雄安新區(qū)深部碳酸鹽巖熱儲強化增產(chǎn)試驗研究

馬 峰，王貴玲?，朱 喜，張 薇，黎楚童，唐顯春，余鳴瀟，趙志宏，楊睿月

1) 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061 2) 自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050061 3) 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249 4) 中國地質(zhì)科學(xué)院自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實驗室，北京 100037 5) 清華大學(xué)，北京 100084

碳酸鹽巖熱儲在我國具有平面上分布廣、垂向上厚度大的特點. 我國碳酸鹽巖的分布總面積約占陸地面積的三分之一，其中埋藏在深部的碳酸鹽巖熱儲廣泛分布于華北、關(guān)中、四川、汾渭、鄂爾多斯、蘇北和魯西南等盆地[1]. 而在垂向上碳酸鹽巖熱儲主要包括了古生界寒武系和奧陶系以及中元古界薊縣系和長城系，地層厚度可達數(shù)千米. 雄安新區(qū)是我國中東部地?zé)豳Y源開發(fā)利用條件最好的地區(qū)，碳酸鹽巖熱儲層是新區(qū)主要的地?zé)衢_發(fā)利用層位，目前主要以開發(fā)薊縣系霧迷山組頂部熱儲為主. 2018—2020年，中國地質(zhì)調(diào)查局在雄安新區(qū)部署了21口地?zé)峥碧骄?，進一步揭示了新區(qū)寒武系、薊縣系高于莊組和長城系熱儲，全面提高了新區(qū)地?zé)豳Y源勘探深度和精度，最大探測深度達到4507 m，多個地?zé)峋衣短妓猁}巖熱儲厚度超過2000 m[2-5]. 隨著探測深度的增大，巨厚碳酸鹽巖底部的低孔隙度地層是否具有開采潛力、有多大的開采潛力以及如何提高開采潛力等問題受到關(guān)注.

1 熱儲增產(chǎn)及地?zé)峋尘敖榻B

儲層強化增產(chǎn)技術(shù)近年來逐漸應(yīng)用到地?zé)衢_發(fā)中，其目的是通過改變整個熱儲層的滲透性來提高巖體與流體之間的傳熱能力[6-7]，以最大限度地開發(fā)巖體中的熱能. 針對熱儲層建造的熱儲改造法，主要包括水力壓裂法和化學(xué)激發(fā)法兩種. 水力壓裂工藝主要應(yīng)用于花崗巖以及變質(zhì)巖等硬質(zhì)巖裂隙的開裂，是改善熱儲層物性，溝通裂隙網(wǎng)絡(luò)，提高熱儲層傳熱能力的有效方法. 水力壓裂按照裂隙破壞機理又分為水力剪切和水力擴張兩種情況，前者裂隙面發(fā)生彼此滑移，在裂隙面粗糙度的作用下，應(yīng)力去除后巖石裂隙面仍然能保持一定的張開，是目前干熱巖開發(fā)增強型地?zé)嵯到y(tǒng)工程的主要工藝技術(shù)；后者水力擴張則不會引起裂隙面的錯動，一旦失去壓力，拉伸破壞就會自行崩塌，裂隙面閉合，需要人造支撐劑（如沙子）保持開放，是目前石油、頁巖油氣等非常規(guī)油氣中壓裂的主要工藝技術(shù)[8-15].

