馮建月，王營超，李小杰，葉成明

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051）

0 引言

基巖水井壓裂增水技術是借鑒油氣資源開采水力壓裂裝備與工藝，專門針對基巖水井、地熱井出水量不足情況研發(fā)的一種小型壓裂技術。其原理是通過向含水層注入超過其彈性存儲能力的流體量，使巖石孔隙發(fā)生流體飽和、彈性擴張直至斷裂形成裂縫，從而提高含水層的孔隙度和滲透性，達到水井增產的目的［1-2］。該技術自2010 年研發(fā)以來已在120 余眼水井、鹵水井和地熱井增產試驗中應 用［3-6］，根 據 統(tǒng) 計 平 均 增 產 效 率 為60% 左 右，見表1。

表1 基巖水井水力壓裂增水技術應用效果Table 1 Application results of fracturing stimulation for bedrock water wells

基巖水井壓裂增水技術目前仍存在施工成本較高、適用性差、應用效果具有不確定性等問題，需進一步完善改進。在水井壓裂工藝中，除了復雜的壓裂方法和昂貴的設備外［7］，壓裂液也起著決定性作用。目前水井壓裂均采用清水作壓裂液，優(yōu)點是無污染、對含水層的傷害小、易返排且不需要配液裝置；缺點是由于清水的攜砂能力差，不能作為攜帶支撐劑的基液，不適合塑性巖層壓裂，此外較低的粘度也會降低壓裂液的造縫能力，嚴重影響了儲層改造效果。

基巖地下水的蓄水構造與含水裂隙主要賦存于碳酸鹽巖、碎屑巖、巖漿巖、變質巖類和少量水敏性地層中，要求壓裂液應具有高粘、低濾失、易返排等性能。因主要用于投資較少的水井和地熱井等取水工程中，首先要求壓裂液材料清潔環(huán)保、不污染地下水和有一定抗溫能力，其次壓裂液應具備取材方便、低成本、便于使用等特點。

水井、地熱井壓裂增水一般采用水基壓裂液體系。其中，VES 清潔壓裂液（粘彈性表面活性劑壓裂液）的“清潔”是指自身由表面活性劑的水溶液組成，無固相成分，對裂縫附近地層沒有殘渣傷害［8-10］，水基泡沫壓裂液也需要使用季銨鹽及各類表面活性劑作為發(fā)泡劑，因此如使用這2 種壓裂液，其中加入的大量表面活性劑組分必然會造成地下水的污染。植物凝膠壓裂液體系因其自身較為環(huán)保、粘度高且性能較為穩(wěn)定，適合作為水井、地熱井儲層改造的壓裂液材料［11］。

基于上述問題，開展了水井水基清潔型凝膠壓裂液設計研究，探索出了適合水井、地熱井壓裂增水用的清潔壓裂液材料，該壓裂液具有環(huán)保、成本低、性能良好等特點，可為水井水力壓裂專用壓裂液配方設計及應用提供一定的參考。

1 壓裂效果影響因素分析

在裂縫起裂研究中，壓裂會改變地層流體流入井中的流動狀態(tài)（假設地層均質，流體不可壓縮）。當井為圓柱形井筒，為徑向流模式，流體進入井口為放射狀。然而，當井和裂縫系統(tǒng)結合后，流動模式變?yōu)榫€性流，地層流體會先流入裂縫，再從裂縫進入井中，見圖1、圖2。因此，壓裂施工完成后，裂縫應具有一定寬度且滲透率應足夠大，裂縫滲透率值應大于基巖滲透率幾個數量級，形成優(yōu)勢通道以消除徑向流模式，才能取得良好的壓裂效果［12］。

圖1 地層流體徑向流進入非壓裂井Fig.1 Radial flow of formation fluid into the unfractured well

圖2 地層流體線性流進入裂縫再線性流入井筒Fig.2 The formation fluid flows linearly into the fracture and then linearly into the wellbore

