CN102787833A - 一种基岩水井水力压裂增水的方法及其系统装置 - Google Patents

Abstract

一种基岩水井水力压裂增水的方法及其系统装置，包括一组由压裂泵、管汇和高压水龙头组成的地表设备，同时配设井内压裂器具，具有一或多组可被送入井内分布在作业井段的封隔器，各封隔器为带有环腔室的圆柱形橡胶弹性体，每组封隔器间安一个定压开启阀；在紧邻上封隔器上方安设投球卸荷阀；钻具最底端安设底堵；地表设备通过高压管路与井内压裂器具的井内钻杆活性连接并联通。作业时，流体进入各组封隔器的环腔内使之膨胀座封，当系统压力达到一定值后，定压阀开启，流体进入封隔器，随着系统压力不断增高并超过岩石自身的抗张强度后，岩石启裂，形成新的裂缝并延伸至蓄水构造，使水井出水量增加；同时对已有的含水裂隙也可实现高压流体洗井增水。

Description

一种基岩水井水力压裂增水的方法及其系统装置

技术领域

本发明涉及一种基岩水井水力压裂增水的方法及其系统装置。

背景技术

基岩地下水主要赋存类型有碳酸岩类岩溶水和碎屑岩、岩浆岩、变质岩中的裂隙、孔隙水。多以裸孔或局部裸孔成井。由于基岩地层的非均质性，蓄水构造、裂隙分布和补给途径复杂，成井难度大。部分水井经勘查具备成井条件，但是，打成的井因出水量太小而报废。多数报废井由以下因素造成：①井（孔）未钻到或偏离了蓄水构造；②井（孔）岩层的裂隙与储水构造连通性差，渗透率低；③钻井过程中的泥浆、岩屑等堵塞了裂隙通道。对于非地质条件差引起的出水量达不到预期目标的井，以往采取的增水方法有：井内灌酸法、孔内爆破法和气举洗井法。这些方法在特定条件下，可以起到一定的增水效果，但是，增水效果不稳定，原因是受洗井工艺技术的影响。如灌酸法是利用盐酸溶蚀碳酸盐岩地层的性质提高岩层的渗透率，但灌注工艺是直接将盐酸注入井内，酸液只能与孔壁附近的岩石发生接触反应，酸蚀范围小；井内爆破法是利用炸药在井（孔）内爆炸产生的瞬间冲击波效应，使井内局部岩石形成裂缝，但影响范围小，很难与蓄水构造有效连通；气举法是采用专用机具产生的气流，顶驱井内水柱并形成局部真空或低压区，使含水裂隙中的水体快速涌入井内，带出裂隙中的充填物，但此法不能扩展裂隙通道。上述洗井法均不能实现与蓄水构造直接贯通的作用，增水效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种基岩水井水力压裂增水的方法，其可解决具备成井条件的水井因井（孔）偏离了蓄水构造或因裂隙中含有的充填物堵塞使得井（孔）中含水裂隙层的渗透率低，导致水井出水量小、成井率低和传统的洗井增水技术方法存在局限性的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种基岩水井水力压裂增水的方法，其方法如下：

1）配备一套压裂增水装置，包括一组可提供高压流体的地表设备和一套井内压裂器具，其中，所述的地表设备至少包括有一组压裂泵、管汇和高压水龙头，三者之间由高压管路联通，在压裂泵上设有安全阀、压力表、流量计，在管汇上设有压力表、流量表、温度计和卸荷旋塞阀与安全阀；所述的井内压裂器具包括一组以上的可被送入井内分布在待作业井段的封隔器，各封隔器为带有环腔室的圆柱形外层为橡胶层的弹性体，每组封隔器之间安装一个定压开启阀，根据压裂井段长度可在每组封隔器之间加接钻杆；定压开启阀的开启压力为1.5MPa-5MPa；在紧邻上封隔器上方安设投球卸荷阀；钻具最底端安设底堵；

2）将所述的井内压裂器具送入井内，将每组封隔器安装在座封段，定压开启阀对着被压裂孔段；将地表设备经高压管路、高压水龙头与井内钻杆和各压裂器具按顺序连接使之相互联通，准备工作就绪；

