CN103032059B - 一种定向水力压裂连通开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向水力压裂连通开采方法，包括以下步骤：定向布井，压裂连通，连续开采；通过探测矿体的天然节理裂隙方向，沿节理方向设计和布置压裂井组，使水平裂缝沿拟定节理方向产生并延伸扩展；使水力压裂的连通方向可以人为控制，并且避免了产生垂直裂缝，因而杜绝了盖层的大量充水而导致的地面冒卤，污染农田，鱼塘等灾害；资源的回采率大于或等于70％(含二期开采工程的回采)，而且高于任何采矿方法；地下溶腔、矿层采空区矿柱按规律排列(相似房柱法)提高了溶腔顶板的安全性并自然地延长了生产井的寿命，提高了资源的回采率。

Description

一种定向水力压裂连通开采方法

技术领域

本发明涉及卤素沉积矿层和油田的水力压裂开采技术，特别是指一种定向水力压裂连通开采方法。

背景技术

七十年代中国兴起的岩盐水力压裂法开采是从石油开采技术中引进的。进行矿层水力压裂时，当高压泵将大大超过地层吸收能力的水量注入钻井中时，在钻井底座附近就会产生超过钻井壁附近地应力及矿层抗张强度的压力，即在矿层中形成水平裂缝，但是却未沿着裂缝的延展方向而是任意方向设置井组，布置井组，进行资源的水力压裂开采。这种方法增产的幅度大，但是压裂施工中水平裂缝的产生方向，即两井压裂连通方向难以控制，而且在压裂期和回采时期，地面冒卤的现象层出不穷，使得溶腔(采场)矿柱在地下的排列也杂乱无章，造成溶腔顶板提前垮塌，而且生产井寿命短，资源的回采率极低仅9％—15％等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种定向水力压裂连通开采方法，人为控制压裂施工中水平裂缝的产生方向，即两井水力压裂连通方向，籍以延长生产井的寿命，提高资源的回采率。

基于上述目的本发明提供的一种定向水力压裂连通开采方法，包括以下步骤：定向布井，压裂连通，连续开采；

所述定向布井：探测矿体的天然节理裂隙方向，沿节理方向设计和布置压裂井组，并且主压井底端略低于开放井底端，实施钻井，固井，扫孔，试压。

所述压裂连通：所述开放井在压裂施工前进行单井建槽，形成一个低应力释放区，所述主压井井底溶腔与天然节理裂缝连通，将压裂液注入主压井内，随着压裂液的增多，压力逐渐增大，使压裂液挤入天然节理裂缝中进行扩张形成水平裂缝，压裂液在水平裂缝中不断溶解矿石，扩大水平裂缝宽度及高度，加速水平裂缝沿天然节理裂缝方向的延伸扩展；出现连通反应后，加大主压井的注水量，并打开开放井进行放喷，使水平裂缝中的压裂液加速向前推进直达开放井井底溶腔，使两井底部溶腔贯通；

所述连续开采：将压裂液连续注入到主压井内，不断溶解矿层和扩宽扩高水平裂缝，随着压裂施工的推进，压裂液的浓度不断增高至生产所需浓度并流入开放井溶腔中，再通过采卤泵注水，将溶腔中的卤水水举致采卤泵房卤池中，尔后沉清后送出制盐。

在一种实施例中，所述定向布井步骤中，所述主压井和所述开放井的连通方向与矿层的天然节理方向一致，所述主压井底端比所述开放井底端低2-3米。

在另一种实施例中，所述压裂连通步骤中，所述开放井进行单井建槽的溶蚀半径为3-5米。

在另一种实施例中，所述压裂连通步骤中，若所述主压井井底在钻井时未与节理裂隙直接连通，则在所述压裂连通步骤实施前，进行单井建槽使所述主压井井底井壁与节理裂缝连通，并且主压井单井建槽的溶蚀半径为3-5米。

