【论文】单坐封水力压裂技术在安徽五河地热井中的试验-探矿工程技术信息

摘 要
采用采用单管路顶液、单封隔器座封、水力锚锚固的工艺方法，在安徽五河地热井开展了一次水力压裂试验。1个段次4个时间段累计压入水量198.4m3，最小泵排量18.6m3/h，最大泵排量77.8 m3/h，压力由2.78MPa至12.5MPa。单管路顶液、卡瓦式封隔器-水力锚座封的压裂工艺满足地热井的压裂增产技术要求。应用该压裂技术，可以实现局部井段水力压裂。该压裂工艺具有系统流程简单、施工成本低、操作方便、安全可靠等优点。
关键词
地热井；水力压裂；单坐封；试验
正文
0 序言
目前，国内外在油、气藏和煤层气开采领域，压裂技术是增产增注的主要手段。其复杂的压裂工艺、庞大而昂贵的压裂设备与高施工成本，制约了在成井深度相对较浅、投资较少的基岩水井中的应用。开展适合水文水井用的低成本、高效能水力压裂增水技术研究，提高钻井成井率和水井涌水量，对基岩地层开凿水井或地热井具有重要意义。近日，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心与安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院合作，在安徽五河地热井开展了单坐封水力压裂试验，积累了一定经验。笔者将此次压裂试验的经验和教训总结出来，以飨读者。
1 单座封水力压裂工艺
1.1 压裂器具组合
井内器具组合依次为钻杆、投球卸荷阀、封隔器、水力锚、定压开启阀、返排底阀。见图1。

图1单座封水力锚锚固定压阀开启压裂示意图
1.2 工艺方法
单坐封水力锚锚固定压阀开启压裂是采用单管路顶液、单封隔器座封、水力锚锚固、开启阀定压开启压入压裂液、底阀返排的工艺方法仙界走私大鳄。压裂液由钻杆内腔进入封隔器和水力锚，使封隔器膨胀并贴紧井壁实现密封和水力锚锚固阿法林。随着系统压力的升高并达到某一定值时，高定压开启阀打开，压裂液进入封隔器之下与井壁的环腔内。当流体压力足以克服地层应力及岩石的抗张强度时，岩石起裂形成初始裂缝，随着压裂液的不断顶进，裂缝扩展和延伸，使得水井与蓄水构造连通，达到增水的目的。
1.3 技术特点
单坐封水力锚锚固定压阀开启压裂工艺以一套管路系统就可以实现对（井）孔座封与压裂作业，施工成本低，效率高。适用于水泥固井且带滤水管的地热井压裂和井壁安全的裸孔压裂以及酸化压裂。对硬脆性岩石，由于起裂压力高，井内会产生巨大的向上顶驱力易造成安全隐患，裸孔压裂选用该工艺时，应根据岩石的性质进行起裂压力安全校核，特别是对于高脆性岩石压裂，应按公式（1-1）进行计算。
F=（）×π×P （1-1）
式中：F-压力，kN；D-钻孔直径，mm；d-钻具直径，mm；P-单位面积上压力，MPa。
2 地热井水力压裂设备
地热成井深度一般在数百米至数千米不等，通常下入井管成井，地层安全时也有裸孔成井。为保证压裂作业的安全性，要求压裂设备及配套器具应具备必要的技术性能特点：压裂设备能提供高压、大流量工况，便于搬迁、安装；压裂器具能够在井管内或裸孔内实现可靠座封与解封；设备与器具性能稳定、安全性高，以满足恶劣工作环境下的压裂要求；施工费用低。
地热井压裂设备与器具主要包括地表设备和井内器具两大部分，地表设备与流程主要包括压裂泵、远程控制箱、管汇、高压管路、高压水龙头等；井内压裂器具包括钻杆、封隔器、开启阀、卸荷阀、水力锚等。
2.1 封隔器
压裂施工时，封隔器依靠压裂液或清水的压力，使胶筒与管壁或裸眼孔壁贴紧，并膨胀座封，将压裂段与非压裂段有效隔离。
封隔器的性能参数：承压力≥40MPa；膨胀比＞1.1倍；有效封隔长度≥0.8m。K344型扩胀式封隔器结构示意图见图2。

