李炳平，葉成明，何計彬，解 偉，范孔岳

(1．中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051;2．中國地質(zhì)大學〈北京〉，北京100083)

1 概述

傳統(tǒng)化石能源的大量利用對全球生態(tài)環(huán)境造成的壓力越來越大，應(yīng)對氣候、環(huán)境變化和能源安全已成為全球共同關(guān)注的焦點。地熱能作為一種清潔、可再生能源已被廣泛利用，我國地熱能源已用于國防建設(shè)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。地熱能資源開發(fā)主要是通過深井開采地熱流體(水)來實現(xiàn)。由于超采導(dǎo)致地熱田水位快速下降和水量逐年遞減情況普遍存在，如果不能實施有效管理與控制，或?qū)ξ覈牡責崴唾Y源造成嚴重破壞。為此，在獲取地下熱能的同時，利用回灌技術(shù)，保持地熱資源的供需平衡、避免地下能源枯竭、保護環(huán)境安全具有重要意義。

地熱田回灌補源是實現(xiàn)地熱資源可持續(xù)開發(fā)的新技術(shù)，用于解決地熱能補給，提高地層熱能利用率。其方法是在抽取地下熱水的同時，在距開采井一定距離，施工一眼注水井，通過注水井向地下注入一定比例的水量與地層熱源再交換，使地下水水位保持相對穩(wěn)定，提高資源量。但是，最佳的回灌效果和回灌量取決于注水井的位置和巖層構(gòu)造與開采井的水力聯(lián)系條件。特別是在注水井施工時，存在以下不利因素:(1)井(孔)未鉆到或偏離了主蓄水構(gòu)造;(2)井(孔)巖層的裂隙通道因存在充填或礦物膠結(jié)導(dǎo)致其與蓄水構(gòu)造連通性差;(3)鉆井過程中的泥漿固相、巖屑等淤塞了巖層裂隙通道。上述因素會導(dǎo)致巖層裂隙透水能力降低，影響回灌效果。為此，我們在山東省蓬萊市溫石塘地熱田開展了水力壓裂增產(chǎn)增注試驗，獲得了良好的效果。

2 壓裂增注工藝

2．1 壓裂機理

地熱田壓裂增注，是在井孔內(nèi)下入壓裂器具，利用高壓泵以超過地層吸液能力的排量向地層內(nèi)注入高壓流體，壓裂地層并形成裂縫，實現(xiàn)注水井與開采井連通;對已有的含水層裂隙，因裂隙內(nèi)含有充填物或已形成膠結(jié)，滲透率低，經(jīng)高壓流體強力剪切、沖蝕和運移后，使得裂隙擴展并疏通，將原有裂隙的水流由徑向流變?yōu)榫€性流;同時高壓流體可有效清除淤塞于裂隙中的泥漿固相、巖屑，使含水層的滲流條件得以改善，提高水井產(chǎn)量。

2．2 壓裂工藝

壓裂工藝采用清水作壓裂液，在注水井的非壓裂段，用上下封隔器將壓裂段隔離、開啟閥定壓打開、單管路頂液將地層壓裂的工藝方法。

(1)地表設(shè)備與流程布局:依次為遠程控制—壓裂泵—高壓管路—管匯—高壓管路—專用水龍頭—鉆桿(見圖1)。

圖1 地表壓裂設(shè)備與系統(tǒng)布局示意

(2)井內(nèi)壓裂器具組合:依次由井內(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2)。

圖2 雙坐封定壓閥開啟壓裂工藝示意

(3)壓裂工藝:根據(jù)鉆取的巖心完整性確定壓裂段和坐封段，在被壓裂段上頂板和下底板中，選擇1～3 m井壁巖層較完整的井段作封隔段。壓裂作業(yè)時，壓裂液由鉆桿內(nèi)腔進入上、下封隔器，使其貼緊井壁實現(xiàn)密封，隨著系統(tǒng)壓力的升高并達到某一壓力值時，開啟閥打開，壓裂液進入上、下封隔器之間與井壁的環(huán)腔內(nèi)，當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，隨著流體的不斷壓入，裂縫沿地層延伸至開采井，使注水井與開采井經(jīng)壓裂裂縫連通，達到地熱井增注增產(chǎn)的目的。當?shù)谝粔毫讯未瓮瓿珊?，提出井?nèi)壓裂鉆柱，重新組裝壓裂器具，根據(jù)需要依次實施第二或第三段次壓裂作業(yè)。

