水力压裂增水技术在青海卤盐矿开采中的试验

2015-01-01李小杰叶成明李炳平冯建月

钻探工程 2015年11期

李小杰，叶成明，李炳平，冯建月

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051)

我国是一个钾盐资源严重缺乏的国家，钾肥供需矛盾十分突出。据中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会数据统计，2014年，我国钾盐行业总产能达到1075万t(以KCl计)。KCl全年进口量约1000万t，行业自给率仅为51.8%。随着钾盐供需矛盾的日益突出，钾盐的勘探与开发愈发引起重视。柴达木盆地是中国最大的钾盐矿基地，这里分布着察尔汗、马海、冷湖滨地等多个国内大型钾盐开采和钾肥生产公司。由于地质条件的差异，该地区钾盐开采方式和难度各不相同。有些矿区地下卤水源源不断，而有些矿区地下卤水开采困难。有些井，初期开采卤水量大，随着开采时间的增加，采卤量慢慢变小，甚至枯竭。还有些相邻不过5 m的2口采卤井，一口井采卤量很大，另一口井却没有一点卤水。

针对青海冷湖大盐滩地区钾盐开采难度变大、卤水枯竭等问题，笔者与冷湖滨地钾肥公司合作，在大盐滩矿区实施了水力压裂开采地下卤矿的试验，取得了一定进展。

1 试验目的

大盐滩矿区富含钾、钠、镁、锂、硼等多种资源，已探明钾盐资源储量3.55亿t(按K2SO4当量计)，其中卤水含硫酸钾1.47亿t，杂卤石含硫酸钾2.08亿t，总储量位列世界前列。随着对大盐滩钾盐卤水矿床的持续开采，采卤过程中出现了卤水产量和质量下降的现象。为提高冷湖大盐滩矿区卤水井产能，探索和积累大盐滩钾盐矿区卤水井水力压裂增产基础数据，验证水力压裂增产效果，在大盐滩钾盐矿区实施采卤井水力压裂增产先导试验。

2 水力压裂原理

卤矿井水力压裂技术，是利用高压泵泵入高压流体经地表管汇、管路流程和井内压裂器具压入井内，以超过地层吸液能力的排量向地层内注入的高压流体达到或超过地层应力和地层的抗张强度时，岩层起裂并形成裂缝，不断注入的高压流体使裂缝扩展并向四周延伸，将地层内的裂隙构造贯通，提高目的层的汇流与导流能力，达到卤矿增产的目的。参见图1。

3 水力压裂试验

3．1 压裂井布置

本次完成压裂试验井4眼，井号分别为QH－1井、QH－2井、QH－3井、QH－4井，井位布置见图2。QH－2井、QH－3井、QH－4井呈三角形布局，线距192、192、300 m，QH －1井与 QH －2井相邻，间距200 m。

3．2 压裂与座封段确定

压裂段与座封段根据钻探出水情况与物探测井资料，确定在矿井70 m以浅选择地层不完整或有出水的井(孔)段作为压裂井段;地层较完整、井壁光滑、井径变化较小的井段作为座封段。第一压裂井段8～22 m，第二压裂井段34～48 m，第三压裂井段50～64 m。根据实际情况，本次卤水井压裂增产试验在QH－1井进行了2个压裂段次压裂;QH－2、QH－4井各进行了3个段次的压裂;QH－3井进行了1个压裂段次压裂。

3．3 地表设备与井内压裂器具安装

试验井采用单管路顶液、特制阀定压开启的双座封压裂工艺。地表设备安装时，将压裂泵与远程控制箱连接，管路－管汇－管路与高压水龙头连接。地表压裂设备流程安装连接，各阀门、接头的连接要可靠，压裂前进行循环试压，确保系统安全、无泄漏。见图3。

图3 压裂管路连接

井内压裂器具安装时，按下入深度测量管柱并排序，依次下入底堵→下封隔器→钻杆→定压开启阀→卸荷阀→钻杆→上封隔器→钻杆。压裂器具下井前要检查钻杆、各种压裂器具是否正常，丝扣是否完好，封隔器的胶筒表面有无破损，下入的管柱丝扣要采取密封措施。图4为下入压裂器具现场。

图4 下入井内压裂器具

3．4 压裂

地表系统流程准备工作完成后，在压裂前进行泵循环和试压，检验地表设备与管路系统是否正常，检查工作包括压裂设备的工作性能和泵的上水情况是否良好，管汇是否畅通;水源供应与辅助工作。所有工作就绪后，开泵供水，将压裂液泵入井内的管路中，进而压入地层，同时观察系统压力的变化及地层起裂压力和流体延伸的压力值，并作相应记录。起始压裂1 MPa左右，破裂压裂4 MPa左右。当系统压力无变化时，再换挡开大泵量，将设计的压入液量全部压完，即第一段次压裂作业结束。现场压裂作业见图5。