酸化壓裂工藝在浙江桐鄉地熱井增產中的應用

何鐵柱　孫振添

摘 要：本文簡要介紹了酸化壓裂洗井技術的原理、施工工藝及適用性等，并探討了其在浙江桐鄉某地碳酸鹽巖地熱儲層地熱井增產中的應用成效。通過分析地熱井測井和編錄資料，酸化壓裂洗井的實施，成功擴大了地熱井周邊熱儲層的裂隙，有效溝通了熱儲通道，使得地熱井的在降深減小的情況下，涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水溫度由54℃上升至62℃。結果表明，本工藝對于桐鄉地區碳酸鹽巖儲層地熱井的增產是具有可行性的，可為今后類似項目提供經驗。同時，針對不同區域的地熱井進行酸化壓裂時，應注意前期相關參數的分析、模擬計算、酸液配比及殘留物的排出等，以免影響壓裂效果或造成環境污染。

關鍵詞：桐鄉;地熱井;碳酸鹽巖;酸化壓裂;洗井

中圖分類號：P314? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0049-06

Abstract： This paper expounds the theories， technique points and application condition of acid fracturing technology， and discusses the application for increasing the production of geothermal well from carbonate reservoirs in Tongxiang area， Zhejiang Province. By analyzing the logging and geological compiling data， it indicates that the acid fracturing technology can successfully expand the fractures of geothermal well reservoirs， effectively communicate the heat reservoir， increase the water yield from 120m3/d to 205.55m3/d and raise the temperature from 54℃ to 62℃ in the case of reduced drawdown. The results show that acid fracturing technology is feasible to increase the water yield from carbonate strata in Tongxiang area; in addition， it can provide reference for future projects. Meanwhile， for acidizing fracturing of geothermal well in different regions， it should pay more attention to simulation calculation of the related parameters of early stage， rationing the acid and discharged the residue after acidizing fracturing， which can avoid affecting the effect of acidizing fracturing or causing the environmental pollution.

Keywords： Tongxiang; Geothermal well; Carbonate reservoir; Acid fracturing; Well flushing

0 引言

酸化壓裂是目前油田和地熱井碳酸鹽巖儲層開發中所廣泛采用的一項增產措施和完井手段。用酸液作為壓裂液實施不加支撐劑的壓裂成為酸化壓裂，是一項將酸化洗井和壓裂工藝相結合的一種洗井工藝。酸化壓裂過程中一方面靠水力作用形成裂隙，另一方面靠酸液的溶蝕作用把裂隙的壁面溶蝕成凹凸不平的表面，停泵卸壓后，裂隙壁面不能完全閉合，具有較高的導流能力，可提高地層滲透性，改善地層特性，最終達到增加產量的目的。

近年來，酸化壓裂技術被引用到地熱勘查開發領域（馬忠平等，2007），并取得了良好的應用效果，在天津、北京等地熱資源開發工藝較為先進的地區已有了較多成功案例。本文以浙江桐鄉地區某地熱井為例，闡述了使用酸化壓裂工藝提高井產量、增加出水溫度的方法，并對壓裂結果加以分析，探討酸化壓裂工藝在區域巖溶裂隙型熱儲中的適用性。

1 酸化壓裂技術原理

酸化壓裂技術是在人為作用下，以高于熱儲層破裂壓力的方式向地層內注入酸液，靠酸液的化學溶蝕作用提高熱儲層滲透性能的一種工藝措施（王連成等，2010）;壓酸時的水力作用可以擴大、延伸和溝通地層中的裂隙，形成流通能力較高的滲流通道（王鴻勛，1987;姬永紅，2017;劉興浩，2011）。酸化壓裂的效果主要體現在產生裂隙的有效長度和導流能力，一般有效的裂隙長度是受酸液的濾失特性，酸巖反應速度及裂隙內的流速控制的，導流能力取決于酸液對地層巖石礦物的溶解量及不均勻溶蝕程度。由于儲層礦物分布的分均質性和裂隙內酸液濃度的變化，導致酸液對裂隙壁面的溶解也是非均質的，因此酸壓后能保持較高的裂隙導流能力（陳生輝，2010）。目前，酸化壓裂工藝主要應用于碳酸鹽巖熱儲層的地熱井增產中，由于碳酸鹽巖地層的主要礦物成份是方解石和白云石，在對其加壓壓酸過程中，進入巖層裂縫中的鹽酸與其壁面發生化學反應，溶蝕掉其中的充填物（張榮軍等，2004），可有效增加裂縫的空間，提高地層的滲透性。

2 酸化壓裂施工工藝

酸化壓裂施工工藝的效果與多種因素相關，為了保護地層，提高酸化壓裂效果，必須根據不同地區地層的不同特點，選擇合適的酸化段、酸液、前置液等施工配料和工藝，使其與地層準確配伍，方可增加其地熱水產量（徐云鵬，2015）。