3）检验设备、管路系统、各阀门和仪表都正常后，开启压裂泵，使高压流体经管路、管汇、管路、高压水龙头、井内钻杆进入封隔器内，伴随着系统压力升高并达到一定值后，定压开启阀打开，流体进入各封隔器内腔使之膨胀座封，当系统压力达到一定值后，定压阀开启，流体进入封隔器之间的钻柱与井孔间的环腔内，随着系统压力的不断增高并超过岩石自身的抗张强度后，岩石启裂，形成新的裂缝并延伸至蓄水构造，实现水井增水。

所述基岩水井水力压裂增水方法中，当压裂工作结束后，卸开高压水龙头，在钻杆内腔投入钢球，再重新连接，开泵送水，顶开投球卸荷阀滑套，露出的泄流孔将钻杆内的液体泄掉，在各封隔器收缩后提出井内器具。

所述基岩水井水力压裂增水方法中，所述的座封段选择在作业目的层的上下端孔段(较完整的孔段)。

所述基岩水井水力压裂增水方法中，在地表上的压裂泵与高压水龙头间的高压管路上设一管汇，其上安设用以监测压入水井内的压裂液和返排液的温度计、流量计和压力表的数据头上；通过远程控制采集压裂泵流量、流体压力与温度数据，调整压裂泵柴油机的转速控制压裂液流量和压力。

本发明的另一目的是提供一种基岩水井水力压裂和高压流体洗井增水的系统装置，利用该装置可以实现上述的使基岩水井增水的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种用于实现基岩水井增水方法的系统装置，其包括：

一组地表设备，至少包括有压裂泵、管汇和高压水龙头，三者之间由高压管路联通；

一套井内压裂器具，包括一组或几组可被送入井内分布在作业井段的封隔器，各封隔器为带有环腔室的圆柱形外层为橡胶层的弹性体，每组封隔器之间安装一个定压开启阀；根据压裂井段长度在每组封隔器之间加接钻杆并相互联通；在紧邻上封隔器上方安设投球卸荷阀；钻具最底端安设底堵；

所述地表设备、管汇、高压水龙头通过管路连接，再与井内钻杆和压裂器具活性连接并联通；在地表上的压裂泵与高压水龙头间的高压管路中设有管汇，其上设有旋塞阀，可卸除井内残余压力和流体。

所述基岩水井水力压裂增水系统装置中，在高压管路上安设一组监测装置，该组监测装置至少包括有数据头和撬架结构一体化的流量计、压力表及温度计测量装置。

所述基岩水井水力压裂增水系统装置中，所述压裂泵、管汇高压水龙头通过由壬接头连接。

所述基岩水井水力压裂增水系统装置中，在管汇的返排口和压裂泵的输出端分别设有旋塞阀。

本发明基岩水井水力压裂增水的方法可以将基岩水井孔壁岩石压裂，形成新的裂缝并能延伸至蓄水构造，使水井水量增加；对井内已有的含水裂隙，通过高压流体洗井，可以扩展和疏通裂隙通道，提高含水裂隙的渗透率，使水井水量增加。其可用于基岩供水井、水文地质勘察井（孔）等，是一种新的增水技术方法。

本发明的优点是：

（1）本压裂增水方法可以实现基岩水井逐层段隔离、逐层段压裂增水和井内逐层段隔离、逐层段高压流体洗井增水及压裂、洗井并存增水；

（2）该压裂增水方法主要解决的问题是基岩水井裸孔压裂和洗井增水，其增水效果好、施工成本低、安全环保；

（3）本压裂增水方法，可以小型高压泵和特种压裂器具为组合，满足基岩水井裸孔逐段压裂、逐段高压流体洗井增水的技术要求，具有压裂设备与器具简单和井内封隔可靠、卸荷方便，可操作性强等特点；

（4）该压裂增水方法中，可将井内器具在卸荷后能安全提出并能重复利用，保证了低成本的施工。

附图说明

图1为本发明基岩水井水力压裂增水系统装置的地表设备构成示意图。

图2为本发明基岩水井水力压裂增水系统装置的井内压裂器具结构示意图。

图中：1--钻杆柱；2--压力表；3--旋塞阀；4--返排口；5--安全阀；6--T型接头；7--单向阀；8--压裂泵；9--高压软管；10—数据头；11—撬架；12—旋塞阀；13—由壬；14—远程控制柜；20—井内钻杆柱；21—投球卸荷阀；22—上封隔器；23-定压开启阀；24-下封隔器；25-底堵；100-井；200-目的层段。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明基岩水井水力压裂增水系统装置由地表设备和井内压裂器具两部分组成。

