2024年5月2日发(作者：)

第17卷第6期

2020年12月

中国'煤层气；

CHINA

COALBED

METHANE

Vol

. 17

No

. 6

Dec

ember

. 2020

泵送桥塞分段压裂工艺在煤层气

二开半程固井”水平井中的应用

姚伟薛占新金国辉王青川王琪徐婷婷

(华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西046000)

摘要：

沁水盆地樊庄、郑庄区块水平井主要采取“二开半程固井+油管拖动压裂”的开方式

式，该工艺实现了单分支水平井日产万方的突破。但该工艺施工周期长，安全隐患大的问题逐步

显现。为此，借鉴常规油气和页岩气开发经验，首次在国内二开半程固井水平井开展泵送桥塞分

段压裂试验，取得成功。现场试验表明：泵送桥塞分段压裂工艺可在煤层气半程固井水平井中推

广应用；该工艺可实现一天压裂3~4段，提高了施工效率；依据井眼轨迹不同，桥塞可选用速

钻桥塞、可溶桥塞。

关键词：

煤层气水平井泵送桥塞分段压裂

Application of Pumping Bridge Plug Staged Fracturing Technology in

CBM Horizontal Well with Second Spud Halfway Cementing

YAOWei

,

XUEZhanxin

,

JINGuohui

,

WANG

Qingchuan

,

WANGQi

,

XU

Tingling

(Shanxi

CBM

Exploration

&

Development

Branch

,

PetroChina

Huabei

Oilfield

Company

,

Shanxi

046000)

Abstract

：

The

horizontal

wells

in

the

Fanzhuang

Block

and

Zhengzhuang

Block

in

Qinshui

Basin

mainly

adopt

the

development

method

of

‘‘second

spud

halfway

cementing

and

tubing

drag

fracturing

”.

This

technology

has

achieved

a

breakthrough

of

10000

cubic

meters

per

day

in

single

branch

horizontal

wells

.

However

,

the

construction

period

of

this

process

is

long

,

and

the

problems

of

potential

safety

hazards

are

gradually

emerging

.

For

this

reason

,

referring

to

the

development

experience

of

conventional

oil

and

gas

and

shale

gas

,

the

pumping

bridge

plug

staged

fracturing

test

was

successfully

carried

out

for

the

first

time

in

domestic

horizontal

well

with

second

half

of

cementing

.

The

test

results

show

that

,

the

pumped

bridge

plugs

staged

fracturing

technology

can

be

popularized

and

applied

in

coalbed

methane

halfway

cementing

horizontal

wells

.

This

technology

can

achieve

3 ~ 4

stages

of

fracturing

in

one

day，increasing

the

con

­

struction

efficiency

.

Depending

on

the

well

trajectory

,

quick

drilling

bridge

plug

and

soluble

bridge

plug

can

be

selected

.

Keywords

：

Coalbed

methane

；

horizontal

well

；

pumping

bridge

plug

；

staged

fracturing

水平井作为煤层气开发的主力井型，突破了煤 层非均质的局限，增加了煤层气的解吸范围，提高

基金项目国家科技重大专项资助项目“沁水盆地高煤阶煤层气高效开发示范工程”（2017

ZX

05064)任务二“水平井钻完并技术”

作者简介姚伟，男，工程师，现从事煤层气井增产研究工作。.