图2K344-190型扩胀式封隔器
2.2 水力锚
水力锚的作用是压裂液顶驱钢制锚爪嵌入井壁平衡高压流体产生的巨大向上顶驱力。要求锚爪要有足够的钢度和伸缩比。压裂施工时，依靠压裂液或清水的压力，顶驱锚爪伸出嵌入井壁，产生的锚固力要足以克服单座封压裂工艺条件下的高压流体产生向上的顶驱力，与封隔器配套将压裂段与非压裂段有效隔离；卸荷后水力锚的锚爪能自行收缩，并能顺利在井内提出。
水力锚的性能参数：承压力≥40MPa；锚爪伸缩比1.1-1.2。见图3。

图3水力锚
2.3 定压开启阀
定压阀也称节流阀，初始泵入压裂液时阀门在关闭状态，压裂液首先进入封隔器或水力锚随梦小说网，使井内封隔器膨胀并有效座封（水力锚锚固），随着系统压力不断升高并达到某一值时，开启阀打开，压裂液进入井（孔）内高屏溪笑话。
定压开启阀的性能参数：承压力≥40MPa；开启压力1.5MPa。见图4。

图4弹簧式定压开启阀
2.4 卸荷阀
压裂施工结束后，钻杆柱内腔充满了压裂液，如果井孔内静水位超过15m时，使得钻柱内外的液柱压力差大于0.15MPa，该压力会使封隔器处于膨胀状态，造成提动钻具困难。通过卸荷阀将钻杆柱内的液体卸掉，消除钻柱内、外压差，使封隔器安全收缩。见图5。

图5投球卸荷阀
2.5 返排底阀
返排底阀用于酸化压裂，当酸液被压入地层后，盐酸与碳酸岩产生剧烈反应，伴随着大量的CO?气体产生，系统的压力急剧升高。为保证施工安全，应在地表控制放喷，降低系统压力。排放时，打开地表管汇上的旋塞反排阀，地层内的高压气液混合流体会顶开返排底阀中的球体，再由钻柱内腔经地表管线和管汇上的旋塞阀引出，返排底阀见图6彭书涵。

图6返排底阀
2.6 Y211-148压缩式卡瓦封隔器组合
轨道卡瓦式封隔器为压缩式、卡瓦支撑、提放管柱座封与解封，其工作原理是当封隔器组合下入井内设计位置后，通过上提、再下放钻柱压重（钻柱自重，要求钻柱必须达到一定质量）坐封；压裂工作结束后，直接上提钻柱解封。封隔器刚性外径148mm，耐压50MPa，坐封力12t至14t；若压裂作业需要大座封压力时，要与水力锚配套使用。见图7。

图7 Y221-148压缩式卡瓦封隔器组合
3 五河地热井水力压裂试验
3.1 安徽五河地区地层条件和水文地质条件
五河地区区域地层属华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区，其下隐伏新近系、古近系、白垩系、侏罗系、震旦系和上太古界五河杂岩。工作区大地构造位于中朝准地台淮河台坳东部，区内的褶皱构造主要为蚌埠期的蚌埠复背斜。钻井资料揭示数字风暴，该地热井0至200m为第四系粉质粘土、粉砂、细砂、粗中砂等，200m以后为红层，主要为泥岩、粉砂岩、砾岩。
3.2 压裂方案
该地热井地层岩性以泥岩、粉砂岩、砾岩为主，分别以直径Ф337mm、Ф273mm、Ф219mm、Ф177.8mm钢制井管4开成井，成井深度1440.65m，532.10m以下安装Ф177.8mm钢制井管，1107.48m以下安装4段滤水管，井管底部无封堵，成井结构较复杂，因此，无法采用裸孔、双座封压裂工艺方法。为此，确定在500m以下采用单封隔器坐封、水力锚锚固的压裂工艺、清水作压裂液实施压裂的技术方案，压裂座封段设置790-800m之间，见图8。