裂縫寬度（W）的簡化表達公式（Geertsma 和de Klerk）［13］如下：

式中：Q——泵入速率；E——巖石的楊氏模量；μ——壓裂液粘度；R——裂縫延伸距離。

上式表明，影響縫寬數值大小的是上述4 個變量的4 次方根的函數，因此每個變量的變化必須很大才會影響裂縫寬度。而泵注速率和裂縫延伸距離一般只能改變大約10 倍，因此可產生影響較??；楊氏模量是地層巖石的固有屬性；而高粘度的壓裂液的粘度性能比水的粘度高幾十到幾百倍，因此可產生的裂縫寬度比清水高3～5 倍，從而證明粘度是最重要的變量［14］。

水基植物凝膠壓裂液多以植物膠或其化學衍生物為稠化劑，再添加其它化學添加劑配制成的多功能高粘體系［15］。其主要成分是半乳甘露聚糖，可與多種離子交聯(lián)形成粘彈性凍膠，具有較好的攜砂性能、濾失控制性能和流變控制特性，具有造縫能力強、攜砂性能好、對儲層傷害小等優(yōu)點，滿足水井、地熱井增產的需求。因此開展水井專用的高粘度的壓裂液配方設計對提高增產效果有重要的意義。

2 壓裂液設計及性能試驗

實驗材料：瓜爾膠粉、田箐膠粉、黃原膠粉為食品 級，過 硫 酸 銨［APS，（NH4）2S2O8］、氫 氧 化 鈉（NaOH）為分析純，羥基丙基瓜爾膠（HPG）、羧甲基羥基丙基瓜爾膠（CMHPG）、有機硼交聯(lián)劑JL-B4為工業(yè)品。

實驗儀器：Brookfield35TM 粘度計（美國博勒飛）；DF101S 集熱式磁力攪拌儀；密度計；PB-10pH計；HH-1 型恒溫水浴鍋；BSA2202S 電子天平（德國賽多利斯）。

壓裂液試樣制備及性能測定方法參考《水基壓裂液性能評價方法》（SY/T 5107-2016）。

2.1 稠化劑選配

稠化劑是壓裂液的主要成分，目的是提高水溶液的粘度。對于人畜飲用的水井壓裂液稠化劑可選用食品級天然植物膠粉，用于發(fā)電、采暖、灌溉等用途的中低溫地熱井稠化劑可選用綜合性能更好、成本低的植物膠化學衍生物。本次實驗選擇了瓜爾膠粉、田箐膠粉、黃原膠粉3 種食品級植物膠以及瓜爾膠化學衍生物羥基丙基瓜爾膠（HPG）和羧甲基羥基丙基瓜爾膠（CMHPG）作為稠化劑，測試其實際的增稠性能和抗溫性能。

在2000 r/min 攪拌速度下，向一定量的水中緩慢加入不同量稠化劑（通過調研稠化劑加量一般為0.24%～0.96%之間，全文加量均為按水溶液質量的質量百分數），攪拌均勻。在室溫20 ℃和80 ℃恒溫水浴中溶脹2 h 即得基液。使用粘度計測定轉速為100 r/min（剪切速率為170 s-1）時的粘度，讀數乘以3，即為基液粘度，實驗測得的不同溫度及不同稠化劑基液的粘度性能結果見表2。

表2 稠化劑粘度性能實驗結果Table 2 Experimental results of viscosity performance of the thickener

實驗表明，各種植物膠粉及化學衍生物都具有良好的增稠性能，都可以挑掛形成凍膠，且隨著加量的增大，粘度也隨之增大。改性植物膠在常溫和高溫條件下整體性能優(yōu)于天然膠；瓜爾膠在常溫條件下粘度性能好于田箐膠和黃原膠；HPG 在常溫和80 ℃情況下粘度性能均優(yōu)于CMHPG 和其他天然膠，表現出一定的耐溫性能，但其在高溫下粘度衰減較大。因此，通過對比實驗，水井可選用天然瓜爾膠作為稠化劑，地熱井可選用HPG 作為稠化劑。

