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，可以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，通过压裂改造，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，但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。
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针对以上存在的问题，如果能够提出一种方法，可以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，改善井周围的渗透性，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达的压力面,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
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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，拉应力和剪应力也可以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，可以在钻头前部安装1个防护罩。防护罩可以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，就可以将钻孔的中心部位留有的煤或岩柱破碎。
由图1可以给出成孔直径的计算公式如下:
<7）
现场实验发现，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<通过普通油管或钻杆或连续油管）以及环控挤压<通过另外一个泵）。通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。
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