基巖水井壓裂增水技術應用

宋啟龍 王會敏

(1.華北地質勘查局第四地質大隊，河北 秦皇島 066000;2.秦皇島中兵建設集團股份有限公司，河北 秦皇島 066000)

水是生命之源，盡管地球水資源豐富，但淡水資源僅占水資源總量的2.5%，且分布不均勻[1]。2019年10月在布達佩斯舉行聚焦水危機水峰會中，匈牙利總統阿黛爾指出，目前全世界約有40億人口生活在缺水地區，預測到2030年將有7億人由于水資源短缺而搬離家園，到2050年水資源需求量將會提高20%～30%[2],可見水危機已成為全球性問題[3]。我國也是一個缺水國家，更是被世界銀行列為13個最貧水的國家之一[4-5]，我國人均水量僅占世界平均水量的1/4。水資源短缺將直接威脅到人民健康和社會經濟的發展。

在我國，部分基巖山區還存在飲水困難問題，在國家扶貧政策支持下，許多地區已擺脫飲水困難問題。但在個別地區，有的村莊打過近十幾眼井均仍存在出水量達不到預期效果，不能從根本上解決飲水問題的現象。這些未達到預期水量的水井，多被棄用或是封填，由此造成了較大的人力、財力損失。然而，在這些井中往往會有部分水井是由于鉆進工藝或地質條件導致的具可改善性，如施工過程中所用鉆井液及巖屑堵塞巖石裂隙、巖石裂隙導水能力差等因素[6-9]。目前根據國內外研究現狀，壓裂增水技術可改善水井出水量小的問題。

本文基于壓裂增水技術原理，結合順平縣導務村水井現狀，選擇了一眼水井進行壓裂，壓裂后水井出水量由2.72m3/h增加到11.4m3/h，出水量增加319%，增水效果顯著，可以解決當地村民長年吃水難題。

1 壓裂原理

壓裂增水技術是針對不能滿足預期出水量的已有水井，向目標含水層內注入壓裂液，通過高壓增加巖石縫隙的裂隙率、加大過水通道或溝通與強含水層之間的水力聯系等方式，增加水井出水能力的一種技術[10-11]。

該技術利用高壓泵通過地表管路、井內壓裂器具等設備將達到或超過地層應力和地層抗張強度的高壓流體，以超過地層吸液能力的排量注入井內，使巖層起裂并形成裂縫，并使裂縫擴展并向四周延伸，將地層內的裂隙構造貫通，增加目標層位匯流與導流能力，達到增大水井出水量的效果。

壓裂設備包括地表部分和井內部分。地表部分主要為遠程控制柜、壓裂泵、高壓管路、管匯等設備。井內部分主要為鉆桿、封隔器、定壓開啟閥、卸荷閥、底堵等器具。地表部分通過鉆桿與井內部分相連，壓裂系統布局見圖1。

圖1 壓裂系統布局圖

目前，壓裂液主要有清水、植物凝膠、聚合物膠、緩釋酸、CO2氣體及充氣泡沫等類型。壓裂液要根據巖石物理性質及含水層特征進行選擇，基巖井采用的壓裂液一般為清水、植物凝膠和緩釋酸[12-16]。

2 壓裂水井概況

2.1 區域地質概況

區內屬于華北地層區燕山地層分區，出露的地層主要由太古界阜平巖群變質基底及中元古界長城系、薊縣系，上元古界青白口系，古生界寒武系、奧陶系和新生界第四系的沉積蓋層組成。工作區地層巖性特征見表1。

表1 工作區地層巖性表

根據地下水的賦存條件、含水介質及水力特征，將本區地下水劃分為兩種類型，即松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水(也稱巖溶水)。

松散巖類孔隙水是本區的主要地下水類型之一，含水層主要為沖洪積成因的各類砂、卵礫石層及砂土堆積物，富水性受地貌條件和沉積物成因類型控制明顯，第四系孔隙水，因地勢較高，沉積物厚度較薄，分布范圍有限以及含水層自身的調蓄能力較弱，水量貧乏。

碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為本區主要地下水類型，出露范圍較大，地下水的富水性與構造條件極為密切，富水程度差異大，以水量中等區、貧乏區和極貧乏區為主，在個別地段因構造、地貌有利而賦存豐富地下水。

2.2 壓裂井概況

自20世紀70年代起，導務村施工過的13眼水井均為干眼或水量極小。本次根據水文地質調查，水井布設于布設在向斜核部，成井深度242m，井徑273mm。根據前期取芯孔資料，上覆1m厚第四系沖積物，基巖地層為奧陶系下統冶里組白云質灰巖40.3m、寒武系上統鳳山組泥質條紋灰巖105.8m、寒武系上統長山組泥質灰巖24.85m，以下為寒武系上統崮山組泥質灰巖。周邊還出露寒武系中統張夏組鮞狀灰巖、寒武系下統饅頭組泥巖，過井剖面見圖2。

