页岩气井区压裂集中供水方案的研究与设计

李强 杨明华 万传华 邓勇

四川科宏石油天然气工程有限公司

页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与煤层气、致密气同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中。页岩气作为一种清洁的非常规天然气资源现已成为全球油气勘探开发的新宠。根据国际能源署预测，天然气在全球能源消费结构中的比例将从21%（2008年）上升到25%（2035年），成为第二大一次能源。其中，页岩气占天然气总量的比例将增加到11%（2035年），增幅尤为突出，发展页岩气产业已成为世界趋势。在页岩气勘探开发过程中，页岩气储层改造是页岩气开发的重要环节，储层改造技术包括水力压裂和酸化[1]。针对我国页岩气分布情况和出于探勘开发成本考虑，目前，我国多采用清水压裂实现储层改造，诸多项目试验表明，清水压裂效果较好，并且成本低，对地层伤害小。经研究，本文提出了一套页岩气勘探开发过程中较完整的清水压裂供水方案，可为我国页岩气产业化、模块化发展提供参考。

1 方案背景

1.1 压裂水量及段数

本方案研究所涉及的区块命名为昌内区块，根据以往项目经验，该区块每口井水平段1 500 m，压裂18段，每段用水量0.2×104m3，压裂均为“拉链式”压裂[2]。根据压裂实际情况，按每天压裂2段考虑，每段纯作业时间3 h，水量需求为 0.4×104m3/d。

1.2 压裂水质

压裂用水无明确要求，在加清水稀释的情况下，返排液总矿化度、总硬度、总铁和总悬浮固体等指标都能满足利用要求。该区块返排液水质情况如表1所示。

表1 昌内区块返排液水质Tab.1 Water quality in the block

根据各平台单口井压裂返排液情况预测，单口井压裂返排液平均每天排液量如图1所示[1-6]。

图1 单口井压裂液返排液平均每天排液量Fig.1 Average daily discharge volume of single-well fracturing fluid return fluid

1.3 井组钻试进度

由于该区块9个钻井平台相距较远，根据水平井组钻试进度情况，将这9个平台分为A和B两个部分，A部分包括昌H2、昌H4、昌H6、昌H7；B部分包括昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18[3-7]。A、B两部分平台2018—2019年返排液产水量预测如表2和表3所示。

2 供水方案

2.1 水源

本方案页岩气区块在昌内县内，位于四川盆地南缘，川滇黔结合部，历史悠久，农业发达，自然资源较为丰富。

（1） 昌内湖（水源1）。昌内湖位于昌内县境内，该湖距县城2 km，属于国家AA级旅游景区，面积5.4×106m2，东西最长7.5 km，南北最宽2 km，最大水深27m，平均水深15m，水湖容量5.6×106m3，现已划为昌内县饮用水源。

（2）苦水湖（水源2）。该方案区块范围内有一枯水湖，常年属于苦水状态，年平均水深不大于3 m，现列于昌内县水力资源改造项目计划内，短期无水源可用。

（3）昌内河（水源3）。经调查，昌内河是长江上游支流，河长近130 km，平均流量11.89 m3/s，落差533 m。该方案区块境内含有2座水利发电站，各发电站下游有储水量丰富的低洼地段，年平均水深达25 m，可提供充足的水源。

2.2 取水方式

根据昌内湖、苦水湖及昌内河的概况及实际考察情况，除昌内河外，其余水源属于季节性湖，水位变化较大，常年无水，或被划定为饮用水源，不具备压裂取水条件，且该区块部分平台距昌内河较近，综合考虑上述水源情况，本方案从昌内河取水。此外，考虑对上下游发电站的影响，本方案推荐在昌内河下游发电站出水侧低洼地段范围内新建取水泵站，作为该区块压裂供水的取水点。

本方案取水方式采用岸边式泵站取水，通过潜水泵将水提升至多级离心泵输至平台储水池，供各平台钻井压裂用水。

根据平台部署情况，本方案泵站及管线设置原则为：取水泵站以少数泵站为主，零星多点补充为辅；压裂供水系统以“主干线+一级水池”为主、“支干线+二级水池”为辅；主干线输送介质为清水，支干线输送介质为清水或返排液，返排液管网输送介质仅为返排液，一级水池和二级水池（钻井工程水池）储存介质为清水或返排液；主干线管道满足长期使用（永久管网），支干线管道和返排液管道视具体情况满足长期或临时使用（临时管网），一级水池和二级水池（钻井工程水池）储存满足长期使用需求；满足长期使用的永久管网采用钢管埋地敷设，满足临时使用的临时管网采用钢塑复合管地面敷设[8-9]。

表2 A部分平台2018—2019年产水量预测（昌H2、昌H4、昌H6、昌H7）Tab.2 Forecast of water production from 2018 to 2019(Part A:Chang H2， Chang H4， Chang H6， Chang H7) m3

表3 B部分平台2018—2019年产水量预测（昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18）Tab.3 Forecast ofwaterproductionfrom2018to2019(PartB:ChangH3，ChangH12， ChangH13， ChangH17， ChangH18)m3

