北京通州地區地熱井酸化壓裂增灌試驗研究

李文　孔祥軍　袁利娟　高劍　沈鵬飛　馮浩　郝偉俊　何云成

摘? 要：提高地熱井回灌能力是實現地熱資源高效可持續開發利用的先決條件。本文選取北京市通州地區薊縣系霧迷山組白云巖熱儲地熱井（京通4號），進行酸化壓裂試驗前后的回灌能力對比研究。通過在酸化壓裂試驗前后進行抽水和回灌試驗，判斷酸化壓裂技術對回灌能力的影響。結果表明，京通4號地熱井在經過酸化壓裂試驗后，單位涌水量增加了約1.73倍，單位回灌量增加了約3.9倍，回灌量增加了約1.4倍，且回灌量占涌水量的比值也由壓裂前的63.03%增加到壓裂后的66.54%。通過進一步計算，可得出在酸化壓裂試驗后，單位回灌量與單位涌水量的比值為0.63。該比值與北京地區小湯山地熱田薊縣系熱儲的實際回灌經驗值對比，達到回灌經驗要求的標準，證明回灌效果良好，說明酸化壓裂技術增灌效果顯著，值得在同類型區域內推廣應用。

關鍵詞：地熱井;酸化壓裂;抽水試驗;回灌試驗

中圖分類號：P314? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：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

黨的“十九大”指出，現階段應加緊推進生態文明建設，踐行綠色發展理念，這對清潔能源的發展提出了更高要求。《地熱能開發利用“十三五”規劃》 中指出地熱能是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔環保、穩定可靠等特點，是一種現實可行且具有競爭力的清潔能源。地熱資源的利用對緩解我國能源資源壓力，實現非化石能源目標，促進生態文明建設具有現實意義和長遠的戰略意義（梁靜等，2016）。

地熱資源優勢很大，但也存在形成歷史漫長，地熱水補給途徑遠，徑流緩慢，再生能力較弱等劣勢特點（高宗軍等，2009）。而地熱資源的利用常以集中開采的方式出現，當持續開采或開采強度逐漸增大時，會出現補給能力小于開采強度，發生熱儲壓力下降等不良地質環境問題。在保持地熱田的可持續開發方面，地熱回灌是積極、有效的措施。地熱回灌是一種避免地熱廢水直接排放引起的熱污染和化學污染的措施（劉久榮，2003），在使熱田熱儲壓力得到抬升的同時，還能利用熱儲巖石骨架中的熱量（潘小平，2005），充分利用地熱資源。而諸如熱儲地層的巖性、巖石顆粒大小、巖石顆粒之間的空隙大小、地層的孔隙度和滲透率等因素均會直接影響地熱井的回灌能力（高志娟等，2012）。由于影響地熱井回灌的因素較多，常規的回灌方法受限于深部熱儲滲透性能或沉積物堵塞地熱流體通道等原因的影響（楊淼等，2018），會有地熱井回灌效果不理想的情況出現。前人針對薊縣系霧迷山組熱儲回灌能力進行了相關研究，但主要著重回灌機理等方面的研究（潘小平，2007）。

本文以探索酸化壓裂熱儲改造對提高地熱井回灌能力為研究目的，結合北京市以碳酸鹽巖類水熱型地熱為主的實際特點，有針對性的選取熱儲以碳酸鹽巖地層為主的典型區域，對區域內地熱井在酸化壓裂試驗前后的回灌能力進行比較，分析酸化壓裂在熱儲為薊縣系霧迷山組白云巖地層時對地熱回灌的具體影響，探索可提高地熱井的回灌能力的實際方法。本次研究對提高地熱資源高效、可持續化發展利用具有重要意義。

1 試驗地熱井概況

1.1 地熱地質條件

試驗地熱井（京通4號）位于北京平原的東部，其大地構造位置處于華北斷拗（II級構造單元）大興迭隆起（III級構造單元）東北部，主要斷裂構造有南苑-通縣斷裂、張家灣斷裂、燕效斷裂等斷裂（北京市地質礦產局，1991），該區處于雙橋地熱田的東南部。區域內主要熱儲為薊縣系霧迷山組，中低溫地下熱水資源豐富。京通4號地熱井位于張家灣斷裂的東北側，燕郊斷裂的東南側。該地熱井實鉆深度為2800.88m，鉆井揭露地層層序為第四系、薊縣系鐵嶺組、洪水莊組、霧迷山組。熱儲為薊縣系霧迷山組，儲層的主要巖性為黃褐色、淺褐色、褐色和深褐色的白云巖及硅質白云巖，底部可見紫紅色泥質白云巖。地熱井為“三開”井身結構，取水段為1730～2800.88m，是薊縣系霧迷山組下部層段地層，裸眼成井（圖1）。該井在取水井段鉆進過程中，未發生明顯的鉆井液消耗漏失情況，表明熱儲構造裂隙不發育。

