北京通州地區(qū)地?zé)峋峄瘔毫言龉嘣囼?yàn)研究

李文　孔祥軍　袁利娟　高劍　沈鵬飛　馮浩　郝偉俊　何云成

摘? 要：提高地?zé)峋毓嗄芰κ菍?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源高效可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的先決條件。本文選取北京市通州地區(qū)薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)地?zé)峋ň┩?號(hào)），進(jìn)行酸化壓裂試驗(yàn)前后的回灌能力對(duì)比研究。通過(guò)在酸化壓裂試驗(yàn)前后進(jìn)行抽水和回灌試驗(yàn)，判斷酸化壓裂技術(shù)對(duì)回灌能力的影響。結(jié)果表明，京通4號(hào)地?zé)峋诮?jīng)過(guò)酸化壓裂試驗(yàn)后，單位涌水量增加了約1.73倍，單位回灌量增加了約3.9倍，回灌量增加了約1.4倍，且回灌量占涌水量的比值也由壓裂前的63.03%增加到壓裂后的66.54%。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，可得出在酸化壓裂試驗(yàn)后，單位回灌量與單位涌水量的比值為0.63。該比值與北京地區(qū)小湯山地?zé)崽锼E縣系熱儲(chǔ)的實(shí)際回灌經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比，達(dá)到回灌經(jīng)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)，證明回灌效果良好，說(shuō)明酸化壓裂技術(shù)增灌效果顯著，值得在同類型區(qū)域內(nèi)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地?zé)峋?酸化壓裂;抽水試驗(yàn);回灌試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P314? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0043-06

Abstract： Improving the reinjection capacity of geothermal wells is a prerequisite for efficient and sustainable exploitation and utilization of geothermal resources. We chose a geothermal well （Jingtong-4） to conduct a comparative study on the reinjection capacity before and after acid fracturing test， which reservoirs are located at the Wumishan Formation of Jixian System. Through pumping and reinjection tests before and after acid fracturing test， we can evaluate the influence of acid fracturing technology on the reinjection capacity. The tests results show that after the acid fracturing test， the specific capacity of Jingtong-4 geothermal well increases by about 1.73 times， the specific quantity of reinjection increases by about 3.9 times， and the quantity of reinjection increases by about 1.4 times. In addition， the ratio of reinjection to water inflow increases from 63.03% to 66.54%. Through further calculation， it can be concluded that the ratio of the specific quantity of reinjection and the specific capacity is 0.63 after acid fracturing test. By comparing this ratio with the actual reinjection empirical value of the reservoirs at Jixian System in the Xiaotangshan geothermal fields， the result meets the standard of reinjection experience requirements. It proves that the acid fracturing technique has a significant effect on increasing reinjection and this technique is worth popularizing and applying in the same area.

Keywords： Geothermal well; Acid fracturing test; Pumping test; Reinjection test

0 前言

黨的“十九大”指出，現(xiàn)階段應(yīng)加緊推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，踐行綠色發(fā)展理念，這對(duì)清潔能源的發(fā)展提出了更高要求?！兜?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》 中指出地?zé)崮苁且环N綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有儲(chǔ)量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，是一種現(xiàn)實(shí)可行且具有競(jìng)爭(zhēng)力的清潔能源。地?zé)豳Y源的利用對(duì)緩解我國(guó)能源資源壓力，實(shí)現(xiàn)非化石能源目標(biāo)，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義（梁靜等，2016）。

