高壓水射流技術(shù)用于煤層氣開發(fā)的可行性分析

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和固井過程使近井地帶裂縫扭曲，給后期壓裂導致一定困難；高壓水力射流技術(shù)一方面運用水擊作用能有效解除鉆井、固井導致的堵塞，使井周環(huán)形區(qū)域應力又再次調(diào)整，大部分區(qū)域應力下降解除壓實效應，另一方面在環(huán)空增長一定壓力使產(chǎn)生的微裂縫得以延伸，實現(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：Crevicenearthewelliscontortedduringdrillingandcompletion,Itwillbeinfluencethefracturingworking.HydraulicJetflowtechniquetakesadvantageofthehydraulicperforatingandhydraulicfracturingtechnologies,itwilleliminatetheformationplugging,adjustannularayerstressnearthewell,intheotherhand,itwillextendthemicro-crevicethroughincreasingpressure,andimprovepenetrability.Thepaperdescribedthetechniqueaboutitscurrentsituation,principlesandprocesses,introducedtechnicalcharacteristicsandthenanalyzedthehydraulicjettechniqueusedincoal-bedmethaneexploitation,Itwillofferanewmethodofincreasingproduction.Keywords：HighPressureHydraulicJettechniqueCoal-bedMethane1問題的提出沁水煤層氣田低滲透、低孔隙度、低儲層壓力，自然產(chǎn)能低，通過壓裂改造，可以在煤層中形成一定長度的高導流能力的人工裂縫，加速煤層排水降壓、促進煤層氣解吸、流動，使煤層氣井獲得工業(yè)氣流，但是在現(xiàn)場產(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12.6～35MPa），且易出現(xiàn)高壓；（2）地面施工壓力較高；（3）部分井加砂困難，砂比難以提高，發(fā)生砂堵。分析因素重要是由于近井帶裂縫扭曲導致的。煤層氣井鉆進和固井過程中的液體滲入煤層，在煤層孔隙沉淀，同時流體攜帶的煤屑、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，減少了近井地帶裂縫的寬度和導流能力，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；此外井鉆成后應力重新分布，近井環(huán)形區(qū)域內(nèi)應力升高產(chǎn)生的壓實效應，從而導致異常高的破裂壓力。針對以上存在的問題，假如可以提出一種方法，可以有效的克服煤層氣井井周產(chǎn)生的應力集中，改變井周邊附近的應力場，清除井邊地帶高應力產(chǎn)生的壓實效應，改善井周邊的滲透性，減小壓裂規(guī)模，有效減少施工壓力，以減小壓裂施工規(guī)模和提高壓裂效率。2高壓水射流力學性質(zhì)2.1射流壓力分布當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,射流沖擊面可滿足一個用高斯曲線來表達的壓力面,可用下列方程表達：（1）式中：P為壓力面上任意一點的壓力，MPa；P0為壓力面上中心點的壓力，MPa；r為壓力面上任意一點距壓力面上中心點的距離，m；a為由動量定理求得的常數(shù)，；r0為射流半徑，m。由于所研究的對象(煤)是可滲透的,水在煤中的流動滿足達西定律：（2）P(r,0)=f(r),當時,,運用漢凱爾變換,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）說明當高壓水射流沖擊煤或巖石時，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?。由于煤和大多?shù)巖石的拉伸強度僅為壓縮強度的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,重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)生的應力波。雖然以上因素同時起作用,但對煤或巖石等脆性材料的破壞形式是徑向裂紋、錐狀裂紋和橫向裂紋擴展。煤和巖石在射流正前方一定深度的剪應力達成最大，在打擊區(qū)周邊產(chǎn)生拉應力。由于煤和巖石的抗拉強度遠遠小于其抗壓強度，即使射流的打擊應力達不到巖石的抗壓強度，拉應力和剪應力也可以超過煤或巖石的抗拉和抗剪的極限強度，在煤或巖體內(nèi)形成裂隙并互相交匯。當射流進入裂隙空間,在水楔的作用下，裂隙擴展，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成功與否的關(guān)鍵因素之一。成孔直徑重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表達帶有2個對稱的旋轉(zhuǎn)射流噴嘴（為簡便起見圖1只顯示1個噴嘴）的鉆頭，這個鉆頭合用于軟巖和煤層鉆進。在鉆進過程中,鉆孔的中心部位往往會留有1個半徑為R的煤或巖柱,為了解決這個問題，可以在鉆頭前部安裝1個防護罩。防護罩可以使噴嘴與孔底保持一個固定的距離，優(yōu)化鉆進效率。反向噴嘴提供的推動動力使噴嘴防護罩緊靠孔底，當孔底的壓力大于反向噴嘴提供的推動動力時，噴嘴防護罩離開孔底后再次前進時，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算公式如下:（7）現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，在煤層鉆進中水平孔的成孔形狀并不是圓形的，而是近似長方形的，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型增產(chǎn)工藝。該工藝有三個過程共同完畢，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)控擠壓（通過此外一個泵）。通過安裝在施工管柱上的水力噴射工具，運用水擊作用在地層形成一個（或多個）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)空增長一定壓力使產(chǎn)生的裂縫得以延伸，實現(xiàn)水力噴射壓裂。