裂縫方位和注入速度對裂縫熱儲回灌水微觀滲流規律影響研究

杜 利，趙 磊，喬 勇，聶法健，劉浩成

(1.中國石化新星公司新能源研究院，河南 鄭州 450000； 2.長江大學石油工程學院，武漢 蔡甸 430100)

地熱資源是世界第三大清潔能源，其開發與有效利用對我國節能減排具有重要意義[1-2]。回灌技術為開采地熱資源的一種重要措施，能夠緩解地下水位下降速度，提高地熱資源的利用率，已經被用于開采裂縫熱儲儲層的地熱資源[3-5]。回灌流體在裂縫熱儲中滲流過程和規律復雜，滲流受到多種因素影響，如基質滲透率和孔隙度、裂縫方位等。回灌水如何在裂縫中滲流及回灌水的注入方向和注入速度對回灌水的微觀滲流規律影響如何，對裂縫熱儲的回灌開發具有重要影響。室內巖心流動實驗方法被常用于研究分析流體在孔隙介質和裂縫介質中流動規律，然而，裂縫熱儲天然巖心不好獲取，同時巖心不具有可視化特征，不能很好直觀的分析回灌水的微觀滲流規律和波及特征。因此，本文采用染色示蹤技術方法，利用圖像處理軟件定量分析裂縫熱儲回灌水的波及面積。基于流體在熱儲中的波及范圍指標，研究了裂縫方位和注入速度對裂縫熱儲回灌水的微觀滲流規律影響，為合理高效開發裂縫熱儲提供理論支持。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

(1)試驗材料：亞甲基藍溶液，蒸餾水(實驗室自制)，地層水，無水乙醇。

(2)試驗儀器：4cm×4cm的可視化微觀刻蝕模型，烘箱，ISCO恒壓恒速泵，Sartorius精密電子天平，循環水式多用真空泵。

1.2 試驗方法

1.2.1 注入方向與裂縫夾角對波及面積的影響

模擬回灌措施，研究不同裂縫方向下回灌水的宏觀滲流規律及溫度場分布特征。本次實驗將從注入方向來研究回灌水在裂縫中的流動走向，探討其滲流規律。首先配制有效含量為1%的亞甲基藍溶液，其次以不同的注入方向(與裂縫夾角0°、45°和90°)注入可視化微觀刻蝕模型，利用高清攝像機錄制回灌水的流動過程，分析回灌水與裂縫發育角度對回灌水微觀滲流規律影響。

1.2.2 不同注入速度對波及面積的影響

模擬回灌措施，研究不同注入速度下回灌水滲流規律及溫度分布場特征。本次實驗將從注入速度方面來研究回灌水在裂縫中的流動走向，探討其規律。首先配置有效含量為1%的亞甲基藍溶液，其次以不同的注入速度(0.01mL/min、0.02mL/min、0.04mL/min)按照同一裂縫角度注入可視化微觀刻蝕模型，利用高清攝相機錄制回灌水的流動過程，分析回灌水與注入速度對回灌水微觀滲流規律的影響。

2 結果與討論

回灌水的滲流受到多種因素的影響，本文中采取單一變量法，研究了注入方向與裂縫夾角對回灌水波及面積的影響，還研究了不同注入速度對回灌水波及面積的影響。

2.1 裂縫方位對回灌水在微觀刻蝕模型中滲流波及面積的影響研究

調整注入方向，使注入方向與裂縫夾角成0°，45°，90°，以0.01mL/min向微觀刻蝕模型中注入回灌水，利用高清攝像機進行拍攝，再使用Adobe photoshop cc 與image pro進行圖像處理，如圖1所示。

圖1 不同注入方向與裂縫夾角對回灌水波及面積影響

由圖1可知隨著注入方向與裂縫夾角增加，回灌水無法沿優勢通道滲流突進，水竄因素減弱，從而使得回灌水的波及面積增加。因此，基于以上的原因，增加注入方向與裂縫的夾角，可以有效提高回灌水的波及面積。

2.2 注入速度對回灌水在微觀刻蝕模型中滲流波及面積的影響研究

調節注入速度，以0.01mL/min、0.02mL/min、0.04mL/min的速度向同一角度微觀刻蝕模型的裂縫注入，利用高清攝像機進行拍攝，再使用Adobe photoshop cc 與image pro進行圖像處理，如圖2至圖4所示。根據不同注入速度和裂縫方位下的回灌水的波及面積情況，如圖5所示。

(1)注入方向與裂縫夾角：0°

(2)注入方向與裂縫夾角：45°

圖3 不同注入速度下對回灌水波及面積影響(注入方向與裂縫夾角45°)

(3)注入方向與裂縫夾角：90°

圖4 不同注入速度下對回灌水波及面積影響(注入方向與裂縫夾角90°)

同一裂縫方位時，提高回灌水的回灌速度，可以增加其波及面積。在裂縫方位為0°與45°時，提高回灌速度由0.01mL/min至0.02mL/min時，兩者波及面積提高幅度較大；但由0.02mL/min至0.04mL/min時，波及面積提升并不明顯。而裂縫方位為90°時，提高回灌速度由0.01mL/min至0.02mL/min時，波及面積變化并不明顯，而回灌速度由0.02mL/min至0.04mL/min時，回灌水的波及面有大幅度提升。由此可以推斷，當回灌水注入方向與裂縫夾角為0°與45°時，回灌井與開采井的直線距離與地層中的優勢通道對其影響較大，當回灌水的速度達到一定量時，提升回灌水的注入度已經無法顯著的提升回灌水在地層的波及面積。當回灌水注入方向與裂縫夾角為90°時，由于回灌水不在受到優勢通道的影響，回灌水的流速成為影響波及面積的最大因素。

圖5 不同注入速度與裂縫方位的波及面積

3 結論

(1)隨著地熱回灌水的注入方向與地層中裂縫的夾角增加，回灌水無法由裂縫形成的優勢通道處突進，從而增大了回灌水的波及面積，水竄因素減弱，很大程度上減小了波及面積的損失。

(2)地熱回灌水在不改變注入方向與裂縫形成的夾角時，隨著注入速度的提高，回灌水的波及面積有明顯提高，當回灌水注入方向與裂縫夾角90°時，回灌水的波及面積最大且效果最好。

(3)當回灌水注入方向與裂縫夾角為0°與45°時，回灌井與開采井的直線距離與地層中的優勢通道對其影響較大，當回灌水的速度達到一定量時，提升回灌水的注入度已經無法顯著的提升回灌水在地層的波及面積。當當回灌水注入方向與裂縫夾角為90°時，由于回灌水不在受到優勢通道的影響，回灌水的流速成為影響波及面積的最大因素。在裂縫與注入方向的夾角較大時，回灌井與開采井的距離對回灌水的熱突破起到的因素已經小于提高流速所產生的影響因素。