北京某典型地區地熱井酸化壓裂增產技術研究

楊淼 林天懿 劉慶 柯柏林

摘? 要：研究區位于雙橋地熱田外圍，地熱勘查資料較少。區內某地熱井井深2800m，熱儲層為薊縣系霧迷山組白云巖，將用于辦公區地熱供暖。但其出水量受制于深部熱儲層滲透性能或沉積物堵塞地熱流體通道等原因，小于鄰近地熱井，亟需引進酸化壓裂增產手段，提高地熱井產能。通過地熱井的成功實施，分析了地熱地質特征，采用實驗室模擬、數值模擬等手段，對酸液濃度、用量、設備選型等工程參數進行了詳細設計，制定了酸化壓裂增產技術方案，指導進行酸化壓裂技術應用，酸化壓裂前后出水量從968m3/d增加至2163m3/d，水溫從43.5℃增加至46℃，實現了出水量增產123%以上，出水溫度增溫2.5℃，增產效果顯著。

關鍵詞：地熱井;碳酸鹽巖熱儲;酸化壓裂;地熱增產試驗

中圖分類號：P314? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2018）04-0014-05

0 前言

地熱能是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源，對地熱能等清潔能源的勘查開發，是能源結構調整和能源行業發展的未來方向（柯柏林，2009）。十三五規劃等國家戰略和重大規劃多次強調要“實施近零碳排放區示范工程”，對地熱資源等清潔能源提出了巨大的需求。但是，地熱資源的高效開發利用往往受制于深部熱儲層滲透性能或沉積物堵塞地熱流體通道等原因，因此，國家能源局頒布《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》，明確提出“要加強地熱能開發利用，研發水熱型地熱系統改造及增產技術”。

北京東部地區位于雙橋地熱田外圍，地熱勘查資料較少。根據已有資料統計，區內地熱井平均出水量1344.55 m3/d，水溫47.5℃。而區內鉆探實施的某地熱井初期產能測試結果顯示，該井出水量968m3/d，水溫43.5℃，各項指標均低于區內平均值，亟待進行增產改造。本次研究酸化壓裂增產技術，疏通碳酸鹽巖含水層，溝通裂隙通道，增大巖石的裂隙，提高儲層導流能力，進而提高地熱井的產能（埃克諾米德斯，2002;劉興浩等， 2011;陳生輝，2010），對地熱能的高效開發利用具有重要的意義。該項技術的成功利用，不僅能滿足地熱開采井增產的需求，對地熱井回灌能力的提升，乃至整個地熱系統的改造也有重要意義，具有進一步研究和推廣的價值。

1 代表井地熱地質特征

1.1 代表井基本情況

本文選定的代表井位于北京東部地區，實鉆井深2800.88m，熱儲目的層為薊縣系霧迷山組，其主要巖性為黃褐色、淺褐色、褐色和深褐色燧石白云巖，其中在2490～2528m和2693～2729m為紫紅色泥質白云巖。“三開”井身結構，取水段為1730～2800.88m，裸眼井段（圖1）。

1.2 地溫場情況

根據前期測井數據（圖2），該地熱井實鉆霧迷山組平均地溫梯度1.04℃/100m。其中，中上段增溫率較低，說明該層段地下熱水資源豐富，對其開展酸化壓裂施工改造，可更大限度地提升出水量，獲取更顯著的改造效果。

1.3 熱儲富水性特征

依據鉆井液消耗記錄及物探測井曲線綜合解釋分析（表1），該井揭露的薊縣系霧迷山組屬于超低滲透致密儲層;裂縫發育差，以III類裂縫為主;富水層段比較分散，總體上由于下部地層層厚較薄且泥質含量高，富水程度較上部弱。

1.4 前期產能測試

該井先后進行了裸眼段泡藥、酸化洗井、氣舉洗井、水泵抽水等洗井工作，抽水試驗結果顯示：水位降深約40m時出水量為968m3/d，水溫43.5℃。與鄰近地熱井相比，產水量較小，為改善熱儲滲流能力，提高地熱產能、回灌能力，決定對該井實施酸化壓裂增產措施。

