天津城區(qū)奧陶系灰?guī)r熱儲層酸化壓裂增產(chǎn)試驗研究

孫曉林 楊寶美 高新智 朱挺 劉峰 王宇紅

摘要?奧陶系灰?guī)r熱儲是天津城區(qū)中深層地熱的主要開采對象之一，但是在天津城區(qū)鞍山道斷裂以西地區(qū)，奧陶系上覆地層保留相當厚度的石炭-二疊系地層，這種沉積環(huán)境下的奧陶系灰?guī)r不利于地熱流體聯(lián)通與流動，影響熱儲層涌水量。以天津NK-28地熱井為例，通過地球物理測井和地層巖屑錄井，結合溶蝕試驗、降壓試驗、反循環(huán)氣舉洗井等技術手段，進行了酸化壓裂增產(chǎn)研究。試驗結果表明：裂隙不發(fā)育且連通性差，以及地層地熱流體補給不及時是該井產(chǎn)能過低的主要原因;經(jīng)過酸化壓裂增產(chǎn)后，其涌水量由68?m3/h提高到110?m3/h，地熱井產(chǎn)能明顯提高，可為類似地質(zhì)條件下的地熱資源開發(fā)提供了一定的參考依據(jù)。

關?鍵?詞?地熱;熱儲層;酸化壓裂;增產(chǎn)

中圖分類號?TU832?????文獻標志碼?A

Test?study?of?acidification?fracturing?stimulation?in?Ordovician?limestone?thermal?reservoirs?in?the?urban?area?of?Tianjin

SUN?Xiaolin1，?YANG?Baomei1，?GAO?Xinzhi1，?ZHU?Ting1，?LIU?Feng2，?WANG?Yuhong3

（1.?Tianjin?Geothermal?Exploration?and?Design?Institute，?Tianjin?300250，?China;?2.?Institute?of?Hydrogeology?and?Environment?Geology，?Chinese?Academy?of?Geological?Sciences，?Shijiazhuang，?Hebei?050061，?China;?3.?Tianjin?Rocked?Technology?Co?Ltd，?Tianjin?301700，?China）

Abstract?Ordovician?limestone?thermal?reservoir?is?one?of?the?main?middle-deep?geothermal?energy?exploration?sources?in?urban?areas?of?Tianjin.?In?the?western?areas?of?Anshan?Road?Fault，?there?remains?a?relatively?thick?Permo-Carboniferous?formation?above?the?Ordovician?limestone.?Such?a?sedimentary?environment?is?not?favorable?for?the?connectivity?and?flow?of?geothermal?fluid?in?the?Ordovician?limestone?thermal?reservoir，?usually?reducing?the?outflow?yield?of?geothermal?wells.?Taking?a?geothermal?well（No.NK-28）in?Tianjin?as?an?example，?acidification?fracturing?stimulation?is?carried?out?based?on?borehole?logging，?geophysical?logging，?the?corrosion?test，?drop?pressure?tests，?gas?lift?reverse?circulation?well?washing?and?other?technical?methods.?Test?results?show?that?a?low?productivity?of?the?present?geothermal?well?is?mainly?caused?by?the?non-sufficient?fracture?formation，?poor?connectivity?and?recharge?of?fluid?in?thermal?reservoirs.?After?a?stimulation?by?acidizing?fracturing，?the?outflow?yield?of?geothermal?water?is?greatly?increased?from?68?m3/h?to?110?m3/h，?which?can?provide?positive?references?for?the?development?of?geothermal?resources?in?similar?geological?areas.