2.2 pH 值調節(jié)劑

pH 值對壓裂液性能影響很大。植物膠在較酸性環(huán)境下時容易發(fā)生降解和腐敗，在高溫時降解更加嚴重，且一般植物凝膠只能在堿性條件下發(fā)生交聯(lián)。常用的堿性pH 值調節(jié)劑主要為Na2CO3、NaHCO3和NaOH。其中NaHCO3的pH 調節(jié)范圍較窄，一般為7.5～8.5，pH 值＞10 時常用NaOH 作為調節(jié)劑。選用等量不同pH 值調節(jié)劑，因使用等量情況下NaOH 調節(jié)能力最強，所以選擇NaOH 作為pH值調節(jié)劑，加量一般為0.01%～0.015%。

NaOH 也是一種防腐劑，在適當加量條件下可抑制壓裂液的細菌繁殖，因此調節(jié)壓裂液的pH 值在合理的范圍內，既利于提高膠液的交聯(lián)效果，又能抑制膠液的腐敗變質。

2.3 交聯(lián)性能實驗

水基壓裂液用交聯(lián)劑主要有硼酸鹽和金屬銻、鋁、鈦、鋯等有機金屬交聯(lián)劑。有機鈦、有機鋯等交聯(lián)劑耐溫、耐剪切性能好，但大多數有毒，對地下水資源會有不同程度的污染損害。硼酸或硼酸鹽做交聯(lián)劑對膠液剪切不敏感且具有價廉、清潔、無毒等優(yōu)點，缺點是耐溫性能差（一般耐溫＜60 ℃）。目前國內開展壓裂增水技術以30～80 ℃中低溫地熱井為主，因此交聯(lián)劑選擇需要考慮一定的耐溫性［16］。國內外對于中低溫壓裂液都選用耐溫耐剪切性能好的有機硼交聯(lián)劑，有機硼交聯(lián)劑相較于硼酸鹽交聯(lián)性能方面提升顯著，一般在120 ℃以上的高溫下交聯(lián)凝膠才會降解。

本次實驗選用了有機硼交聯(lián)劑JL-B4，該產品推薦用量一般0.2%～0.4%，耐溫能力為130 ℃左右，該交聯(lián)劑對堿性環(huán)境要求較低。可滿足常規(guī)水井、中低溫地熱井壓裂液性能需求，其技術指標見表3。

表3 有機硼交聯(lián)劑JL-B4 技術指標Table 3 Technical indexes of the organic boron crosslinking agent JL-B4

按照壓裂液標準配置基液，使用NaOH 調節(jié)pH值在7.5～8.0 之間，再加入0.2%的交聯(lián)劑，攪拌直至形成能挑掛的均勻凍膠，測量交聯(lián)液2 h 后不同溫度條件下粘度性能，見表4。

表4 稠化劑交聯(lián)實驗粘度性能Table 4 Experimental viscosity properties of the thickener with the crosslinking agent

實驗結果表明：使用交聯(lián)劑后隨著攪拌時間的延長粘度逐漸增高，至7 min 時變成凝膠，10 min 時膠液粘度增到最大值，2 h 內粘度性能較為穩(wěn)定。此外交聯(lián)后的壓裂液的粘度大幅度提高且熱穩(wěn)定性增強，在80 ℃條件下交聯(lián)效果最好的是HPG，常溫條件下天然膠交聯(lián)效果最好的是瓜爾膠，并證明了所選用交聯(lián)劑對稠化劑粘度性能和耐溫性能有明顯改善。

2.4 破膠性能實驗

破膠性能是利用破膠劑把交聯(lián)凍膠分解成小分子，降低粘度，利于返排和降低壓裂液對地層的傷害。升高溫度和降低稠化劑、交聯(lián)劑濃度會增強其破膠性能，如低濃度壓裂液配方就會具有易破膠和低殘渣性能。過硫酸胺（APS）是一種常用有效的破膠劑，具有一定的耐溫性且用量較小，通過優(yōu)化加量（一般在0.01%～0.05%）可調節(jié)體系的破膠時間與殘渣含量。