4

中国煤层气

第6期

了裂隙的导流能力，是实现煤层气规模开发的重要

技术手段。华北油田作为我国第一个规模化、数字

化煤层气田，经过多年实践探索，针对沁水盆地樊

庄、郑庄区块局部区域低渗透、煤体破碎，开发效

果差的难题创新形成了

L

型套管水平井“二开半程

固井+油管拖动压裂”的开发方式，实现了单分

支水平井日产万方的突破。近年来，随着水平井钻

液能量损失。喷射射孔示意图见图1、喷枪实物见

图2〇

井工艺的日益成熟，水平井数量和水平段长度大大

增加。油管拖动压裂施工周期长、安全隐患大、改

造体积受限，与煤层气高效建产不匹配的矛盾曰益

突出，急需引入新的水平井压裂工艺，提高水平井

压裂效率和改造体积。

水平井泵送桥塞分段压裂工艺作为一项水平井

主要压裂工艺在国内外页岩气藏及致密气藏压裂得

到广泛应用。该压裂工艺具有排量大、液量大、施

工快捷的特点，压裂过程中可形成多条裂缝，增加

了缝网复杂程度，符合当前煤层气“水平井体积

压裂”的发展趋势。目前，该压裂工艺已被引人

煤层气开发，在沁水、西南等多个煤层气区块现场

试验成功，但试验对象还仅限全程固井水平井或水

平段预置裸眼封隔器的三开半程固井水平井，尚无

二开半程固井水平井相关施工记录，主要原因为水

平段不固井存在套管外串通的问题，影响整体压裂

效果，同时存在安全隐患。因此，有必要开展进一

步现场试验，评价该工艺在煤层气二开半程固井水

平井的适应性，为今后煤层气高效开发提供宝贵

经验。

1油管拖动分段压裂存在问题

1.1 施工周期长

油管拖动压裂工艺单段施工结束后，需进行放

喷、洗井、拆井口、上提管柱重新坐封后才可进行

下段施工，平均施工速率为每天1~ 1.5段，单井

施工周期较长。

1.2安全风险大

每段压裂结束后需要进行放喷，套管外的石英

砂随放喷压裂液回吐，易造成砂卡管柱事故，甚至

造成生产井报废。

1.3压裂改造体积有限

底封拖动压裂采用喷枪射孔后环空加砂的压裂

方式，平均60〜70

m

仅有6个孔眼，存在改造空

白区；同时每段压裂完成后均需要放喷，存在压裂

图2喷枪实物图

针对上述问题，引人泵送桥塞分段压裂工艺,

以期取得较好的开发效果。

2泵送桥塞分段压裂工艺优化

水平井泵送桥塞分段压裂工艺在套管完井水平

井压裂流程主要为：首段采用油管传输射孔、套管

压裂，其余各段采用电缆泵送桥塞，分簇射孔，分

段压裂的方式，压裂全部结束后钻磨桥塞投产

(可溶桥塞可省去钻塞步骤）。

为提高该工艺在本区煤层气半程固井水平井的

适应性，提高现场施工效率和压裂效果，降低施工

风险，在完井工艺、桥塞类型及施工参数进行了

优化。

2. 1完井工艺

本区钻井采用二开井身结构，表套

244.48

mm

,产套139. 7

mm

，水平段不固井。为提

高桥塞泵送效率，在水平井段套管尾部增加1根筛

管，实现井筒连通。优化后，首段不需采用油管传

输射孔即可实现全井段栗送桥塞分簇射孔分段压

裂，进一步缩短了施工时间，降低了油管传输射孔

工程中管柱遇卡的风险，完井示意图见图3。

2.2桥塞选型

本次选用投球式复合速钻桥塞及投球式可溶桥

塞进行对比试验，其中：

可钻桥塞外形采用大倒角，可进一步降低砂卡

风险。材质方面采用高强度耐高温耐压复合材料，

第6期

泵送桥塞分段压裂工艺在煤层气“二开半程固井”水平井中的应用

5

该材料在低剪切值时也可实现平面剪切，磨铣桥塞

更易于实现，产生的碎屑小，不易发生卡钻。桥塞

上部带球形止回阀，压裂改造后返排液可以回流至

井筒。

可溶桥塞由可溶金属零部件和可降解胶筒组

成，通径58

mm

，结构短小紧凑，易于下人；可在

25〜丨8

CTC

环境下使用；在清水、盐溶液中溶解为

十微米级颗粒，后期可完全返排，不会造成堵井，

图

3

二开完井水平井井身结构图

节省了钻塞时间，降低了套损风险。桥塞数据参数

参表1，实物见图4。

表1桥塞数据参数

桥塞长度

/mm

450

260

耐温/丈、耐压

/MPa

120、70

180、 70

坐封球直径

/mm

44.5

73.5

桥塞类型

复合速钻桥塞

可溶桥塞

最大外径

/mm

111

111

最小内通径

/mm

25.4

58

图4可钻桥塞（左）、

(右）

表2

施工时间

步骤

阶段/

累积/

工序

排量/

(

mVmin

)

