多分支井地熱系統注采性能室內實驗研究

宋先知，李嘉成，石 宇，許富強，曾義金

（1.油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京102249；2.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000；3.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都611756；4.中國石化石油工程技術研究院，北京102206）

隨著我國經濟快速發展，對化石能源的需求日益增長，而目前常規油氣資源存在逐漸枯竭和環境污染等問題，因而開發利用清潔可再生能源至關重要[1-2]。地熱能作為一種重要的清潔可再生能源，具有儲量大、分布廣和能源利用率高等優勢，開發利用潛力巨大[3-4]。開采地熱資源的主要方式是對井地熱系統，但需要注、采2口井，鉆井完井成本較高[5]，并且對井與儲層的接觸面積小，注采能力有限。針對上述問題，Song Xianzhi等人[6-7]提出了利用多分支井開采地熱資源的新思路，即從主井眼上沿一個或多個層位側鉆若干分支井眼，從而擴大井眼與儲層的接觸面積，改善系統的注入能力與生產能力。相比于對井系統，該方法可實現注采同井，減少鉆井數量，降低地熱系統建造成本，實現地熱資源經濟高效開發。

多分支井技術最早用于油氣開發領域，是一種油氣田老井改造、油藏挖潛和增產穩產的技術手段[8-11]，目前關于地熱領域利用多分支井技術的文獻和報道較少。2008年，立陶宛對一口老地熱注入井進行改造，側鉆了12個長度約為40m的分支井眼，注入量提高了 14%[12]。Zhang Jie 等人[13-14]采用數值模擬方法，對比了分支井地熱系統和對井地熱系統的取熱效果，發現分支井地熱系統的取熱效果優于對井地熱系統。石宇等人[15-18]利用數值模擬方法系統研究了多分支井地熱系統的取熱效果和影響因素，初步驗證了分支井眼具有提高儲層采出程度、增強系統取熱效果的優勢。上述研究表明利用分支井開采地熱資源不但可行，而且具有良好的應用前景，但總體而言有關分支井開采地熱資源的研究仍十分欠缺，特別是現有研究以數值模擬為主，未見關于多分支井注采能力室內實驗研究的文獻和報道。因此，筆者開展了多分支井地熱系統注采規律實驗研究，評價了其注采性能，分析了關鍵參數對注采性能的影響規律，為采用多分支井系統高效開發地熱資源提供了理論依據。

1 地熱多分支井室內實驗系統

采用中國石油大學（北京）高壓水射流鉆井與完井實驗室研制的地熱多分支井室內實驗系統，開展多分支井地熱系統的流動傳熱實驗。該系統由圍壓釜、高溫高壓流體與控制模塊、井筒模擬模塊和測量采集模塊等4部分組成，實驗流程如圖1所示。

圖1 地熱多分支井室內實驗系統實驗流程Fig.1 Flow diagram of multilateral-well enhanced geothermal experimental system

圍壓釜為立方體結構，釜體內部人工巖樣尺寸為 400mm×400mm×400mm。釜壁夾層內有 36 支電加熱管對釜體內巖心進行加熱，加熱溫度可達到300℃。高溫流體通過外循環管路注入人工巖樣和釜體的間隙，建立圍壓并模擬水熱環境，最高工作壓力可達20MPa。高溫高壓流體和控制模塊主要由液體高壓泵、蒸汽發生器、儲水罐、背壓閥、控溫儀和浸入式精密恒溫液浴循環裝置等組成。模擬井筒模塊主要由垂直井筒、注入與采熱分支井眼組成。其中，垂直井筒為同軸結構，由主井筒和位于主井筒內部的保溫管組成，保溫管與主井筒的環空通過封隔器封隔，取熱介質從環空流進注入分支井眼，采熱后的流體由采熱分支井眼采出，進入保溫管后開采至垂直井筒井口。垂直井筒外徑60mm，內徑 48mm，深度 145mm；保溫管外徑 25mm，內徑15mm，深度 345mm；注、采分支井眼的垂直間距為200mm，長度 100mm，直徑 6mm。測量采集模塊由測溫導管與探頭、測溫儀表、壓力傳感器和計算機數據采集與控制系統組成。