地?zé)豳Y源優(yōu)勢(shì)很大，但也存在形成歷史漫長(zhǎng)，地?zé)崴a(bǔ)給途徑遠(yuǎn)，徑流緩慢，再生能力較弱等劣勢(shì)特點(diǎn)（高宗軍等，2009）。而地?zé)豳Y源的利用常以集中開(kāi)采的方式出現(xiàn)，當(dāng)持續(xù)開(kāi)采或開(kāi)采強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)給能力小于開(kāi)采強(qiáng)度，發(fā)生熱儲(chǔ)壓力下降等不良地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。在保持地?zé)崽锏目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)方面，地?zé)峄毓嗍欠e極、有效的措施。地?zé)峄毓嗍且环N避免地?zé)釓U水直接排放引起的熱污染和化學(xué)污染的措施（劉久榮，2003），在使熱田熱儲(chǔ)壓力得到抬升的同時(shí)，還能利用熱儲(chǔ)巖石骨架中的熱量（潘小平，2005），充分利用地?zé)豳Y源。而諸如熱儲(chǔ)地層的巖性、巖石顆粒大小、巖石顆粒之間的空隙大小、地層的孔隙度和滲透率等因素均會(huì)直接影響地?zé)峋幕毓嗄芰Γǜ咧揪甑龋?012）。由于影響地?zé)峋毓嗟囊蛩剌^多，常規(guī)的回灌方法受限于深部熱儲(chǔ)滲透性能或沉積物堵塞地?zé)崃黧w通道等原因的影響（楊淼等，2018），會(huì)有地?zé)峋毓嘈Ч焕硐氲那闆r出現(xiàn)。前人針對(duì)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)回灌能力進(jìn)行了相關(guān)研究，但主要著重回灌機(jī)理等方面的研究（潘小平，2007）。

本文以探索酸化壓裂熱儲(chǔ)改造對(duì)提高地?zé)峋毓嗄芰檠芯磕康?，結(jié)合北京市以碳酸鹽巖類水熱型地?zé)釣橹鞯膶?shí)際特點(diǎn)，有針對(duì)性的選取熱儲(chǔ)以碳酸鹽巖地層為主的典型區(qū)域，對(duì)區(qū)域內(nèi)地?zé)峋谒峄瘔毫言囼?yàn)前后的回灌能力進(jìn)行比較，分析酸化壓裂在熱儲(chǔ)為薊縣系霧迷山組白云巖地層時(shí)對(duì)地?zé)峄毓嗟木唧w影響，探索可提高地?zé)峋幕毓嗄芰Φ膶?shí)際方法。本次研究對(duì)提高地?zé)豳Y源高效、可持續(xù)化發(fā)展利用具有重要意義。

1 試驗(yàn)地?zé)峋艣r

1.1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

試驗(yàn)地?zé)峋ň┩?號(hào)）位于北京平原的東部，其大地構(gòu)造位置處于華北斷拗（II級(jí)構(gòu)造單元）大興迭隆起（III級(jí)構(gòu)造單元）東北部，主要斷裂構(gòu)造有南苑-通縣斷裂、張家灣斷裂、燕效斷裂等斷裂（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991），該區(qū)處于雙橋地?zé)崽锏臇|南部。區(qū)域內(nèi)主要熱儲(chǔ)為薊縣系霧迷山組，中低溫地下熱水資源豐富。京通4號(hào)地?zé)峋挥趶埣覟硵嗔训臇|北側(cè)，燕郊斷裂的東南側(cè)。該地?zé)峋畬?shí)鉆深度為2800.88m，鉆井揭露地層層序?yàn)榈谒南?、薊縣系鐵嶺組、洪水莊組、霧迷山組。熱儲(chǔ)為薊縣系霧迷山組，儲(chǔ)層的主要巖性為黃褐色、淺褐色、褐色和深褐色的白云巖及硅質(zhì)白云巖，底部可見(jiàn)紫紅色泥質(zhì)白云巖。地?zé)峋疄椤叭_(kāi)”井身結(jié)構(gòu)，取水段為1730～2800.88m，是薊縣系霧迷山組下部層段地層，裸眼成井（圖1）。該井在取水井段鉆進(jìn)過(guò)程中，未發(fā)生明顯的鉆井液消耗漏失情況，表明熱儲(chǔ)構(gòu)造裂隙不發(fā)育。

1.2 前期抽水及回灌能力測(cè)試

（1）抽水試驗(yàn)