酸化壓裂前期準備工作包括資料分析、選擇酸化段、模擬分析等步驟。首先應對地熱井的測井和編錄資料進行全面分析，選取儲層含水量最好或裂隙較為發育的層段作為酸化段;其次分析酸化段內巖石及流體的物理化學性質（林天懿等，2018），模擬井下壓力和溫度等物理化學條件，確定使用的酸液成分和其他施工參數，酸液的配伍應滿足通裂隙通道，提高酸化壓裂效果的要求。實際應用效果表明，對于一類和二類裂隙層（視電阻率與基巖電阻率的比值在0～0.2之間的為一類裂隙，比值在0.2～0.5之間的為二類裂隙），酸化壓裂的效果最好（楊淼等，2018）。

酸化壓裂施工包括注入前置液和酸液兩個過程。首先應應將封隔器下入相應的深度，從油管或井管內以較高的壓力向井內注入前置液（清水），在水力作用下，達到擴大或延伸地層中裂隙的作用。其次，用高壓泵入適量的酸液，在高于地層破裂壓力的情況下，使酸液沿裂隙行進，逐漸將裂隙溶蝕成溝槽（王連成等，2010），從而增大地層的導流能力。

酸化壓裂后，地層中會產生相應的沉淀物充填在地層空隙和裂隙內，為了不影響酸化壓裂效果，應盡快使用空壓機氣舉法將殘留的酸液和沉淀物排出，以避免阻塞導水通道。

3 應用實例

浙江桐鄉位于桐鄉凹陷中的次隆部位（圖1），屬中生代白堊紀斷陷盆地。凹陷南北兩側為斷裂所切，其中，北界為烏鎮-馬金深斷裂（F4），南界為球川-平湖深斷裂（F14），二者均為斜貫浙江西部地區的元古代深斷裂。由于受一系列北東向斷裂（F11、F12）切割，凹陷內部呈“兩凹一凸”狀。凹陷內熱儲層一般為震旦—寒武系碳酸鹽巖地層，熱儲類型為巖溶裂隙型熱儲。蓋層主要由第四系松散沉積物，白堊系碎屑巖和黃尖組、勞村組火山巖組成，厚度約為1400～2200m。由于該地區熱儲埋深較大，富水性不均勻，地熱井產量不穩定，嚴重限制了地熱資源的開發進程。目前，針對產量較低的地熱井，洗井是一種有效的補救措施（柯柏林等，2008;任良治等，2010;姬永紅，2017）。常規的洗井工藝有拉活塞洗井、二氧化碳洗井、酸化洗井和空壓機壓風洗井等（朱一函，1990;程志忠，2008）。針對不同的水文地質條件，選擇合適的洗井方法，可以取得較好的增產效果。

在浙江桐鄉地區碳酸鹽巖地熱井的施工過程中，最常用洗井方法是酸化洗井。其主要原理是利用酸液與地層中的碳酸鹽巖發生化學反應，溶蝕掉巖溶裂隙中的充填物，從而改善裂隙通道的聯通性，增強巖石的滲透性（張道清等，2006;姬永紅，2017），同時，解除泥漿對含水層的污染堵塞，提高井產量（李硯智等，2009）。本文所選地熱井開孔孔徑為445mm，終孔孔徑為216mm，井深2500.26m，其在1460m處穿透了第四系和白堊系進入寒武系碳酸鹽巖地層（圖2），該地層的主要巖性為白云質灰巖和白云巖。施工過程中，經過兩次常規酸化洗井和一次汽水混合洗井后，其抽水試驗結果顯示，該井在降深473.9m時，出水溫度為54℃，涌水量120m3/d。經分析可能是用于地層裂隙不發育、含水層段較少以及酸化洗井時酸鹽反應產生的沉淀物堵塞裂隙所致。為了提高該井產量，決定采用酸化壓裂洗井工藝對該井進行處理。

3.1 酸化壓裂施工設計

（1）目的層段選擇

基于巖屑編錄和測井解譯資料的分析，該井在1435～1491m和2390～2500m段中裂隙發育較為充分，層段巖性為灰巖和白云巖，據此選擇此段為洗井目的層段。

（2）酸液配伍選擇

選取待酸化的地層巖屑與配比好的酸液，然后進行室內溶蝕實驗，實驗結果顯示，選用濃度20%的鹽酸對該地層有較好的溶蝕作用，且反應物可溶于水并產生二氧化碳氣體，利于反應殘液反排。化學反應式如下：