選取以下4 個配方進行破膠性能試驗，設置表觀粘度＜10 mPa·s 時即視為破膠。

破膠性能實驗曲線見圖3。

圖3 各配方破膠實驗流變性能曲線Fig.3 Rheological property curves of each formula in gel breaking test

實驗表明，膠液的破膠速率在各時間段的粘度度呈現由緩至快的下降趨勢，交聯(lián)液在2 h 左右，粘度快速降低；至4 h 后隨著時間的延長膠液粘度降趨緩；到10 h 時 全 部 配 方 膠 液 粘 度 降 至10 mPa·s 內。溫度對壓裂液破膠有一定促進提前作用，80 ℃條件下，2 種配方均在0.5 h 左右就快速下降。此外優(yōu)化破膠劑加量可加快破膠速度，且加量越大，破膠速度越快，可降低殘膠對裂縫和儲層的傷害。

2.5 壓裂液配方及性能

以水作為溶液，并根據具體工況相應加入稠化劑、交聯(lián)劑、破膠劑和pH 值調節(jié)劑，實驗確定基巖水井水力壓裂增水技術的壓裂液配方：

整體性能為：密度1.05～1.20 g/cm3，20 ℃條件下 表 觀 粘 度≥65 mPa·s，pH 值7.5～8.5，交 聯(lián) 時 間20～70 s，破膠時間2～8 h，適用常溫情況下。

整體性能為：密度1.05～1.20 g/cm3，20 ℃條件下表觀粘度≥56 mPa·s，20 ℃條件下表觀粘度≥70.9 mPa·s，pH 值7.5～8.5，交聯(lián)時間20～70 s，80 ℃條件下破膠時間2～6 h，適用溫度＜80 ℃。

3 現場試驗

在浙江杭州某地熱井內開展了壓裂試驗。該地熱井深1488 m，井口水溫37.50 ℃，第一試驗壓裂段100～790 m，該段地層為鉀長花崗巖、花崗閃長巖。水力壓裂使用JC400 型壓裂車（最大泵排量100 m3/h，最高泵壓力40 MPa），采用雙座封壓裂工藝，現場使用的壓裂液為清水與凝膠壓裂液。

凝膠壓裂液配方：水+0.5% HPG+0.015%NaOH+0.3%JL-B4+0.03%APS?，F場溫度17 ℃條件下，膠液實測性能：密度1.13 g/cm3，pH 值8.1，表觀粘度（配制2 h 后）77.4 mPa·s，破膠時間10～12 h。

泵注程序：先以小排量（30 m3/h 左右）將清水壓入作業(yè)井內，同時監(jiān)測壓裂泵控制臺參數，記錄轉速、泵排量、瞬時泵壓等參數的變化情況。正常情況下連續(xù)開泵工作0.5 h，當系統(tǒng)壓力穩(wěn)定且壓力值無變化時，再逐步增大供水量連續(xù)供水壓裂作業(yè)?，F場凝膠液采用小型攪拌裝置進行配液，攪拌均勻后倒入泥漿池，一次性擠入地層中，共計注入壓裂液179.70 m3。第1 壓裂段泵排量、壓力與時間變化關系見圖4。

圖4 第1 壓裂段泵排量、壓力與時間變化關系曲線Fig.4 Relationship curves between pump volume,pressure and time in the first fracturing section

初始壓裂時，壓裂泵的轉速在1200 r/min 的工況下對應的泵排量為34.01 m3/h、泵壓力8.6 MPa。經逐步調大排量持續(xù)作業(yè)165 min，期間累計注入清水149.51 m3，最大泵排量73.36 m3/h，最大泵壓力11.34 MPa。后調整壓裂泵轉速至1200 r/min，對應排量升至34.78 m3/h、壓力降至7.90 MPa，期間壓力降低值為0.7 MPa。證明壓入地層的清水遇有裂隙構造，經水力壓裂剪切疏通，擴展了地層的裂隙通道，致地應力降低，流體阻力變小，壓裂增水有效。

