北京通州地区地热井酸化压裂增灌试验研究

2019-09-10李文孔祥军袁利娟高剑沈鹏飞冯浩郝伟俊何云成

城市地质 2019年4期

李文　孔祥军　袁利娟　高剑　沈鹏飞　冯浩　郝伟俊　何云成

摘要：提高地热井回灌能力是实现地热资源高效可持续开发利用的先决条件。本文选取北京市通州地区蓟县系雾迷山组白云岩热储地热井（京通4号），进行酸化压裂试验前后的回灌能力对比研究。通过在酸化压裂试验前后进行抽水和回灌试验，判断酸化压裂技术对回灌能力的影响。结果表明，京通4号地热井在经过酸化压裂试验后，单位涌水量增加了约1.73倍，单位回灌量增加了约3.9倍，回灌量增加了约1.4倍，且回灌量占涌水量的比值也由压裂前的63.03%增加到压裂后的66.54%。通過进一步计算，可得出在酸化压裂试验后，单位回灌量与单位涌水量的比值为0.63。该比值与北京地区小汤山地热田蓟县系热储的实际回灌经验值对比，达到回灌经验要求的标准，证明回灌效果良好，说明酸化压裂技术增灌效果显著，值得在同类型区域内推广应用。

关键词：地热井;酸化压裂;抽水试验;回灌试验

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）04-0043-06

Abstract： Improving the reinjection capacity of geothermal wells is a prerequisite for efficient and sustainable exploitation and utilization of geothermal resources. We chose a geothermal well （Jingtong-4） to conduct a comparative study on the reinjection capacity before and after acid fracturing test， which reservoirs are located at the Wumishan Formation of Jixian System. Through pumping and reinjection tests before and after acid fracturing test， we can evaluate the influence of acid fracturing technology on the reinjection capacity. The tests results show that after the acid fracturing test， the specific capacity of Jingtong-4 geothermal well increases by about 1.73 times， the specific quantity of reinjection increases by about 3.9 times， and the quantity of reinjection increases by about 1.4 times. In addition， the ratio of reinjection to water inflow increases from 63.03% to 66.54%. Through further calculation， it can be concluded that the ratio of the specific quantity of reinjection and the specific capacity is 0.63 after acid fracturing test. By comparing this ratio with the actual reinjection empirical value of the reservoirs at Jixian System in the Xiaotangshan geothermal fields， the result meets the standard of reinjection experience requirements. It proves that the acid fracturing technique has a significant effect on increasing reinjection and this technique is worth popularizing and applying in the same area.

Keywords： Geothermal well; Acid fracturing test; Pumping test; Reinjection test

0 前言

党的“十九大”指出，现阶段应加紧推进生态文明建设，践行绿色发展理念，这对清洁能源的发展提出了更高要求。《地热能开发利用“十三五”规划》中指出地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。地热资源的利用对缓解我国能源资源压力，实现非化石能源目标，促进生态文明建设具有现实意义和长远的战略意义（梁静等，2016）。

地热资源优势很大，但也存在形成历史漫长，地热水补给途径远，径流缓慢，再生能力较弱等劣势特点（高宗军等，2009）。而地热资源的利用常以集中开采的方式出现，当持续开采或开采强度逐渐增大时，会出现补给能力小于开采强度，发生热储压力下降等不良地质环境问题。在保持地热田的可持续开发方面，地热回灌是积极、有效的措施。地热回灌是一种避免地热废水直接排放引起的热污染和化学污染的措施（刘久荣，2003），在使热田热储压力得到抬升的同时，还能利用热储岩石骨架中的热量（潘小平，2005），充分利用地热资源。而诸如热储地层的岩性、岩石颗粒大小、岩石颗粒之间的空隙大小、地层的孔隙度和渗透率等因素均会直接影响地热井的回灌能力（高志娟等，2012）。由于影响地热井回灌的因素较多，常规的回灌方法受限于深部热储渗透性能或沉积物堵塞地热流体通道等原因的影响（杨淼等，2018），会有地热井回灌效果不理想的情况出现。前人针对蓟县系雾迷山组热储回灌能力进行了相关研究，但主要着重回灌机理等方面的研究（潘小平，2007）。

本文以探索酸化压裂热储改造对提高地热井回灌能力为研究目的，结合北京市以碳酸盐岩类水热型地热为主的实际特点，有针对性的选取热储以碳酸盐岩地层为主的典型区域，对区域内地热井在酸化压裂试验前后的回灌能力进行比较，分析酸化压裂在热储为蓟县系雾迷山组白云岩地层时对地热回灌的具体影响，探索可提高地热井的回灌能力的实际方法。本次研究对提高地热资源高效、可持续化发展利用具有重要意义。