化學(xué)激發(fā)技術(shù)最早應(yīng)用在油氣工程中，通過增強或者恢復(fù)儲層滲透能力，提高石油和天然氣的產(chǎn)量. 在地?zé)釕?yīng)用方面，酸化增產(chǎn)技術(shù)常用于碳酸鹽巖熱儲改造. 早在1895年，美孚石油公司就用濃鹽酸對俄亥俄州利馬地區(qū)碳酸鹽巖熱儲層進行酸化作業(yè)，成功實現(xiàn)了增產(chǎn)的目的. 1935年，Clason首次指出碳酸鹽巖在酸化過程中會有裂隙的產(chǎn)生和擴大，從而促使產(chǎn)量大幅增加. 1955年，我國在四川地區(qū)隆9井進行了第一次酸化解堵作業(yè)，大幅度提高了井壁周邊連通性. 自20世紀(jì)初酸化壓裂被首次引用到天津市地?zé)崮茉撮_發(fā)領(lǐng)域，近年來，該類增產(chǎn)技術(shù)在地?zé)豳Y源開發(fā)中逐漸推廣并取得成功（表1）[16-20]，如天津、山東、北京等地均對寒武系、奧陶系、薊縣系碳酸鹽巖熱儲開展酸壓，并取得了較好的增產(chǎn)效果，同時對增產(chǎn)機理等方面進行了有益探索[21-28]. 在深部熱儲上，河北獻縣對高于莊組熱儲3701～4025 m段進行了整體酸化壓裂，壓裂后水位降深由43.74 m降至25.33 m，變化幅度為18.41 m；單位涌水量由72.58 m3·(d·m)-1增至147.74 m3·(d·m)-1，單位涌水量增加1倍以上.近年來，高壓水旋轉(zhuǎn)射流及化學(xué)解堵技術(shù)應(yīng)用于污染地層的解堵以及油井的增產(chǎn)增注. 該技術(shù)利用井下可控轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)自振空化射流解堵裝置產(chǎn)生高壓水射流，直接沖洗炮眼解堵以及高頻振蕩水力波、空化噪聲物理解堵[29-30].

表1 典型地?zé)峋乃峄瘔毫褏?shù)表[16-20]Table 1 Acid fracturing parameters of typical geothermal wells[16-20]

前人對碳酸鹽巖地?zé)峋乃峄瘔毫阎饕越鉀Q地?zé)峋苓叺谋砥ば?yīng)，提高單井產(chǎn)能為目的.對于深部低滲透性碳酸鹽巖熱儲的增產(chǎn)及如何提高低滲透碳酸鹽巖連通范圍開展的研究較少. 本文以雄安新區(qū)揭露碳酸鹽巖熱儲厚度最大的D22井為對象，探索深部低孔隙度熱儲的增產(chǎn)改造潛力.

容城地?zé)崽顳22井構(gòu)造上位于華北斷坳的冀中臺陷北部容城凸起西南部，井深為3517 m，揭露碳酸鹽巖熱儲厚度達到2537 m，為目前雄安新區(qū)揭露碳酸鹽巖厚度最大的地?zé)峋? 鉆孔從上到下依次揭露地層為第四系、新近系、薊縣系霧迷山組、薊縣系楊莊組和薊縣系高于莊組.

鉆井采用了三開成井結(jié)構(gòu)，三個開次全部下入石油套管（圖1）. 各開次工藝如下：

圖1 鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram

一開井徑：Φ444.5 mm，井段：0～987.14 m，下入Φ339.7 mm×9.65 mm套管，一開固井井段為5.05～987.14 m；

二開井徑：Φ311.1 mm，井段：987.14～2204.18 m，下入Φ244.5 mm×8.94 mm套管，二開固井井段：934.47～987.14 m、1934.18～2204.18 m；

三開井徑：Φ215.9 mm，井段：2204.18～3517.18 m，下入Φ177.8 mm×8.05 mm套管，套管下深為2147.18～3513.32 m，三開固井井段：2147.18～2290.00 m、2917.18～3517.18 m.

2 壓裂層位的選擇

本次壓裂試驗的目的是探究深部低滲透性的碳酸鹽巖熱儲層是否具有擴大產(chǎn)能的潛力，因此，選擇碳酸鹽巖目標(biāo)增產(chǎn)層為深部受表層巖溶作用微弱但裂隙較發(fā)育、孔滲性相對較好的層段開展射孔、產(chǎn)能測試及熱儲改造. 重點目標(biāo)增產(chǎn)層位為3000 m以下井段，一方面由于3000 m以下碳酸鹽巖層段距離薊縣系霧迷山組的頂部超過了2000 m，巖溶作用微弱；另一方面，三開下部固井段深度為2917.18～3517.18 m，選擇此段進行射孔增產(chǎn)不會連通其他儲層段，便于對比增產(chǎn)效果. 本研究基于綜合測井解釋了三開井段孔隙度、滲透率以及裂隙綜合特征，基于成像測井解釋了三開井段的裂隙幾何特征.

