運城市鹽湖區(qū)沉積盆地砂巖熱儲層回灌試驗的研究

楊 可

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省地質(zhì)勘查局二一四地質(zhì)隊，山西 運城 044000）

運城市地熱屬于沉積盆地型地熱資源，地熱開采歷史較長、規(guī)模也比較大。數(shù)據(jù)表明，2003年運城開始使用地熱，現(xiàn)有地熱井56余眼，年開采量997萬m3，單井涌水量60m3/h～102m3/h（1440-2448m3/d），井口出水溫度57℃～70℃，主要用于供暖[1]。由于開采井密度過大，一定程度上超出了合理開采的規(guī)模，靜水位埋深、單井出水量、出水溫度發(fā)生了一定變化，水位埋深由2004年的+40m下降到2018年的-110m，水量由120m3/h下降到98m3/h，出水溫度由90℃下降到70℃。

長期開采而缺乏有效回灌，導致運城地區(qū)儲層水力平衡破壞，因此在這類地區(qū)保持回灌持續(xù)性極其重要。但熱儲層巖性為粉細砂巖，顆粒粒徑較小，回灌量較小，難以做到連續(xù)穩(wěn)定的回灌，因此，回灌模式的選擇和回灌的操作方法是其保持穩(wěn)定回灌的一個重要因素。本文通過對運城市鹽湖區(qū)HGJ01回灌井回灌試驗的數(shù)據(jù)分析，研究采用自然回灌、“回揚-回灌”兩種回灌方式對砂巖熱儲層地熱回灌井的回灌效果。

1 地質(zhì)概況及地層特征

HGJ01回灌井處于運城塊凹內(nèi)，地理上與運城盆地大致范圍相當。北側以夾馬口-臨猗-三路里-陳村斷裂與峨嵋陷隆為界，南側以中條山北山前大斷裂與中條山塊隆為界，呈北東東走向，長110km，寬15km～25km。

HGJ01回灌井地層從上到下為：第四系丁村組、匼河組、三門組，新近系靜樂組、保德組，古近系劉林河組、高廟組、坡底組[2]。

2 熱儲層條件

新近系與古近系在運城市鹽湖區(qū)普遍發(fā)育，高廟組與坡底組是該區(qū)地熱井開采的主要熱儲層。地區(qū)所有地熱井主要為混合開采，開采深度2000m～3000m，出水量80m3/h～100m3/h，出水溫度70℃～80℃，最高的能達90℃。HGJ01回灌井目的層為古近系高廟組與坡底組。

HGJ01回灌井高廟組與坡底組熱儲層聲波孔隙度26.03%～28.86%，平均27.23%左右，滲透率56.89μm2～106.66μm2，砂巖泥質(zhì)含量13.99%～20.33%（表1），整體來講，儲層孔隙度、滲透率均相對較低，泥質(zhì)含量偏高。熱流體礦化度17259 mg/L，水化學類型為Cl-Na型，pH值7.14。

表1 HGJ01回灌井回灌熱儲層段測井解釋成果表

3 井身結構

一開：采用Φ444.5mm牙輪鉆頭清水自造漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，鉆進至502.16m后，下入Φ339.72mm×9.65mmJ55級的石油套管，進行水泥固井。回灌井井身結構如圖1所示[3]。

圖1 HGJ01 回灌井井身結構圖

二開：采用Φ311mm3A球齒牙輪鉆頭化學泥漿護壁，正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進至2000.67m。下入ф244.48mm×8.94mmJ55級的石油套管1536.73m套管并進行水泥固井。

三開：采用ф215mm3A球齒牙輪鉆頭正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，使用優(yōu)質(zhì)化學泥漿護壁。施工至3218.53m。下入ф177.8mm×8.05mm的J55石油套管并進行水泥固井。

HGJ01在回灌目的層采用射孔工藝，射孔段位于2700m～3218.53m之間，根據(jù)測井地質(zhì)資料，確定熱儲層含水層位置，最后根據(jù)含水層位置準確確定射孔段位置，該回灌井實際射孔段長度為300m。射孔作業(yè)時，地面操作系統(tǒng)采用SKD-3000B數(shù)控測井儀控制，射孔選用102槍64彈，槍長2m、3m或4m之間，密度16孔/m，孔徑20mm，穿透深度≥800mm，射孔孔隙率1.11%。射孔方式螺旋排列。

4 回灌試驗過程

本次回灌試驗采用“同層對井”回灌試驗，開采井為濱湖一號小區(qū)地熱井，該井位于回灌井北180m，井深3705.0m，靜止水位88.5m，降深36.5m，出水量可達100m3/h，出水溫度59℃，主要開采深度2766m～3700m，熱儲層時代為古近系始新統(tǒng)（E2），與回灌井熱儲層為同一地質(zhì)時代，回灌試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 回灌試驗數(shù)據(jù)表

第一階段：非采暖期回灌試驗。

試驗前HGJ01回灌井水位埋深89.19m。該階段回灌試驗分三組，均以自然回灌方式進行：

第一組試驗：歷時28小時，穩(wěn)定回灌量大小90m3/h，回灌水溫度57.7℃，4小時水位基本穩(wěn)定在23.39m，水位抬升65.80m，單位回灌水量為0.380 L/s?m。

第二組試驗：歷時86小時，穩(wěn)定回灌量大小60m3/h，回灌水溫度57.7℃，1小時水位基本穩(wěn)定在55.09m，水位抬升34.10m，單位回灌水量為0.489 L/s?m。