Key?words?geothermal;??thermal?reservoir;?acidification?fracturing;?stimulation

0?引言

天津具有豐富的地熱資源優(yōu)勢，隨著天津經(jīng)濟快速發(fā)展和生態(tài)文明建設，社會對清潔能源的需求與日俱增，對于加快各功能區(qū)開發(fā)和實現(xiàn)節(jié)能減排目標具有重要的推動作用。天津城區(qū)第一口地熱基巖井（WR1#）成井于1979年10月;截止2017年，天津城區(qū)已累計開發(fā)地熱井168眼。奧陶系是天津地區(qū)揭露基巖后鉆遇的第一個基巖熱儲層，因其埋藏淺、鉆探成本低，且具有較好的回灌能力而成為重點開采熱儲層。但是，由于奧陶系熱儲層的賦水性極不均勻，往往導致施工風險較高，一定程度上影響其開發(fā)利用進程。因此，查明奧陶系熱儲發(fā)育和構造特征，研究影響奧陶系熱儲層發(fā)育的因素，進而對熱儲層進行改造，增加熱儲層涌水量，提高地熱資源利用率是當前的重要工作之一。

研究人員在此方面開展了不少研究工作。例如，趙宗舉等[1]對塔里木盆地塔中地區(qū)的奧陶系儲層成因進行研究，認為各種巖溶作用是形成奧陶系有效儲集空間的主要動因。孫東等[2]研究了塔里木盆地哈拉哈唐地區(qū)奧陶系海相碳酸鹽儲層的主控因素，認為斷裂體系對奧陶系儲層有一定的影響作用，斷裂交會裂縫發(fā)育區(qū)最有利于儲層的改造，是高效井點的理想位置。崔宇等[3]對歧口凹陷北大港構造帶奧陶系潛山儲層的主控因素進行了研究，認為有許多因素影響碳酸鹽儲層的發(fā)育，主要包括巖性巖相特征、古地貌、古氣候等，但是北大港構造帶的奧陶系碳酸鹽儲層主要受巖性組合與多期次巖溶改造作用影響。唐世春[4]對奧陶系沙23#鉆井進行了酸化壓裂改造，為該構造擴大儲量提供了資料。呂殿臣[5]對天津靜?？hJHR-16D#地熱井進行酸化壓裂改造，使其涌水量由原來的35.3?m3/h提高到133.0?m3/h，增產(chǎn)3.7倍。林天懿等[6]對北京某地熱井進行酸化壓裂增產(chǎn)研究，最終其出水量增產(chǎn)123%以上。客觀而言，酸化壓裂對于不同類型巖石熱儲的效果相差較大，尤其是針對灰?guī)r熱儲層酸化壓裂增產(chǎn)效果方面的文獻報導相對較少。鑒于上述背景，本文以天津NK-28#地熱井為例，進行奧陶系灰?guī)r熱儲層酸化壓裂增產(chǎn)的試驗與分析，旨在總結相關成果經(jīng)驗，為類似地質(zhì)條件下的地熱井改造與地熱資源開發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1?地熱井概況

NK-28#地熱井所在區(qū)域位于王蘭莊地熱田西北部，處于Ш級構造單元滄縣隆起的次一級構造單元雙窯凸起的中北部（圖1）。附近發(fā)育斷裂有天津斷裂、海河斷裂和鞍山道斷裂。天津斷裂為滄縣隆起內(nèi)部斷裂，為多期活動斷裂，控制著奧陶系的分布。NK-28#地熱井周圍已有地熱井NK-09#（1995年成井）、NK-10#（1993年成井）、NK-14#（1996年成井）、NK-24#（2009年成井），涌水量分別為127?m3/h、148?m3/h、150?m3/h、119?m3/h?，F(xiàn)階段仍在正常使用，但是NK-28#地熱井成井后最大涌水量僅為68?m3/h，與該地區(qū)熱儲層出水能力相差較大。

NK-28#地熱井深度為2?852?m，揭露基巖為石炭-二疊系，深度1?276～2?189?m，地層厚度為872?m。巖性以暗紅色、灰綠色、灰黑色泥巖為主，夾不等厚砂巖及薄層煤層，與下伏地層奧陶系不整合接觸，風化殼巖性為粗粒石英砂巖[7-8]。目的熱儲層奧陶系揭露深度為2?189～2?852?m，揭露地層厚度為663?m，巖性以棕黃色、淺黃色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，灰?guī)r泥質(zhì)含量較高。