2.1 綜合測井解釋

綜合測井設(shè)備采用的是西安瑞達物探儀器公司生產(chǎn)的RD6600型數(shù)字測井系統(tǒng)，該測井系統(tǒng)最大測量深度為4000 m，耐溫125 ℃，承壓60 MPa，測井資料處理解釋使用的是西安海卓石油信息技術(shù)有限公司Resform軟件. 儲層分類主要基于泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、孔隙度和滲透率的數(shù)值范圍，這里將裂隙層段分為三類，I類裂隙層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)≤5%，孔隙度≥8%，滲透率≥10 mD；II類裂隙層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為5%～10%，孔隙度為4%～8%，滲透率為1～10 mD；III類裂隙層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為10%～20%，孔隙度為2%～4%，滲透率為0.1～1 mD.

根據(jù)表2給出的D22井三開測井解釋結(jié)果，3000 m以下裂隙層共18層，為20～37層，其中共有I類裂隙層4層，II類裂隙層3層，III類裂隙層11層. I類裂隙層主要分布在3200 m以淺，為盡可能揭露深部I類裂隙層，目標(biāo)層位初步確定在3021～3176 m段，厚度為155 m，為第22、24、25、28、29共5個層位.

表2 D22井三開綜合測井解釋結(jié)果Table 2 Interpretation results of comprehensive logging of the third spud in well D22

2.2 裂隙成像測井解釋

超聲成像測井能夠獲取鉆孔中裂隙的位置、形態(tài)、傾角、傾向等參數(shù)，是研究裂隙儲層滲透規(guī)律的有效手段，本次對D22鉆井開展了超聲成像測井工作. 測井設(shè)備為盧森堡ALT公司（Advanced Logic Technology）生產(chǎn)的高溫超聲成像測井探頭BHTV（Bole hole televiewer），探頭最高耐溫170 ℃，最高耐壓70 MPa.

本次對D22井三開段進行了成像測井，測井段深度為2206～3510 m，共解釋出裂隙516條，以高閉合陡傾角裂隙為主. 圖2給出了測井解釋裂隙密度隨深度的變化情況，以每10 m裂隙數(shù)量來看，裂隙密度總體上隨著深度的增大并沒有明顯的減小，在2600～2700 m、3050～3100 m、3200～3250 m間裂隙密度較小，平均每10 m裂隙數(shù)量為4～8條. 裂隙以陡傾角為主，傾角以50°～70°為主，從圖2（c）氣泡圖中可以看出，裂隙寬度隨著深度的增加有減小的趨勢，尤其是3000 m以下，平均裂隙寬度明顯降低，表明儲層滲透性和連通性變差；從走向上來看，深部裂隙走向主要集中在234°～300°和125°～175°兩個優(yōu)勢方向. 綜合成像裂隙解釋結(jié)果，3000～3200 m之間為裂隙較發(fā)育但裂隙寬度偏小層段，提高裂隙寬度是增大滲透性的主要手段，因此選擇該段熱儲進行改造.

圖2 D22井三開成像測井解釋圖. (a)裂隙密度隨深度分布圖; (b)裂隙走向隨深度分布圖; (c)裂隙傾角及裂隙寬度隨深度分布圖Fig.2 Interpretation map of imaging logging of the third spud in well D22: (a)distribution of fracture density with depth; (b) distribution of fracture strike with depth; (c) distribution of fracture dip and width with depth

2.3 射孔

前文所述，本鉆孔三開全部下入了實管隔水，因此在確定好壓裂目標(biāo)層段以后，且在熱儲改造前，通過射孔打開目標(biāo)層段來獲取原始儲層參數(shù).基于前文的綜合測井和裂隙成像分析，確定本次射孔井段為3024～3174 m，共150 m，射孔層號為22～29層，射孔后進行了產(chǎn)能測試.

