李小杰，葉成明，李炳平，馮建月

(中國(guó)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)

我國(guó)是一個(gè)鉀鹽資源嚴(yán)重缺乏的國(guó)家，鉀肥供需矛盾十分突出。據(jù)中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)鉀鹽(肥)行業(yè)分會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年，我國(guó)鉀鹽行業(yè)總產(chǎn)能達(dá)到1075萬t(以KCl計(jì))。KCl全年進(jìn)口量約1000萬t，行業(yè)自給率僅為51.8%。隨著鉀鹽供需矛盾的日益突出，鉀鹽的勘探與開發(fā)愈發(fā)引起重視。柴達(dá)木盆地是中國(guó)最大的鉀鹽礦基地，這里分布著察爾汗、馬海、冷湖濱地等多個(gè)國(guó)內(nèi)大型鉀鹽開采和鉀肥生產(chǎn)公司。由于地質(zhì)條件的差異，該地區(qū)鉀鹽開采方式和難度各不相同。有些礦區(qū)地下鹵水源源不斷，而有些礦區(qū)地下鹵水開采困難。有些井，初期開采鹵水量大，隨著開采時(shí)間的增加，采鹵量慢慢變小，甚至枯竭。還有些相鄰不過5 m的2口采鹵井，一口井采鹵量很大，另一口井卻沒有一點(diǎn)鹵水。

針對(duì)青海冷湖大鹽灘地區(qū)鉀鹽開采難度變大、鹵水枯竭等問題，筆者與冷湖濱地鉀肥公司合作，在大鹽灘礦區(qū)實(shí)施了水力壓裂開采地下鹵礦的試驗(yàn)，取得了一定進(jìn)展。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

大鹽灘礦區(qū)富含鉀、鈉、鎂、鋰、硼等多種資源，已探明鉀鹽資源儲(chǔ)量3.55億t(按K2SO4當(dāng)量計(jì))，其中鹵水含硫酸鉀1.47億t，雜鹵石含硫酸鉀2.08億t，總儲(chǔ)量位列世界前列。隨著對(duì)大鹽灘鉀鹽鹵水礦床的持續(xù)開采，采鹵過程中出現(xiàn)了鹵水產(chǎn)量和質(zhì)量下降的現(xiàn)象。為提高冷湖大鹽灘礦區(qū)鹵水井產(chǎn)能，探索和積累大鹽灘鉀鹽礦區(qū)鹵水井水力壓裂增產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證水力壓裂增產(chǎn)效果，在大鹽灘鉀鹽礦區(qū)實(shí)施采鹵井水力壓裂增產(chǎn)先導(dǎo)試驗(yàn)。

2 水力壓裂原理

鹵礦井水力壓裂技術(shù)，是利用高壓泵泵入高壓流體經(jīng)地表管匯、管路流程和井內(nèi)壓裂器具壓入井內(nèi)，以超過地層吸液能力的排量向地層內(nèi)注入的高壓流體達(dá)到或超過地層應(yīng)力和地層的抗張強(qiáng)度時(shí)，巖層起裂并形成裂縫，不斷注入的高壓流體使裂縫擴(kuò)展并向四周延伸，將地層內(nèi)的裂隙構(gòu)造貫通，提高目的層的匯流與導(dǎo)流能力，達(dá)到鹵礦增產(chǎn)的目的。參見圖1。

3 水力壓裂試驗(yàn)

3．1 壓裂井布置

本次完成壓裂試驗(yàn)井4眼，井號(hào)分別為QH－1井、QH－2井、QH－3井、QH－4井，井位布置見圖2。QH－2井、QH－3井、QH－4井呈三角形布局，線距192、192、300 m，QH －1井與 QH －2井相鄰，間距200 m。

3．2 壓裂與座封段確定

壓裂段與座封段根據(jù)鉆探出水情況與物探測(cè)井資料，確定在礦井70 m以淺選擇地層不完整或有出水的井(孔)段作為壓裂井段;地層較完整、井壁光滑、井徑變化較小的井段作為座封段。第一壓裂井段8～22 m，第二壓裂井段34～48 m，第三壓裂井段50～64 m。根據(jù)實(shí)際情況，本次鹵水井壓裂增產(chǎn)試驗(yàn)在QH－1井進(jìn)行了2個(gè)壓裂段次壓裂;QH－2、QH－4井各進(jìn)行了3個(gè)段次的壓裂;QH－3井進(jìn)行了1個(gè)壓裂段次壓裂。

3．3 地表設(shè)備與井內(nèi)壓裂器具安裝

試驗(yàn)井采用單管路頂液、特制閥定壓開啟的雙座封壓裂工藝。地表設(shè)備安裝時(shí)，將壓裂泵與遠(yuǎn)程控制箱連接，管路－管匯－管路與高壓水龍頭連接。地表壓裂設(shè)備流程安裝連接，各閥門、接頭的連接要可靠，壓裂前進(jìn)行循環(huán)試壓，確保系統(tǒng)安全、無泄漏。見圖3。