(4)設(shè)備與器具性能參數(shù):壓裂采用的高壓泵、管匯、高壓水龍頭和井內(nèi)壓裂器具的基本性能參數(shù)見表1。

表1 壓裂設(shè)備與器具性能參數(shù)

3 壓裂施工

3．1 鉆井施工

3．2 壓裂施工

壓裂施工前將壓裂設(shè)備、管路和孔內(nèi)器具配置組裝，試機檢查壓裂設(shè)備與器具、管路是否正常，確定壓裂段與坐封段位置，水源準備等。

(1)壓裂與坐封段確定方法:根據(jù)鉆探獲取的巖心結(jié)合地質(zhì)情況，確定在60 m以下作為本次試驗的壓裂井段。選擇巖心較完整、外表光滑的井段作為壓裂坐封段，巖心不完整或較破碎井(孔)段作為壓裂段。確定第一段次壓裂井段為68.76～88.83 m;第二段次壓裂井段為88.10～108.18 m(參見圖3)。

圖3 地熱井壓裂鉆孔柱狀圖

(2)地表設(shè)備與井內(nèi)壓裂器具安裝:將遠程控制箱與壓裂泵連接后再與管路—管匯—管路和高壓水龍頭連接(圖4)。按設(shè)計深度測量各壓裂管柱并排序，依次下入底堵鉆桿—下封隔器—鉆桿—定壓開啟閥—鉆桿—上封隔器—鉆桿。下入鉆柱時要檢查鉆桿、各壓裂器具的絲扣是否完好，封隔器的膠筒表面有無破損，各管柱絲扣要采取密封措施，見現(xiàn)場壓裂器具圖5。

(3)壓裂施工:當?shù)乇硐到y(tǒng)與井內(nèi)鉆柱全部安裝完畢后，開泵供水試壓，檢驗地表設(shè)備與管路是否正常，壓裂器具的工作性能和泵的上水情況是否良好，管匯是否暢通。所有工作就緒后，開泵供水，觀察系統(tǒng)壓力的變化及地層起裂壓力和裂縫延伸的壓力值，并作相應(yīng)記錄。按設(shè)計要求將一定量的清水壓入井內(nèi)，在壓裂過程中，當系統(tǒng)壓力會由高逐漸降低，當壓力無變化時，停止供水，等待8～10 min，再供水壓裂，依次進行多個時間段壓裂，當泵壓力基本穩(wěn)定在一定值時，結(jié)束壓裂，提出鉆柱，重新組裝壓裂器具，進行下一個段次壓裂。

該井共進行了2個壓裂段次，3次壓裂。第一壓裂段次完成后，由于該井初始井深為100 m，在90 m以下沒有較完整壓裂坐封段，繼續(xù)取心鉆進至115.80 m，確定第二壓裂段為88.10～108.18 m。在第二段次壓裂前，經(jīng)抽水試驗，水井出水量由第一次壓裂后的11.21 m3/h降至7.9 m3/h，證明鉆進過程中巖粉嚴重淤塞了壓裂裂隙通道，隨后又安排在第一壓裂段實施了第二次壓裂。整個壓裂作業(yè)共壓入清水89 m3，其中第一壓裂段兩次分別壓入清水17 m3和38 m3;第二次壓裂壓入清水34 m3。

將壓裂過程中的泵量、壓力作縱坐標，時間作橫坐標，每個壓裂段次的泵排量、壓力隨時間的變化關(guān)系見曲線圖6、圖7。由曲線圖得知，壓裂初始的泵壓力最高，然后逐漸降低至穩(wěn)定，當?shù)貙颖粔毫咽柰ê?，即使增大泵排量，壓力也不會增大，達到了好的注水效果。

圖6 泵量、壓力與時間的關(guān)系曲線(68.76～88.83 m壓裂井段)

圖7 泵量、壓力與時間的關(guān)系曲線(88.10～108.18 m壓裂井段)