第三組試驗：歷時96小時，穩(wěn)定回灌量大小80m3/h，回灌水溫度58.5℃，3小時水位基本穩(wěn)定在36.32m，水位抬升52.87m，單位回灌水量為0.420 L/s?m。

第一階段自然回灌累計時間210小時，回灌水溫57.7℃～58.5℃，回灌量15360m3。

第二階段：采暖期回灌試驗。

由于采暖期地熱井大量用于采暖，使得地熱水靜水位降低，試驗前測得HGJ01回灌井水位埋深101.44m。該階段回灌試驗分五組：

第一組試驗：歷時75小時，以自然回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小75m3/h，回灌水溫度40℃，72小時水位基本穩(wěn)定在8.99m，水位抬升92.45m，單位回灌水量為0.225L/s?m。

第二組試驗：歷時48小時，以自然回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小50m3/h，回灌水溫度40℃，穩(wěn)定水位17.44m，水位抬升84.00m，單位回灌水量為0.165L/s?m。

第三組試驗：歷時18小時，57分鐘水位抬升至管口，以壓力回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小65m3/h，回灌水溫度40℃，水位抬升至管口。

第四組試驗：歷時360小時，回灌前水位埋深98.70mm，以自然回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小50m3/h，回灌水溫度40℃，穩(wěn)定水位3.80m，水位抬升94.90m，單位回灌水量為0.146 L/s?m。

第五組試驗：歷時412小時，該組試驗在回揚44小時后以自然回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小85m3/h，回灌水溫度40℃，回灌前穩(wěn)定水位埋深118.95m，回灌穩(wěn)定水位埋深6.69m，水位抬升112.26m，單位回灌水量為0.210L/s?m。

第二階段自然回灌累計時間913小時，回灌水溫40.0℃，回灌量累計63480m3。

第三階段：非采暖期回揚后回灌試驗。

該階段回灌試驗前進行了一組回揚試驗，回揚試驗歷時72小時，靜止水位埋深114.30m，水位降深31.10m，出水量95.60m3/h，單位涌水量0.854 L/s?m，出水溫度57℃。

回揚試驗結束，進行了一組回灌試驗，歷時320小時，該組試驗在回揚72小時后以自然回灌方式進行。穩(wěn)定回灌量大小70m3/h，回灌水溫度57.2℃，回灌穩(wěn)定水位埋深5.30m，水位抬升109.0m，單位回灌水量為0.178L/s?m。

第三階段自然回灌累計時間320小時，回灌水溫57.2℃，回灌量累計22400m3。

5 回灌試驗分析

5.1 第一階段自然回灌分析 （非采暖期）

根據(jù)第一階段回灌試驗數(shù)據(jù)分析，該階段累計回灌210小時，最大回灌量90m3/h，最小回灌量60m3/h，最大水位抬升65.80m，最小水位抬升34.10m，回灌水溫57.7℃～58.5℃，累計回灌量15360m3。說明在非采暖期回灌效果較好，水位短時間內(nèi)無法達到孔口，保證回灌率達到90%。

5.2 第二階段自然回灌分析 （采暖期）

根據(jù)第二階段回灌試驗數(shù)據(jù)分析，最大回灌量85m3/h，最小回灌量50m3/h，回灌水溫40.0℃，回灌量累計63480m3。

當回灌量為65m3/h時，回灌18小時，水位抬升至孔口，孔口壓力0.1Mpa，當回灌量為50m3/h時，穩(wěn)定水位埋深3.38m，單位回灌量變小。回揚44小時后，回灌量增加至85m3/h，穩(wěn)定水位埋深6.69m。說明在采暖期回灌隨時間的增加，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，回灌量逐漸減少，通過回揚44小時后，回灌量增加。

5.3 第三階段回揚后自然回灌分析（非采暖期）

該階段主要進行了“回揚-回灌”試驗，回灌量70m3/h，回灌水溫度57.2℃，累計回灌時間320小時，穩(wěn)定水位埋深5.30m，累計回灌量22400m3。當回揚72小時后，回灌量增加。

綜上所述，對比第一階段和第二階段的自然回灌試驗，反應出回灌井出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，初步推測回灌井水溫度的變化，造成化學堵塞，容易形成硫酸鈣垢、氯化鈉垢及碳酸鈣垢等。通過第二階段與第三階段的試驗結果，表明采用自然回灌與回揚相結合的方式，以17天為周期，遵循“回灌17天－回揚3天”的定時循環(huán)運行方式，其平均灌量可提升至85m3/h左右。

6 結論與建議

（1）運城市鹽湖區(qū)熱儲層主要為粉砂巖、砂礫巖，回灌量小，回灌工作困難，難以保持回灌的穩(wěn)定性，回揚對回灌井的回灌性起著關鍵作用，能夠增大回灌量及回灌持續(xù)性。加壓回灌可以增加回灌量，但也會造成地層孔隙結構的破壞，導致堵塞現(xiàn)象，經(jīng)試驗表明，采用“回揚-回灌”是現(xiàn)階段最適宜的回灌方式。

（2）該地區(qū)回灌方式采用自然回灌，回灌率為50%，當采用自然回灌與回揚相結合的方式時，遵循“回灌17天-回揚3天”的定時循環(huán)運行方式，其平均灌量回灌率提升到85%。