煤层气井大排量清水压裂施工主管线的工艺改进与应用

【摘要】本文讲述了沁水煤田套管注入、大排量清水压裂技术在应用过程中，对施工主管线进行了工艺改进，并进行现场试验1182口，在应用过程中效果很好，不但增加了施工进度也大大降低了施工成本。

【关键词】大排量 清水压裂 注入主管线

我国煤层气的勘探开发以来，国内形成了多种煤层气井压裂改造的工艺技术，主要包括大排量清水压裂、清洁压裂液压裂、氮气或CO2泡沫压裂等压裂工艺。使用最为普遍的改造措施是大排量清水压裂工艺。

1 问题提出

1.1 工艺难点及研发

沁水煤田特点； 煤岩较软，其杨氏模量为1 135 ～4 602 MPa； 泊松比平均为0.33；低杨氏模量高泊松比易产生变形。另外，不同与砂岩层，煤层割理较为发育，且具有很强吸附能力，极易受到伤害，影响产能。

针对以上特征，压裂施工会中存在以下技术难点：

（1）节理、裂缝发育，滤失增加，易造成砂堵而使施工停止；

（2）储层基质低孔、低渗，高吸附，水基线性胶压裂液破胶后易形成残渣，对煤层伤害较大；

（3）煤储层人工裂缝形态复杂，易形成T 形或I 形裂缝，不利于加砂；

针对以上难点充分调研国内外技术，采用清水降低储层伤害，大排量提高压裂液效率、提高净压力，研究应用了以套管注入、高排量、活性水携砂为主的煤层气清水压裂配套工艺技术。

1.2 原施工管线存在的问题

清水套管压裂工艺的特点是压裂液为清水，排量大，清水携砂摩阻很高，对地面管线尤其是弯头处磨损很大，每施工3口井弯头处就可能破损，施工被迫中断，如下图1所示：

2 施工主管线工艺改进2.1 问题的产生原因

首先从损坏的类型分析，属于管程磨损严重造成的。相同排量条件下清水的摩阻是冻胶压裂液的3倍，排量8.0-8.5m3/min注入条件下流体呈现紊流特征，该状态下在弯头处流线发生改变，加砂后石英砂颗粒的进入会使弯头处承受的剪切应力增加，工作时间长便会产生破坏。2.2 理论分析2.2.1？磨损产生的机理

磨损通常有以下3中类型：擦动磨损——颗粒摩擦引起的表面破坏；刮痕磨损——颗粒深入表面引起的局部剥离；撞击磨损——颗粒撞击使表面局部组织的破碎和脱离。

如图2所示，流体通过弯头时，由于离心力和惯性力撞向管道外侧的内壁，一部分颗粒沿管道外侧的内壁滑动，另一部分颗粒又从外侧内壁反射到内侧的内壁，反复运动就会在外壁中部产生凹坑，因此撞击和摩擦是引起弯头磨损的主要原因。

图2？弯头内流体运动形式及损坏情况2.2.2？磨损影响因素

流体注入速度、流体固相含量、流态以及弯头耐磨等对磨损都有一定的影响；

（1）流体撞击角对磨损的影响

流体撞击角对磨损影响有密切关系。经过研究磨损量与撞击角符合图2-2关系，当颗粒以20°～30°角撞击时磨损最严重，而垂直以90°撞击时反而减少。

（2）弯头的结构及形状对磨损的影响

弯头曲率半径对磨损的影响有直接关系，曲率半径越大越接近直管，相应的磨损和压力损失越小，因此在选择弯头或弯管时要考虑该因素。

另外，弯管的粗糙度越大，摩擦阻力也越大，弯管越易磨损。2.3 注入管线的工艺改进

通过对弯头磨损机理及影响因素分析，流体注入速度、流体固相含量是不能进行改变的因素，若要解决损坏问题要从改变弯头或弯管结构形状入手，寻找与之相适应的新材料。经过调研最后确定选用多层钢丝缠绕支架软管线代替原有的硬弯头管线，该管线由内胶层、外胶层组成，内、外胶层之间分布4-6层钢丝缠绕层，增加抗磨损的强度；同时内胶层涂有树脂层，起到特殊的防护效果；增加最小弯曲半径，使流体尽量以90°垂直撞击弯管内壁，减少磨损量。

2.4 技术指标

该工艺在现场应用中考核的主要技术指标体现在承压安全上，现以内径88.9mm承压70MPa软管线为例加以说明。

（1）抗内压额定压力为70MPa；

（2）爆破压力≥140MPa；

（3）内、外胶层与钢丝缠绕增强层间粘合强度≥2.5KN/m；3 现场应用及效果

经过现场试验，最初经过应用36层后发现该套软管线已经破损，随即更换，为确保施工安全最后确定应用30层更换一套。自2007年4月份投入使用以来，使用该工艺共施工1182层，效果良好。采用软管线施工时较硬管线便于连接，降低了劳动强度；软管线损坏频率明显降低同时避免施工中断现象，大大提高了施工进度；采用软管线避免了高压管线刺漏的不确定性，保证了现场施工人员的安全，有效降低安全成本。

4 结论

（1）由于煤储层本身特征与常规砂岩储层存在有较大差异，因此攻关配套了套管注入、高排量、活性水携砂为主的煤层气清水压裂工艺，进一步造成注入管线与该工艺的不匹配。

（2）原注入管线常发生刺漏的主要原因在于清水携砂摩阻很高，工作时间长时会产生破损。通过对磨损产生机理及影响因素的分析，从改变弯头及弯管结构及形状入手，优选替代材料最终确定了多层钢丝缠绕支架软管线作为施工主管线。

（3）该工艺改进后，通过现场试验的实践证明，不但降低了现场施工的劳动强度，避免施工中断现象，大大提高了施工速度，还有效降低了施工成本。

参考文献

[1] 郭大立，纪禄军，赵金洲，等. 煤层压裂裂缝三维延伸模拟及产量预测研究[J].应用数学和力学，2001，22（ 4） ： 5 - 10

[2] 郝艳丽，王河清，李玉魁.煤层气井压裂施工压力与裂缝形态简析[J].煤田地质与勘探，2001，29（ 3） ： 21 - 22

[3] 侯景龙，刘志东，刘建中.煤层气开发压裂技术在沁水煤田的实践与应用1 中国工程科学1 2011，13（ 1） 1