参见图1，所述的地表设备主要包括有一组压裂泵8、管汇和高压水龙头，三者之间由高压管路9联通，在压裂泵上设有安全阀、压力表、流量计，在管汇上设有压力表2、温度计（优选是以撬架1的形式，该撬架由撬架本体、数据头10上安设有温度计、流量计、压力表指示仪及内部接线箱和附件组成，其可以实现对高压管路该局部段点的温度、压力、流量的测量），还同时配有采集流量、压力、温度的数据头10；这些部件均可以通过由壬13连接在高压管路中，由壬是一种能方便安装拆卸的常用管道连接件，利用由壬与管道连接，可不动管子而将两管分开，便于检修。管汇上返排口4前设有旋塞阀3，在压裂泵8的输出端设有旋塞阀12，该旋塞阀12的前面安设单向阀7；在各分支管路处可通过T型接头6实现连接。

参见图2，所述的井内压裂器具包括有一组（可以是一组，亦可以是多组，根据需要而定）可被送入井100内分布在待实施压裂作业方位的封隔器22、24，该封隔器采用现有技术，是一种带有环腔室的圆柱形外层为橡胶层的弹性体。每组封隔器之间安装一个定压开启阀23，并根据压裂井段长度可（能保证作业时，当上下两个封隔器位于预定方位时，它们中间的定压开启阀对着被压裂孔段）在每组封隔器之间加接钻杆20；在最上位的封隔器上方安设投球卸荷阀21，在钻具（井内部件的总成）最底端安设底堵25。在本实施例中采用两个封隔器，作业时，将它们分设在待实施压裂作业目的层段200的上下端相对较完整的孔段（座封段）上，并按设计正好将定压开启阀23对着被压裂孔段。

本发明基岩水井水力压裂增水系统装置可以配有现场手动控制压裂泵的控制手柄或远程控制压裂泵的控制箱。既可以现场操作，更可以远程操作；对于自动控制部分可由现有技术实现，此处不赘述。为配合自动控制的实现，可由管路中配设的数据头10和撬架11分别采集泵流量、流体压力与温度数据并将这些数据传输给自动控制箱或远程控制箱的中央处理器分析处理，可以相应发出控制信号，进一步调整压裂泵柴油机的转速，调整系统的流量与压力，以确保压裂作业的成功。

以图2所示实施例为例说明本发明的工作过程：作业前，按系统设置需要配备所需部件并分别组装好地表设备和井内压裂器具，根据作业需要选定压开启阀的开启压力值（一般设在1.5MPa-5MPa）；作业时，先将井内压裂器具送入井下，使各封隔器安装在预定实施压裂井段上、下完整的位置，使定压开启阀23对着被压裂孔段；将地表设备、管汇、水龙头经高压管路连接、再与钻杆柱1与井内钻杆20和各压裂器具按顺序连接使之相互联通；开启地表设备压裂泵8，使流体经钻杆进入井内压裂器具各部件内，当系统压力≤1.5MPa（假设，本实施例方案中，定压开启阀的开启压力值预设为1.5MPa）时，定压开启阀未打开，流体进入封隔器内使之膨胀贴紧孔壁，实现密封；当系统压力≥1.5MPa时，定压开启阀打开，流体进入上、下封隔器22、24之间的钻柱与井孔间的环腔内；随着系统压力升高，足以克服岩石的抗张强度时，岩石启裂，形成裂缝并延伸，当按设计要求达到压裂目的后，压裂工作结束。打开管汇上的旋塞泄荷阀，卸掉系统中的残余压力和流体。然后，卸开高压管路与水龙头间的由任，再卸开高压水龙头，在钻杆的内腔投入钢球，重新连接高压水龙头及高压管路，开泵送水，顶开泄荷阀的滑套，将井内钻柱内的流体卸掉，此时，封隔器会收缩，然后将井内器具安全提出，压裂工作结束。

本发明压裂、洗井增水的机理为：①完整岩石压裂增水，压入的高压流体使井（孔）壁岩石被压裂并形成新的裂缝且延伸至蓄水构造，使井（孔）经压裂裂缝与蓄水构造连通。②高压流体洗井增水，对井（孔）内已有的含水裂隙、孔隙层，因裂隙中存在充填物或胶结物，经高压流体强力剪切、冲蚀和运移后，使得裂隙扩展和疏通，提高含水裂隙的渗透率。③压裂、洗井并存增水，首先是将井（孔）中的局部岩石压裂,不断注入的高压流体则沿着低应力的岩层面（如节理面、微孔隙、微裂隙层）延伸，将岩层中的裂隙、孔隙层连通，增加水井的汇水面积。