根據(jù)鉆孔地層巖屑錄井統(tǒng)計，該地區(qū)奧陶系上覆地層石炭-二疊系厚度達到872?m。根據(jù)以往研究成果[7-8]，奧陶系熱儲層有無石炭-二疊系覆蓋，對奧陶系產(chǎn)水量影響很大，同時石炭-二疊系的厚度與巖溶發(fā)育呈負相關關系，厚度越大，巖溶裂隙發(fā)育越弱，其主要原因在于：石炭-二疊系覆蓋較厚的巖溶區(qū)一般處于構造凹陷區(qū)，在該構造特征下，水流運動滯緩，水的溶蝕能力基本喪失，巖溶作用以沉淀充填為主，使古巖溶裂隙致密化，影響側向地下水的補給條件。根據(jù)鉆探結果推測，天津斷裂對奧陶系熱儲有隔水作用，斷裂以東賦水性較好;鞍山道斷裂控制古生界石炭-二疊系的分布，斷裂以西大面積保存有石炭-二疊系，以東只有零星分布;海河斷裂切割滄東斷裂天津段，表現(xiàn)為張性斷層性質(zhì)，有利于熱儲層的賦水性。

2?酸化壓裂試驗

2.1?酸化壓裂概況

壓裂酸化是在高于地層破裂壓力下用酸液作為壓裂液，進行不加支撐劑的壓裂。壓裂酸化過程中靠酸液的溶蝕作用將裂縫的壁面溶蝕成凹凸不平的表面，以使停泵卸壓后，裂縫壁面不會完全閉合。因此，具有較高的導流能力，對恢復和提高熱儲層生產(chǎn)能力，效果明顯。施工前需要將目的熱儲層以上地層進行封閉，并注滿NH4Cl溶液，防止注酸過程中鹽酸溶液進入上部地層，對非取水段造成污染及套管腐蝕。表1給出了本次研究酸化壓裂所采用施工液的用量及溶液配比情況。

2.2?反循環(huán)氣舉洗井

奧陶系熱儲層溫度通常遠高于二氧化碳臨界溫度，二氧化碳多以氣體形式存在。為防止酸化反應生成的二氧化碳在地層停滯時間過長而造成裂隙氣堵影響酸化效果，需進行反循環(huán)氣舉洗井。圖2為反循環(huán)氣舉洗井的示意圖。相對傳統(tǒng)常規(guī)洗井方式，反循環(huán)氣舉洗井可以更好的將井底反應物排出，同時擾動熱儲層深部地熱流體而打破高溫高壓下二氧化碳的平衡狀態(tài)，有利于氣體的排出。反循環(huán)氣舉洗井時首先下入Φ73?mm油管2?000?m至奧陶系熱儲層頂部的套管底部，上接排水管道;然后平行下入Φ30?mm耐高壓軟管400?m，上接空壓機。井口封閉形成反循環(huán)管路，持續(xù)洗井至少10?h，至水清砂凈。通過洗井，將酸化壓裂過程中泥質(zhì)灰?guī)r反應后殘留的泥質(zhì)成分以及地熱流體中的過飽和溶質(zhì)，從熱儲層裂隙中帶出，改善熱儲層裂隙條件。

2.3?穩(wěn)定流降壓試驗

穩(wěn)定流降壓試驗主要是采用潛水泵通過測定井孔涌水量及其水位下降（降深）之間的關系，分析確定含水層的富水程度、評價井孔的出水能力。本次穩(wěn)定流降壓試驗先進行大落程抽水，然后依次進行中小落程。穩(wěn)定流降壓試驗求參數(shù)方法采用裘布依公式法及溪哈爾特降壓影響半徑經(jīng)驗公式迭代計算，其中含水層滲透系數(shù)采用K公式（1）計算，抽水影響半徑采用式（2）計算，分別為

