李強(qiáng) 楊明華 萬(wàn)傳華 鄧勇

四川科宏石油天然氣工程有限公司

頁(yè)巖氣是賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，與煤層氣、致密氣同屬一類。頁(yè)巖氣的形成和富集有著自身獨(dú)特的特點(diǎn)，往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布較廣的頁(yè)巖烴源巖地層中。頁(yè)巖氣作為一種清潔的非常規(guī)天然氣資源現(xiàn)已成為全球油氣勘探開發(fā)的新寵。根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，天然氣在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例將從21%（2008年）上升到25%（2035年），成為第二大一次能源。其中，頁(yè)巖氣占天然氣總量的比例將增加到11%（2035年），增幅尤為突出，發(fā)展頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)已成為世界趨勢(shì)。在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造是頁(yè)巖氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，儲(chǔ)層改造技術(shù)包括水力壓裂和酸化[1]。針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣分布情況和出于探勘開發(fā)成本考慮，目前，我國(guó)多采用清水壓裂實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造，諸多項(xiàng)目試驗(yàn)表明，清水壓裂效果較好，并且成本低，對(duì)地層傷害小。經(jīng)研究，本文提出了一套頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中較完整的清水壓裂供水方案，可為我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)化、模塊化發(fā)展提供參考。

1 方案背景

1.1 壓裂水量及段數(shù)

本方案研究所涉及的區(qū)塊命名為昌內(nèi)區(qū)塊，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，該區(qū)塊每口井水平段1 500 m，壓裂18段，每段用水量0.2×104m3，壓裂均為“拉鏈?zhǔn)健眽毫裑2]。根據(jù)壓裂實(shí)際情況，按每天壓裂2段考慮，每段純作業(yè)時(shí)間3 h，水量需求為 0.4×104m3/d。

1.2 壓裂水質(zhì)

壓裂用水無(wú)明確要求，在加清水稀釋的情況下，返排液總礦化度、總硬度、總鐵和總懸浮固體等指標(biāo)都能滿足利用要求。該區(qū)塊返排液水質(zhì)情況如表1所示。

表1 昌內(nèi)區(qū)塊返排液水質(zhì)Tab.1 Water quality in the block

根據(jù)各平臺(tái)單口井壓裂返排液情況預(yù)測(cè)，單口井壓裂返排液平均每天排液量如圖1所示[1-6]。

圖1 單口井壓裂液返排液平均每天排液量Fig.1 Average daily discharge volume of single-well fracturing fluid return fluid

1.3 井組鉆試進(jìn)度

由于該區(qū)塊9個(gè)鉆井平臺(tái)相距較遠(yuǎn)，根據(jù)水平井組鉆試進(jìn)度情況，將這9個(gè)平臺(tái)分為A和B兩個(gè)部分，A部分包括昌H2、昌H4、昌H6、昌H7；B部分包括昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18[3-7]。A、B兩部分平臺(tái)2018—2019年返排液產(chǎn)水量預(yù)測(cè)如表2和表3所示。

2 供水方案

2.1 水源

本方案頁(yè)巖氣區(qū)塊在昌內(nèi)縣內(nèi)，位于四川盆地南緣，川滇黔結(jié)合部，歷史悠久，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，自然資源較為豐富。

（1） 昌內(nèi)湖（水源1）。昌內(nèi)湖位于昌內(nèi)縣境內(nèi)，該湖距縣城2 km，屬于國(guó)家AA級(jí)旅游景區(qū)，面積5.4×106m2，東西最長(zhǎng)7.5 km，南北最寬2 km，最大水深27m，平均水深15m，水湖容量5.6×106m3，現(xiàn)已劃為昌內(nèi)縣飲用水源。

（2）苦水湖（水源2）。該方案區(qū)塊范圍內(nèi)有一枯水湖，常年屬于苦水狀態(tài)，年平均水深不大于3 m，現(xiàn)列于昌內(nèi)縣水力資源改造項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)，短期無(wú)水源可用。

（3）昌內(nèi)河（水源3）。經(jīng)調(diào)查，昌內(nèi)河是長(zhǎng)江上游支流，河長(zhǎng)近130 km，平均流量11.89 m3/s，落差533 m。該方案區(qū)塊境內(nèi)含有2座水利發(fā)電站，各發(fā)電站下游有儲(chǔ)水量豐富的低洼地段，年平均水深達(dá)25 m，可提供充足的水源。