图8 压裂工艺
3.3 试验设备配备
本次试验采用的试验设备和器具主要有：JC400型压裂泵车1台，Y211-148压缩式封隔器组合1套；橇式管汇1套，高压胶管总成2套；高压水龙头1个，Ф127mm钻杆925m,水龙头1个无限盗墓，供水泵2台套。详见表1。
表1 压裂设备器具参数表
名称
基本参数
技术指标
备注
JC400型压裂泵车车
最大工作压力40MPa
额定泵量250mL/min
1台、车载
卡瓦式封隔器
最大承压50MPa
最大膨胀比1.2
Y211-148型1组
投球卸荷阀
最大承压50MPa
卸荷压力2MPa
1个
高压胶管
最大耐压50MPa
2寸
3根、60m
专用水龙头
最大承压50MPa
1个
高压管汇
最大承压60MPa
1组、撬式组装
供水泵
泵量15 m3、50m3/min
2台套
潜水电泵
3.4 地表设备与井内压裂器具安装
（1）高压管汇连接
首先，将压裂泵车停放在距离井口约35m、地势平坦、视野开阔的地方，将地面管汇安放在压裂泵车和井口距离的中间曲阳影都，放平放稳。然后将两根高压胶管通过管汇分别与压裂泵车出水口和井口高压水龙头连接。见图9。

图9 高压管与管汇连接
（2）井内压裂器具组合
自下而上依次为Y211-148压缩式卡瓦封隔器-压裂组合-Ф127mm钻杆-井口水龙头。
配备压裂器具与钻杆的变径接头，按下入深度测量管柱并排序，同时检查钻杆、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。然后依次下入卡瓦式封隔器和Ф127mm钻杆（图10），下入的管柱丝扣要采取密封措施，缠麻、涂抹丝扣油，当封隔器下到坐封位置795.5m时，上提管柱1m-1.5m侠捕，再下放管柱坐封，黄杏初此时封隔器卡瓦承受管柱重量并压缩胶筒膨胀坐封。待井下器具安装完毕后，安装井口高压水龙头。

图10 下入压裂器具
（3）供水设备安装
压裂施工需要大量压裂液（清水），施工过程中，压裂液（清水）供应不能中断，否则会导致压裂暂停而影响压裂效果。
本井压裂作业采用1台100m3/h的压裂泵车，配备2台泵量60m3/h扬程15m的供水泵异界贸易商，1台泵供水，1台备用。距离施工现场40m处有1个水塘可作为供水水源鏐。水塘中安装有2台供水泵，单台泵量约30m3/h，为施工现场的10m3蓄水池（距离压裂车约5m）供水， 1台60m3/h扬程的供水泵自蓄水池给压裂泵车持续供水。

图11 供水设备安装
（4）压裂泵调试
地面设备与井内压裂器具安装完完毕后，需要对压裂泵进行调试、循环试压，检查系统流程的畅通性、安全性。
启动压裂设备发动机按钮，观察发动机运转情况和显示器发动机参数，判断发动机声音是否异常，观察压裂设备是否有漏机油和防冻液现象毫米波治疗仪，如有上述现象，立即停机维修。确认发动机处于正常状态后，压裂泵车自带储水箱加满压裂液（清水），将压裂管路阀门打到“内循环”状态，压裂泵挂一档，观察显示端压裂泵参数，仔细听压裂泵泵体声音是否异常。参照以上步骤循环测试压裂泵二挡、三挡、四挡、五档、六档。见图12。