在另一种实施例中，所述压裂连通步骤中，所述连通反应为所述开放井出现水泡，而且水泡越来越多，最后形成溢流，同时主压井产生的压力值下降。

在另一种实施例中，所述压裂连通步骤中，在打开所述开放井之后放喷之前，确保所述主压井和所述开放井二者之间有连通反应。

在另一种实施例中，所述压裂连通步骤中，若水平裂缝中有泥渣堵塞，及时采取反压方法，确保所述主压井和所述开放井二者之间贯通。

在另一种实施例中，若所述主压井的矿层厚度大于1.5米时，则矿层的裸眼高度控制在1.5米以下或使用封隔口进行封隔。

在另一种实施例中，所述主压井有多个矿层的，除并溶的矿层外，其余矿层采用由下向上的顺序分别实施压裂开采。

在另一种实施例中，所述定向水力压裂连通开采连续运行至少3个月后方能停产检修。

从上面所述可以看出，本发明提供的两井或多井定向水力压裂连通开采方法使水力压裂的连通方向可以人为控制，其设计方向成功率为百分之百，并且资源的回采率大于或等于70％(含二期开采工程的回采)，高于任何采矿方法。

本发明提供的定向水力压裂连通开采方法，因其压裂的连通方向的人为控制使地下溶腔和矿柱可以按规律排列(相似房柱法)，提高了溶腔顶板的安全性，延长了生产井的寿命；

本发明提供的定向水力压裂连通开采方法在压裂施工中避免了产生垂直裂缝的可能，从而杜绝了因矿层的大量充水而导致的地面冒卤，污染农田，鱼塘等灾害的出现；

本发明提供的定向水力压裂连通开采方法中溶腔(采场)建成的时间短(含大泵注水扩槽期)，故投入回采见效快。

本发明提供的定向水力压裂连通开采方法中水平裂缝沿节理方向延伸，由于节理裂隙矿石的高溶解度使得连通井组投产后，压裂液中所含资源浓度高，可达饱和(Be'25°)。

附图说明

图1是本发明实施例定向水力压裂连通开采方法的流程示意图；

图2为本发明实施例定向水力压裂连通开采方法中实施的矿层—中国第二沉降带的节理的扭动结构面的方位和力学性变示意图；

图3为本发明实施例定向水力压裂连通开采方法中压裂井组的设计和布置示意图；

图4为本发明实施例定向水力压裂连通开采方法中压裂连通过程中主压井井底的压力变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种定向水力压裂连通开采方法，包括以下步骤：定向布井，压裂连通，连续开采；

所述定向布井：探测矿体的天然节理裂隙方向，沿节理方向设计和布置压裂井组，并且主压井底端略低于开放井底端，实施钻井，固井，扫孔，试压。

所述压裂连通：所述开放井在压裂施工前进行单井建槽，形成一个低应力释放区，所述主压井井底溶腔与天然节理裂缝连通，将压裂液注入主压井内，随着压裂液的增多，压力逐渐增大，使压裂液挤入天然节理裂缝中进行扩张形成水平裂缝，压裂液在水平裂缝中不断溶解矿石，扩大水平裂缝宽度及高度，加速水平裂缝沿天然节理裂缝方向的延伸扩展；出现连通反应后，加大主压井的注水量，并打开开放井进行放喷，使水平裂缝中的压裂液加速向前推进直达开放井井底溶腔，使两井底部溶腔贯通；

所述连续开采：将压裂液连续注入到主压井内，不断溶解矿层和扩宽扩高水平裂缝，随着压裂施工的推进，压裂液的浓度不断增高至生产所需浓度并流入开放井溶腔中，再通过采卤泵注水，将溶腔中的卤水水举致采卤泵房卤池中，尔后沉清后送出制盐。

图1是本发明实施例定向水力压裂连通开采方法的流程示意图；其中，定向布井的流程包括探测矿体节理方向，据此方向设计井位和定向布井、钻井、固井；压裂连通的流程包括开放井单井建槽，主压井内注压裂液，溶解矿层和节理裂缝，形成水平裂缝，加大注水量，打开开放井放喷和两井连通；连续开采的流程包括回收开放井内压裂液、卤池中沉清和饱和卤水，最后将饱和卤水举至地面卤池。