2 人工熱儲模擬實驗

2.1 實驗材料與實驗方法

參照文獻[19-21]中采用水泥漿制作人工巖樣的方法，將抗高溫G級油井水泥、60目優質干燥河砂和自來水按照一定質量比例配制水泥漿，制作人工熱儲。G級油井水泥的密度為3.16g/cm3，比表面積為 607m2/kg。水泥漿的水灰比為 0.55，15～30min的稠度為 29Bc，稠化時間為 78min。

參考標準《油井水泥實驗方法》（GB/T19139—2012），確定人工熱儲的制作步驟：1）設計河砂與油井水泥的質量比分別為 1.0、1.5、2.0、2.5和 2.7；2）制作直徑 110mm、長度 130mm 的試模若干個；3）利用60目曬網篩選河砂；4）按照質量比例配制水泥漿，將水泥漿倒入試模中，養護8h后取出水泥石，養護溫度 60℃，養護壓力 20MPa；5）在水泥石上鉆取直徑 25mm、長 50mm 的巖樣。

2.2 人工熱儲原材料配比優選

為了得到符合地熱儲層滲流傳熱物性的人工熱儲材料，提高分支井地熱系統流動傳熱實驗的準確性，研究了河砂與油井水泥按不同質量比制作人工熱儲的物理性質。以西藏羊易地熱田的天然巖心熱物性參數為標準值[22-23]，通過對比優選出熱物性參數與其最接近時河砂與油井水泥的質量比。西藏羊易地熱儲層的主要物性參數：孔隙度20%，滲透率0.5mD，導熱系數 2.2W/（m·℃），比熱容 775J/（kg·℃）。

河砂與油井水泥按不同質量比制作人工巖心的孔隙度和滲透率如圖2所示。由圖2可知，河砂與油井水泥的質量比由1.0增大為2.7時，人工巖心的孔隙度從10.62%增大至21.47%，滲透率從0.15mD升至0.79mD。由此可知，隨著河砂在混料中所占比例增大，人工巖心滲透性逐漸提高。這是因為增大河砂比例，人工巖心中河砂與油井水泥膠結面積增大，而一般情況下膠結面處滲透率較大。通過對比發現，當河砂與油井水泥質量比為2.5時，人工巖心的孔隙度和滲透率與羊易地熱田的天然巖心最為接近，分別為20.16%和0.53mD。

圖2 河砂與油井水泥按不同質量比制作人工巖心的孔隙度和滲透率Fig.2 Porosity and permeability of artificial cores made of river sand and oil well cement with different mass ratios

河砂與油井水泥按不同質量比制作人工巖心的導熱系數和比熱容如圖3所示。由圖3可知，隨著河砂與油井水泥的質量比增大，人工巖心的導熱系數和比熱容呈先增大后減小的趨勢。這是因為河砂的導熱系數和比熱容大于油井水泥，隨著河砂比例增大，人工巖心的導熱系數和比熱容相應增大；當質量比增加到一定數值，膠結面處的物性對人工巖心整體物性的影響增大，由于膠結面處的導熱系數和比熱容相對較小，導致人工巖心的導熱系數和比熱容相應減小。河砂與油井水泥的質量比分別為2.0和2.5時，人工巖心的導熱系數分別為1.296和1.233W/（m·℃），接近于地熱儲層的導熱系數；而質量比為 2.5 時，人工巖心的比熱容為 1207J/（kg·℃），最接近地熱儲層的比熱容。

圖3 河砂與油井水泥按不同質量比制作人工巖心的導熱系數和比熱容Fig.3 Thermal conductivity and specific heat capacity of artificial cores made of river sand and oil well cement with different mass ratios

綜上所述，河砂與油井水泥質量比為2.5時，人工巖心的物性參數與西藏羊易地熱儲層最接近，因此多分支井地熱系統的流動傳熱實驗采用河砂與油井水泥質量比為2.5的人工巖樣。

3 注采實驗方案與流程

多分支井注采實驗主要研究不同生產參數和分支井結構參數對多分支井地熱系統注采能力的影響規律。開展生產參數（注入溫度和注入排量）對注入能力的影響規律實驗時，保持注入排量恒定，測試并記錄注入壓力隨時間的變化，以評價系統的注入能力。具體方案為：1）注入排量恒定為6L/h，注入溫度分別為 25，30，35和 40℃，實驗研究溫度對系統注入能力的影響；2）注入溫度恒定為40℃，注入排量分別為 2，3，4，5 和 6L/h，實驗研究排量對系統注入能力的影響。