[K=0.366Q（lgR-lgrw）MSw]， （1）

[R=10SwK]， （2）

式中：?K為含水層滲透系數(shù)，m/d;Q為單井涌水量，m3/d;R為抽水影響半徑，m;[rw]為取水段井半徑，?m;[Sw]為穩(wěn)定降深，m;M為熱儲層有效厚度，m。

3?結果與討論

3.1?酸化壓裂前測井結果

圖3給出NK-28#地熱井酸化壓裂前測井結果?？梢钥闯觯琋K-28#鉆孔熱儲層裂隙發(fā)育較差，一類裂隙3層，累計厚度為9.6?m，測井井段分別為2?417.5～2?420.7?m、2?451.3～2?455.1?m、2?600.3～2?602.9?m;二類裂隙9層，累計厚度為45.2?m，測井井段分別為2?365.4～2?368.2?m、2?370.6～2?373.5?m、2?378.9～2?384.1?m、2?389.2～2?398.2?m、2?455.1～2?458.8?m、2?467.7～2?471.0?m、2?556.5～2?563.0?m、2?609.1～2?614.1?m、2?626.2～2?633.0?m;三類裂隙14層，累計厚度為80.9?m，測井井段分別為2?212.3～2?214.7?m、2?322.9～2 333.0?m、2?354.0～2?360.1?m、2?477.0～2?486.4?m、2?501.6～2?505.1?m、2?511.5～2?528.7?m、2?543.3～2?549.3?m、2?658.1～2?661.0?m、2?693.8～2?696.6?m、2?734.8～2?737.0?m、2?746.9～2?749.7?m、2?755.3～2?763.7?m、2?792.5～2?796.5?m、2?804.6～2?807.7?m。其中一類、二類裂隙層為有效取水層，總累計厚度54.8?m，占總揭露厚度的8.2%。?熱儲層裂隙率1.05%～6.77%，滲透率0.1×10-3～2.63×10-3?μm2，泥質(zhì)含量2.04%～13.29%。通過與相鄰鉆孔比對，NK-28#地熱井裂隙率與孔隙度偏低，泥質(zhì)含量相差不多，其最大涌水量僅為68?m3/h，遠低于周圍奧陶系熱儲層地熱井涌水量，不利于地熱流體開發(fā)利用。由于NK-28#鉆孔為灰?guī)r熱儲，不能夠與白云巖一樣依靠石化作用的增強來增大晶間孔隙度，進而改善巖石的滲透率[9]。因此，對奧陶系熱儲層進行酸化壓裂是很有必要的增產(chǎn)作業(yè)方式之一。

3.2?酸化壓裂結果

酸化壓裂增產(chǎn)前，對不同深度奧陶系灰?guī)r取樣、編號，分別采用18%?鹽酸溶液、20%?鹽酸溶液、22%?鹽酸溶液進行溶蝕試驗對比，在25?℃的條件下試驗1?h。圖4給出了不同濃度下灰?guī)r溶蝕率?？梢钥闯?，灰?guī)r隨著鹽酸溶液的濃度增加，溶蝕率呈正比增加，但濃度超過20%后，溶蝕率增加速度減緩。張帥等[10]試驗結果表明，溶蝕率的增加與酸液濃度和試樣臨近表面的原生孔隙打開度有關。剛開始的時候酸的濃度比較低，試樣臨近表面的原生孔隙打開度較低，溶蝕率較低;隨著酸的濃度的增加，試樣臨近表面的原生孔隙迅速打開，溶蝕率也快速增加;但是當酸的濃度達到一定時，原生孔隙基本全部打開，因此溶蝕率增加速度減緩，這與本文試驗結果是基本一致的。根據(jù)試驗結果并結合經(jīng)濟成本，本次酸化采用20%濃度鹽酸溶液進行酸化作業(yè)。