2.2 取水方式

根據(jù)昌內(nèi)湖、苦水湖及昌內(nèi)河的概況及實(shí)際考察情況，除昌內(nèi)河外，其余水源屬于季節(jié)性湖，水位變化較大，常年無(wú)水，或被劃定為飲用水源，不具備壓裂取水條件，且該區(qū)塊部分平臺(tái)距昌內(nèi)河較近，綜合考慮上述水源情況，本方案從昌內(nèi)河取水。此外，考慮對(duì)上下游發(fā)電站的影響，本方案推薦在昌內(nèi)河下游發(fā)電站出水側(cè)低洼地段范圍內(nèi)新建取水泵站，作為該區(qū)塊壓裂供水的取水點(diǎn)。

本方案取水方式采用岸邊式泵站取水，通過(guò)潛水泵將水提升至多級(jí)離心泵輸至平臺(tái)儲(chǔ)水池，供各平臺(tái)鉆井壓裂用水。

根據(jù)平臺(tái)部署情況，本方案泵站及管線設(shè)置原則為：取水泵站以少數(shù)泵站為主，零星多點(diǎn)補(bǔ)充為輔；壓裂供水系統(tǒng)以“主干線+一級(jí)水池”為主、“支干線+二級(jí)水池”為輔；主干線輸送介質(zhì)為清水，支干線輸送介質(zhì)為清水或返排液，返排液管網(wǎng)輸送介質(zhì)僅為返排液，一級(jí)水池和二級(jí)水池（鉆井工程水池）儲(chǔ)存介質(zhì)為清水或返排液；主干線管道滿足長(zhǎng)期使用（永久管網(wǎng)），支干線管道和返排液管道視具體情況滿足長(zhǎng)期或臨時(shí)使用（臨時(shí)管網(wǎng)），一級(jí)水池和二級(jí)水池（鉆井工程水池）儲(chǔ)存滿足長(zhǎng)期使用需求；滿足長(zhǎng)期使用的永久管網(wǎng)采用鋼管埋地敷設(shè)，滿足臨時(shí)使用的臨時(shí)管網(wǎng)采用鋼塑復(fù)合管地面敷設(shè)[8-9]。

表2 A部分平臺(tái)2018—2019年產(chǎn)水量預(yù)測(cè)（昌H2、昌H4、昌H6、昌H7）Tab.2 Forecast of water production from 2018 to 2019(Part A:Chang H2， Chang H4， Chang H6， Chang H7) m3

表3 B部分平臺(tái)2018—2019年產(chǎn)水量預(yù)測(cè)（昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18）Tab.3 Forecast ofwaterproductionfrom2018to2019(PartB:ChangH3，ChangH12， ChangH13， ChangH17， ChangH18)m3

2.3 供水管網(wǎng)

2.3.1 主供水管網(wǎng)

根據(jù)該區(qū)塊平臺(tái)部署情況，A部分：昌H2、昌H4、昌H6、昌H7主要位于井區(qū)北側(cè)；B部分：昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌18主要位于井區(qū)南側(cè)，結(jié)合現(xiàn)有地形及水源情況，本方案考慮在昌H4及寧209H18設(shè)置一級(jí)水池中轉(zhuǎn)站，滿足現(xiàn)有周邊平臺(tái)壓裂用水。主供水管線兼顧昌H2、昌H3以及昌H17平臺(tái)壓裂用水需求，全長(zhǎng)約43.5 km[10]。主供水管網(wǎng)如圖2所示。

2.3.2 支供水管網(wǎng)

結(jié)合主供水管網(wǎng)情況和各平臺(tái)用水需求，建設(shè)支供水管網(wǎng)線路。

A部分：昌H6距離昌H4約12 km，通過(guò)昌H4為其供水，滿足壓裂用水需求；昌H7距離昌H6約4 km，通過(guò)昌H6為其供水，滿足壓裂用水需求。

B部分：昌H12距離昌H18約5.5 km，通過(guò)昌H18為其供水，滿足壓裂用水需求；昌H13距離昌H12約6 km，通過(guò)昌H12為其供水，滿足壓裂用水需求。

2.3.3 返排液管網(wǎng)

為進(jìn)一步提高主供水管線沿途平臺(tái)井站返排液的利用率，本方案考慮新建返排液管網(wǎng)。

A部分：在昌H2和昌H4建返排液水管，約3.5 km，將昌H2平臺(tái)井站的返排液輸送至H4平臺(tái)井站蓄水池，并通過(guò)支供水管網(wǎng)為后續(xù)擬鉆采井站壓裂供水。

