裂缝方位和注入速度对裂缝热储回灌水微观渗流规律影响研究

杜 利，赵 磊，乔 勇，聂法健，刘浩成

(1.中国石化新星公司新能源研究院，河南 郑州 450000； 2.长江大学石油工程学院，武汉 蔡甸 430100)

地热资源是世界第三大清洁能源，其开发与有效利用对我国节能减排具有重要意义[1-2]。回灌技术为开采地热资源的一种重要措施，能够缓解地下水位下降速度，提高地热资源的利用率，已经被用于开采裂缝热储储层的地热资源[3-5]。回灌流体在裂缝热储中渗流过程和规律复杂，渗流受到多种因素影响，如基质渗透率和孔隙度、裂缝方位等。回灌水如何在裂缝中渗流及回灌水的注入方向和注入速度对回灌水的微观渗流规律影响如何，对裂缝热储的回灌开发具有重要影响。室内岩心流动实验方法被常用于研究分析流体在孔隙介质和裂缝介质中流动规律，然而，裂缝热储天然岩心不好获取，同时岩心不具有可视化特征，不能很好直观的分析回灌水的微观渗流规律和波及特征。因此，本文采用染色示踪技术方法，利用图像处理软件定量分析裂缝热储回灌水的波及面积。基于流体在热储中的波及范围指标，研究了裂缝方位和注入速度对裂缝热储回灌水的微观渗流规律影响，为合理高效开发裂缝热储提供理论支持。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

(1)试验材料：亚甲基蓝溶液，蒸馏水(实验室自制)，地层水，无水乙醇。

(2)试验仪器：4cm×4cm的可视化微观刻蚀模型，烘箱，ISCO恒压恒速泵，Sartorius精密电子天平，循环水式多用真空泵。

1.2 试验方法

1.2.1 注入方向与裂缝夹角对波及面积的影响

模拟回灌措施，研究不同裂缝方向下回灌水的宏观渗流规律及温度场分布特征。本次实验将从注入方向来研究回灌水在裂缝中的流动走向，探讨其渗流规律。首先配制有效含量为1%的亚甲基蓝溶液，其次以不同的注入方向(与裂缝夹角0°、45°和90°)注入可视化微观刻蚀模型，利用高清摄像机录制回灌水的流动过程，分析回灌水与裂缝发育角度对回灌水微观渗流规律影响。

1.2.2 不同注入速度对波及面积的影响

模拟回灌措施，研究不同注入速度下回灌水渗流规律及温度分布场特征。本次实验将从注入速度方面来研究回灌水在裂缝中的流动走向，探讨其规律。首先配置有效含量为1%的亚甲基蓝溶液，其次以不同的注入速度(0.01mL/min、0.02mL/min、0.04mL/min)按照同一裂缝角度注入可视化微观刻蚀模型，利用高清摄相机录制回灌水的流动过程，分析回灌水与注入速度对回灌水微观渗流规律的影响。

2 结果与讨论

回灌水的渗流受到多种因素的影响，本文中采取单一变量法，研究了注入方向与裂缝夹角对回灌水波及面积的影响，还研究了不同注入速度对回灌水波及面积的影响。

2.1 裂缝方位对回灌水在微观刻蚀模型中渗流波及面积的影响研究

调整注入方向，使注入方向与裂缝夹角成0°，45°，90°，以0.01mL/min向微观刻蚀模型中注入回灌水，利用高清摄像机进行拍摄，再使用Adobe photoshop cc 与image pro进行图像处理，如图1所示。

图1 不同注入方向与裂缝夹角对回灌水波及面积影响

由图1可知随着注入方向与裂缝夹角增加，回灌水无法沿优势通道渗流突进，水窜因素减弱，从而使得回灌水的波及面积增加。因此，基于以上的原因，增加注入方向与裂缝的夹角，可以有效提高回灌水的波及面积。

2.2 注入速度对回灌水在微观刻蚀模型中渗流波及面积的影响研究

调节注入速度，以0.01mL/min、0.02mL/min、0.04mL/min的速度向同一角度微观刻蚀模型的裂缝注入，利用高清摄像机进行拍摄，再使用Adobe photoshop cc 与image pro进行图像处理，如图2至图4所示。根据不同注入速度和裂缝方位下的回灌水的波及面积情况，如图5所示。

(1)注入方向与裂缝夹角：0°

(2)注入方向与裂缝夹角：45°

图3 不同注入速度下对回灌水波及面积影响(注入方向与裂缝夹角45°)

(3)注入方向与裂缝夹角：90°

图4 不同注入速度下对回灌水波及面积影响(注入方向与裂缝夹角90°)

同一裂缝方位时，提高回灌水的回灌速度，可以增加其波及面积。在裂缝方位为0°与45°时，提高回灌速度由0.01mL/min至0.02mL/min时，两者波及面积提高幅度较大；但由0.02mL/min至0.04mL/min时，波及面积提升并不明显。而裂缝方位为90°时，提高回灌速度由0.01mL/min至0.02mL/min时，波及面积变化并不明显，而回灌速度由0.02mL/min至0.04mL/min时，回灌水的波及面有大幅度提升。由此可以推断，当回灌水注入方向与裂缝夹角为0°与45°时，回灌井与开采井的直线距离与地层中的优势通道对其影响较大，当回灌水的速度达到一定量时，提升回灌水的注入度已经无法显著的提升回灌水在地层的波及面积。当回灌水注入方向与裂缝夹角为90°时，由于回灌水不在受到优势通道的影响，回灌水的流速成为影响波及面积的最大因素。

图5 不同注入速度与裂缝方位的波及面积

3 结论

(1)随着地热回灌水的注入方向与地层中裂缝的夹角增加，回灌水无法由裂缝形成的优势通道处突进，从而增大了回灌水的波及面积，水窜因素减弱，很大程度上减小了波及面积的损失。

(2)地热回灌水在不改变注入方向与裂缝形成的夹角时，随着注入速度的提高，回灌水的波及面积有明显提高，当回灌水注入方向与裂缝夹角90°时，回灌水的波及面积最大且效果最好。

(3)当回灌水注入方向与裂缝夹角为0°与45°时，回灌井与开采井的直线距离与地层中的优势通道对其影响较大，当回灌水的速度达到一定量时，提升回灌水的注入度已经无法显著的提升回灌水在地层的波及面积。当当回灌水注入方向与裂缝夹角为90°时，由于回灌水不在受到优势通道的影响，回灌水的流速成为影响波及面积的最大因素。在裂缝与注入方向的夹角较大时，回灌井与开采井的距离对回灌水的热突破起到的因素已经小于提高流速所产生的影响因素。