表2匯總了酸化壓裂試驗參數(shù)，可以看出，試驗剛開始注酸壓力為10?MPa（根據(jù)該區(qū)域奧陶系灰?guī)r地層破碎壓力經(jīng)驗值為6～9?MPa），試驗開始23?min后，壓力下降，表明原生孔隙基本打開，地層裂隙壓裂成功，持續(xù)注酸60?min后，壓力降至6.8?MPa，之后壓力維持不變。整個酸化過程持續(xù)130?min，共計注酸110?m3。

3.3?反循環(huán)氣舉洗井結果

根據(jù)測井結果顯示，奧陶系熱儲層溫度為71?℃，遠高于二氧化碳臨界溫度31.2?℃。在這種高壓高溫條件下，二氧化碳以氣體形式存在。因此，為了避免影響酸化效果，需要在反應進行4?h后進行反循環(huán)氣舉洗井。表3匯總了反循環(huán)氣舉洗井的各項參數(shù)?？梢钥闯觯瑒傞_始進行第一次洗井時，出水壓力為6.2?MPa，停水壓力為2?MPa，而接下來進行洗井時，出水與停水壓力穩(wěn)定不變，壓差為3.9?MPa，出水時長基本穩(wěn)定在9?min左右。除了前兩次洗井的出水間隔較長，后面11次出水間隔也基本穩(wěn)定在51?min左右。由此說明，此次洗井達到了預期目的，成功的擾動了熱儲層深部地熱流體，有效地打破了高溫高壓下二氧化碳的平衡狀態(tài)，將二氧化碳氣體排出而避免造成裂隙氣堵，清除了殘留的泥質(zhì)成分和裂隙中地熱流體中過飽和的溶質(zhì)，有效的改善了的儲層裂隙條件，穩(wěn)固了本次酸化壓裂的效果，為本例中奧陶系熱儲層產(chǎn)能的提高提供了一定的保證。

3.4?降壓試驗與增產(chǎn)效果分析

酸化壓裂增產(chǎn)結束后，進行穩(wěn)定流降壓試驗，試驗前測得靜水位91?m（對應液面溫度50?℃），考慮到熱效應作用，NK-28#地熱井與該地區(qū)靜水位平均值87?m基本吻合（圖5）。具體3個落程降壓試驗數(shù)據(jù)如表4。通過前述計算公式（1）-（2）可知，該井單位涌水量為4.48?m3/h·m，滲透系數(shù)為0.85?m/d，導水系數(shù)為115.58?m2/d，滲透率為0.037?m2/d。與該地區(qū)其它地熱井參數(shù)相差不大，表明本次試驗達到了預期效果。

區(qū)域內(nèi)地下水位在一定意義上反應了該地區(qū)地下水賦水能力、補給能力以及與周圍水文地質(zhì)單元的水力聯(lián)系。以NK-28#鉆孔為例，酸化壓裂試驗前靜水位為101?m，動水位為221.94?m，涌水量為68?m3/h;酸化壓裂后，靜水位為91?m，動水位為106.09?m，涌水量為110?m3/h。對比可知，通過酸化壓裂前后，涌水量提高了61.7%。一般而言，對于地熱井的酸化壓裂，其增產(chǎn)效果不低于原來產(chǎn)量的1倍。例如，文獻[5]中對天津碳酸鹽巖熱儲層進行酸化壓裂改造，其涌水量由原來的35.3?m3/h提高到133.0?m3/h，增產(chǎn)效果達到2.77倍。文獻[6]中針對北京低孔低滲的碳酸鹽巖熱儲進行酸化壓裂增產(chǎn)研究，其增產(chǎn)效果達到了1.23倍。申云飛等[11]采用水力壓裂技術，使低產(chǎn)地熱井出水量增產(chǎn)高達3倍。綜合而言，雖然酸化壓裂可以對地熱井進行增產(chǎn)改造，但對于不同地區(qū)、不同類型熱儲、不同壓裂方式的改造效果存在較大差異，不可一概而論。因此，在對低產(chǎn)地熱井進行增產(chǎn)改造設計過程中，需因地制宜采用合適的方法、工藝與參數(shù)，這是保證最終達到最優(yōu)效果的關鍵因素。此外，試驗前后靜水位變化不大，且與該區(qū)域平均靜水位87?m接近，說明該地區(qū)奧陶系熱儲層賦水能力在空間具有相似性，賦水性良好。試驗前后動水位變化較大，與之前推斷NK-28#地熱井鉆遇區(qū)域可能裂隙發(fā)育不佳，且地下流體的連通性較差的基本判斷相吻合。

