水力喷射径向水平井回灌增注特性可视化试验研究

李敬彬，程 康，胡静茹，黄中伟，王海柱

（中国石油大学（北京） 油气资源与探测国家重点试验室，北京 102249）

0 引言

随着能源消耗的增长和环境问题的日益严峻，能源结构的优化和转型势在必行。地热能具有规模巨大、清洁环保、运行稳定、维护成本低的优点［1-4］，有助于我国的低碳发展。我国拥有多个地热盆地，蕴藏着丰富的砂岩型地热资源［5］，其中华北和关中平原砂岩热储得到广泛开发［6-9］。水热型砂岩热储地热开采过程中实现100%回灌是业界共识，然而，我国大多数砂岩地热储层的粘结强度较弱，在地热能循环水开采过程中，经常发生严重的地层堵塞，显著降低了回灌率［10-13］，导致地下水位降低、采出水污染环境等生态问题。因此，为了充分开发地热资源，亟需探寻高效经济的回灌方式。

根据实际的地层堵塞来源，堵塞可分为物理、化学、生物堵塞［10，14］，其中颗粒迁移堵塞是最常见的物理堵塞方式［11，15］。为了研究孔隙堵塞的条件，众多学者通过开展室内试验［16-17］和数值模拟［18-19］的方法来研究油田的砂破坏过程。为了研究悬浮颗粒种类对颗粒迁移堵塞的影响，前人通过室内试验探究了多种悬浮粒子如凝胶颗粒［20］、聚合物微球［21］、氧化铝颗粒［22］等。ROQUE 等［23］通过室内试验研究了注入颗粒尺寸对储层堵塞和渗透率损害的影响；BENNACER 等［24］研究了不同流速下悬浮颗粒迁移沉积分布的规律；CUI等［10］通过数值模拟探究了不同注入悬浮颗粒浓度下的颗粒迁移堵塞和回灌速率影响规律；VALDES 等［25］建立了研究径向流中堵塞的可视化模型，成功观察到了颗粒堵塞最终形成自稳定的圆环状；YERRAMILLI 等［26］通过岩心驱替试验，最终观察到颗粒运移被限制在离核心注射端一定范围内。上述研究结果均表明在多孔介质中，颗粒运移堵塞是突出的问题，限制了砂岩回灌技术的进一步发展。

水力喷射径向水平井技术（简称径向井技术），是指在垂直井眼内沿径向钻出一口或多口周向分布的水平井眼［27-28］，形成一层多支、一井多层的高速流体运移路网，径向井可增大与储层接触面积，增大导流能力，提高生产率［29-30］。针对砂岩热储回灌难题，提出利用径向水平井提供优势通道，增大泄流面积，减缓近井地带堵塞，有望恢复并保障高效回灌。因此，本文设计了模拟砂岩回灌可视化试验系统，开展了径向井可视化回灌试验，联合IMAGEJ 软件［31］，探究了流量对颗粒运移的影响规律以及径向井分支数对于颗粒运移的影响规律。研究结果有望为径向水平井技术应用于砂岩回灌过程中提供有效的理论支撑。

1 模拟砂岩回灌可视化试验

1.1 试验装置

为了探究砂岩回灌过程中储层颗粒在近井地带运移的规律，以及径向井在砂岩回灌过程中增产增注的机理，设计了模拟砂岩回灌可视化试验系统，本试验在室温环境下进行，如图1 所示，试验系统组成：（1）驱动注入模块；（2）回灌模拟模块；（3）图像记录和数据采集模块。其中蠕动泵的最大驱动压力为0.3 MPa，最大驱动流量为3 L/min；蠕动泵可以调节注入流量，其中蠕动泵装有485 个模块，可与电脑连接进行流量的远程记录，流量调节精度为0.01 mL/min。

图1 模拟砂岩回灌二维可视化试验系统Fig.1 Two-dimensional visualization experimental system for simulating sandstone recharge

1.2 试验材料

为了增强可视化效果，采用透明圆盘模拟储层，半径为125 mm，高度为20 mm［25］。采用半径在1.0～1.5 mm之间均匀分布的玻璃微珠代替实际的砂岩放入透明圆盘中［11，20］，玻璃微珠总质量为1.5 kg。采用直径为107 μm 的桔红色砂作为示踪粒子［15］，用于模拟弱胶结储层中地层出砂。将一定量示踪粒子放入混合腔中，与水充分混合后，通过高压流体驱动泵注入透明圆盘中，模拟弱胶结储层回灌过程。观察注入结果，探究实际注入过程中示踪粒子的运移与堵塞情况。

为了研究径向井分支数对于颗粒堵塞情况的影响，制作了无径向分支中心井、两径向分支中心井、三径向分支中心井、四径向分支中心井（如图2 所示），单个径向分支的长度为120 mm，每个径向分支两侧的小孔错位分布。