3 壓裂工藝優(yōu)選

傳統(tǒng)的針對碳酸鹽巖熱儲地?zé)峋脑霎a(chǎn)改造以酸化技術(shù)為主，其特點是主要針對近井帶，穿透地層效果差. 本次創(chuàng)新使用了水力噴射酸化壓裂技術(shù)，對于碳酸鹽巖深部低滲透性熱儲層具有更好的適用性. 水力噴射酸化壓裂技術(shù)綜合了水力噴射穿透熱儲層提高裂隙延伸長度和酸化擴張裂隙寬度的優(yōu)勢，可達到優(yōu)化井下目標(biāo)層段裂隙網(wǎng)絡(luò)空間特征，提高儲層滲透性和產(chǎn)能的效果. 酸化壓裂是依靠酸液在裂隙面溶蝕形成起伏不平的表面并使得裂隙面擴張，最終達到提高裂隙面導(dǎo)流換熱能力的效果[31]. 本次試驗選用壓裂液為15%鹽酸+0.7%稠化劑+1.5%緩蝕劑+0.5%鐵離子穩(wěn)定劑+0.5%助排劑（百分?jǐn)?shù)對應(yīng)的物理量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.

水力噴射通過高速射流，沖擊套管和巖石，起到切割巖石和擴展裂隙的作用，裂隙起裂原理為孔內(nèi)增壓+環(huán)空壓力>破裂壓力，通過實現(xiàn)定點起裂和酸液刻蝕裂隙，增大匯水面積，提高裂隙導(dǎo)流能力. 水力噴射壓裂原理如圖3所示. 其中，噴槍及噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計是水力噴射工藝實施的關(guān)鍵，這里采用中國石油大學(xué)（北京）高壓水射流鉆井與完井團隊研制的噴槍. 噴槍上安裝有硬度高、韌性強、抗高溫、耐磨性好的錐直型噴嘴[32-33]. 單個噴槍上設(shè)計有6個噴嘴，噴嘴直徑為6 mm. 施工中噴嘴壓降可達到30 MPa以上[34]，圖4為D22井壓裂施工后的兩個噴嘴.

圖3 水力噴射壓裂原理Fig.3 Principle of hydraulic jet fracturing

圖4 雄安新區(qū)D22井水力噴射壓裂后噴槍照片F(xiàn)ig.4 Photo of the spray gun after the hydraulic jet fracturing of well D22 in the Xiong’an New Area

D22井壓裂增產(chǎn)試驗過程包括壓裂測試和正式壓裂兩個階段.

壓裂測試階段，整個流程采用2套水力噴射噴槍. 注入流量為0.59～3.61 m3·min-1，共泵入線性膠33.5 m3，測壓降0.5 h，壓力由14 MPa降至0. 測試結(jié)果顯示（圖5），井底瞬時停泵壓力為43.91 MPa，瞬時停泵壓力梯度為0.014 MPa·m-1，推測本井主壓裂施工壓力低，有利于投球采用兩組噴槍開展水力噴射酸壓作業(yè). 采用G函數(shù)分析方法，得到D22井井底閉合壓力為34.54 MPa，閉合壓力梯度為0.011 MPa·m-1，裂隙閉合時間為19.5 min，原因在于目標(biāo)層段存在發(fā)育不充分的微裂隙. 預(yù)測交聯(lián)壓裂液降慮性好，有利于制造人工裂隙并向遠(yuǎn)端延伸，后續(xù)膠凝酸可以在交聯(lián)液頂替下沿人工裂隙向前延伸并有效酸蝕人工裂隙，慮失部分膠凝酸有利于刻蝕天然裂隙，通過人工裂隙和改善天然裂隙達到改善地層滲透條件、提高裂隙導(dǎo)流能力，進而實現(xiàn)增產(chǎn)的目的.

