基岩水井压裂增水技术应用

2021-07-17 05:33宋启龙王会敏
水利建设与管理 2021年6期
关键词:出水量压裂液钻杆

宋启龙 王会敏

(1.华北地质勘查局第四地质大队,河北 秦皇岛 066000;2.秦皇岛中兵建设集团股份有限公司,河北 秦皇岛 066000)

水是生命之源,尽管地球水资源丰富,但淡水资源仅占水资源总量的2.5%,且分布不均匀[1]。2019年10月在布达佩斯举行聚焦水危机水峰会中,匈牙利总统阿黛尔指出,目前全世界约有40亿人口生活在缺水地区,预测到2030年将有7亿人由于水资源短缺而搬离家园,到2050年水资源需求量将会提高20%~30%[2],可见水危机已成为全球性问题[3]。我国也是一个缺水国家,更是被世界银行列为13个最贫水的国家之一[4-5],我国人均水量仅占世界平均水量的1/4。水资源短缺将直接威胁到人民健康和社会经济的发展。

在我国,部分基岩山区还存在饮水困难问题,在国家扶贫政策支持下,许多地区已摆脱饮水困难问题。但在个别地区,有的村庄打过近十几眼井均仍存在出水量达不到预期效果,不能从根本上解决饮水问题的现象。这些未达到预期水量的水井,多被弃用或是封填,由此造成了较大的人力、财力损失。然而,在这些井中往往会有部分水井是由于钻进工艺或地质条件导致的具可改善性,如施工过程中所用钻井液及岩屑堵塞岩石裂隙、岩石裂隙导水能力差等因素[6-9]。目前根据国内外研究现状,压裂增水技术可改善水井出水量小的问题。

本文基于压裂增水技术原理,结合顺平县导务村水井现状,选择了一眼水井进行压裂,压裂后水井出水量由2.72m3/h增加到11.4m3/h,出水量增加319%,增水效果显著,可以解决当地村民长年吃水难题。

1 压裂原理

压裂增水技术是针对不能满足预期出水量的已有水井,向目标含水层内注入压裂液,通过高压增加岩石缝隙的裂隙率、加大过水通道或沟通与强含水层之间的水力联系等方式,增加水井出水能力的一种技术[10-11]。

该技术利用高压泵通过地表管路、井内压裂器具等设备将达到或超过地层应力和地层抗张强度的高压流体,以超过地层吸液能力的排量注入井内,使岩层起裂并形成裂缝,并使裂缝扩展并向四周延伸,将地层内的裂隙构造贯通,增加目标层位汇流与导流能力,达到增大水井出水量的效果。

压裂设备包括地表部分和井内部分。地表部分主要为远程控制柜、压裂泵、高压管路、管汇等设备。井内部分主要为钻杆、封隔器、定压开启阀、卸荷阀、底堵等器具。地表部分通过钻杆与井内部分相连,压裂系统布局见图1。

图1 压裂系统布局图

目前,压裂液主要有清水、植物凝胶、聚合物胶、缓释酸、CO2气体及充气泡沫等类型。压裂液要根据岩石物理性质及含水层特征进行选择,基岩井采用的压裂液一般为清水、植物凝胶和缓释酸[12-16]。

2 压裂水井概况

2.1 区域地质概况

区内属于华北地层区燕山地层分区,出露的地层主要由太古界阜平岩群变质基底及中元古界长城系、蓟县系,上元古界青白口系,古生界寒武系、奥陶系和新生界第四系的沉积盖层组成。工作区地层岩性特征见表1。

表1 工作区地层岩性表

根据地下水的赋存条件、含水介质及水力特征,将本区地下水划分为两种类型,即松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水(也称岩溶水)。

松散岩类孔隙水是本区的主要地下水类型之一,含水层主要为冲洪积成因的各类砂、卵砾石层及砂土堆积物,富水性受地貌条件和沉积物成因类型控制明显,第四系孔隙水,因地势较高,沉积物厚度较薄,分布范围有限以及含水层自身的调蓄能力较弱,水量贫乏。

碳酸盐岩类裂隙溶洞水为本区主要地下水类型,出露范围较大,地下水的富水性与构造条件极为密切,富水程度差异大,以水量中等区、贫乏区和极贫乏区为主,在个别地段因构造、地貌有利而赋存丰富地下水。

2.2 压裂井概况

自20世纪70年代起,导务村施工过的13眼水井均为干眼或水量极小。本次根据水文地质调查,水井布设于布设在向斜核部,成井深度242m,井径273mm。根据前期取芯孔资料,上覆1m厚第四系冲积物,基岩地层为奥陶系下统冶里组白云质灰岩40.3m、寒武系上统凤山组泥质条纹灰岩105.8m、寒武系上统长山组泥质灰岩24.85m,以下为寒武系上统崮山组泥质灰岩。周边还出露寒武系中统张夏组鲕状灰岩、寒武系下统馒头组泥岩,过井剖面见图2。