图2 中心井分支情况Fig.2 Central well branch situation

1.3 试验方案设置

本研究中采用的试验材料为未固结的玻璃微珠，根据Al-Ibadi 等的研究，采用多孔介质的圆形孔喉模型来估计孔喉尺寸为［32］：

式中，DT为孔喉直径；Dg为样品的平均粒径；ϕ为多孔介质的孔隙率；ρ为堆积密度；ρa为表观密度。

本次试验材料粒径范围在1.0～1.5 mm 均匀分布，Dg取平均值为1.25 mm，计算得孔隙率ϕ为0.388，则孔喉尺寸DT为0.166 mm，结合注入颗粒与孔喉的匹配关系，示踪砂直径为Dp＞1/2Dt，属于具有迁移能力的细砂［15］。

为探究径向井分支对颗粒运移堵塞的影响，设计了两类试验：第一类是中心井无径向分支的试验，用以探究不同注入流量颗粒运移堵塞特性；第二类是加入径向分支的试验，用以探究不同径向分支数颗粒运移堵塞特性，具体试验方案见表1。每次试验运行后，将玻璃微珠从透明圆盘中取出，然后洗涤并干燥，以便在下一次试验中继续使用。

表1 试验方案设计Tab.1 Experimental design

2 试验结果及分析

2.1 中心井回灌颗粒运移堵塞情况

以示踪粒子质量为2.0 g、注入时间1 min、初始注入流量为900 mL/min 状态注入的试验结果［33］，对无径向分支中心井砂岩回灌过程中颗粒运移和堵塞规律进行探究性研究。试验结果如图3 所示，在仅有中心井的条件下，示踪粒子主要集中在以中心井为圆心的一个圆形区域内，随着排量的增大，示踪粒子运移距离增大，当排量继续增大，本研究条件下注入流量为3 000 mL/min 时，圆形堵塞带转变成为环形堵塞带。

图3 无径向分支中心井堵塞半径随着回灌流速变化影响范围的变化Fig.3 The influence range of central well without radial horizontal well plugging radius changes with the change of recharge velocity

从图3 可看出，在仅有中心井的透明圆盘注入试验中，示踪粒子均从中心井处均匀向四周运移，并形成近似为圆形的堵塞带，采用运移等效半径R 对其进行测量描述。等效半径计算式为：式中，R 为运移等效半径；S 为颗粒运移堵塞总面积，采用IMAGEJ 软件，描绘出图中边缘部分，即可自动识别范围求得堵塞总面积。

通过对注入流量与运移等效半径的线性拟合，得到的结果如图4 所示。

图4 运移半径随注入流量变化关系Fig.4 Change of migration radius with injection flow

随着注入流量的增大，颗粒的运移等效半径都随之线性增加。注入流量与堵塞面积的变化关系也符合线性拟合，如图5 所示。此外，从图3（f）可以观察到，当注入流量为3 000 mL/min 时，圆形堵塞带转变成为环形堵塞带。这表明当注入流量在2 100～3 000 mL/min 之间时，颗粒运移范围会继续增加，近井地带的沉积颗粒会再次沿径向运行移动，后续会开展相关试验，研究由圆形堵塞向环形堵塞过渡的流量范围。

图5 堵塞面积随注入流量变化关系Fig.5 The plugging area varies with the injection flow rate

2.2 径向井对颗粒运移堵塞情况的影响分析

以示踪粒子质量为5.0 g、注入时间为1 min、注入流量为1 200 mL/min 状态注入的试验结果，对砂岩回灌过程中径向井影响颗粒运移堵塞机理进行研究，试验结果如图6 所示。

图6 注入流量为1 200 mL/min 时示踪粒子运移堵塞各径向分支情况Fig.6 When the injection flow rate was 1 200 ml/min，the tracer particles migrated and blocked each radial branch

为了更加直观地显示示踪粒子堵塞情况，通过IMAGEJ 软件对试验图像进行灰度值处理，得到图像如图7 所示，其中正面堵塞带为玻璃圆盘注入端口所在平面，反面堵塞带即其背面。正面和背面堵塞带差异较大的原因是颗粒在多孔介质中发生运移，在重力作用下最终在多孔介质中产生沉积，更多颗粒在玻璃圆盘的反面形成堵塞带。

图7 IMAGEJ 灰度值法处理示踪粒子颗粒运移堵塞各径向分支情况Fig.7 The movement of tracer particles blocked each radial branch through IMAGEJ gray-scale value method