用量/

累积/

m

3

m

3

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

30.0

60.0

90.0

120.0

150.0

180.0

210.0

240.0

270.0

测试压裂泵注工序表

携砂液

2.3压裂参数

本次选择了3 口井进行现场试验，其中速钻桥

塞试验2口井、可溶桥塞试验1 口。为确保试验成

功，本次对比试验采取“细化方案、分布实施”

的原则，对第一 口速钻桥塞试验井先进行小型测试

压裂，测试压裂测试地层吸水情况，为后续试验提

供数据支持，及时调整优化压裂参数。

2.3.1测试压裂设计

测试压裂设计规模270

m

'1，施工排量2 ~ 8

m

3/

min

，栗注程序见表2,压裂液体系为活性水，清

1

2

3

2

3

4

5

6

7

8

min

15.0

7.5

5.0

3. 8

3.0

3.8

5.0

7.5

15.0

min

15.0

22.5

27.5

31.3

34.3

38.0

43.0

50.5

65.5

前置液

前置液

前置液

前置液

前置液

前置液

前置液

前置液

前置液

停泵

水 +1%

KC

10

2.3.2正式压裂设计

从提高改造体积、施工安全，减少煤层伤害出

发，正式压裂参数优化如下：

(1) 射孔参数：优选优质井段非均匀布段布

簇，每段3簇，每簇0.5

m

,每

lm

孔密16孔，射

孔弹89弹；

(2) 压裂液体系：优选低伤害活性水压裂液

体系，最大限度减少煤层伤害；

停泵测压井降60

min

(3)前置液：前置液比例35%左右，保证液

体造缝充分，减少砂堵风险；

6

中国煤层气

第6期

(4)压裂规模：中低规模结合、中等砂比，

FXH

-

X

-1、

ZXP

-

X

-1

L

单段规模550

m

3左右，砂量

高裂缝导流能力；

(5)排量：中等变排量、多级段塞加砂，考

虑试验井水平段未固井，为降低套管伤害，设计排

量不超过8

m

3/

min

,试验井设计参数见表3。

30 ~ 35

m

ZXP

-5

N

单段规模450

m

3左右，砂量

30

nv

支撑剂选择不同石英砂粒径组合支撑，提

表3

试验井

压裂段数

射孔参数

施工参数表

压裂液体系

入井

液量

压裂规模/

m

3

入井砂量

中砂

25

20

粗砂

3〜8

10

10

2~8

排量/(

m

3/

min

)

9段/27簇

速钻桥塞压裂

10段/30簇

可溶桥塞压裂

6段/18簇

89弹，

孔密16孔/

m

、

〇.5

m

/簇

活性水

550

450

清水

570

m

3 液 + 40

m

3 砂与

450

m

3液+ 30

m

3砂组合规模

3现场试验

2020年8月顺利完成了 3 口井现场试验，压

设计注人砂液556. 10

m

3, 40/70目石英砂25

m

3、

20/40目石英砂10

m

3,实际注人砂液量550. 16

m

3,

加人石英砂 35. 08

m

3, (40/70 目 25. 24

m

3, 20/40

目9.84

m

3),平均砂比9.97%,本次压裂施工平

稳，破裂压力34.22

MPa

，停栗套压14.06

MPa

,施

工达到设计要求。依次完成剩余8段压裂，施丁.成

功率100%，共注人压裂液5227

m

3、石英砂

316

m

3,平均施工压力28

MPa

，施工数据见表4,

该井共施工3天，平均一天3段。

(2)