其后注入凝膠壓裂液，持續(xù)作業(yè)40 min，累計注入凝膠壓裂液30.19 m3，期間最大泵排量58.23 m3/h，最大泵壓力8.68 Pa。本段結束后調整壓裂泵轉速至1200 r/min，對應的排量升至36.30 m3/h、壓力降至6.32 MPa，期間壓力降低值為1.58 MPa。使用膠液在相同泵轉速、低排量、小注入量工況下，比清水壓裂排量增加和壓力降低幅度更大，證實裂隙通道被高粘膠液高壓剪切疏通后地層阻力大幅降低，膠液對地層裂隙的傷害程度更高，可形成縫隙更寬的導水通道。其后該井經2 個段次的壓裂作業(yè)。水量由312.74 m3/d 增至430 m3/d，增產37.51%，達到了預期增產目的，證明使用高粘度的壓裂液體系較清水壓裂效率更高，可滿足地熱井增產的需求，并具有一定的實際應用價值。

4 注意事項及前景分析

水井使用凝膠壓裂液注入量一般在30～200 m3左右，基巖水井水力壓裂工程不可能配置大型的配液與攪拌的配液罐與設備，需采用分批次攪拌配液的方式，可采用小型攪拌裝置進行配液，攪拌均勻后倒入大方量的泥漿池或儲存罐內，再依次重復配置儲滿，最后使用壓裂泵擠入地層中。如氣溫＜10 ℃，為了使稠化劑充分水化，還需要將抽取的水源進行加熱，通常要加熱到10～20 ℃，以滿足作業(yè)要求，在此期間凝膠液容易受到細菌作用而降解，需要加入殺菌劑。此外瓜爾膠溶液的儲存期限最多為2 d，需在膠液失效前使用。各添加劑加量需根據現場實際工況確定。如稠化劑加量越大則粘度越高，會相應增加攪拌時間。不同地質條件、井孔狀況、溫度條件、現場設備和人員素質都會影響壓裂液各組分加量及整體性能。因此需要根據設計要求和實際狀況，使用現場水源和采購的添加劑做小樣實驗，以便獲得更為真實準確的施工參數與性能指標。

由于基巖地層的非均質性，使得地下水的埋藏、分布和運移過程變得相當復雜，往往在經過大量水文地質調查、物探等工作，認為從區(qū)域蓄水構造、補給條件等具備良好的供水條件，但是，鉆出的水井、地熱井出水量卻遠達不到預期目標，甚至會出現因出水量過小而報廢情況。水力壓裂技術為解決水井出水量不足提供了一種新的技術手段，而水井壓裂主要問題就是解決壓裂使用成本與增產效率之間的關系。通過理論分析與現場試驗，水井壓裂從壓裂液方向進行突破，改變目前以清水壓裂為主的技術現狀是較為經濟且高效的途徑。

通過開展理論分析、室內研究和現場試驗，凝膠壓裂液體系配方簡潔、易于配制，綜合使用成本低，具有清潔環(huán)保、性能穩(wěn)定和增產效率高等特點，適用于水井、中低溫地熱井的壓裂增產實踐。對水量不足的水井、地熱井，可有效提高單井產量，提高了地下水和地熱資源的開發(fā)利用率，在滿足水井和地熱井儲層改造方面有較大潛力，具有廣闊的應用前景［17］。

5 結論

（1）研發(fā)了適用于水井和中低溫地熱井（30～80 ℃）清潔型凝膠壓裂液體系，該壓裂液具有清潔環(huán)保、成本低、配方簡潔、具有一定耐溫性和增產效率高等特點，進一步補充完善了水井壓裂增水技術在壓裂液材料方向的研究。

（2）提高水井壓裂增水效果目前主要依靠2 種方式，一是采用大功率壓裂泵，提高液體的泵注速率；二是提高壓裂液體系的粘度，通過理論分析，采用高粘度的壓裂液對增產效果更好。

（3）技術實施方需要綜合考量與平衡環(huán)保要求、經濟成本和增產效果三者關系，達到創(chuàng)新技術、提質增效的目標。

（4）通過現場試驗，凝膠壓裂液體系在滿足水井和地熱井儲層改造方面有較大潛力，有較好的應用前景。