圖2 過井剖面圖

根據水井測井和編錄資料，顯示淺部15m至深部224m之間發育30余處破碎帶，地層裂隙及小斷層發育，但裂隙多被泥質充填，導水通道不暢通，成井后出水量僅2.72m3/h，沒有達到理想值，難以解決飲水困難問題，詳見圖3。

圖3 導務村水井柱狀圖

20世紀以前，主要通過酸化方式進行水井增水，許多重金屬離子在酸性條件下，溶解度會大大增加，導致水中重金屬離子含量也隨之增加，人畜飲用會易引起重金屬中毒。20世紀后，隨著新技術新方法的不斷涌現，水力壓裂增水已逐漸取代酸化增水方式，故本次采用水力壓裂方式進行水井增水。

3 壓裂過程

3.1 壓裂段選取

根據水井測井和編錄資料(見圖3)，本次分三段(10～60m、30～104m、104～224m)進行壓裂，含水層厚度87.5m。

由于該孔地層破碎段位置分布相對集中，且有相對完整的地層作為隔水段，本次采用雙封座壓裂，以一套管路系統實現井孔的分段隔離、分段實施壓裂，更好地實現壓裂增水的目的。井內器具組合依次由地表系統、井內鉆桿、卸荷閥、上封隔器、定壓開啟閥、下封隔器、鉆桿、底堵組成，見圖4。

圖4 雙座封壓裂示意圖

3.2 實施壓裂

由于天然條件下該水井揭露地層裂隙較為發育，所以本次選擇壓裂液為清水。壓裂設備與器具：地表設備由車載高壓泵車、高壓管匯、高壓膠管(內徑38mm、單根長20m)、高壓水龍頭組成；采用雙封隔器壓裂，井內壓裂器具由投球卸荷閥、K433-180型擴張式封隔器(上、下座封)、定壓開啟閥、底堵組成。輔助設備包括SPC-300型黃河鉆機為壓裂試驗提吊動力設備，φ89鉆桿作為孔內壓裂器具的連接鉆具。壓裂液由供水泵、抽水泵等輸送至壓裂液箱中。

首先壓裂液由鉆桿內腔進入上下封隔器，封隔器膨脹并貼緊井壁實現密封，隨著系統壓力的升高并達到某一定值時，定壓開啟閥打開，壓裂液進入上下封隔器之間與井壁的環腔內。當流體壓力足以克服地層應力及巖石的抗張強度時，巖石起裂形成初始裂縫，隨著壓裂液的不斷頂進，裂縫擴展和延伸。在第一壓裂工作段完成后，井內靜水位大于10m，將鉆桿內腔的壓裂液泄掉。卸荷時，卸開井口的高壓水龍頭，在鉆桿內腔投入鋼球，重新連接后，開泵送水，剪斷卸荷閥內緊固于滑套上的銷釘，滑套下移露出泄流孔，使鉆桿內腔的壓裂液流出，封隔器自行收縮，然后提鉆。本次進行三段次壓裂，壓裂順序應自下而上，每壓裂完成一個段次，將鉆柱內的液體可以用氣舉排液法排出，然后提鉆并對準另一壓裂段，再實施壓裂作業。

壓裂過程中，第一次壓裂起始壓力6.01MPa，最高壓力8.7MPa，壓入水量150.8m3，見圖5；第二次壓裂起始壓力3.84MPa，最高壓力8.5MPa，壓入水量489.7m3，見圖6；第三次壓裂起始壓力2.78MPa，最高壓力8.75MPa，壓入水量452.5m3，見圖7；壓裂液注入總量為1093m3。該井第二次與第三次壓裂以壓裂與洗井并存方式進行，注入的清水井孔返排出大量裂隙充填物，即清掃地下水通道使得水井水量增加。壓裂后下泵洗井，水清沙凈后再次進行抽水試驗，該井日出水量達到11.4m3，水量增加近5倍，見表2，完全可以解決當地村民長年吃水難題。

圖5 第一次壓裂時間、泵量、壓力關系曲線

圖6 第二次壓裂時間、泵量、壓力關系曲線

圖7 第三次壓裂時間、泵量、壓力關系曲線

表2 基巖水井水力壓裂試驗結果表

4 結 論

試驗結果表明，本壓裂工藝和設備與器具、壓裂系統流程設計合理，滿足基巖水井(井孔直徑220～273mm)壓裂要求。水力壓裂增水試驗表明，對于非地質條件差引起的出水量達不到預期目標的井，實施水力壓裂，可使出水量偏小或達不到預期目標的水井，增大出水量，提高打井成功率。壓裂增水技術，對于一些基巖水井有一定效果。

根據目前水力壓裂技術發展現狀，針對不同巖石性質和含水層類型進行無害化、高效、低成本壓裂液的研究為今后提供研究方向。

致謝：項目開展過程中，二級項目單位中國地質調查局水文地質環境調查中心的韓雙寶、孟順祥、王營超等人給予了悉心指導，在此表示真誠的感謝。