4?結論

1）天津城區(qū)奧陶系熱儲層富水性較好，造成產(chǎn)能過低的主要原因是裂隙不發(fā)育且連通性差，地層地熱流體補給不及時。奧陶系熱儲上面的石炭-二疊系的厚度越大，巖溶裂隙發(fā)育越弱，對地熱開發(fā)越不利。

2）通過酸化壓裂增產(chǎn)，本文地熱井最大涌水量由68?m3/h提升至110?m3/h，靜水位變化不大，大大提高了地熱井的產(chǎn)能，表明酸化壓裂是地熱井增產(chǎn)改造的有效措施之一?；?guī)r的溶蝕率隨著鹽酸溶液濃度增加呈正比增加，但濃度超過20%后，溶蝕率增加幅度減緩。

3）酸化壓裂對不同地區(qū)、不同類型熱儲層的增產(chǎn)改造效果存在差異，在低產(chǎn)地熱井增產(chǎn)改造設計過程中，需要因地制宜選擇合適的方法、工藝及參數(shù)。

參考文獻：

[1]????趙宗舉，王招明，吳興寧，等.?塔里木盆地塔中地區(qū)奧陶系儲層成因類型及分布預測[J].?石油實驗地質(zhì)，2007，29（1）：40-46.

[2]????孫東，楊麗莎，王宏斌，等.?塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)走滑斷裂體系對奧陶系海相碳酸鹽巖儲層的控制作用[J].?天然氣地球科學，2015，26（S1）：80-87.

[3]????崔宇，李宏軍，付立新，等.?歧口凹陷北大港構造帶奧陶系潛山儲層特征、主控因素及發(fā)育模式[J].?石油學報，2018，39（11）：1241-1252.

[4]????唐世春.?沙23井奧陶系酸化壓裂技術[J].?石油鉆探技術，1999，27（2）：43-44.

[5]????呂殿臣.?酸化壓裂技術在地熱井增產(chǎn)中的應用[J].?中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013，33（22）：156-156.

[6]????林天懿，柯柏林，楊淼，等.?碳酸鹽巖熱儲酸化壓裂增產(chǎn)機理研究及應用[J].?城市地質(zhì)，2018，13（3）：21-26.

[7]????江國勝，趙蘇民.?天津市奧陶系熱儲賦水規(guī)律研究[R].?天津：天津地熱勘查開發(fā)設計院，2015.

[8]????天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局.?天津市區(qū)域地質(zhì)志[M].?北京：地質(zhì)出版社，1992.

[9]????李朋威，何治亮，馮建赟，等.?中國東部主要沉積盆地型熱儲產(chǎn)出特征與地熱開發(fā)利用建議[J].?科技導報，2017，35（14）：77-81.

[10]??張帥，司勝，史文超，等.?土酸對頁巖溶蝕率影響的試驗研究[J].?中國礦業(yè)，2016，25（3）：142-145.

[11]??申云飛，盧瑋，陳瑩，等.?水力壓裂技術在豫西基巖地熱井增產(chǎn)中的應用研究[J].?探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（10）：253-256.

[責任編輯????田????豐]