图2 过井剖面图

根据水井测井和编录资料,显示浅部15m至深部224m之间发育30余处破碎带,地层裂隙及小断层发育,但裂隙多被泥质充填,导水通道不畅通,成井后出水量仅2.72m3/h,没有达到理想值,难以解决饮水困难问题,详见图3。

图3 导务村水井柱状图

20世纪以前,主要通过酸化方式进行水井增水,许多重金属离子在酸性条件下,溶解度会大大增加,导致水中重金属离子含量也随之增加,人畜饮用会易引起重金属中毒。20世纪后,随着新技术新方法的不断涌现,水力压裂增水已逐渐取代酸化增水方式,故本次采用水力压裂方式进行水井增水。

3 压裂过程

3.1 压裂段选取

根据水井测井和编录资料(见图3),本次分三段(10~60m、30~104m、104~224m)进行压裂,含水层厚度87.5m。

由于该孔地层破碎段位置分布相对集中,且有相对完整的地层作为隔水段,本次采用双封座压裂,以一套管路系统实现井孔的分段隔离、分段实施压裂,更好地实现压裂增水的目的。井内器具组合依次由地表系统、井内钻杆、卸荷阀、上封隔器、定压开启阀、下封隔器、钻杆、底堵组成,见图4。

图4 双座封压裂示意图

3.2 实施压裂

由于天然条件下该水井揭露地层裂隙较为发育,所以本次选择压裂液为清水。压裂设备与器具:地表设备由车载高压泵车、高压管汇、高压胶管(内径38mm、单根长20m)、高压水龙头组成;采用双封隔器压裂,井内压裂器具由投球卸荷阀、K433-180型扩张式封隔器(上、下座封)、定压开启阀、底堵组成。辅助设备包括SPC-300型黄河钻机为压裂试验提吊动力设备,φ89钻杆作为孔内压裂器具的连接钻具。压裂液由供水泵、抽水泵等输送至压裂液箱中。

首先压裂液由钻杆内腔进入上下封隔器,封隔器膨胀并贴紧井壁实现密封,随着系统压力的升高并达到某一定值时,定压开启阀打开,压裂液进入上下封隔器之间与井壁的环腔内。当流体压力足以克服地层应力及岩石的抗张强度时,岩石起裂形成初始裂缝,随着压裂液的不断顶进,裂缝扩展和延伸。在第一压裂工作段完成后,井内静水位大于10m,将钻杆内腔的压裂液泄掉。卸荷时,卸开井口的高压水龙头,在钻杆内腔投入钢球,重新连接后,开泵送水,剪断卸荷阀内紧固于滑套上的销钉,滑套下移露出泄流孔,使钻杆内腔的压裂液流出,封隔器自行收缩,然后提钻。本次进行三段次压裂,压裂顺序应自下而上,每压裂完成一个段次,将钻柱内的液体可以用气举排液法排出,然后提钻并对准另一压裂段,再实施压裂作业。

压裂过程中,第一次压裂起始压力6.01MPa,最高压力8.7MPa,压入水量150.8m3,见图5;第二次压裂起始压力3.84MPa,最高压力8.5MPa,压入水量489.7m3,见图6;第三次压裂起始压力2.78MPa,最高压力8.75MPa,压入水量452.5m3,见图7;压裂液注入总量为1093m3。该井第二次与第三次压裂以压裂与洗井并存方式进行,注入的清水井孔返排出大量裂隙充填物,即清扫地下水通道使得水井水量增加。压裂后下泵洗井,水清沙净后再次进行抽水试验,该井日出水量达到11.4m3,水量增加近5倍,见表2,完全可以解决当地村民长年吃水难题。

图5 第一次压裂时间、泵量、压力关系曲线

图6 第二次压裂时间、泵量、压力关系曲线

图7 第三次压裂时间、泵量、压力关系曲线

表2 基岩水井水力压裂试验结果表

4 结 论

试验结果表明,本压裂工艺和设备与器具、压裂系统流程设计合理,满足基岩水井(井孔直径220~273mm)压裂要求。水力压裂增水试验表明,对于非地质条件差引起的出水量达不到预期目标的井,实施水力压裂,可使出水量偏小或达不到预期目标的水井,增大出水量,提高打井成功率。压裂增水技术,对于一些基岩水井有一定效果。

根据目前水力压裂技术发展现状,针对不同岩石性质和含水层类型进行无害化、高效、低成本压裂液的研究为今后提供研究方向。

致谢:项目开展过程中,二级项目单位中国地质调查局水文地质环境调查中心的韩双宝、孟顺祥、王营超等人给予了悉心指导,在此表示真诚的感谢。

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