北京某典型地区地热井酸化压裂增产技术研究

杨淼 林天懿 刘庆 柯柏林

摘  要：研究区位于双桥地热田外围，地热勘查资料较少。区内某地热井井深2800m，热储层为蓟县系雾迷山组白云岩，将用于办公区地热供暖。但其出水量受制于深部热储层渗透性能或沉积物堵塞地热流体通道等原因，小于邻近地热井，亟需引进酸化压裂增产手段，提高地热井产能。通过地热井的成功实施，分析了地热地质特征，采用实验室模拟、数值模拟等手段，对酸液浓度、用量、设备选型等工程参数进行了详细设计，制定了酸化压裂增产技术方案，指导进行酸化压裂技术应用，酸化压裂前后出水量从968m3/d增加至2163m3/d，水温从43.5℃增加至46℃，实现了出水量增产123%以上，出水温度增温2.5℃，增产效果显著。

关键词：地热井;碳酸盐岩热储;酸化压裂;地热增产试验

中图分类号：P314     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2018）04-0014-05

0 前言

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，对地热能等清洁能源的勘查开发，是能源结构调整和能源行业发展的未来方向（柯柏林，2009）。十三五规划等国家战略和重大规划多次强调要“实施近零碳排放区示范工程”，对地热资源等清洁能源提出了巨大的需求。但是，地热资源的高效开发利用往往受制于深部热储层渗透性能或沉积物堵塞地热流体通道等原因，因此，国家能源局颁布《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，明确提出“要加强地热能开发利用，研发水热型地热系统改造及增产技术”。

北京东部地区位于双桥地热田外围，地热勘查资料较少。根据已有资料统计，区内地热井平均出水量1344.55 m3/d，水温47.5℃。而区内钻探实施的某地热井初期产能测试结果显示，该井出水量968m3/d，水温43.5℃，各项指标均低于区内平均值，亟待进行增产改造。本次研究酸化压裂增产技术，疏通碳酸盐岩含水层，沟通裂隙通道，增大岩石的裂隙，提高储层导流能力，进而提高地热井的产能（埃克诺米德斯，2002;刘兴浩等， 2011;陈生辉，2010），对地热能的高效开发利用具有重要的意义。该项技术的成功利用，不仅能满足地热开采井增产的需求，对地热井回灌能力的提升，乃至整个地热系统的改造也有重要意义，具有进一步研究和推广的价值。

1 代表井地热地质特征

1.1 代表井基本情况

本文选定的代表井位于北京东部地区，实钻井深2800.88m，热储目的层为蓟县系雾迷山组，其主要岩性为黄褐色、浅褐色、褐色和深褐色燧石白云岩，其中在2490～2528m和2693～2729m为紫红色泥质白云岩。“三开”井身结构，取水段为1730～2800.88m，裸眼井段（图1）。

1.2 地温场情况

根据前期测井数据（图2），该地热井实钻雾迷山组平均地温梯度1.04℃/100m。其中，中上段增温率较低，说明该层段地下热水资源丰富，对其开展酸化压裂施工改造，可更大限度地提升出水量，获取更显著的改造效果。

1.3 热储富水性特征

依据钻井液消耗记录及物探测井曲线综合解释分析（表1），該井揭露的蓟县系雾迷山组属于超低渗透致密储层;裂缝发育差，以III类裂缝为主;富水层段比较分散，总体上由于下部地层层厚较薄且泥质含量高，富水程度较上部弱。

1.4 前期产能测试

该井先后进行了裸眼段泡药、酸化洗井、气举洗井、水泵抽水等洗井工作，抽水试验结果显示：水位降深约40m时出水量为968m3/d，水温43.5℃。与邻近地热井相比，产水量较小，为改善热储渗流能力，提高地热产能、回灌能力，决定对该井实施酸化压裂增产措施。