該地?zé)峋捎门驖?rùn)土泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，完井后再經(jīng)過(guò)清水替漿洗井、浸泡三聚磷酸鈉-壓風(fēng)機(jī)氣舉-水泵抽水聯(lián)合洗井、鹽酸酸化-壓風(fēng)機(jī)氣舉-水泵抽水聯(lián)合洗井等洗井工作后，進(jìn)行抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)水位降深為40m時(shí)，涌水量為951.87m3/d，單位涌水量為23.80m3/d·m，具體數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

（2）回灌試驗(yàn)

回灌試驗(yàn)在常壓條件下進(jìn)行，回灌采用工作區(qū)內(nèi)涼水井作為回灌水源，該回灌水源為第四系淺層地下水，水溫15℃。為避免熱儲(chǔ)被污染，在回灌試驗(yàn)前采集回灌水樣進(jìn)行分析測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)明顯污染因素，符合回灌試驗(yàn)要求。回灌數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：回灌前的靜止水位埋深為66m，當(dāng)回灌量為25m3/h時(shí)，水位抬升至地面，單位回灌量為9.09m3/d·m，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

（3）回灌能力分析

通過(guò)對(duì)抽水試驗(yàn)和回灌試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，京通4號(hào)地?zé)峋挠克亢突毓嗔康臄?shù)值都相對(duì)較小，單位回灌量占單位涌水量的38.19%，遠(yuǎn)低于北京小湯山地?zé)崽锼E縣系熱儲(chǔ)實(shí)際回灌經(jīng)驗(yàn)中回灌效果良好的數(shù)值。說(shuō)明京通4號(hào)地?zé)峋E縣系霧迷山組取水段熱儲(chǔ)富水性較差，與實(shí)鉆地層層位構(gòu)造裂隙不發(fā)育情況相一致。該地?zé)峋幕毓嘈Ч鄬?duì)較差，回灌能力較低，具有對(duì)其進(jìn)行酸化壓裂以提高回灌能力試驗(yàn)研究的客觀需求。

2 酸化壓裂抽灌試驗(yàn)

2.1 酸化壓裂試驗(yàn)

根據(jù)京通4號(hào)地?zé)峋疁y(cè)井等相關(guān)具體情況，本次酸化壓裂試驗(yàn)選擇普通酸化壓裂技術(shù)，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。其主要作業(yè)流程包括：前置液預(yù)處理井壁及地層、主體酸充分改造地層并連同天然裂隙系統(tǒng)、后置液頂替，其中前置液采用濃度為3%的NH4Cl溶液，形成酸性環(huán)境;主體酸采用濃度為20%的鹽酸進(jìn)行酸化，采用階梯升排量的方式泵入，總用量為1000mL;后置液則采用清水，起到頂替作用。此次酸化壓裂試驗(yàn)投入2臺(tái)700型壓裂泵車(chē)車(chē)組、3臺(tái)酸液罐車(chē)等設(shè)備，酸化作業(yè)井段為1700m以下的裸眼段，采用震蕩壓裂方式，在試壓正常后，以正擠法注酸，穩(wěn)定酸液排量為1.5m3/min，最大瞬時(shí)工作壓力為6.5MPa。壓力在5～6MPa范圍內(nèi)變化，表明發(fā)生了小尺度的地層破裂，產(chǎn)生了新的裂縫，對(duì)熱儲(chǔ)的滲透能力起到了改善作用。在整個(gè)酸化壓裂試驗(yàn)后，采用壓風(fēng)機(jī)氣舉的方法將地?zé)峋蟹磻?yīng)后剩余的酸液進(jìn)行了徹底排出，達(dá)到了下一步進(jìn)行抽水試驗(yàn)的要求。

2.2 酸化壓裂效果測(cè)試

（1）抽水試驗(yàn)

在酸化壓裂試驗(yàn)后，再次對(duì)京通4號(hào)地?zé)峋M(jìn)行抽水試驗(yàn)，并保證此次抽水試驗(yàn)的相關(guān)條件與前期抽水測(cè)試的條件一致。抽水試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)落程的穩(wěn)定試驗(yàn)，分大、中、小3個(gè)流量，其中大流量抽水試驗(yàn)涌水量為2163m3/d，中流量抽水試驗(yàn)涌水量為1616m3/d，小流量抽水試驗(yàn)涌水量為968 m3/d，具體抽水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