所述的定向水力压裂连通开采方法中所述定向布井，首先探测矿体的天然节理裂隙方向的展布规律，尔后，沿节理方向设计和布置压裂井组；图2是本发明实施例中中国第二沉降带的节理的扭动结构面的方位和力学性变示意图。卤素沉积矿床形成岩石后，在地球新构造运动的作用下，地壳产生压性构造矿层，同时围岩受压性构造的影响，与主构造伴生而成两组节理。节理在形变过程中，一组转变成压扭性，另一组则转变为张扭性。这两组节理互相交切成X型。参照图2，本发明实施例中的沉降带为中国第二沉降带，此沉降带的新构造主断裂呈北北东方向，伴生节理第一组呈北北东向排列，第二组呈北北西向排列。

在卤素沉积矿体中进行坑道掘进或地面钻井时，矿层中都会遇到节理面。节理面不仅会影响矿山岩体的强度，同时与其它面比较，节理面的抗拉强度、抗压强度、抗张强度都小于其它面。在水溶采矿中，节理面中水的渗透速度、溶解速度都大于其它面，这给水力压裂施工中水的滤失奠定了良好基础。

进行矿层水力压裂时，当高压泵将大大超过地层吸收能力的水量注入主压井中，在主压井座附近产生超过主压井壁附近地应力及矿层抗张强度的压力后，即在矿层中就将会形成裂缝。当矿层埋深小于750余米时，有很大概率产生水平裂缝。

其中，水平裂缝造缝的压力条件：

1、矿层存在滤失时，压裂井底端形成水平裂缝的压力为：

$P_F-P_S=\frac{\stackrel{-}{{\mathrm{\σ}}_Z}-{\mathrm{\σ}}_t^v}{1.94-\mathrm{\α}\frac{1-2\mathrm{\γ}}{1-\mathrm{\γ}}}$

式中：P_F——矿层的破裂压力；P_S——地层压力；

σ_Z——地层的垂直应力；——岩石的垂直抗张强度；

γ——岩石的波相比；

C_r——岩石骨架压缩系数C_b——岩石体积压缩系数。

2、矿层无滤失时，井底端形成水平压裂缝的压力为：

$P_F-P_S=\frac{\stackrel{-}{{\mathrm{\σ}}_Z}-{\mathrm{\σ}}_t^v}{0.94}$

比较上述两个计算式可以看出，由于压裂液滤失现象的存在，使得破裂压力有所降低。这是由于带压力的液体进入矿层，增加了受压面积，从而降低了破裂压力。在裸眼井中，由于压裂液滤失而使得破裂压力降低的幅度在25％—40％之间。

由于节理裂隙抗张强度小，需要的水平涨破压力低，渗透滤失良好的特点，故水力压裂施工时，天然节理面易被压裂液张开形成水平裂缝。综上所述，拟水力压裂井组(主压井、开放井)长轴方向(即压裂裂缝——两井井底连通方向)布置与矿层节理方向一致。

图3是本发明实施例定向水力压裂连通开采方法中压裂井组的设计和布置示意图，其中：1——井组排列方向，2——天然节理裂隙方向，3——主压井，4——开放井；如图所示，压裂井组在设计和钻井施工中，井位沿北北东或北北西节理方向布置。利用天然节理裂隙方向，控制水力压裂水平裂缝延伸方向，实现拟定连通方向。即实现水力压裂井组(主压井、开放井)长轴方向(即压裂裂缝——两井井底连通方向)布置与矿层节理方向一致；设计好井位后，开始实施钻井，固井以及扫孔试压，所述钻井、固井、扫孔、试压等操作必须严格执行中国石油部钻井、成井(完井)规范。

同时因为地层压裂梯变度，压裂液的流向与压裂梯度变小方向一致，即流向矿体的倾斜上方为主；又因为压裂液溶解矿石变成了卤水，卤水在重力分异作用下，含矿物少的淡卤位于压裂液的上方，这会使压裂液的上溶速度快于侧溶速度，所以布置矿井时，主压井底端略比开放井底端低2-3米。