圖2 主供水管網(wǎng)Fig.2 Main water supply pipe network

B部分：在昌H3、昌H17以及昌H18建返排液水管，兩段管線分別約11 km和4 km，將昌H3和昌H17平臺(tái)井站的返排液輸送至H18平臺(tái)井站蓄水池，并通過(guò)支供水管網(wǎng)為后續(xù)擬鉆采井站壓裂供水。

該方案主供水管網(wǎng)、支供水管網(wǎng)以及返排液供水管網(wǎng)如圖3所示。

2.4 水量需求

昌 H2、昌 H3、昌 H4、昌 H6、昌 H7、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18平臺(tái)本次壓裂共計(jì)35口水平井，壓裂用水總需求約為113.4×104m3。

本方案在該區(qū)塊井組壓裂水量需求如表4所示。

表4 井組壓裂水需求量Tab.4 Fracturing water demand of the well group

根據(jù)表4用水情況，每天工作20 h，井組各平臺(tái)補(bǔ)充水量均為200 m3/h。

圖3 主供水管網(wǎng)、支持水管網(wǎng)以及返排液供水管網(wǎng)Fig.3 Main water supply pipe network，supporting water supply pipe network and flow-block water supply pipe network

根據(jù)該區(qū)塊以往壓裂情況，鉆井進(jìn)度存在不確定因素，為節(jié)約投資，本方案主供水管線只考慮兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)壓裂情況，因此，主供水管線流量為400 m3/h，考慮一定的富余量，主供水管線設(shè)計(jì)流量為450 m3/h。

2.5 返排液利用方案

本研究方案采用二級(jí)水池（鉆井工程水池）暫時(shí)存儲(chǔ)返排液，待后期開采井需壓力供水時(shí)將返排液通過(guò)返排液管網(wǎng)和支供水管網(wǎng)輸送至壓裂平臺(tái)井站使用。根據(jù)返排液水量預(yù)測(cè)表，返排液最高水量每月每口井為6 300 m3，每個(gè)平臺(tái)按4口井考慮，最高峰每月各平臺(tái)產(chǎn)水量為2.52×104m3（840m3/d）。

根據(jù)返排液產(chǎn)水量情況，區(qū)塊以往返排液利用量為350～840 m3/d，但達(dá)600 m3/d的時(shí)間約1個(gè)月，為節(jié)約方案投資，本方案返排液輸送量按600 m3/d考慮。

2.6 水力計(jì)算

本方案供水采用泵壓輸送，清水供水；昌內(nèi)河取水泵站取水輸送至昌H4、H18水池，兩條主管線分別約28.5 km和15 km；B部分的主供水管網(wǎng)在A部分的主供水管網(wǎng)上“T”接。主供水管網(wǎng)沿線平臺(tái)井站壓裂供水，包括昌H2、昌H3和昌H17均在主供水管網(wǎng)上“T”接，各管線高程情況如表5所示。水管線參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

管線壓力降計(jì)算公式

式中：hf為排水管線壓力降，m水柱；λ為摩阻系數(shù)；g為重力加速度，9.81 m/s2；v為流速，m/s；L為管段長(zhǎng)度，m。

表5 各管線高程Tab.5 Elevation of each pipeline

表6 水管線水力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Hydraulic calculation results of water pipeline

式中：Q為液體流量，m3/s；d為管線內(nèi)徑，m。

雷諾數(shù)采用以下計(jì)算公式：

式中：Re為雷諾數(shù)；u為液體密度，1 030 kg/m3；μ為液體黏度，取 μ=1.04 mPa·s。

當(dāng)2 300〈 Re〈105時(shí)，λ =0.316 4Re-0.25；

當(dāng)105〈 Re〈108時(shí)，λ =0.003 2+0.221Re-0.237。

根據(jù)表6揚(yáng)程結(jié)果，本方案各管線設(shè)計(jì)參數(shù)如表7所示。

表7 水管線設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.7 Water pipeline design parameters

3 結(jié)束語(yǔ)

為滿足頁(yè)巖氣勘探開發(fā)需求，通過(guò)產(chǎn)業(yè)調(diào)查分析并結(jié)合以往工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)壓裂用水提出了一套合理、高效的集中供水方案。該方案能有效調(diào)整、規(guī)劃各區(qū)塊平臺(tái)井站投產(chǎn)后的返排液，最大程度地降低清水使用量，解決了各區(qū)塊水資源缺乏問(wèn)題。通過(guò)合理布置永久管網(wǎng)和臨時(shí)管網(wǎng)，即縮短了工程建設(shè)周期，又減少了工程投資，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。