基巖水井壓裂增水技術(shù)應(yīng)用

宋啟龍 王會敏

(1.華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000;2.秦皇島中兵建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北 秦皇島 066000)

水是生命之源，盡管地球水資源豐富，但淡水資源僅占水資源總量的2.5%，且分布不均勻[1]。2019年10月在布達(dá)佩斯舉行聚焦水危機水峰會中，匈牙利總統(tǒng)阿黛爾指出，目前全世界約有40億人口生活在缺水地區(qū)，預(yù)測到2030年將有7億人由于水資源短缺而搬離家園，到2050年水資源需求量將會提高20%～30%[2],可見水危機已成為全球性問題[3]。我國也是一個缺水國家，更是被世界銀行列為13個最貧水的國家之一[4-5]，我國人均水量僅占世界平均水量的1/4。水資源短缺將直接威脅到人民健康和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

在我國，部分基巖山區(qū)還存在飲水困難問題，在國家扶貧政策支持下，許多地區(qū)已擺脫飲水困難問題。但在個別地區(qū)，有的村莊打過近十幾眼井均仍存在出水量達(dá)不到預(yù)期效果，不能從根本上解決飲水問題的現(xiàn)象。這些未達(dá)到預(yù)期水量的水井，多被棄用或是封填，由此造成了較大的人力、財力損失。然而，在這些井中往往會有部分水井是由于鉆進(jìn)工藝或地質(zhì)條件導(dǎo)致的具可改善性，如施工過程中所用鉆井液及巖屑堵塞巖石裂隙、巖石裂隙導(dǎo)水能力差等因素[6-9]。目前根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，壓裂增水技術(shù)可改善水井出水量小的問題。

本文基于壓裂增水技術(shù)原理，結(jié)合順平縣導(dǎo)務(wù)村水井現(xiàn)狀，選擇了一眼水井進(jìn)行壓裂，壓裂后水井出水量由2.72m3/h增加到11.4m3/h，出水量增加319%，增水效果顯著，可以解決當(dāng)?shù)卮迕耖L年吃水難題。

1 壓裂原理

壓裂增水技術(shù)是針對不能滿足預(yù)期出水量的已有水井，向目標(biāo)含水層內(nèi)注入壓裂液，通過高壓增加巖石縫隙的裂隙率、加大過水通道或溝通與強含水層之間的水力聯(lián)系等方式，增加水井出水能力的一種技術(shù)[10-11]。

該技術(shù)利用高壓泵通過地表管路、井內(nèi)壓裂器具等設(shè)備將達(dá)到或超過地層應(yīng)力和地層抗張強度的高壓流體，以超過地層吸液能力的排量注入井內(nèi)，使巖層起裂并形成裂縫，并使裂縫擴展并向四周延伸，將地層內(nèi)的裂隙構(gòu)造貫通，增加目標(biāo)層位匯流與導(dǎo)流能力，達(dá)到增大水井出水量的效果。

壓裂設(shè)備包括地表部分和井內(nèi)部分。地表部分主要為遠(yuǎn)程控制柜、壓裂泵、高壓管路、管匯等設(shè)備。井內(nèi)部分主要為鉆桿、封隔器、定壓開啟閥、卸荷閥、底堵等器具。地表部分通過鉆桿與井內(nèi)部分相連，壓裂系統(tǒng)布局見圖1。

圖1 壓裂系統(tǒng)布局圖

目前，壓裂液主要有清水、植物凝膠、聚合物膠、緩釋酸、CO2氣體及充氣泡沫等類型。壓裂液要根據(jù)巖石物理性質(zhì)及含水層特征進(jìn)行選擇，基巖井采用的壓裂液一般為清水、植物凝膠和緩釋酸[12-16]。

2 壓裂水井概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)屬于華北地層區(qū)燕山地層分區(qū)，出露的地層主要由太古界阜平巖群變質(zhì)基底及中元古界長城系、薊縣系，上元古界青白口系，古生界寒武系、奧陶系和新生界第四系的沉積蓋層組成。工作區(qū)地層巖性特征見表1。

表1 工作區(qū)地層巖性表

根據(jù)地下水的賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征，將本區(qū)地下水劃分為兩種類型，即松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水(也稱巖溶水)。

松散巖類孔隙水是本區(qū)的主要地下水類型之一，含水層主要為沖洪積成因的各類砂、卵礫石層及砂土堆積物，富水性受地貌條件和沉積物成因類型控制明顯，第四系孔隙水，因地勢較高，沉積物厚度較薄，分布范圍有限以及含水層自身的調(diào)蓄能力較弱，水量貧乏。

碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為本區(qū)主要地下水類型，出露范圍較大，地下水的富水性與構(gòu)造條件極為密切，富水程度差異大，以水量中等區(qū)、貧乏區(qū)和極貧乏區(qū)為主，在個別地段因構(gòu)造、地貌有利而賦存豐富地下水。

2.2 壓裂井概況

自20世紀(jì)70年代起，導(dǎo)務(wù)村施工過的13眼水井均為干眼或水量極小。本次根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查，水井布設(shè)于布設(shè)在向斜核部，成井深度242m，井徑273mm。根據(jù)前期取芯孔資料，上覆1m厚第四系沖積物，基巖地層為奧陶系下統(tǒng)冶里組白云質(zhì)灰?guī)r40.3m、寒武系上統(tǒng)鳳山組泥質(zhì)條紋灰?guī)r105.8m、寒武系上統(tǒng)長山組泥質(zhì)灰?guī)r24.85m，以下為寒武系上統(tǒng)崮山組泥質(zhì)灰?guī)r。周邊還出露寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)饅頭組泥巖，過井剖面見圖2。