ZXP

-5

N

井完成10段压裂施工，累计注

入压裂液5044

m

3、石英砂281

m

1,整个施工过程

顺利平稳，共施工3天，最高达到1天施工4段，

施工数据见表5。

3. 1.2钻磨桥塞

试验井

FXP

1-

X

-1

L

共施工9段，压裂结束后

进行钻塞作业，前2个钻塞施工较为顺利，钻到第

三个桥塞处遇阻，从返排的铁屑和出煤量分析，该

井钻塞施工过程将套管损害（打铅印判断）。分析

认为，由于水平段未固井，钻塞过程中套管轴向摆

动增大，钻塞过程示意图见图6,套管在

ABC

3点

裂过程较为顺利，施工成功率均达到1〇〇%，但钻

塞桥塞过程存在套损及钻塞周期长的问题。

3. 1 速钻桥塞试验

3.1.1压裂施工

FXP

1 -

X

- 1

、ZXP

-5

N

井眼迹较平缓，计划

采取速钻桥塞分段压裂工艺，试验情况如下。

FXP

1 -

X

- 1于2020年8月完成通井、洗井后

尝试泵送桥塞及枪串，排量最高2. 5

nrVmin

,泵送

过程较为顺利，表明试验井具有天然的优势进液通

道，不依赖射孔段，仅凭原始煤层就可以满足栗送

工具的需要；待桥塞到位后，实施点火完成射孔。

开始测试压裂，压裂共注入液量239. 57

m

3,排量

2.62~10.01

m

3/

min

，最高压力 40_71

MPa

,停栗套

力

l

〗.87

MPa

，整个施

T

.过程顺利平稳，测试压裂

曲线见图5。

50

-套压MPa _排量m3/min

*±

u

3

丄

o

1

2

8

4

c

l

g

l

u

)

/

^

觉

20

2

2

/

-

R

田

o

2

o

1

o

不规则摆动。导致钻头损伤套管。

'

一

1

s一

卜

图5

FXP

1-

X

-1测试压裂曲线

0

1

l

fN

l

测试压裂完后进入正式压裂阶段：第一段压裂

ul

e

I

S

1

8

1

1

1

i

e

i

1

9

1

1

6

一

寸

一

一

卜

图6钻塞过程中套管摆动示意图

第6期

泵送桥塞分段压裂工艺在煤层气“二开半程固并”水平井中的应用

表4

FXP

1-

X

-1压裂数据

7

施工段数

测试压裂

第一段

第二段

第三段

第四段

第五段

第六段

第七段

第八段

第九段

合计

压裂液/

m

3

239. 57

550. 16

565.41

564. 05

559. 05

552. 33

582.7

552. 09

523. 68

538.8

5227. 84

石英砂/

m

3

0

35.08

35.05

35. 13

35. 08

35. 13

35. 10

35. 15

35.23

35.09

316.04

施工排量/(

m

'

Vmin

)

2. 62 - 10.01

2.01 -8. 50

3.02-8. 02

2. 88 -8. 23

1.91 -8. 23

2. 42 - 8. 25

2. 79-8. 25

3.01 -8. 22

2. 42 - 8. 26

3. 02-8. 52

最高施工压力

/MPa

34.68

34. 22

26.96

31.40

25.60

23. 16

25.79

28. 14

31. 87

22. 62

停泵压力

/MPa

11. 87

14.06

13.51

13. 15

15.92

15.33

17.41

18.42

12. 17

11.97

表5

ZXP

-5

N

压裂数据

施工段数

第一段

第二段

第三段

第四段

第五段

第六段

第七段

第八段

第九段

第十段

合计

表6

压裂液/

m

3

508

560

515

463

593

538

507

537

450

373

5044

石英砂/

m

3

30

30

30

30

30

31

25

25

25

25

281

施工排量/(

mVmin

)

