碳酸盐岩热储酸化压裂增产机理研究及应用

林天懿，柯柏林，杨 淼，刘 庆，熊 馨，牛升晟，黄 璐

（北京市地热研究院，北京 102218）

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，开发利用地热能对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义。北京地区地热资源丰富（柯柏林，2009a；柯柏林，2009b；吕金波等，2001；宾德智等，2002），主要以碳酸盐岩类水热型地热为主，构成相对独立又有一定联系的10个地热田，分布面积2760km2，其中：蓟县系雾迷山组热储层由于厚度大、分布范围广，构成北京平原最有开发价值的热储层。但是当前地热井产量不稳定、回灌难的问题，严重限制了地热能开发的进程，酸化压裂技术是解决北京水热型地热系统增产增灌的有效手段。天津开展酸化压裂工艺在地热井中的应用较早（马忠平等，2007；吕殿臣等，2013；王连成等，2010），多个技术应用成功实例，证实酸化压裂技术完全可以应用于碳酸盐岩热储地热井。北京曾对地热井进行过酸化压裂初步尝试，取得了明显效果，其中：柯柏林等（2007）对被水泥封固的YRG-1井目的层进行压裂施工，恢复地热井原有产能，并使出水温度增加了3℃；对顺义某地热井实施酸化压裂施工，使出水量增产2.7倍等。

然而，对北京地区碳酸盐岩热储水热型地热系统酸化压裂增产机理尚无公开研究报道，限制了增产增灌技术在地热领域的科学、高效指导作用。本文从酸化改造机理研究入手，结合北京某地热井，通过理论模型分析、GCTS三轴压缩实验、室内酸盐反应等，首次开展北京地区碳酸盐岩热储酸化压裂改造机理研究，指导技术应用取得良好示范成效，推动今后北京地热资源高效、可持续开发利用。

1 水热型地热系统产量模型优化

北京地区水热型地热系统大部分地热井为完整承压井，当水流为层流流态时，由裘布依公式得到理想状态下的地热井出水量表达式为（任天培，1986）：

式中：Q为地热井出水量，m3/s；K为含水层渗透系数，m/d；M为承压含水层厚度，m；H0为承压水原始水头值，m；hw为抽水时的稳定水头，m；Sw为抽水时的水位降深，m，Sw=H0-hw；R为抽水时的影响半径，m；rw为地热井井径，m。

实际上，在地热钻完井过程中，由于钻井泥浆、固井水泥侵入地层，井筒周围侵入带地层渗透率降低，因此产生附加阻力，阻碍井下流体渗透。1949年Van Everdingen和Hurst引入表皮系数（S）的概念，用于表示井筒附近的压差变异（Economides et al，2002），定义如下：

式中：∆ps为储层伤害造成的井底附加压降，受到伤害的井∆ps＞0，MPa；μ为流体的粘度，mpa·s；k为储层渗透率，mD，其与渗透系数的换算公式为为流体容重，kg/m3。

联合公式（1）、（2）可知，得实测水位降深

即可得产水量计算公式：

式中：Sws为承压水水位降深，m。

从式（4）关系可以反映出水热型地热系统开发增产机理（图1）。含水层厚度（M）、井径（rw）是由地层性质、井身结构确定的不变常量。通过增大抽水泵排量，可在短期内增加出水流量，但长期过量抽取地下水，承压水水位降深（Sws）随之增大，若动水位降至水泵以下，则该地热井将无法开发利用。因此，提高地热井产水量的关键因素是降低表皮系数（S）、增加含水层渗透系数（K）。

图1 水热型地热系统开发增产图Fig.1 Hydrothermal geothermal system development and stimulation diagram

2 酸化压裂增产机理

2.1 酸化作用

本次研究主要选用的酸液体系为盐酸溶液（HCl），可与碳酸盐岩发生化学反应，且反应不可逆。反应产物氯化钙和氯化镁在残酸中溶解度高，不存在沉淀的风险。以北京地区雾迷山组白云岩热储为例，酸化反应化学方程式为：

结合北京某地热井岩心酸化测试，挑选雾迷山组4段岩心Jxw4-1，雾迷山组3段两块岩心Jxw 3-1、Jxw 3-2，岩心基本特征如下表1所示：

表1 雾迷山组岩心样品特征Tab. 1 Core Features of Wumishan Formation

图2 酸蚀反应前后对比图Fig.2 The comparison chart before and after Acid etching reaction

反应用酸液浓度31%，试验温度25℃，反应时间3h，反应过程不搅拌。反应结束后对三块碳酸盐岩样品进行室内酸盐反应，观察酸蚀反应面结构特征。如图2，对比Jxw 4-1、J Jxw 3-1、Jxw 3-2三块岩样的反应前后对比图可以看出：①Jxw4-1薄片鉴定颗粒结构较致密，粒晶间微孔隙和粒晶内微孔隙发育，白云石结晶欠均匀，见部分白云石充填的早期残余构造缝，酸蚀反应表现为优先沿岩脉、矿物条带、天然裂缝以及节理等结构弱面产生酸蚀突进现象，酸蚀改造效果显著；②Jxw 3-1岩样为细晶结构，结构致密，天然裂缝不发育，薄片鉴定碎屑状粉晶，少量泥晶、细晶，部分石英、长石均匀分布其中，粉砂、极细砂为主，少量细砂，泥质混杂氧化铁，不均匀分布于白云石和其它砂质颗粒间，表现出均匀表面溶蚀现象，酸蚀改造效果一般；③Jxw 3-2为含泥铁质粉晶白云岩，结构较致密，局部见少量孔隙—微孔隙，常见石膏，少量粘土矿物主要为伊利石、绿蒙混层等。3-2微观结构显示较3-1好，但内部粘土矿物充填较多，大部分不参与反应，部分存在酸敏特性（柳娜等，2008），因此3-2酸盐反应不明显，反应前后宏观观测未发现明显酸蚀变化，微观观测发现，碳酸盐岩部分出现酸蚀蜂窝状结构，具有一定的酸蚀效果。