图12 测试压裂设备与系统流程
3.5 试验过程
2016年1月24日，准备工作全部完成后墨西哥跳豆，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、管路是否畅通。先进行打压测试，关闭管汇阀门，开启压裂泵，憋压，地面管线与闸门试压20MPa，5min不刺漏为合格。
压裂时韩长安，先以小泵量供水，水量控制在200-300L/min之间，压入井内的管路中奇博少年，进而压入地层。与此同时，分工密切关注控制台压裂泵的参数，记录转速、泵量、瞬时压力值等工况的变化情况，期间分析地层起裂压力和裂缝延伸压力值的变化；密切关注井口动态，井口是否有反水等异常；地面管路、管汇工作状况是否正常。当系统压力稳定较低压力值且无变化时，再逐步增大供水量直至本压裂段结束。
压裂泵排量18.6m3/h持续供水3min，压力维持在2.78MPa左右，地面压裂管路和井口无异常；调整泵量22.68 m3/h至35.54m3/h，压力由3.08MPa升至5.51MPa，持续工作37min，由于压裂泵发动机漏机油，停机检查维修。维修工作结束后继续压裂。控制压裂泵以一档、二挡、三挡、四挡泵量供水进行压水试验，泵量为53.69m3/h，泵压力9.6 MPa；继续调整增大泵量（一档—六档、转速1500-1690 r/min），最大泵量达到77.8 m3/h，最高压力12.5MPa，至晚上20:02，压裂工作结束漳平教育网。
1月25日凌晨5点左右。打开防控闸门，释压反排。至1月25日中午11点，反排基本结束。反排用时约6h。至此，该井压裂试验结束。
3.6 压裂试验结果分析
本次试验安排了1个段次的压裂作业，采用单座封压裂工艺，4个时间段累计压入水量198.4m3；最小泵排量18.6m3/h，最大泵排量77.8 m3/h；泵压力由2.78MPa至12.5MPa。
压裂试验岩层主要为泥岩、砂岩、砾岩互层川南人才网，属非脆性地层，压裂过程中，系统压力随着泵量的增大逐渐增大，没有出现像脆性岩石那样启裂压力达到峰值后瞬间降低的效果。不断压入的压裂液沿着地层的裂隙、孔隙向四周扩展延伸，将压裂过程中的泵量、压力作纵坐标，时间作横坐标，每个压裂段次的泵排量、压力随时间的变化关系见图13和泵量和压力散点变化图14。

图13 压裂泵量、压力与时间的关系曲线

图14 压裂泵量和压力散点变化曲线
由曲线可知，压裂时的泵压力随泵量的增大而缓慢增大，泵量减小压力也随之变小，证明岩层不能形成张性（脆性）裂缝。当压裂结束后，受上覆盖层压力的影响，系统卸荷后压入地层的水会部分返出地表，会影响压裂效果。
4 结论与建议
4.1结论
（1）首次将水力压裂技术引入到了深层地热井增产领域，应用该技术探索性的进行了增产试验，为我国今后合理开发地热资源及其可持续发展提供了一种新的增水技术方法。
（2）采用单管路顶液、卡瓦式封隔器-水力锚座封的压裂工艺满足地热井的压裂增产技术要求。应用该压裂技术辰溪天气预报，可以实现局部井段水力压裂。
4.2 存在问题及建议
（1）由于时间等原因，仅开展了一眼地热井的压裂增产试验，且地层单一，其适用性以及成井结构等都存在合理性问题。
（2）由于成井结构与固井存在不足，本次压裂试验只能选择在井管内单座封、水力锚锚固的压裂工艺方法，考虑到固井的安全性，压裂作业时不能大泵量、长时间的供液压裂，影响了压裂延伸半径与效果。
（3）建议在本次压裂增产的基础上，开展不同岩性的、系统的、多工艺压裂增产试验，形成一套完整、成熟的地热资源开采、补给和对地热资源保护的技术方法。（作者：李小杰、叶成明、王营超、冯建月）
作者简介李小杰：男，汉族，1979年生，高级工程师，主要从事水文地质环境地质钻探技术研究工作。本文选自于《第十九届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术交流年会论文集》

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