開展分支結構參數對開采能力的影響規律實驗時，保持圍壓釜循環排量不變，測試并記錄出口流量隨時間的變化，以此評價系統的開采能力。研究的分支井結構參數包括分支井眼的數量、長度和直徑，具體方案為：1）分支井眼的長度和直徑分別為10cm和10mm，研究分支井眼數量分別為 2，3，4，5 和 6 時的系統生產能力，分析分支井眼數量對系統生產能力的影響規律；2）分支井眼數量為6、直徑為10mm，研究分支井眼長度分別為10，12，14和16cm時的系統生產能力，分析分支井眼長度對系統生產能力的影響規律；3）分支井眼數量為6、長度為10cm，研究分支井眼直徑分別為6，8和10mm時的系統生產能力，分析分支井眼直徑對系統生產能力的影響規律。

多分支井注采實驗流程依次為巖樣制作、設備組裝、釜體預熱、圍壓建立、流體注入與采出和數據采集，下面主要介紹流體注入與采出實驗過程。進行多分支井注入實驗時，按照實驗方案將水箱中的水加熱至預定溫度，通過調節注水泵的頻率維持注入流量不變，同時打開圍壓釜出口閥門，使通過多分支井眼注入人工巖樣內的流體從圍壓出口閥流出釜體，實現多分支井注入。注入過程中，采集注入壓力，設定數據采集周期為60s；待注入壓力保持穩定后，停止測定并保存數據。

進行多分支井采出實驗時，啟動注水泵并調節其頻率，使圍壓循環排量保持不變，同時調節圍壓釜出口閥，保持圍壓不變；人工熱儲加熱到設定溫度后，打開多分支井井口閥門，實現多分支井采出。采出過程中，采集多分支井出口流量，設定數據采集周期為60s；待注入壓力保持穩定后，停止測定并保存數據。單井注采實驗流程和多分支井注采實驗流程相同，只是將多分支井井筒替換為單井開式井筒。

4 多分支井注采性能影響因素分析

4.1 注入溫度

不同注入溫度下系統注入壓力隨時間的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，可將不同注入溫度下的注入壓力曲線劃分為遞減區、過渡區和穩定區3個階段。不同注入溫度下的遞減區、過渡區和穩定區的時間節點各不相同。從圖4還可以看出，隨著注入溫度升高，系統注入壓力逐漸升高。以生產90min為例，當注入溫度從25℃升至40℃時，多分支井系統的注入壓力升高了1.34MPa。這是因為較低的注入溫度可提高巖石熱應力，增加巖石變形，提高熱儲的滲透率，從而降低系統注入壓力，利于取熱介質的注入。

圖4 不同注入溫度下注入壓力隨時間的變化曲線Fig.4 Injection pressure variation with time at different injection temperatures

4.2 注入排量

不同生產時間下系統注入壓力隨注入排量的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著注入排量增加，系統注入壓力明顯上升；但隨著生產進行，注入排量對注入壓力的影響程度減弱。這是因為在生產初期，較大注入排量下取熱介質的流動速度大，其流動阻力也大，因此具有較大的注入壓力。但隨著生產進行，巖樣溫度整體下降，產生的熱應力使巖樣發生形變，導致熱儲的滲透率增大，使注入排量對注入壓力的影響程度減弱。

圖5 不同生產時間下注入壓力隨注入排量的變化曲線Fig.5 Injection pressures variation with injection volume flow under different production time

4.3 分支井眼數量

不同生產時間下分支井系統注入壓力和出口排量隨分支井眼數量的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著分支井眼數量增加，注入壓力逐漸降低。生產時間分別為0和90min時，當分支井眼數量由2增加至6時，系統注入壓力分別降低了4.8和2.9MPa。從圖6還可以看出，隨著分支井眼數量增多，系統的出口排量也逐漸增大。這是因為隨著分支井眼數量逐漸增多，分支井井眼和熱儲的接觸面積增大，取熱介質在儲層內的流動阻力減小。由此可知，較多的分支井眼有利于提高系統的注入和采出能力。