4 抽水試驗

4．1 抽水試驗機具與方法

為評價壓裂效果，按有關(guān)規(guī)程規(guī)范，在壓裂前后采用200QJ－108型潛水電泵作抽水機具，降深為50 m的136型液位變送器測定井內(nèi)動水位，三角堰箱測流量，為獲取不同降深的流量，用三通管路將抽出的部分水流回灌到井內(nèi)，抽水試驗結(jié)果見壓裂前后水位降深與流量的關(guān)系曲線圖(圖8、圖9)。

圖8 壓裂前水位降深與流量的關(guān)系曲線

4．2 壓裂試驗結(jié)果分析

圖9 壓裂后水位降深與流量的關(guān)系曲線

山東蓬萊溫石塘地熱田壓裂回灌試驗，壓裂段巖性為角閃斜長變質(zhì)花崗巖，柱狀、粒狀結(jié)構(gòu)，定向構(gòu)造，主要成分為斜長角閃石，地層破碎，巖心不完整且取心率低，該井鉆在主斷層下盤，沒有與主斷層連通，存在弱透水性次生構(gòu)造，壓裂前水井出水量僅有7.561 m3/h。經(jīng)兩個段次的壓裂后，水井出水量增至13.751 m3/h，增水81.9%，取得了良好的壓裂增水效果，達到了項目試驗的目的。

(1)在第一壓裂段的壓裂過程中，初始泵排量為10 m3/h時，最大起裂壓力為4.2 MPa，隨著清水的不斷壓入系統(tǒng)壓力逐漸減低(圖6)，當泵排量提高到17 m3/h時，系統(tǒng)壓力僅為4 MPa;泵排量恢復(fù)到10 m3/h時，泵壓力降到了2.7 MPa。停泵再開泵供水，系統(tǒng)壓力只隨泵量的大小變化，而與地層的裂隙性質(zhì)無關(guān)，證明原地層的裂隙被壓裂疏通。第二段次壓裂維持泵量恒定時，泵壓力的變化過程為起裂壓力值最高(4 MPa)，然后壓裂時間延長，泵壓力逐漸降至2.8 MPa(圖7)，證明在相同壓力下，注水量增大。

(2)在第二段次壓裂前又進行了取心鉆進，鉆進工作結(jié)束后，經(jīng)抽水試驗，水井出水量由第一次壓裂后的11.21 m3/h降至7.9 m3/h，證明在鉆進過程中巖粉對地層裂隙通道存在嚴重堵塞作用。后經(jīng)再次壓裂，堵塞的裂隙被高壓流體沖蝕、運移后又得以疏通，水井出水量增大，表明水力壓裂兼具有洗井的作用。

5 結(jié)語

(1)本項目首次將水力壓裂技術(shù)引入到了地熱井增注增產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用該技術(shù)，可有效提高地熱井的回灌量，為我國今后合理開發(fā)地熱資源及可持續(xù)發(fā)展提供了一種新的技術(shù)方法。

(2)采用雙坐封、開啟閥定壓開啟、單管路頂液的壓裂工藝滿足地熱井的壓裂增產(chǎn)技術(shù)要求。應(yīng)用該壓裂工藝，可以實現(xiàn)局部井段或多井段裸孔水力壓裂。該壓裂工藝方法具有壓裂設(shè)備小、系統(tǒng)流程簡單、施工成本低、操作方便、安全可靠等特點。

(3)通過壓裂增產(chǎn)增注試驗，單井出水量由壓裂前的 7.561 m3/h增至 13.751 m3/h，增加81.9%，取得了良好壓裂增注增水效果，達到了項目試驗的目的。

(4)本次壓裂試驗，由于回灌井鉆在了主斷層的下盤中，在70 m以下偏離了主斷層，影響了壓裂效果。

［1］ 李小杰，葉成明，李炳平，等．基巖水井水力分段壓裂增水技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S1):56－61．

［2］ 李炳平，葉成明，解偉，等．基巖水井水力壓裂技術(shù)研究報告［R］．2013．

［3］ 李炳平，李小杰，葉成明，等．止水栓塞封隔－閥式壓水器組合檢測技術(shù)的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(3):69－71．

［4］ 王鴻勛．水力壓裂原理［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1987．

［5］ J．L．Gidley．水力壓裂技術(shù)新發(fā)展［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1995．