圖2 過井剖面圖

根據(jù)水井測井和編錄資料，顯示淺部15m至深部224m之間發(fā)育30余處破碎帶，地層裂隙及小斷層發(fā)育，但裂隙多被泥質(zhì)充填，導(dǎo)水通道不暢通，成井后出水量僅2.72m3/h，沒有達(dá)到理想值，難以解決飲水困難問題，詳見圖3。

圖3 導(dǎo)務(wù)村水井柱狀圖

20世紀(jì)以前，主要通過酸化方式進(jìn)行水井增水，許多重金屬離子在酸性條件下，溶解度會大大增加，導(dǎo)致水中重金屬離子含量也隨之增加，人畜飲用會易引起重金屬中毒。20世紀(jì)后，隨著新技術(shù)新方法的不斷涌現(xiàn)，水力壓裂增水已逐漸取代酸化增水方式，故本次采用水力壓裂方式進(jìn)行水井增水。

3 壓裂過程

3.1 壓裂段選取

根據(jù)水井測井和編錄資料(見圖3)，本次分三段(10～60m、30～104m、104～224m)進(jìn)行壓裂，含水層厚度87.5m。

由于該孔地層破碎段位置分布相對集中，且有相對完整的地層作為隔水段，本次采用雙封座壓裂，以一套管路系統(tǒng)實現(xiàn)井孔的分段隔離、分段實施壓裂，更好地實現(xiàn)壓裂增水的目的。井內(nèi)器具組合依次由地表系統(tǒng)、井內(nèi)鉆桿、卸荷閥、上封隔器、定壓開啟閥、下封隔器、鉆桿、底堵組成，見圖4。

圖4 雙座封壓裂示意圖

3.2 實施壓裂

由于天然條件下該水井揭露地層裂隙較為發(fā)育，所以本次選擇壓裂液為清水。壓裂設(shè)備與器具：地表設(shè)備由車載高壓泵車、高壓管匯、高壓膠管(內(nèi)徑38mm、單根長20m)、高壓水龍頭組成；采用雙封隔器壓裂，井內(nèi)壓裂器具由投球卸荷閥、K433-180型擴張式封隔器(上、下座封)、定壓開啟閥、底堵組成。輔助設(shè)備包括SPC-300型黃河鉆機為壓裂試驗提吊動力設(shè)備，φ89鉆桿作為孔內(nèi)壓裂器具的連接鉆具。壓裂液由供水泵、抽水泵等輸送至壓裂液箱中。

首先壓裂液由鉆桿內(nèi)腔進(jìn)入上下封隔器，封隔器膨脹并貼緊井壁實現(xiàn)密封，隨著系統(tǒng)壓力的升高并達(dá)到某一定值時，定壓開啟閥打開，壓裂液進(jìn)入上下封隔器之間與井壁的環(huán)腔內(nèi)。當(dāng)流體壓力足以克服地層應(yīng)力及巖石的抗張強度時，巖石起裂形成初始裂縫，隨著壓裂液的不斷頂進(jìn)，裂縫擴展和延伸。在第一壓裂工作段完成后，井內(nèi)靜水位大于10m，將鉆桿內(nèi)腔的壓裂液泄掉。卸荷時，卸開井口的高壓水龍頭，在鉆桿內(nèi)腔投入鋼球，重新連接后，開泵送水，剪斷卸荷閥內(nèi)緊固于滑套上的銷釘，滑套下移露出泄流孔，使鉆桿內(nèi)腔的壓裂液流出，封隔器自行收縮，然后提鉆。本次進(jìn)行三段次壓裂，壓裂順序應(yīng)自下而上，每壓裂完成一個段次，將鉆柱內(nèi)的液體可以用氣舉排液法排出，然后提鉆并對準(zhǔn)另一壓裂段，再實施壓裂作業(yè)。

壓裂過程中，第一次壓裂起始壓力6.01MPa，最高壓力8.7MPa，壓入水量150.8m3，見圖5；第二次壓裂起始壓力3.84MPa，最高壓力8.5MPa，壓入水量489.7m3，見圖6；第三次壓裂起始壓力2.78MPa，最高壓力8.75MPa，壓入水量452.5m3，見圖7；壓裂液注入總量為1093m3。該井第二次與第三次壓裂以壓裂與洗井并存方式進(jìn)行，注入的清水井孔返排出大量裂隙充填物，即清掃地下水通道使得水井水量增加。壓裂后下泵洗井，水清沙凈后再次進(jìn)行抽水試驗，該井日出水量達(dá)到11.4m3，水量增加近5倍，見表2，完全可以解決當(dāng)?shù)卮迕耖L年吃水難題。

圖5 第一次壓裂時間、泵量、壓力關(guān)系曲線

圖6 第二次壓裂時間、泵量、壓力關(guān)系曲線

圖7 第三次壓裂時間、泵量、壓力關(guān)系曲線

表2 基巖水井水力壓裂試驗結(jié)果表

4 結(jié) 論

試驗結(jié)果表明，本壓裂工藝和設(shè)備與器具、壓裂系統(tǒng)流程設(shè)計合理，滿足基巖水井(井孔直徑220～273mm)壓裂要求。水力壓裂增水試驗表明，對于非地質(zhì)條件差引起的出水量達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)的井，實施水力壓裂，可使出水量偏小或達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)的水井，增大出水量，提高打井成功率。壓裂增水技術(shù)，對于一些基巖水井有一定效果。

根據(jù)目前水力壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對不同巖石性質(zhì)和含水層類型進(jìn)行無害化、高效、低成本壓裂液的研究為今后提供研究方向。

致謝：項目開展過程中，二級項目單位中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中心的韓雙寶、孟順祥、王營超等人給予了悉心指導(dǎo)，在此表示真誠的感謝。