圖6 不同生產時間下分支井系統注采性能隨分支井眼數量的變化曲線Fig.6 Injection-production performance variation with lateral-well number under different production time

4.4 分支井眼長度

不同生產時間下分支井系統注入壓力和出口排量隨分支井眼長度的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著分支井眼增長，注入壓力逐漸降低；在分支井眼長度較短時，分支井眼長度對注入壓力的影響程度更明顯。從圖7還可以看出，隨著分支井眼長度增大，出口排量也逐漸增大；但隨著生產進行，出口排量增大幅度逐漸減小。這是因為隨著分支井長度增大，分支井眼和熱儲接觸面積也增大，使流體在儲層內流動阻力減小。因此增大分支井眼長度，有利于取熱介質的注入和采出。

4.5 分支井眼直徑

不同生產時間下分支井系統注入壓力和出口排量隨分支井眼直徑的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著分支井眼直徑增大，系統注入壓力小幅降低，出口排量小幅增大。以生產90min為例，當分支井眼直徑由6mm增大至10mm時，注入壓力僅降低 0.22MPa，出口排量增加 0.22L/h。綜上所述，增大分支井眼直徑，有利于多分支井系統的注入和采出，但與分支井眼數量和長度對系統注采性能的影響相比，分支井眼直徑的影響可忽略不計。

圖7 不同生產時間下分支井系統注采性能隨分支井長度的變化曲線Fig.7 Injection-production performance variation with lateral-well lengths under different production time

5 分支井與直井注采能力對比

根據上述分支井結構參數對系統注采性能影響規律的實驗結果，選取注采性能最優的分支井結構參數，與單井開式系統進行注采能力對比實驗。實驗中采用的多分支井和單井開式系統如圖9所示。多分支井地熱系統的結構參數：分支井眼數量為6，分支井眼直徑為10mm，分支井眼長度為16cm；單井開式系統的結構參數：井筒底部開口數量為6，開口直徑為10mm。

圖8 不同生產時間下分支井系統注采性能隨分支井眼直徑的變化曲線Fig.8 Injection-production performance variation with lateralwell diameters under different production time

圖9 采出實驗多分支井和單井示意Fig.9 Recovery experiments on a multilateral well and a single well

多分支井系統和單井開式系統注入壓力和出口排量隨時間的變化關系如圖10所示。由圖10可知，隨著生產進行，多分支井系統和單井開式系統的注入壓力都逐漸降低。生產過程中，多分支井地熱系統的注入壓力始終低于單井開式系統，出口排量始終高于單井開式系統。生產90min時，多分支井系統的注入壓力比單井開式系統低5.6MPa，出口排量比單井開式系統高3.82L/h。這是因為相較于單井開式系統，多分支井井筒能夠深入儲層內部，水平截面上與儲層的接觸面積更大，可明顯降低取熱介質在儲層內的流動阻力。以上研究表明，與單井開式結構相比，多分支井能夠明顯提高地熱系統的注入和采出能力。

圖10 多分支井和單井開式系統注入壓力和井口排量隨時間的變化曲線Fig.10 Injection pressure and outlet flow rate variation of multilateral-well and single-well open-loop geothermal system with time

6 結論與建議

1）測試河砂與油井水泥按不同質量比制作巖心的物理性質，發現當質量比為2.5時，人工熱儲的物性與西藏羊易地熱儲層的物性最接近。

2）隨著注入溫度和注入排量降低，多分支井系統注入壓力降低；隨著分支井眼數量和長度增加，多分支井系統注入壓力降低，出口排量增大；分支井眼直徑對系統注采性能的影響可忽略不計。注入溫度較低、分支井眼較多和分支井眼較長，均有利于提高系統的注采能力。

3）與單井開式系統相比，多分支井地熱系統具有更低的注入壓力和更高的出口排量，因此注采能力更佳，更適用于地熱資源的開采與回注。

4）實驗未采用天然巖樣，未考慮裂縫網絡對實驗結果的影響，實驗結果未與數值計算結果進行對比，存在一定局限性。為了提高實驗結果的準確性，系統評價分析多分支井的注采性能和取熱效果，需在今后的研究中重點考慮上述問題。