裝置安裝一個(gè)井下定向儀器，使水力射流的射流方向沿著最大主應(yīng)力方向，那么由于水射流射流形成的縱向裂縫大于射孔炮眼面積，有利于壓裂裂縫的起裂；同時(shí)割縫摩阻小于射孔炮眼摩阻，降低了井口施工壓力；同時(shí)由于形成的割縫為縱向一條線，起始裂縫形狀簡(jiǎn)單，近井摩阻小，不易在近井地帶引起砂堵，且割縫方向沿著最大主應(yīng)力方向，有利于井間連通，使井距加大,減少鉆井?dāng)?shù)量及費(fèi)用；另外水射流割縫使煤層的暴露面積增大，提高煤層氣井的解吸面積，夠溝通煤層裂隙,提高煤層的透氣性，增加裂隙擴(kuò)展。目前井下定位的技術(shù)比較成熟，成本較低的主要有無線測(cè)井和有線測(cè)井兩種，其定向精度能夠滿足水力割縫定向的要求。高壓水力噴射設(shè)備能夠操作簡(jiǎn)單，使用方便，因而利用現(xiàn)場(chǎng)低壓裂設(shè)備即可完成施工，如圖2所示，不需要其它專門設(shè)備。5結(jié)論及建議5.1 結(jié)論（1）高壓水射流壓裂技術(shù)是一項(xiàng)集水力噴砂射孔和水力壓裂于一體的新型儲(chǔ)層改造技術(shù)，適合于煤層氣井的特性，可以滿足煤層氣井的增產(chǎn)需要。（2）施工過程中應(yīng)用噴射壓裂能夠有效降低井底地層破裂壓力，可在任何位置準(zhǔn)確造縫，而且不同位置可以采用不同壓裂方案。（3