1.2 前期抽水及回灌能力測試

（1）抽水試驗

該地熱井采用膨潤土泥漿正循環鉆進工藝，完井后再經過清水替漿洗井、浸泡三聚磷酸鈉-壓風機氣舉-水泵抽水聯合洗井、鹽酸酸化-壓風機氣舉-水泵抽水聯合洗井等洗井工作后，進行抽水試驗。抽水試驗結果顯示：當水位降深為40m時，涌水量為951.87m3/d，單位涌水量為23.80m3/d·m，具體數據結果見表1。

（2）回灌試驗

回灌試驗在常壓條件下進行，回灌采用工作區內涼水井作為回灌水源，該回灌水源為第四系淺層地下水，水溫15℃。為避免熱儲被污染，在回灌試驗前采集回灌水樣進行分析測試，未發現明顯污染因素，符合回灌試驗要求。回灌數據結果顯示：回灌前的靜止水位埋深為66m，當回灌量為25m3/h時，水位抬升至地面，單位回灌量為9.09m3/d·m，具體數據見表2。

（3）回灌能力分析

通過對抽水試驗和回灌試驗的數據計算分析可知，京通4號地熱井的涌水量和回灌量的數值都相對較小，單位回灌量占單位涌水量的38.19%，遠低于北京小湯山地熱田薊縣系熱儲實際回灌經驗中回灌效果良好的數值。說明京通4號地熱井薊縣系霧迷山組取水段熱儲富水性較差，與實鉆地層層位構造裂隙不發育情況相一致。該地熱井的回灌效果相對較差，回灌能力較低，具有對其進行酸化壓裂以提高回灌能力試驗研究的客觀需求。

2 酸化壓裂抽灌試驗

2.1 酸化壓裂試驗

根據京通4號地熱井測井等相關具體情況，本次酸化壓裂試驗選擇普通酸化壓裂技術，并嚴格按照設計方案進行。其主要作業流程包括：前置液預處理井壁及地層、主體酸充分改造地層并連同天然裂隙系統、后置液頂替，其中前置液采用濃度為3%的NH4Cl溶液，形成酸性環境;主體酸采用濃度為20%的鹽酸進行酸化，采用階梯升排量的方式泵入，總用量為1000mL;后置液則采用清水，起到頂替作用。此次酸化壓裂試驗投入2臺700型壓裂泵車車組、3臺酸液罐車等設備，酸化作業井段為1700m以下的裸眼段，采用震蕩壓裂方式，在試壓正常后，以正擠法注酸，穩定酸液排量為1.5m3/min，最大瞬時工作壓力為6.5MPa。壓力在5～6MPa范圍內變化，表明發生了小尺度的地層破裂，產生了新的裂縫，對熱儲的滲透能力起到了改善作用。在整個酸化壓裂試驗后，采用壓風機氣舉的方法將地熱井中反應后剩余的酸液進行了徹底排出，達到了下一步進行抽水試驗的要求。

2.2 酸化壓裂效果測試

（1）抽水試驗

在酸化壓裂試驗后，再次對京通4號地熱井進行抽水試驗，并保證此次抽水試驗的相關條件與前期抽水測試的條件一致。抽水試驗共進行3個落程的穩定試驗，分大、中、小3個流量，其中大流量抽水試驗涌水量為2163m3/d，中流量抽水試驗涌水量為1616m3/d，小流量抽水試驗涌水量為968 m3/d，具體抽水試驗結果見表3。

（2）回灌試驗

在抽水試驗后，對京通4號地熱井再次進行回灌試驗。此次回灌試驗保持與前期回灌試驗的回灌水源及其他回灌條件相同，回灌試驗共進行了3個落程的試驗，具體回灌試驗數據見表4。