2.3 供水管网

2.3.1 主供水管网

根据该区块平台部署情况，A部分：昌H2、昌H4、昌H6、昌H7主要位于井区北侧；B部分：昌H3、昌H12、昌H13、昌H17、昌18主要位于井区南侧，结合现有地形及水源情况，本方案考虑在昌H4及宁209H18设置一级水池中转站，满足现有周边平台压裂用水。主供水管线兼顾昌H2、昌H3以及昌H17平台压裂用水需求，全长约43.5 km[10]。主供水管网如图2所示。

2.3.2 支供水管网

结合主供水管网情况和各平台用水需求，建设支供水管网线路。

A部分：昌H6距离昌H4约12 km，通过昌H4为其供水，满足压裂用水需求；昌H7距离昌H6约4 km，通过昌H6为其供水，满足压裂用水需求。

B部分：昌H12距离昌H18约5.5 km，通过昌H18为其供水，满足压裂用水需求；昌H13距离昌H12约6 km，通过昌H12为其供水，满足压裂用水需求。

2.3.3 返排液管网

为进一步提高主供水管线沿途平台井站返排液的利用率，本方案考虑新建返排液管网。

A部分：在昌H2和昌H4建返排液水管，约3.5 km，将昌H2平台井站的返排液输送至H4平台井站蓄水池，并通过支供水管网为后续拟钻采井站压裂供水。

图2 主供水管网Fig.2 Main water supply pipe network

B部分：在昌H3、昌H17以及昌H18建返排液水管，两段管线分别约11 km和4 km，将昌H3和昌H17平台井站的返排液输送至H18平台井站蓄水池，并通过支供水管网为后续拟钻采井站压裂供水。

该方案主供水管网、支供水管网以及返排液供水管网如图3所示。

2.4 水量需求

昌 H2、昌 H3、昌 H4、昌 H6、昌 H7、昌H12、昌H13、昌H17、昌H18平台本次压裂共计35口水平井，压裂用水总需求约为113.4×104m3。

本方案在该区块井组压裂水量需求如表4所示。

表4 井组压裂水需求量Tab.4 Fracturing water demand of the well group

根据表4用水情况，每天工作20 h，井组各平台补充水量均为200 m3/h。

图3 主供水管网、支持水管网以及返排液供水管网Fig.3 Main water supply pipe network，supporting water supply pipe network and flow-block water supply pipe network

根据该区块以往压裂情况，钻井进度存在不确定因素，为节约投资，本方案主供水管线只考虑两个平台同时压裂情况，因此，主供水管线流量为400 m3/h，考虑一定的富余量，主供水管线设计流量为450 m3/h。

2.5 返排液利用方案

本研究方案采用二级水池（钻井工程水池）暂时存储返排液，待后期开采井需压力供水时将返排液通过返排液管网和支供水管网输送至压裂平台井站使用。根据返排液水量预测表，返排液最高水量每月每口井为6 300 m3，每个平台按4口井考虑，最高峰每月各平台产水量为2.52×104m3（840m3/d）。

根据返排液产水量情况，区块以往返排液利用量为350～840 m3/d，但达600 m3/d的时间约1个月，为节约方案投资，本方案返排液输送量按600 m3/d考虑。

2.6 水力计算

本方案供水采用泵压输送，清水供水；昌内河取水泵站取水输送至昌H4、H18水池，两条主管线分别约28.5 km和15 km；B部分的主供水管网在A部分的主供水管网上“T”接。主供水管网沿线平台井站压裂供水，包括昌H2、昌H3和昌H17均在主供水管网上“T”接，各管线高程情况如表5所示。水管线参数计算结果如表6所示。

管线压力降计算公式

式中：hf为排水管线压力降，m水柱；λ为摩阻系数；g为重力加速度，9.81 m/s2；v为流速，m/s；L为管段长度，m。

表5 各管线高程Tab.5 Elevation of each pipeline

表6 水管线水力计算结果Tab.6 Hydraulic calculation results of water pipeline

式中：Q为液体流量，m3/s；d为管线内径，m。

雷诺数采用以下计算公式：

式中：Re为雷诺数；u为液体密度，1 030 kg/m3；μ为液体黏度，取 μ=1.04 mPa·s。

当2 300〈 Re〈105时，λ =0.316 4Re-0.25；

当105〈 Re〈108时，λ =0.003 2+0.221Re-0.237。

根据表6扬程结果，本方案各管线设计参数如表7所示。

表7 水管线设计参数Tab.7 Water pipeline design parameters

3 结束语

为满足页岩气勘探开发需求，通过产业调查分析并结合以往工程实际经验，针对压裂用水提出了一套合理、高效的集中供水方案。该方案能有效调整、规划各区块平台井站投产后的返排液，最大程度地降低清水使用量，解决了各区块水资源缺乏问题。通过合理布置永久管网和临时管网，即缩短了工程建设周期，又减少了工程投资，具有较好的实际应用价值。