2 酸化压裂工程设计

2.1 酸液浓度设计

酸化作用效果受碳酸盐含量、热储温度、以及酸液浓度影响（罗晴，2012;陈赓良等， 2006;陈凌等，2004）。本次试验从目标井雾迷山组白云岩热储层段取得岩样26件，模拟井下实际温度（45℃），进行15%HCl和20%HCl两种不同浓度条件下的酸化作用对比研究。结果显示：20%HCl酸蚀效果明显优于15%HCl，1960m以深酸蚀效果显著（图3）。

2.2 酸液用量设计

为了确定酸液用量，利用StimCADE软件模拟20%盐酸酸化该井热储后的表皮系数变化情况，发现酸液用量在90～100m3之前，表皮系数随着盐酸用量增加而逐步降低，达到100m3之后，表皮系数趋于稳定，无明显效果（图4）。

2.3 压裂液作用范围模拟

对20%HCl酸化压裂作用距离进行了模拟（图5），模拟结果显示，作用距离最远4m，最小2.3m，作用效果较好。

2.4 工程总体设计

针对该井地热地质条件，经实验分析、数值模拟及前期试压等工作，初步设计酸化压裂工程方案如下：

（1）设备工艺

本次酸化作业的施工井段为1700m以下裸眼段，投入2台700型压裂泵车车组、3台酸液罐车等设备，采用震荡压裂方式，正挤法注酸，挤注压力不大于10 MPa。按图6所示结构完成酸化施工管柱，封隔器以下替满NH4Cl液体。

（2）设计用料

根据前期分析结果，本次工程设计投入施工管柱完成液约20m3，用于保护井管免受腐蚀、稳定井下气体等;压裂液为稀释至20%浓度的盐酸溶液约100m3，并添加一定剂量的缓蚀剂、助排剂、铁离子稳定剂、防膨剂等。具体用量如表2所示。

3 酸化压裂试验

本次酸化压裂试验严格按设计执行，施工过程最大瞬时排量1.5m3/min，最大瞬时工作压力6.5MPa。根据压力曲线，酸化压裂共经历3个过程：第一阶段，泵压逐渐稳定在6MPa、排量稳定在1.2 m3/min，此时以酸化作用为主，在近井地带蜂窝化，由未被酸蚀的岩石骨架以及孔隙内流体压力共同平衡地应力，尚未沟通裂缝;第二阶段，13：55时压力曲线突然下降，反映酸蚀进一步加强后，骨架整体抗压强度降低，沿最大主应力方向产生坍塌，形成小范围的径向裂缝，但由于裂缝空间小，很快被流体充填，压力再次回升到之前的水平;第三阶段，圧力曲线稳定6MPa，排量逐渐增加至1.5 m3/min，说明进一步扩大了储层天然裂隙，增强了渗流能力，酸化效果较好。

酸化压裂技术对该井起到了很好的增产效果，抽水试验显示：水位降深36m，出水量2163 m3/d，较压裂前增加了123%;出水温度46℃，较压裂前增加了2.5℃，实现了地热井产能的大幅提升。酸压后，该井可为办公区7.8万m2的建筑面积提供供暖调峰，较酸压前新增约4.6万m2，大大提高了办公区的可再生能源利用率，为创建“近零碳排放示范区”提供技术保障。

4 结论

（1）根据钻探、测井、产能测试资料，详细了分析北京东部地区某地热井地热地质特征，为酸化压裂工程设计及施工提供前期基础数据支撑。

（2）采用实验、软件模拟手段，确定了酸化压裂液的浓度、用量等参数，设计了工程的主要技术指标;在此基础上对该地热井实施了酸化压裂试验，增产后，出水量2163m3/d，较增产前的968 m3/d增加了123%以上，是区内地热井平均出水量的1.61倍;出水温度46℃，也较增产前增加了2.5℃;可为办公区7.8万m2的建筑面积提供供暖调峰，较改造前新增约4.6万m2，大大提高了区域可再生能源利用率。

（3）试验结果证明，酸化压裂技术是以碳酸岩为热储的地热井增产改造的有效手段，可在同类型地区推广应用。

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