李小杰，葉成明，李炳平，馮建月

(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)

我國是一個鉀鹽資源嚴重缺乏的國家，鉀肥供需矛盾十分突出。據(jù)中國無機鹽工業(yè)協(xié)會鉀鹽(肥)行業(yè)分會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2014年，我國鉀鹽行業(yè)總產(chǎn)能達到1075萬t(以KCl計)。KCl全年進口量約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。柴達木盆地是中國最大的鉀鹽礦基地，這里分布著察爾汗、馬海、冷湖濱地等多個國內(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鹵水。

針對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)實施了水力壓裂開采地下鹵礦的試驗，取得了一定進展。

1 試驗目的

大鹽灘礦區(qū)富含鉀、鈉、鎂、鋰、硼等多種資源，已探明鉀鹽資源儲量3.55億t(按K2SO4當量計)，其中鹵水含硫酸鉀1.47億t，雜鹵石含硫酸鉀2.08億t，總儲量位列世界前列。隨著對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)基礎數(shù)據(jù)，驗證水力壓裂增產(chǎn)效果，在大鹽灘鉀鹽礦區(qū)實施采鹵井水力壓裂增產(chǎn)先導試驗。

2 水力壓裂原理

鹵礦井水力壓裂技術，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)注入的高壓流體達到或超過地層應力和地層的抗張強度時，巖層起裂并形成裂縫，不斷注入的高壓流體使裂縫擴展并向四周延伸，將地層內(nèi)的裂隙構造貫通，提高目的層的匯流與導流能力，達到鹵礦增產(chǎn)的目的。參見圖1。

3 水力壓裂試驗

3．1 壓裂井布置

本次完成壓裂試驗井4眼，井號分別為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)實際情況，本次鹵水井壓裂增產(chǎn)試驗在QH－1井進行了2個壓裂段次壓裂;QH－2、QH－4井各進行了3個段次的壓裂;QH－3井進行了1個壓裂段次壓裂。

3．3 地表設備與井內(nèi)壓裂器具安裝

試驗井采用單管路頂液、特制閥定壓開啟的雙座封壓裂工藝。地表設備安裝時，將壓裂泵與遠程控制箱連接，管路－管匯－管路與高壓水龍頭連接。地表壓裂設備流程安裝連接，各閥門、接頭的連接要可靠，壓裂前進行循環(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，按下入深度測量管柱并排序，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。

圖4 下入井內(nèi)壓裂器具

3．4 壓裂

地表系統(tǒng)流程準備工作完成后，在壓裂前進行泵循環(huán)和試壓，檢驗地表設備與管路系統(tǒng)是否正常，檢查工作包括壓裂設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，進而壓入地層，同時觀察系統(tǒng)壓力的變化及地層起裂壓力和流體延伸的壓力值，并作相應記錄。起始壓裂1 MPa左右，破裂壓裂4 MPa左右。當系統(tǒng)壓力無變化時，再換擋開大泵量，將設計的壓入液量全部壓完，即第一段次壓裂作業(yè)結束?，F(xiàn)場壓裂作業(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行第二壓裂段次壓裂，重復以上工序，直至完成該井的壓裂工作。

試驗井壓裂作業(yè)情況如下。

(1)QH－1井:根據(jù)測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)測井結果確定第一段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)測井結果確定第一壓裂段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，使井徑擴大，導致封隔器壓爆。僅完成第三段壓裂，總壓水量236 m3。

(4)QH－4井:依據(jù)測井結果確定第一壓裂段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

為評價壓裂效果，按有關規(guī)程規(guī)范，在壓裂前后和每次壓裂后進行抽水試驗。試驗采用200QJ－108型潛水電泵作抽水機具，用水位計測定井內(nèi)動水位，量筒量測流量。抽水試驗見圖6。

圖6 壓裂前后單井抽出鹵水量

4 試驗效果

鹵水井水力壓裂增產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)見表1。

在對QH－2壓裂過程中，觀測QH－1井(相距200 m)水位，進行第一壓裂段次時，QH－1井水位上升90 cm;壓裂第二段次時，QH－1井水位上升100 cm;壓裂第三段次時，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)試驗數(shù)據(jù)

5 結論

(1)首次將水力壓裂技術引入到了鹵礦鹽田增產(chǎn)領域，應用該技術，可有效提高鹵礦井的產(chǎn)量，為我國今后合理開發(fā)流體型礦產(chǎn)資源提供了一種新的技術方法。填補了國內(nèi)鹵鹽礦井壓裂增產(chǎn)的技術空白。

(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)技術要求。應用該壓裂工藝，可以實現(xiàn)局部井段、多井段裸孔水力壓裂，應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)技術工藝，為今后大規(guī)模開采鹽礦資源提供了一種新技術途徑。

(3)通過本次壓裂增產(chǎn)試驗，壓裂效果最低的井增產(chǎn)量也達到了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，達到了項目預期的試驗目的。

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