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

CaMg（CO3）+4HCl=CaCl2+MgCl2+2C02↑+2H2O

同時，鹽酸也可以溶解地熱井井管、鉆桿等金屬，化學反應式如下：

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

FeS+2HCl=FeCl2+H2S↑

為了緩解鹽酸對井管和鉆具的腐蝕，減緩溶蝕后沉淀物的沉積，降低鹽酸對碳酸鹽巖的溶蝕速度，在泵入鹽酸前可向井內先泵入一定量的檸檬酸。

（3）施工設備及用料

本次酸化壓裂作業深度為1435～1491m和2390～2500m兩段，投入的施工設計及用料見表1。

3.2 酸化壓裂施工

（1）第一次壓裂

首先將封隔器下入孔內1400m處（圖3），并接好地面施工管線。首先進行高壓管匯清水試壓，壓力應不大于20Mpa;然后以正擠方式高壓泵入清水30m3、檸檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井內加壓泵入濃度20%的鹽酸100m3，憋壓待鹽酸與井內地層充分反應4小時后，再向井內泵入清水200m3，在此過程中觀察井口壓力值變化（圖4），待4小時后釋放壓力。

釋放壓力達到排液標準后，采用大型壓風機風管下到1000m氣舉負壓洗井，排出井內酸巖反應的殘留物。在壓風機洗井過程中應記錄上水情況、壓力變化情況，以及溫度值和上水渾濁度等參數，直至井內殘留物排凈后結束洗井工作。

（2）第二次壓裂

待第一次酸化壓裂結束48小時后，按照上述工序對2390～2500m井段進行第二次壓裂施工，使用鹽酸50m3。首先將封隔器下入孔內2390m處，并接好地面施工管線，進行高壓管匯清水試壓，壓力應不大于20Mpa;。然后以正擠方式高壓泵入清水16m3、檸檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井內加壓泵入濃度20%的鹽酸50m3，憋壓待鹽酸與井內地層充分反應4小時后，再向井內泵入清水300m3，在此過程中觀察井口壓力值變化（圖5），待4小時后釋放壓力。

釋放壓力達到排液標準后，采用大型壓風機風管下到2300m氣舉負壓洗井，排出井內酸巖反應的殘留物。在壓風機洗井過程中應記錄上水情況、壓力變化情況，以及溫度值和、上水渾濁度等參數，直至井內殘留物排凈后結束洗井工作。

3.3 酸化壓裂增產效果對比分析

本次酸化壓裂嚴格按照設計執行。在進行第二次壓裂時，其最高泵壓20MPa，排量為0.8m3/min，在泵酸過程中，泵壓下降至16MPa，這說明地層內的碳酸鹽巖與經酸液溶蝕后，與周圍裂隙的溝通明顯加強。壓裂結束后，抽水試驗結果顯示，在降深418.30m時，涌水量為205.55m3/d，較壓裂前的120m3/d，增加了71%，溫度由壓裂前的54℃升高至62℃，實現了地熱井產能的大幅度提升，酸化壓裂效果明顯（表2）。

對酸化壓裂前地熱井涌水量較小的情況進行分析，其主要原因包括：其一，隨著儲層深度的增加，地層內部壓力越來越大，常壓狀態下的酸化洗井，酸液大部分停留在井筒內，無法深入到地層裂隙，洗井半徑擴展阻力大，造成洗井效果有限;其二，酸液與碳酸鹽巖發生化學反應后產生的沉淀物粘度較高，堆積在裂隙內，導致巖層孔洞、裂隙封塵，滲透性降低;最后，由于該地區儲層裂隙發育不充分，酸液無法導流至含水層與地層進行有效作用。

4 結論和建議

酸化壓裂工藝在絕大多數情況下可以有效的擴展碳酸鹽巖地層的裂隙通道，增大裂隙率，提高熱儲導流能力和地熱井產能。本次針桐鄉地區某地熱井酸化壓裂洗井的成功實施，使得該井涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水溫度由54℃上升至62℃，實現了地熱井產能的大幅度提升，表明了該工藝用于桐鄉地區碳酸鹽巖地層增產的可行性，可為以后類似項目提供借鑒。

由于研究區內斷裂規模較小，斷裂附近的裂隙發育較差，連通性不好，造成了該井的降深較大，出水量有限。在開發利用過程中，可滿足溫泉療養及保健健身等領域的需要，該井開發利用的成果，已帶動相關產業，成為促進當地經濟發展新的增長點。

對不同區域的地熱井，在施工過程中應注意以下幾點：1）選擇合適的酸液配比和施工方案對提高酸化壓裂增產效果尤為重要，尤其是前期相關參數的分析、模擬計算需準備充分。2）在酸化壓裂施工過程中，酸液與地層反應的殘留物應及時排除，否則殘留物的沉淀可能再次堵塞裂隙通道，影響施工效果。3）施工時應隨時觀察記錄壓力值變化，判斷施工效果，并及時調整施工方案。4）施工結束后排出的廢液應及時收集處理，以免造成環境污染。

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