（2）回灌試驗(yàn)

在抽水試驗(yàn)后，對(duì)京通4號(hào)地?zé)峋俅芜M(jìn)行回灌試驗(yàn)。此次回灌試驗(yàn)保持與前期回灌試驗(yàn)的回灌水源及其他回灌條件相同，回灌試驗(yàn)共進(jìn)行了3個(gè)落程的試驗(yàn)，具體回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

回灌試驗(yàn)的3個(gè)落程對(duì)應(yīng)小、中、大3個(gè)回灌量，具體流量分別控制在18m3/h（421m3/d）、35m3/h（834m3/d）、60m3/h（1440 m3/d）。參照回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制京通4號(hào)地?zé)峋毓嗔?、單位回灌量與水位抬升關(guān)系（圖2、圖3），其中大流量回灌較符合地?zé)峋膶?shí)際利用及回灌情況，而在大流量的回灌試驗(yàn)中，京通4號(hào)地?zé)峋幕毓嗔繛?440m3/d，回灌穩(wěn)定動(dòng)水位為30.3m，水位上升32.3m。在保持一定量的水頭上升的基礎(chǔ)上，京通4號(hào)地?zé)峋銐毫l件完成了100%回灌。

3 地?zé)峋毓嘈Ч治?/p>

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析可知（表5），在酸化壓裂試驗(yàn)后，京通4號(hào)地?zé)峋挠克考盎毓嗔枯^酸化壓裂試驗(yàn)前的數(shù)值均有明顯增加。其中，單位涌水量由壓裂前的23.80m3/d·m增加到壓裂后的56.75m3/d·m，增加了約1.4倍。涌水量由壓裂前的951.87m3/d增加到壓裂后的2163.80m3/d，增加了約1.73倍。單位回灌量由壓裂前的9.09m3/d·m增加到壓裂后的44.6m3/d·m，增加了約3.9倍?；毓嗔坑蓧毫亚暗?00m3/d增加到壓裂后的1440m3/d，增加了約1.4倍。且回灌量占涌水量的比值也由壓裂前的63.03%增加到壓裂后的66.54%。

根據(jù)北京地區(qū)小湯山地?zé)崽锼E縣系熱儲(chǔ)的實(shí)際回灌經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)回灌效果良好時(shí)，單位回灌量與單位涌水量的比值應(yīng)在0.6～0.7范圍內(nèi)。當(dāng)京通4號(hào)地?zé)峋毓嗔繛?440m3/d（60m3/h）時(shí)，單位回灌量為44.6m3/d·m。而當(dāng)京通4號(hào)地?zé)峋克繛?440m3/d（60m3/h）時(shí)，依照Q =f（s）關(guān)系曲線計(jì)算，此時(shí)單位涌水量為70.3m3/d·m，則京通4號(hào)地?zé)峋畣挝换毓嗔颗c單位涌水量的比值為0.63，在實(shí)際回灌經(jīng)驗(yàn)回灌效果良好的范圍內(nèi)。綜上所述，酸化壓裂對(duì)該地?zé)峋鸬搅溯^好的增灌作用。