所述的一种定向水力压裂连通开采方法中所述压裂连通为：在压裂连通施工前，压裂现场的给水管道必须和采卤泵房的注水泵连通，并且压裂现场内必须至少有两部工作性能良好的水力压裂车以确保能顺利施工。同时，压裂连通施工前，要进行开放井的单井动溶建槽，建槽的溶蚀半径为3-5米，因为所述开放井的井位高于主压井的井位，开放井的单井动溶建槽的目的，是为压裂施工时人为的创造一个低应力释放区，以降低矿层的破裂压力。所述开放井单井建槽完成后，通过采卤泵房的采卤泵回收单井建槽产生的淡卤水，集中在卤池，待沉清后，在连续开采时由采卤泵房的注水泵加压注入生产井内进行矿层开采。

若主压井钻井时主压井矿层未与节理裂缝直接连通的，所述主压井也需要进行单井动溶建槽，溶蚀半径3-5米，而后转入水力压裂；所述主压井进行单井动溶建槽的目的，是使主压井井底井壁与节理裂缝直接连通，这样启步压裂液就能直接进入节理裂缝，实施张裂，使水平压裂裂缝沿节理方向逐渐向前推进直达开放井的井底溶腔；若主压井钻井时矿层的岩芯上已有节理面出现，说明井壁已与节理裂隙直接连通时，压裂前所述主压井不必建槽。若所述主压井进行了单井建槽后，其产生淡卤水采用开放井单井建槽产生的淡卤水同样的处理方法。

图4是本发明实施例定向水力压裂连通开采方法中压裂连通过程中主压井井底的压力变化示意图；a——节理面岩石的破裂压力，b——微裂高渗岩石的破裂压力，P_F——破裂压力，P_E——延伸压力，P_S——地层压力，t——注水时间。

通过采卤泵房的注水泵将水引入压裂现场的给水管道中，然后再利用水力车上的高压泵将给水管道中的水注入到所述主压井内，形成压裂液；随着注水量的增加，压裂液的压力逐渐增大，然后压裂液直接挤入到天然节理裂缝中，或通过所建的槽挤入到天然节理裂缝中；当压力逐渐增大达到节理面岩石的破裂压力值，即P值等于PF(a值)值(参照图4)时，天然节理裂缝被压裂液张开形成水平裂缝；水平裂缝中随着压裂液的挤入，由于压裂液不仅张开裂缝，而且同时溶解矿石，扩大水平裂缝宽度及高度，从而加速了水平裂缝的延伸扩展，因此，使矿层内的水力压裂裂缝沿拟定方向推进，直达目标井(开放井)。

在压裂连通施工中观察压裂连通反应，一般在压裂连通施工数小时或至多五天内，就有压裂连通反应——即所述开放井出现水泡，而且水泡越来越多，最后形成溢流，同时此时所述主压井内压裂液的压力值下降，转为延伸压力值——P_E值(b值)(参照图4)，这时要更换采卤泵加大注水量，使主压井内压裂液的压力值要大于或等于延伸压力值，使压裂液快速扩张，严防水平裂缝堵塞；同时打开所述开放井进行放喷，使所述主压井和所述开放井二者之间造成一个人工低压区，籍以降低破裂压力值，并形成抽吸力；这时所述主压井液流时主压力、开放井的侧向挤压力和开放井放喷时的抽吸力同朝一个方向，使水平裂缝中的压裂液加速流入所述开放井内。若裂缝中有泥渣堵塞，应及时采取反压方法，确保所述主压井和所述开放井二者之间有一个畅通无阻的通道。所述开放井放喷后，通过采卤泵房的采卤泵回收放喷产生的淡卤水，集中在卤池，待沉清后，在连续开采时由采卤泵房的注水泵加压注入生产井内进行矿层开采。

本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法中所述连续开采为：压裂液被连续注入到所述主压井内，在此过程中，压裂液不断溶解矿层上的资源，并且不断地扩张水平裂缝，随着压裂施工的推进，压裂液的浓度不断增高，多数到达开放井井底，浓度可达饱和。压裂进入生产阶段产生的高浓度卤水(Be'25°)，再通过采卤泵房的采卤泵注水，用水举原理籍注水的压力将开放井井底溶腔中的高浓度卤水水举至地面卤池，再用输卤泵输送到产品加工厂制成产品销售。

需要特别指出的是，本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法中，本领域普通技术人员应该知道，当所述主压井的矿层厚度大于1.5米时，则矿层的裸眼高度控制在1.5米以下或在矿层顶板使用封隔口进行封隔，以保护矿层顶板。