該技術(shù)基于伯努利方程：（8）方程（8）表白流體束中的能量維持常量，雖然事實上摩擦緩慢消耗能量使其轉(zhuǎn)化為熱能（但這個簡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，隨著流體不斷進一步孔道速度逐漸減小，壓力不斷升高，到孔道端處速度達成最低壓力最高。常規(guī)造縫方法需要對整個井筒加壓，大多數(shù)情況下觀測到的破裂壓力比裂縫擴展壓力要大的多，并且井內(nèi)的每個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)動能到壓能的轉(zhuǎn)換運用噴射滯止壓力破巖從而在噴射點處產(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，由于噴嘴出口周邊流體速度最高，其壓力就最低，故流體會自動泵入裂縫而不會流到其他地方。環(huán)空的流體也會在壓差作用下進入射流區(qū)被吸入地層。水力噴射壓裂運用動態(tài)分流技術(shù)成功解決了定位控制問題，通過流體的動態(tài)運動讓其進入地層的特定位置而不使用任何機械密封裝置。3.2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，高速沖擊套管和巖石，產(chǎn)生切割作用。如何優(yōu)化射流參數(shù)盡也許充足運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重要涉及流體參數(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長近似呈線性增長，孔徑也隨壓力的升高而變大，但存在一個臨界壓力，低于臨界壓力就不能再破巖。每個壓力下都有一個最大破裂深度，當達成最大深度時，增長噴射時間只能增長孔徑而對孔深幾乎沒有影響。排量增長，射孔深度顯著增長，這對現(xiàn)場應用來是時一個非常有用的結(jié)論?，F(xiàn)場施工時可以通過提高排量來減少壓力規(guī)定，大排量低壓射孔不僅孔徑明顯變大并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長，較大的噴嘴直徑能增長深度。磨料參數(shù)重要涉及磨料類型、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長而增大，且?guī)Ю饨堑那懈钅芰?。噴射深度并不隨磨料濃度和粒度的增長一直增長，相反在磨料粒徑增長到一定限度時射孔深度反而有下降趨勢，表白磨料有一最佳濃度值和粒徑值。根據(jù)實驗結(jié)果，最佳濃度范圍為6%～8%，合用濃度4%～10%，最佳粒度為0.4～0.6mm，現(xiàn)場推薦采用5%～8%，0.4～0圍壓對射流的影響很大，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，有圍壓時要比沒有圍壓時的噴射深度低很多。煤層自身的特性對噴砂壓裂也有較大影響，煤層不同于常規(guī)砂巖氣藏儲層，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，所以煤層的裂縫擴張比較復雜；彈性模量對裂縫發(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展的重要條件。4高壓水射流壓裂技術(shù)應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（1）射孔工藝是將射孔彈射入煤層，以實現(xiàn)溝通煤層和井筒的目的，它將會使射孔產(chǎn)生壓密效應，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)是運用射流技術(shù)將井壁射開，并將地層掏出空洞，超過污染帶，解除鉆井、固井及開采過程導致的堵塞；同時不產(chǎn)生任何附加應力，使井周環(huán)形區(qū)域應力又再次調(diào)整，大部分區(qū)域應力下降解除壓實效應，從而提高了井周的滲透率。（2）不需要機械封隔，可以自動隔離，可用于裸眼、套管完井。（3）一次管柱可進行多段壓裂，施工周期短，有助于減少儲層傷害。（4）可進行定向噴射壓裂，準確造縫。（5）噴射壓裂可有效減少地層破裂壓力，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，對儲層傷害小，并且施工程序簡樸，減少煤層氣開發(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井進行了地面電位測量，測試結(jié)果見表1。表1地面電位測試結(jié)果井號煤組井深，m厚度，m裂縫方位裂縫長度預測晉A3#525.6-532.06.2北東80°對稱北東73m，南西54m15#652.8-616.03.2北東80°對稱北東62m，南西57m晉B3#539.0-544.45.4北東80°對稱北東51m，南西60m15#626.4-629.43.0北東65°對稱北東53m，南西65m從表中可以看出，裂縫的方位是北東80°對稱。根據(jù)大地電位法監(jiān)測得到的裂縫方位，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，將有助于井間連通。4.3水力噴射提高低滲透煤層滲透性實驗研究根據(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煤層的滲透性都有重要影響,吸附作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨孔隙壓呈負冪函數(shù)規(guī)律變化,固體的變形作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨有效體積應力呈負指數(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,當孔隙壓變化小于臨界值時,滲透系數(shù)衰減,孔隙壓變化大于臨界值時，滲透系數(shù)增長。因此根據(jù)煤層氣滲透系數(shù)隨著有效體積應力的增長而呈冪指數(shù)式迅速減小的規(guī)律,太原理工大學取潞安礦務局3#煤層的煤開展了相關(guān)的室內(nèi)實驗，實驗采用同一塊試件,分別對試件不噴射時和對試件噴射以后兩次實驗進行,并對實驗結(jié)果進行比較,實驗證明：采用高壓水力噴射的方法釋放煤體中的部分有效體積應力,可以增長煤層內(nèi)裂縫、裂隙的數(shù)量、長度和張開度,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)應用于煤層氣井的可行性我們假如給高壓水射流裝置安裝一個井下定向儀器，使水力射流的射流方向沿著最大主應力方向，那么由于水射流射流形成的縱向裂縫大于射孔炮眼面積，有助于壓裂裂縫的起裂；同時割縫摩阻小于射孔炮眼摩阻，減少了井口施工壓力；同時由于形成的割縫為縱向一條線，起始裂縫形狀簡樸，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力方向，有助于井間連通，使井距加大,減少鉆井數(shù)