4 討論

目前，酸化壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于石油等方面，在地?zé)犷I(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用不甚廣泛，針對(duì)不同地質(zhì)條件的實(shí)際作用仍需進(jìn)一步探索。本文主要通過(guò)對(duì)通州地區(qū)碳酸鹽巖地層地?zé)峋谒峄瘔毫言囼?yàn)前后的回灌情況進(jìn)行比對(duì)，為酸化壓裂在地?zé)犷I(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。結(jié)果表明：在碳酸鹽巖地層中，酸化壓裂技術(shù)在簡(jiǎn)單的鹽酸洗井基礎(chǔ)上，制定了更為合理的酸化方案，對(duì)深部?jī)?chǔ)層具有更強(qiáng)的針對(duì)性，可減少鹽酸對(duì)鉆具等的腐蝕作用。壓裂作用則具有連通儲(chǔ)層裂縫，擴(kuò)大儲(chǔ)層裂縫體積的作用，且在壓裂過(guò)程中可推動(dòng)主體酸作用到儲(chǔ)層裂縫更深入的位置，不僅可解除近井污染，更能提高對(duì)儲(chǔ)層裂縫壁面的刻蝕范圍及程度，真正意義上的對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，進(jìn)而達(dá)到提升地?zé)峋毓嗄芰Φ哪康摹Ｔ诠こ坛杀痉矫?，普通酸化壓裂技術(shù)成本較低，在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中所產(chǎn)生的實(shí)際效果較好，具有較好的可行性。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)酸化壓裂試驗(yàn)前后回灌能力的分析比較，主要取得以下結(jié)論：

（1）將京通4號(hào)地?zé)峋谒峄瘔毫言囼?yàn)前后的涌水量及回灌量進(jìn)行比較。酸壓后，涌水量為2163.80m3/d，較酸壓前的951.87m3/d增加了127%以上;回灌量為1440m3/d，也較酸壓前的600m3/d增加了140%，說(shuō)明酸化壓裂技術(shù)具有顯著的增產(chǎn)增灌效果。

（2）通過(guò)對(duì)京通4號(hào)地?zé)峋难芯?，推斷在研究區(qū)內(nèi)具有相同地質(zhì)條件的地?zé)峋跓o(wú)壓回灌條件下的回灌能力相對(duì)較差，常規(guī)的地?zé)峄毓嗉夹g(shù)手段難以滿足區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源高效、可持續(xù)的開(kāi)發(fā)利用需求，應(yīng)進(jìn)行酸化壓裂熱儲(chǔ)改造，以提升區(qū)域內(nèi)地?zé)峋毓嗄芰?，?yōu)化地?zé)豳Y源的利用。

（3）依據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)以碳酸鹽巖為熱儲(chǔ)的回灌能力較差的地?zé)峋?，酸化壓裂技術(shù)具有提高地?zé)峋毓嗄芰Φ淖饔?，?yīng)在結(jié)合實(shí)際情況的前提下，在同類型碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地區(qū)推廣應(yīng)用。

（4）為了更好的改變地?zé)峋毓嘈Ч岣呋毓嗄芰?，?yīng)加強(qiáng)回灌機(jī)理的研究，制定合理的回灌方案，保障經(jīng)濟(jì)高效的地?zé)峄毓?，從而將回灌效?yīng)最大化。

參考文獻(xiàn)

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991.北京市區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社.

高宗軍，郭加朋，李哲，等，2009.東營(yíng)市城區(qū)地?zé)醿?chǔ)人工回灌條件及分區(qū)研究[J].地下水，31（5）：4-8.

高志娟，李鐸， 李書(shū)恒，2012.天津市大港區(qū)地?zé)峋毓嗄Ｊ教接慬J].人民長(zhǎng)江，43（1）：22-24+41.

梁靜，郭全成，2016.河南新鄉(xiāng)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)及可行性分析[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 28（3）：38-41.

劉久榮，2003.地?zé)峄毓嗟陌l(fā)展現(xiàn)狀[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，30（3）：100-104.

潘小平，2005.擴(kuò)大地?zé)峄毓?保障可持續(xù)開(kāi)發(fā)——北京小湯山地?zé)崽锏纳a(chǎn)性地?zé)峄毓郲C]//中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋I(yè)委員會(huì).全國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

潘小平，2007.地?zé)峄毓鄰脑囼?yàn)研究到生產(chǎn)性回灌的進(jìn)步[C]//中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋I(yè)委員會(huì).中國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)與保護(hù)——全國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)考察研討會(huì)論文集.北京：地質(zhì)出版社.

楊淼，林天懿，劉慶，等，2018.北京某典型地區(qū)地?zé)峋峄瘔毫言霎a(chǎn)技術(shù)研究[J].城市地質(zhì)，13（4）：14-18.