1 试验地热井概况

1.1 地熱地质条件

试验地热井（京通4号）位于北京平原的东部，其大地构造位置处于华北断拗（II级构造单元）大兴迭隆起（III级构造单元）东北部，主要断裂构造有南苑-通县断裂、张家湾断裂、燕效断裂等断裂（北京市地质矿产局，1991），该区处于双桥地热田的东南部。区域内主要热储为蓟县系雾迷山组，中低温地下热水资源丰富。京通4号地热井位于张家湾断裂的东北侧，燕郊断裂的东南侧。该地热井实钻深度为2800.88m，钻井揭露地层层序为第四系、蓟县系铁岭组、洪水庄组、雾迷山组。热储为蓟县系雾迷山组，储层的主要岩性为黄褐色、浅褐色、褐色和深褐色的白云岩及硅质白云岩，底部可见紫红色泥质白云岩。地热井为“三开”井身结构，取水段为1730～2800.88m，是蓟县系雾迷山组下部层段地层，裸眼成井（图1）。该井在取水井段钻进过程中，未发生明显的钻井液消耗漏失情况，表明热储构造裂隙不发育。

1.2 前期抽水及回灌能力测试

（1）抽水试验

该地热井采用膨润土泥浆正循环钻进工艺，完井后再经过清水替浆洗井、浸泡三聚磷酸钠-压风机气举-水泵抽水联合洗井、盐酸酸化-压风机气举-水泵抽水联合洗井等洗井工作后，进行抽水试验。抽水试验结果显示：当水位降深为40m时，涌水量为951.87m3/d，单位涌水量为23.80m3/d·m，具体数据结果见表1。

（2）回灌试验

回灌试验在常压条件下进行，回灌采用工作区内凉水井作为回灌水源，该回灌水源为第四系浅层地下水，水温15℃。为避免热储被污染，在回灌试验前采集回灌水样进行分析测试，未发现明显污染因素，符合回灌试验要求。回灌数据结果显示：回灌前的静止水位埋深为66m，当回灌量为25m3/h时，水位抬升至地面，单位回灌量为9.09m3/d·m，具体数据见表2。

（3）回灌能力分析

通过对抽水试验和回灌试验的数据计算分析可知，京通4号地热井的涌水量和回灌量的数值都相对较小，单位回灌量占单位涌水量的38.19%，远低于北京小汤山地热田蓟县系热储实际回灌经验中回灌效果良好的数值。说明京通4号地热井蓟县系雾迷山组取水段热储富水性较差，与实钻地层层位构造裂隙不发育情况相一致。该地热井的回灌效果相对较差，回灌能力较低，具有对其进行酸化压裂以提高回灌能力试验研究的客观需求。

2 酸化压裂抽灌试验

2.1 酸化压裂试验

根据京通4号地热井测井等相关具体情况，本次酸化压裂试验选择普通酸化压裂技术，并严格按照设计方案进行。其主要作业流程包括：前置液预处理井壁及地层、主体酸充分改造地层并连同天然裂隙系统、后置液顶替，其中前置液采用浓度为3%的NH4Cl溶液，形成酸性环境;主体酸采用浓度为20%的盐酸进行酸化，采用阶梯升排量的方式泵入，总用量为1000mL;后置液则采用清水，起到顶替作用。此次酸化压裂试验投入2台700型压裂泵车车组、3台酸液罐车等设备，酸化作业井段为1700m以下的裸眼段，采用震荡压裂方式，在试压正常后，以正挤法注酸，稳定酸液排量为1.5m3/min，最大瞬时工作压力为6.5MPa。压力在5～6MPa范围内变化，表明发生了小尺度的地层破裂，产生了新的裂缝，对热储的渗透能力起到了改善作用。在整个酸化压裂试验后，采用压风机气举的方法将地热井中反应后剩余的酸液进行了彻底排出，达到了下一步进行抽水试验的要求。

2.2 酸化压裂效果测试

（1）抽水试验

在酸化压裂试验后，再次对京通4号地热井进行抽水试验，并保证此次抽水试验的相关条件与前期抽水测试的条件一致。抽水试验共进行3个落程的稳定试验，分大、中、小3个流量，其中大流量抽水试验涌水量为2163m3/d，中流量抽水试验涌水量为1616m3/d，小流量抽水试验涌水量为968 m3/d，具体抽水试验结果见表3。

（2）回灌试验

在抽水试验后，对京通4号地热井再次进行回灌试验。此次回灌试验保持与前期回灌试验的回灌水源及其他回灌条件相同，回灌试验共进行了3个落程的试验，具体回灌试验数据见表4。