2.2 压裂作用

压裂作用是指人工加压使井底流体压力升高，超过储层破裂压力时，会产生新裂缝或扩大原有裂缝规模。由于北京地区碳酸盐岩热储的缝洞结构发育，因此水热型地热系统的压裂作用将充分激活天然裂缝或者弱面，形成改造面积大、导流能力强的缝网结构。当井壁附近地层的天然裂缝面上的主应力和剪应力满足摩尔-库伦准则时，天然裂缝发生剪切滑动（图3），从而形成具有一定导流能力的流动通道，增加含水层渗透性能（康燕等，2005）。

表2 井底岩心取样统计表Tab.2 Core Sampling Statistical Table in Bottom Hole

图3 主裂缝周围天然微裂缝应力状态Fig.3 Natural microcrack stress around the main crack

图4 岩石三轴应力-应变曲线Fig.4 Triaxial stress - strain curve of rock

图5 目的层应力摩尔圆Fig.5 Mohr's circle of production layer

如表2，北京市蓟县系雾迷山组碳酸盐岩热储层可以细分为岩性不同的层段，结合北京某井，选取不同层段井底岩心，利用GCTS岩石三轴压缩实验仪测试岩石力学参数，并计算摩尔圆（图4、图5），得到碳酸盐岩储层天然弱面发生剪切滑动的临界条件。

根据摩尔库伦准则，计算得到北京地区缝洞型碳酸盐岩热储发生弱面剪切破坏的条件（图5），针对北京某井岩石特征，一方面可以通过人工泵入流体压力，改变地应力状态，摩尔圆左移，诱导岩石发生破裂，形成高导流能力热流通道，另一方面可以降低岩石骨架强度（刘兴浩等，2011），即人工下移摩尔圆破裂线（破裂条件），易于产生水力裂缝。

通过研究可以发现，酸化压裂作业，一方面有助于降低钻完井技术伤害带来的阻力，另一方面由于酸蚀蚓孔的存在（Economides，2002），在井筒周围形成蜂窝状结构，降低热储层整体抗压强度，对应摩尔圆中破裂线下移；随着压裂的持续作用，酸蚀蚓孔相互沟通，沿最大主应力方向产生坍塌，形成小范围的径向裂缝（图6）。且裂缝等结构弱面发育层段改造效果普遍较结构面不发育层段好，碳酸盐岩含量越高的层段改造效果越好。

图6 酸化压裂过程中蜂窝状腐蚀空间改造示意图Fig.6 Schematic diagram of honeycomb corrosion space improvement during acid fracturing

2.3 酸化压裂增产技术应用

北京某地热井目的层为蓟县系雾迷山组白云岩，完钻井深2800.88m，取水层段为1730～2800.88m裸眼井段。测井结果显示：1700～2800m热储的孔隙度0.81%～7.25%，平均为3.36%；渗透率0.1～1.42×10-3μm2，平均为0.25×10-3μm2，属于超低渗透致密储层。前期经过裸眼段泡药、酸化洗井、气举洗井、水泵抽水等洗井工作后，出水量为968m3/d，较邻井偏小。因此，结合酸化压裂机理研究，针对该井制定了酸化压裂方案（表3），并开展了工程示范。

本次酸化作业的施工井段为1700m以下裸眼段，采用震荡压裂方式，试压不刺不漏后，采用正挤法注酸液，施工过程最大瞬时排量1.5m3/min，最大瞬时工作压力6.5MPa。20%盐酸用量为100m3。

图7为酸化压裂曲线，根据施工压力曲线，酸化压裂共经历3个过程：第一阶段，泵压稳定在6MPa、排量稳定在1.2m3/min，此时以酸化作用为主，在近井地带形成大量酸蚀缝洞，此时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裂缝改造体积，增强了渗流能力。

图7 酸化压裂压力及排量曲线图Fig.7 Acid-fracturing pressure and displacement curve

图8 为该井酸压前后出水量和水温对比图，可以看出酸化压裂技术起到了很好的增产效果，出水量由酸化前的968m3/d激增到2163 m3/d，出水温度由43.5℃增加到46℃，实现地热井产能的大幅提升。

3 结论

通过对碳酸盐岩热储水热型地热系统酸化压裂增产机理研究及技术应用，形成以下主要结论：

（1）在传统地热井涌水量计算模型的基础上，引入表皮系数，兼顾了地热钻完井技术对近井地层的伤害，从理论上阐明了水热型地热系统开发增产机理，提高地热井出水量的关键因素是降低表皮系数(S)、增加含水层渗透系数(K)。

图8 酸化压裂前后温度及产量对比Fig.8 The temperature and production contrast before and after acid-fracturing

（2）首次针对北京地区雾迷山组白云岩开展酸化压裂增产机理：酸化作用在近井筒周围形成蜂窝状酸蚀蚓孔结构，降低储层抗压强度，在流体压力作用下，形成裂缝。

（3）实验证实，酸化压裂改造效果与储层岩石矿物组成、构造特征相关：储层天然裂缝、节理面等结构弱面越发育，碳酸盐岩含量越高，改造效果越好。

（4）北京某地热井进行酸化压裂技术应用。压力曲线表现出明显的储层破裂，裂缝形成特征，证明机理的可靠性。增产后，出水量2163m3/d，较增产前的968 m3/d增加了123%以上；出水温度46℃，也较增产前增加了2.5℃，是酸化压裂技术在地热增产增灌中的成功应用，对实现京津冀地区地热资源高效开发利用具有重要意义。