8. 12

8. 02

8.04

8. 13

8.23

8. 14

8. 27

8. 07

8. 06

8.07

施工压力/

MPa

27.96

18.04

18.96

25. 17

38. 8

24. 24

40. 93

34.74

22. 55

22. 12

停栗压力

/MPa

4. 72

7. 86

8. 5

9.9

20.76

16.41

19.96

26.61

12. 34

9.7

郑4平15-1压裂数据

试验井

ZXP

-5

N

施工10段，钻塞过程前充分

考虑

FXP

1-

X

-1

L

井套损问题，优选凹底模鞋，并

在模鞋后增加扶正器，扶正模鞋位置，减小套损概

率，经过39天钻磨天，顺利完成全部钻塞。

3.2可溶桥塞试验

3.2.1压裂施工

ZXP

-

X

-1

L

井眼轨迹较为复杂，轨迹上倾、下

项目

第一段

第二段

第三段

第四段

第五段

第六段

合计

压裂液/

石英中砂/ 石英粗砂/

可溶桥塞

位置

/m

m

3

m

3

m

3

575.6

621.4

546.3

673.4

465.4

440. 5

3322. 6

25.6

25. 1

25.3

25.4

20.2

20.2

141.8

15.2

15.5

15. 1

15.2

10.2

9.9

81. 1

1312

1100

1068

955

918

880

倾不规则，钻塞难度较大，该井采用可溶桥塞试

验。该井设计压裂6段，1 ~4段采用大规模压裂，

设计规模570

m

3，砂量40

m

3, 5 ~ 6段采用中规模

压裂，设计规模450

m

3,砂量30

m

3。实际压裂共

注入液量3322.6

m

3,砂量141.8

m

3，排量2 ~

8

中国煤层气

第6期

8.06

mVmin

,累计施工3天，整体施工较为顺利。

其中第2、4段施工中有砂堵迹象，通过打人隔离

液、调整砂比顺利完成施工，2、4段人井液量达

到 620 ~ 670

m

3。

3.2.2 可溶桥塞冲洗

试验井

ZXP

-

X

-1

L

施工六段，从室内清水溶解

试验来看，20天内桥塞90%部分已溶解，橡胶部

分按压可破碎为颗粒。为提高可溶桥塞溶解速率，

该井压裂结束后，配置3%

KCL

进行洗井。压裂后

15天一次冲砂到位，现场验证了可溶桥塞压裂技

术可行性，达到预期效果，试验较为成功。溶解试

验效果见图7。

图7可溶桥塞251；室内溶解（

a

,

b

)及现场冲砂情况（

c

，

d

〉

井于9月已投产，剩余2 口井暂未投产；该井投产

1个月后，日产气达到4100

m

3,平均单段日产气

680

m

3,目前气量稳步上升；同井场郑

ZXP

-

X

-2

L

井采用油管拖动压裂施工10段，投产1个月后日

产气2400

m

3,投产2个月后日产气5000

m

3,平均

单段日产气为240〜500

m

3，两口井排采曲线见图

8。从两种压裂工艺排采对比情况可以看出，泵送

排采时间

桥塞分段压裂与常规油管拖动压裂相比，充分满足

了“水平井体积压裂”的工艺需求，在见气时间

和产气潜力方面具有较大优势，后续排采效果有待

进一步跟踪评价。

参考文献

[1] 孟庆春，左银卿.周睿，等•《沁水盆地南部煤层

气水平井井型优化及应用》

[

J

排采时间

].

中国煤层气，

2010，12 (6): 15 -19.

[2] 宋永芳，廖碧朝，张辉，等.《桥塞射孔分段压裂

工艺在页岩气井-

JY

8-2

HF

井中的应用》[

J

].石油化

工应用，2014, 3 (3): 33 -35.

图8水平井排采曲线（

ZXP

-

X

-1

L

上图、

ZXP

-

X

-2

L

下图）

4效果评价

3 口试验井施工较为顺利，表明泵送桥塞分蔟

[3] 吴奇，青云，刘玉章，等.《美国页岩气体积改造

技术现状及对我国的启示》[

J

].石油钻采工艺，

2011, 3 (2) ： 1 -7.

压裂可完全应用于半程固井煤层气水平井。从施工

效率来看，3 口井平均每天施工3 ~4段，较常规

油管拖动压裂施工速度提升100% ;从排采情况来

看，截至2020年10月，3 口试验井中

ZXP

-

X

-1

L

[4] 张晶，牟小清，杨斌，等.《泵送桥塞射孔联作关

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2016，10 (10) : 118 -120.

(责任编辑刘馨）