应用本发明在试验地的灰岩、白云岩、花岗岩、安山岩、片麻岩等岩性的7眼基岩水井中进行了水力压裂和洗井，增水效果良好（表1）。

表1基岩水井水力压裂洗井试验效果

采用本发明技术，能使老井或按常规技术新打的水井克服出水量小的问题，对于许多过去缺水的村庄，都解决了该村养殖、浇灌和村民的生活用水问题。并且由上表1也可以看出，增水效果良好。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种基岩水井水力压裂增水的方法，其特征在于方法如下：

1）配备一套压裂增水装置，包括一组可提供高压流体的地表设备和一套井内压裂器具，其中，所述的地表设备至少包括有一组压裂泵、管汇和高压水龙头，三者之间由高压管路连接并联通，在压裂泵上设有安全阀、压力表、流量计，和卸荷旋塞卸荷阀与安全阀；所述的井内压裂器具包括一组以上的可被送入井内分布在待作业井段的封隔器，各封隔器为带有环腔室的圆柱形外层为橡胶层的弹性体，每组封隔器之间安装一个定压开启阀，根据压裂井段长度需要在每组封隔器之间加接钻杆；在紧邻上封隔器上方安设投球卸荷阀；钻具最底端安设底堵；

2）将所述的井内压裂器具用钻杆送入井内，将每组封隔器安装在完整基岩孔段上，使定压开启阀对着被压裂孔段；将地表设备、管汇、高压水龙头经高压管路与井内钻杆和各压裂器具按顺序连接并使之相互联通；

3）开启压裂泵，使高压流体经管路、管汇、管路、高压水龙头、井内钻杆进入封隔器内腔使之膨胀座封，当系统压力达到一定值后，定压阀开启，流体进入封隔器之间的钻柱与井孔间的环腔内，随着系统压力的不断增高并超过岩石自身的抗张强度后，岩石启裂，形成新的裂缝并延伸至蓄水构造，实现基岩水井增水。

2.根据权利要求1所述的基岩水井水力压裂增水的方法，其特征在于：当压裂工作结束后，卸开高压水龙头，在钻杆内腔投入钢球，重新连接，开泵送水，顶开投球卸荷阀的滑套，露出的泄流孔将钻杆内的液体泄掉，使得各封隔器收缩后可提出井内器具。

3.根据权利要求1所述的基岩水井水力压裂增水的方法，其特征在于：所述的座封段选择在作业目的层的上下端孔段。

4.根据权利要求1所述的基岩水井水力压裂增水的方法，其特征在于：在地表上的压裂泵与高压水龙头间的高压管路上设一管汇，其上安设用以监测压入水井内的压裂液和返排液的温度、流量和压力的数据头，通过远程控制采集流量、流体压力与温度数据，随时调整压裂泵柴油机的转速，实现调整流体的流量与压力。

5.根据权利要求1所述的基岩水井水力压裂增水的方法，其特征在于：定压开启阀的开启压力设定为1.5MPa-5MPa。

6.一种用于实现权利要求1所述方法的基岩水井水力压裂增水系统装置，其特征在于包括：

一组地表设备，至少包括有压裂泵、管汇和高压水龙头，三者之间由高压管路联通；

一套井内压裂器具，包括一组或几组可被送入井内分布在作业井段的封隔器，各封隔器为带有环腔室的圆柱形外层为橡胶层的弹性体，每组封隔器之间安装一个定压开启阀；根据压裂井段长度可在每组封隔器之间加接钻杆，并相互联通；在紧邻上封隔器上方安设投球卸荷阀；钻具最低端安设底堵；

所述地表设备通过管路、高压水龙头与井内钻杆柱、压裂器具活性连接并联通；在地表上的压裂泵与高压水龙头间的高压管路中设有管汇，其上设有旋塞阀控制开启的返排口。

7.根据权利要求6所述的基岩水井水力压裂增水系统装置，其特征在于：在高压管路上安设一组监测装置，该组监测装置至少包括有数据头和撬架结构一体化的流量计、压力表及温度计测量装置。

8.根据权利要求7所述的基岩水井水力压裂增水系统装置，其特征在于：所述压裂泵、管汇、高压水龙头通过由壬接头连接。

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