本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法中，本领域普通技术人员应该知道，所述主压井有多个矿层的，除并溶的矿层外，其余矿层采用由下向上的顺序分别实施压裂开采。

本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法中，所述定向水力压裂连通开采连续运行至少3个月后方能停产检修，避免二井间的通道堵塞或通道闭合。

本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法优选的适用于第三纪以前生成的卤素(食盐、钾盐、芒硝、硼等)沉积矿床的开采(含老区呆滞矿块的回采)以及矿柱的二期回采工程，但是在其他矿区，如：含油碳岩层中的造缝，开采石油也可以选择应用本发明的定向水力压裂连通方法。

本发明实施例中所述的一种定向水力压裂连通开采方法优选的应用条件为：(1)矿体的节理比较发育；(2)矿层厚度在1.5米以上，顶板稳固的单层或多层倾斜矿床；(3)非可溶物小于等于30％的矿床；(4)两井井底连通相距100-200米；(5)矿层埋藏深度300-800米(6)矿层顶板无含水层，若顶板有含水层，在成井前，必须先封隔含水层，然后再成井(固井)。但是在其他条件下，也可以选择应用本发明的定向水力压裂连通开采方法。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，包括以下步骤：定向布井，压裂连通，连续开采；

所述定向布井：探测矿体的天然节理裂隙方向，沿节理方向设计和布置压裂井组，即实现水力压裂井组长轴方向布置与矿层节理方向一致；并且主压井底端略低于开放井底端，实施钻井，固井，扫孔，试压；

所述压裂连通：所述开放井在压裂施工前进行单井建槽，形成一个低应力释放区，所述主压井井底溶腔与天然节理裂缝连通，将压裂液注入主压井内，随着压裂液的增多，压力逐渐增大，使压裂液挤入天然节理裂缝中进行扩张形成水平裂缝，压裂液在水平裂缝中不断溶解矿石，扩大水平裂缝宽度及高度，加速水平裂缝沿天然节理裂缝方向的延伸扩展；出现连通反应后，加大主压井的注水量，并打开开放井进行放喷，使水平裂缝中的压裂液加速向前推进直达开放井井底溶腔，使两井底部溶腔贯通；

所述连续开采：将压裂液连续注入到主压井内，不断溶解矿层和扩宽扩高水平裂缝，随着压裂施工的推进，压裂液的浓度不断增高至生产所需浓度并流入开放井溶腔中，再通过采卤泵注水，将溶腔中的卤水水举致采卤泵房卤池中，尔后沉清后送出制盐。

2.根据权利要求1所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述定向布井步骤中，所述主压井和所述开放井的连通方向与矿层的天然节理方向一致，所述主压井底端比所述开放井底端低2-3米。

3.根据权利要求2所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述压裂连通步骤中，所述开放井进行单井建槽的溶蚀半径为3-5米。

4.根据权利要求2所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述压裂连通步骤中，若所述主压井井底溶腔在钻井时未与节理裂隙直接连通，则在所述压裂连通步骤实施前，进行单井建槽使所述主压井井底溶腔与节理裂缝连通，并且主压井单井建槽的溶蚀半径为3-5米。

5.根据权利要求1所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述压裂连通步骤中，所述连通反应为所述开放井出现水泡，而且水泡越来越多，最后形成溢流，同时主压井产生的压力值下降。

6.根据权利要求5所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述压裂连通步骤中，在打开所述开放井之后放喷之前，确保所述主压井和所述开放井二者之间有连通反应。

7.根据权利要求6所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述压裂连通步骤中，若水平裂缝中有泥渣堵塞，及时采取反压方法，确保所述主压井和所述开放井二者之间贯通。

8.根据权利要求1所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，若所述主压井的矿层厚度大于1.5米时，则矿层的裸眼高度控制在1.5米以下或使用封隔口进行封隔。

9.根据权利要求1所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述主压井有多个矿层的，除并溶的矿层外，其余矿层采用由下向上的顺序分别实施压裂开采。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的定向水力压裂连通开采方法，其特征在于，所述定向水力压裂连通开采连续运行至少3个月后方能停产检修。