在相同注入流量下，无径向分支中心井情况下，示踪粒子呈圆环状分布；当径向井存在时，可以观察到透明圆盘的正反两面，其堵塞分布情况改变明显，示踪粒子主要沿着径向井两侧分布，且靠近主井筒附近堵塞较为严重，径向井末端堵塞较轻，整体呈现锥形分布，相较于无径向井条件，堵塞面积增大，但从图中灰度值变化情况可以看出其堵塞程度降低；随着径向分支数量的增加，堵塞形态变化较大，基本与径向分支分布形态一致，但分支末端堵塞更少，即堵塞形状锥形更加尖锐，总体来说堵塞面积增大，但堵塞程度均有所降低。注入示踪粒子的质量固定，在整个储层中，堵塞总面积的增大，说明颗粒堵塞程度的减小，规定相对堵塞降低率η的计算公式为：

式中，Si为含有i 个径向井分支的中心井堵塞总面积，i 可取0，2，3，当i 取0 时，令Si+1=S2。

相对堵塞降低率计算得到的为第i+1 个相对于第i 个径向井分支的减堵效果。经计算得到两径向井分支、三径向井分支、四径向井分支的反面相对堵塞降低率分别为78.2%，29.9%，14.5%。这说明加入径向井分支后，堵塞面积会增大，堵塞程度会大幅降低，且径向分支数越多，堵塞程度降低效果越好。

3 讨论

示踪粒子在多孔介质中受到流体拖曳力和孔隙阻力示意如图8 所示。对于仅有中心井的情况，当拖曳力大于孔隙阻力时，在流体的携带作用下，示踪粒子会克服孔隙阻力从近井地带运移到远井地带，随着运移距离的增加，流体速度降低，拖曳力减小，逐渐小于孔隙阻力，最终示踪粒子会在距离中心井一定距离处停下。随着远处颗粒的堆积，示踪粒子在孔喉处产生架桥现象，流体流动通道发生堵塞，最终形成圆形堵塞带。可见注入流量越大，流体携带能力越强，流体对示踪粒子的拖曳力越大，示踪粒子运移的距离越远，形成的圆形堵塞带半径越大，对应的堵塞面积越大。

图8 改变流量前、后示踪粒子受力示意Fig.8 Schematic diagram of tracer particle forces before and after changing flow rate

在中心井加径向分支的情况下，径向井可为流体提供优势通道［34］，如图9 所示。在优势通道的导流作用下，示踪粒子优先通过径向井运移，由于地层的吸液能力，在流体的携带下示踪粒子主要沿着径向井分布，且单分支井从根端到趾端流量由大到小，当拖曳力小于孔隙阻力，示踪粒子慢慢沉积堵塞，最终示踪粒子沿径向水平井两侧呈锥形分布。

在注入流量一定的情况下，增加径向分支前、后示踪粒子受力如图10 所示。随着径向分支数的增加，优势通道数量增加，泄流面积增大，单分支井中流体的流速降低，对粒子的携带能力减弱，因此，单分支井中的示踪粒子沿中心井径向和周向运移距离减小，对应颗粒堵塞范围减小，堵塞区域展现出细长锥形形态。可以证明，径向井的存在对近井地带流场影响较大，可增大泄流面积，减少储层堵塞程度；而且径向井可降低近井地带最高流速，在弱胶结储层回灌过程中，还可降低或避免弱胶结储层破坏出砂，从而减小储层损害和污染。

图10 增加径向分支前、后示踪粒子受力示意Fig.10 Schematic diagram of the force acting on tracer particles before and after adding radial branches

4 结论

目前砂岩回灌存在地层孔喉堵塞导致回灌效率低的问题，本文提出利用径向水平井来减缓堵塞提高回灌效率的新思路，基于模拟砂岩回灌可视化试验系统，用粒径为1.0～1.5 mm 的玻璃微珠代替实际的砂岩岩样，采用直径为107 μm 的桔红色砂作为示踪粒子，进行径向井回灌特性规律研究。

（1）可视化回灌模拟试验表明，在仅有主井筒条件下，示踪粒子堵塞区域主要呈现圆形。当流量在900～2 100 mL/min 之间时，随着注入流量的增加，示踪粒子的运移半径和堵塞面积都呈增大趋势；当流量在2 100～3 000 mL/min 之间时，示踪粒子的运移半径和堵塞面积依然增大，但是堵塞形状转变成为圆环形。

（2）径向井可为流体提供优势通道，在径向井存在的条件下，示踪粒子的堵塞形状由原来的圆环形堵塞变为沿着径向井分支分布的锥形堵塞，且从径向井根端到趾端堵塞程度呈降低趋势。

（3）在注入流量一定的情况下，随着径向井分支数的增加，单分支井堵塞面积呈减小趋势，形态为细长锥形；堵塞总面积呈增大趋势，但相对堵塞程度降低，证明径向井技术有利于减少储层堵塞。

（4）试验与理论分析表明，径向井的存在对近井地带流场影响较大，可增大泄流面积，减少储层堵塞程度；而且径向井可降低近井地带最高流速，在弱胶结储层回灌过程中，可降低或避免弱胶结储层破坏出砂，从而减小储层损害和污染。