圖3 壓裂管路連接

井內(nèi)壓裂器具安裝時(shí)，按下入深度測(cè)量管柱并排序，依次下入底堵→下封隔器→鉆桿→定壓開啟閥→卸荷閥→鉆桿→上封隔器→鉆桿。壓裂器具下井前要檢查鉆桿、各種壓裂器具是否正常，絲扣是否完好，封隔器的膠筒表面有無破損，下入的管柱絲扣要采取密封措施。圖4為下入壓裂器具現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 下入井內(nèi)壓裂器具

3．4 壓裂

地表系統(tǒng)流程準(zhǔn)備工作完成后，在壓裂前進(jìn)行泵循環(huán)和試壓，檢驗(yàn)地表設(shè)備與管路系統(tǒng)是否正常，檢查工作包括壓裂設(shè)備的工作性能和泵的上水情況是否良好，管匯是否暢通;水源供應(yīng)與輔助工作。所有工作就緒后，開泵供水，將壓裂液泵入井內(nèi)的管路中，進(jìn)而壓入地層，同時(shí)觀察系統(tǒng)壓力的變化及地層起裂壓力和流體延伸的壓力值，并作相應(yīng)記錄。起始?jí)毫? MPa左右，破裂壓裂4 MPa左右。當(dāng)系統(tǒng)壓力無變化時(shí)，再換擋開大泵量，將設(shè)計(jì)的壓入液量全部壓完，即第一段次壓裂作業(yè)結(jié)束?，F(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)見圖5。

圖5 壓裂作業(yè)

打開管匯卸荷閥卸荷，使系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常，將井內(nèi)壓裂器具與鉆桿安全提出。再將壓裂器具并重新組合進(jìn)行第二壓裂段次壓裂，重復(fù)以上工序，直至完成該井的壓裂工作。

試驗(yàn)井壓裂作業(yè)情況如下。

(1)QH－1井:根據(jù)測(cè)井曲線和鉆探揭露含水層情況，確定壓裂段。第一段34～48 m(45～46 m為出水段);第二段44～56 m(52～53 m為出水段)。采用鹵水壓裂液，總壓水量344 m3。

(2)QH－2井:依據(jù)測(cè)井結(jié)果確定第一段8～22 m(12～15 m為出水段);第二段34～48 m(45～46 m為出水段);第三段50～64 m(52～53 m為出水段)。采用淡水+鹵水壓裂液，總壓水量506 m3。

(3)QH－3井:依據(jù)測(cè)井結(jié)果確定第一壓裂段8～22 m;第二段34～48 m;第三段50～64 m;該井由于采用淡水壓裂，造成水溶井壁巖層，使井徑擴(kuò)大，導(dǎo)致封隔器壓爆。僅完成第三段壓裂，總壓水量236 m3。

(4)QH－4井:依據(jù)測(cè)井結(jié)果確定第一壓裂段8～22 m;第二段34～48 m;第三段50～64 m;采用鹵水壓裂，本井總壓水量700 m3。

3．5 抽水試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)壓裂效果，按有關(guān)規(guī)程規(guī)范，在壓裂前后和每次壓裂后進(jìn)行抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)采用200QJ－108型潛水電泵作抽水機(jī)具，用水位計(jì)測(cè)定井內(nèi)動(dòng)水位，量筒量測(cè)流量。抽水試驗(yàn)見圖6。

圖6 壓裂前后單井抽出鹵水量

4 試驗(yàn)效果

鹵水井水力壓裂增產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

在對(duì)QH－2壓裂過程中，觀測(cè)QH－1井(相距200 m)水位，進(jìn)行第一壓裂段次時(shí)，QH－1井水位上升90 cm;壓裂第二段次時(shí)，QH－1井水位上升100 cm;壓裂第三段次時(shí)，QH－1井水位上升30 cm，證明壓裂裂縫由QH－2延伸至QH－1井。

表1 水力壓裂增產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)首次將水力壓裂技術(shù)引入到了鹵礦鹽田增產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用該技術(shù)，可有效提高鹵礦井的產(chǎn)量，為我國(guó)今后合理開發(fā)流體型礦產(chǎn)資源提供了一種新的技術(shù)方法。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)鹵鹽礦井壓裂增產(chǎn)的技術(shù)空白。

(2)采用單管路頂液、特制閥定壓開啟的雙座封壓裂工藝，滿足礦井開采的壓裂增產(chǎn)技術(shù)要求。應(yīng)用該壓裂工藝，可以實(shí)現(xiàn)局部井段、多井段裸孔水力壓裂，應(yīng)用該壓裂工藝完全滿足鹵礦資源的規(guī)模開采和量產(chǎn)，是一種新型的增產(chǎn)技術(shù)工藝，為今后大規(guī)模開采鹽礦資源提供了一種新技術(shù)途徑。

(3)通過本次壓裂增產(chǎn)試驗(yàn)，壓裂效果最低的井增產(chǎn)量也達(dá)到了118%，效果最好的單井鹵水產(chǎn)量由壓裂前的 5.3 m3/h增至 72.3 m3/h，增加1264%，4眼井平均增產(chǎn)559.25%，獲得良好的壓裂增產(chǎn)效果，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

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