回灌試驗的3個落程對應小、中、大3個回灌量，具體流量分別控制在18m3/h（421m3/d）、35m3/h（834m3/d）、60m3/h（1440 m3/d）。參照回灌試驗數據繪制京通4號地熱井回灌量、單位回灌量與水位抬升關系（圖2、圖3），其中大流量回灌較符合地熱井的實際利用及回灌情況，而在大流量的回灌試驗中，京通4號地熱井的回灌量為1440m3/d，回灌穩定動水位為30.3m，水位上升32.3m。在保持一定量的水頭上升的基礎上，京通4號地熱井零壓力條件完成了100%回灌。

3 地熱井回灌效果分析

通過對試驗數據的計算分析可知（表5），在酸化壓裂試驗后，京通4號地熱井的涌水量及回灌量較酸化壓裂試驗前的數值均有明顯增加。其中，單位涌水量由壓裂前的23.80m3/d·m增加到壓裂后的56.75m3/d·m，增加了約1.4倍。涌水量由壓裂前的951.87m3/d增加到壓裂后的2163.80m3/d，增加了約1.73倍。單位回灌量由壓裂前的9.09m3/d·m增加到壓裂后的44.6m3/d·m，增加了約3.9倍。回灌量由壓裂前的600m3/d增加到壓裂后的1440m3/d，增加了約1.4倍。且回灌量占涌水量的比值也由壓裂前的63.03%增加到壓裂后的66.54%。

根據北京地區小湯山地熱田薊縣系熱儲的實際回灌經驗，當回灌效果良好時，單位回灌量與單位涌水量的比值應在0.6～0.7范圍內。當京通4號地熱井回灌量為1440m3/d（60m3/h）時，單位回灌量為44.6m3/d·m。而當京通4號地熱井涌水量為1440m3/d（60m3/h）時，依照Q =f（s）關系曲線計算，此時單位涌水量為70.3m3/d·m，則京通4號地熱井單位回灌量與單位涌水量的比值為0.63，在實際回灌經驗回灌效果良好的范圍內。綜上所述，酸化壓裂對該地熱井起到了較好的增灌作用。

4 討論

目前，酸化壓裂技術主要應用于石油等方面，在地熱領域的相關應用不甚廣泛，針對不同地質條件的實際作用仍需進一步探索。本文主要通過對通州地區碳酸鹽巖地層地熱井在酸化壓裂試驗前后的回灌情況進行比對，為酸化壓裂在地熱領域的應用提供一定的理論依據。結果表明：在碳酸鹽巖地層中，酸化壓裂技術在簡單的鹽酸洗井基礎上，制定了更為合理的酸化方案，對深部儲層具有更強的針對性，可減少鹽酸對鉆具等的腐蝕作用。壓裂作用則具有連通儲層裂縫，擴大儲層裂縫體積的作用，且在壓裂過程中可推動主體酸作用到儲層裂縫更深入的位置，不僅可解除近井污染，更能提高對儲層裂縫壁面的刻蝕范圍及程度，真正意義上的對儲層進行改造，進而達到提升地熱井回灌能力的目的。在工程成本方面，普通酸化壓裂技術成本較低，在碳酸鹽巖儲層中所產生的實際效果較好，具有較好的可行性。

5 結論

通過對酸化壓裂試驗前后回灌能力的分析比較，主要取得以下結論：

（1）將京通4號地熱井在酸化壓裂試驗前后的涌水量及回灌量進行比較。酸壓后，涌水量為2163.80m3/d，較酸壓前的951.87m3/d增加了127%以上;回灌量為1440m3/d，也較酸壓前的600m3/d增加了140%，說明酸化壓裂技術具有顯著的增產增灌效果。

（2）通過對京通4號地熱井的研究，推斷在研究區內具有相同地質條件的地熱井，在無壓回灌條件下的回灌能力相對較差，常規的地熱回灌技術手段難以滿足區域內地熱資源高效、可持續的開發利用需求，應進行酸化壓裂熱儲改造，以提升區域內地熱井回灌能力，優化地熱資源的利用。

（3）依據試驗研究結果，針對以碳酸鹽巖為熱儲的回灌能力較差的地熱井，酸化壓裂技術具有提高地熱井回灌能力的作用，應在結合實際情況的前提下，在同類型碳酸鹽巖熱儲地區推廣應用。

（4）為了更好的改變地熱井回灌效果，提高回灌能力，應加強回灌機理的研究，制定合理的回灌方案，保障經濟高效的地熱回灌，從而將回灌效應最大化。

參考文獻

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