2 酸化壓裂工程設計

2.1 酸液濃度設計

酸化作用效果受碳酸鹽含量、熱儲溫度、以及酸液濃度影響（羅晴，2012;陳賡良等， 2006;陳凌等，2004）。本次試驗從目標井霧迷山組白云巖熱儲層段取得巖樣26件，模擬井下實際溫度（45℃），進行15%HCl和20%HCl兩種不同濃度條件下的酸化作用對比研究。結果顯示：20%HCl酸蝕效果明顯優于15%HCl，1960m以深酸蝕效果顯著（圖3）。

2.2 酸液用量設計

為了確定酸液用量，利用StimCADE軟件模擬20%鹽酸酸化該井熱儲后的表皮系數變化情況，發現酸液用量在90～100m3之前，表皮系數隨著鹽酸用量增加而逐步降低，達到100m3之后，表皮系數趨于穩定，無明顯效果（圖4）。

2.3 壓裂液作用范圍模擬

對20%HCl酸化壓裂作用距離進行了模擬（圖5），模擬結果顯示，作用距離最遠4m，最小2.3m，作用效果較好。

2.4 工程總體設計

針對該井地熱地質條件，經實驗分析、數值模擬及前期試壓等工作，初步設計酸化壓裂工程方案如下：

（1）設備工藝

本次酸化作業的施工井段為1700m以下裸眼段，投入2臺700型壓裂泵車車組、3臺酸液罐車等設備，采用震蕩壓裂方式，正擠法注酸，擠注壓力不大于10 MPa。按圖6所示結構完成酸化施工管柱，封隔器以下替滿NH4Cl液體。

（2）設計用料

根據前期分析結果，本次工程設計投入施工管柱完成液約20m3，用于保護井管免受腐蝕、穩定井下氣體等;壓裂液為稀釋至20%濃度的鹽酸溶液約100m3，并添加一定劑量的緩蝕劑、助排劑、鐵離子穩定劑、防膨劑等。具體用量如表2所示。

3 酸化壓裂試驗

本次酸化壓裂試驗嚴格按設計執行，施工過程最大瞬時排量1.5m3/min，最大瞬時工作壓力6.5MPa。根據壓力曲線，酸化壓裂共經歷3個過程：第一階段，泵壓逐漸穩定在6MPa、排量穩定在1.2 m3/min，此時以酸化作用為主，在近井地帶蜂窩化，由未被酸蝕的巖石骨架以及孔隙內流體壓力共同平衡地應力，尚未溝通裂縫;第二階段，13：55時壓力曲線突然下降，反映酸蝕進一步加強后，骨架整體抗壓強度降低，沿最大主應力方向產生坍塌，形成小范圍的徑向裂縫，但由于裂縫空間小，很快被流體充填，壓力再次回升到之前的水平;第三階段，圧力曲線穩定6MPa，排量逐漸增加至1.5 m3/min，說明進一步擴大了儲層天然裂隙，增強了滲流能力，酸化效果較好。

酸化壓裂技術對該井起到了很好的增產效果，抽水試驗顯示：水位降深36m，出水量2163 m3/d，較壓裂前增加了123%;出水溫度46℃，較壓裂前增加了2.5℃，實現了地熱井產能的大幅提升。酸壓后，該井可為辦公區7.8萬m2的建筑面積提供供暖調峰，較酸壓前新增約4.6萬m2，大大提高了辦公區的可再生能源利用率，為創建“近零碳排放示范區”提供技術保障。

4 結論

（1）根據鉆探、測井、產能測試資料，詳細了分析北京東部地區某地熱井地熱地質特征，為酸化壓裂工程設計及施工提供前期基礎數據支撐。

（2）采用實驗、軟件模擬手段，確定了酸化壓裂液的濃度、用量等參數，設計了工程的主要技術指標;在此基礎上對該地熱井實施了酸化壓裂試驗，增產后，出水量2163m3/d，較增產前的968 m3/d增加了123%以上，是區內地熱井平均出水量的1.61倍;出水溫度46℃，也較增產前增加了2.5℃;可為辦公區7.8萬m2的建筑面積提供供暖調峰，較改造前新增約4.6萬m2，大大提高了區域可再生能源利用率。

（3）試驗結果證明，酸化壓裂技術是以碳酸巖為熱儲的地熱井增產改造的有效手段，可在同類型地區推廣應用。

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