回灌试验的3个落程对应小、中、大3个回灌量，具体流量分别控制在18m3/h（421m3/d）、35m3/h（834m3/d）、60m3/h（1440 m3/d）。参照回灌试验数据绘制京通4号地热井回灌量、单位回灌量与水位抬升关系（图2、图3），其中大流量回灌较符合地热井的实际利用及回灌情况，而在大流量的回灌试验中，京通4号地热井的回灌量为1440m3/d，回灌稳定动水位为30.3m，水位上升32.3m。在保持一定量的水头上升的基础上，京通4号地热井零压力条件完成了100%回灌。

3 地热井回灌效果分析

通过对试验数据的计算分析可知（表5），在酸化压裂试验后，京通4号地热井的涌水量及回灌量较酸化压裂试验前的数值均有明显增加。其中，单位涌水量由压裂前的23.80m3/d·m增加到压裂后的56.75m3/d·m，增加了约1.4倍。涌水量由压裂前的951.87m3/d增加到压裂后的2163.80m3/d，增加了约1.73倍。单位回灌量由压裂前的9.09m3/d·m增加到压裂后的44.6m3/d·m，增加了约3.9倍。回灌量由压裂前的600m3/d增加到压裂后的1440m3/d，增加了约1.4倍。且回灌量占涌水量的比值也由压裂前的63.03%增加到压裂后的66.54%。

根据北京地区小汤山地热田蓟县系热储的实际回灌经验，当回灌效果良好时，单位回灌量与单位涌水量的比值应在0.6～0.7范围内。当京通4号地热井回灌量为1440m3/d（60m3/h）时，单位回灌量为44.6m3/d·m。而当京通4号地热井涌水量为1440m3/d（60m3/h）时，依照Q =f（s）关系曲线计算，此时单位涌水量为70.3m3/d·m，则京通4号地热井单位回灌量与单位涌水量的比值为0.63，在实际回灌经验回灌效果良好的范围内。综上所述，酸化压裂对该地热井起到了较好的增灌作用。

4 讨论

目前，酸化压裂技术主要应用于石油等方面，在地热领域的相关应用不甚广泛，针对不同地质条件的实际作用仍需进一步探索。本文主要通过对通州地区碳酸盐岩地层地热井在酸化压裂试验前后的回灌情况进行比对，为酸化压裂在地热领域的应用提供一定的理论依据。结果表明：在碳酸盐岩地层中，酸化压裂技术在简单的盐酸洗井基础上，制定了更为合理的酸化方案，对深部储层具有更强的针对性，可减少盐酸对钻具等的腐蚀作用。压裂作用则具有连通储层裂缝，扩大储层裂缝体积的作用，且在压裂过程中可推动主体酸作用到储层裂缝更深入的位置，不仅可解除近井污染，更能提高对储层裂缝壁面的刻蚀范围及程度，真正意义上的对储层进行改造，进而达到提升地热井回灌能力的目的。在工程成本方面，普通酸化压裂技术成本较低，在碳酸盐岩储层中所产生的实际效果较好，具有较好的可行性。

5 结论

通过对酸化压裂试验前后回灌能力的分析比较，主要取得以下结论：

（1）将京通4号地热井在酸化压裂试验前后的涌水量及回灌量进行比较。酸压后，涌水量为2163.80m3/d，较酸压前的951.87m3/d增加了127%以上;回灌量为1440m3/d，也较酸压前的600m3/d增加了140%，说明酸化压裂技术具有显著的增产增灌效果。

（2）通过对京通4号地热井的研究，推断在研究区内具有相同地质条件的地热井，在无压回灌条件下的回灌能力相对较差，常规的地热回灌技术手段难以满足区域内地热资源高效、可持续的开发利用需求，应进行酸化压裂热储改造，以提升区域内地热井回灌能力，优化地热资源的利用。

（3）依据试验研究结果，针对以碳酸盐岩为热储的回灌能力较差的地热井，酸化压裂技术具有提高地热井回灌能力的作用，应在结合实际情况的前提下，在同类型碳酸盐岩热储地区推广应用。

（4）为了更好的改变地热井回灌效果，提高回灌能力，应加强回灌机理的研究，制定合理的回灌方案，保障经济高效的地热回灌，从而将回灌效应最大化。

参考文献

北京市地质矿产局，1991.北京市区域地质志[M].北京：地质出版社.

高宗军，郭加朋，李哲，等，2009.东营市城区地热储人工回灌条件及分区研究[J].地下水，31（5）：4-8.

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梁静，郭全成，2016.河南新乡地热回灌试验及可行性分析[J].黄河水利职业技术学院学报， 28（3）：38-41.

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