圖5 D22井壓裂流量壓力隨時間變化曲線Fig.5 Variation curve of fracturing flow and pressure with time in well D22

對于壓裂后支撐劑（砂）的選擇考慮白云巖地層特性，酸壓工藝基本能夠確保增產(chǎn)目的，酸蝕后裂隙導(dǎo)流能力較高，壓裂后添加支撐劑會使其在酸蝕高導(dǎo)裂隙內(nèi)無法壓實，一方面泵注施工易造成砂堵事故，另一方面抽水過程中極易隨流體回到井中，引發(fā)后續(xù)卡泵等事故，因此壓裂液中不予加砂.

正式壓裂共分為泵注前置液、第一階段膠凝酸、第一階段交聯(lián)液、第二階段膠凝酸、泵注后置頂替液5個階段，5個階段均采用2套水力噴射噴槍泵注前置液、膠凝液及交聯(lián)液等.

（1）泵注前置液：排量為0.52～4.12 m3·min-1，壓力為4.53～52.39 MPa，階段泵入量為245.15 m3；

（2）第一階段膠凝酸，排量為2.76～3.08 m3·min-1，壓力為28.93～35.58 MPa，階段泵入量為60.66 m3；

（3）第一階段交聯(lián)液，排量為2.09～4.23 m3·min-1，壓力為20.38～53.10 MPa，階段泵入量為91.22 m3；

（4）第二階段膠凝酸，排量為0.58～3.41 m3·min-1，壓力為7.62～31.83 MPa，階段泵入量為35.23 m3；

（5）泵注頂替液，排量為1.96～3.3 m3·min-1，壓力為26.89～4.04 MPa，階段泵入量為25.00 m3；停泵壓力為3.64 MPa，3 min后壓力逐漸降為0；

累計泵入井壓裂液396.76 m3，膠凝酸95.88 m3，累計入井液量為492.65 m3.

從施工曲線看（圖5），泵入前置液階段，注入流量保持穩(wěn)定，壓力具有緩慢下降及突然下降的變化，表明裂隙起裂并向遠(yuǎn)處延伸，同時不斷溝通其他天然裂隙，每一次新裂隙的連通反映在壓力曲線上就是一次壓力的突降；第一階段膠凝酸注入后，流量保持穩(wěn)定的情況下壓力逐漸降低，表明酸液反應(yīng)明顯，酸蝕反應(yīng)隨主裂隙前行，熱儲層改造效果較好；第一階段交聯(lián)液注入，注入壓力突然增大后出現(xiàn)波動式下降，表明交聯(lián)液推動膠凝酸進一步刻蝕遠(yuǎn)端裂隙；第二階段膠凝酸注入，注入流量和壓力均呈現(xiàn)快速下降趨勢，表明近井帶裂隙已具備很好的連通性，膠凝酸快速向儲層深部滲透；泵注頂替液階段，酸液進一步向遠(yuǎn)端推移，連通范圍進一步擴大.

4 壓后評估

本次針對目標(biāo)熱儲層壓裂改造前后進行了兩次產(chǎn)能測試，用以對比儲層改造效果（如圖6）.

圖6 熱儲改造后產(chǎn)能測試曲線Fig.6 Productivity test after reservoir stimulation

射孔打開目標(biāo)層段后（水力噴射酸化壓裂增產(chǎn)施工前），目標(biāo)層段的試產(chǎn)能測試結(jié)果顯示，熱水頭為111.2 m，最大動水位埋深達到307.88 m，水位降深為196.68 m，涌水量僅為4.72 m3·h-1，單位涌水量0.024 m3·(h·m)-1，井口水溫為60.0 ℃. 可以看出，射孔后，盡管打開了目標(biāo)層段，但由于井筒周邊裂隙閉合，裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性差，熱儲對井筒的補給區(qū)域較小，單井產(chǎn)能低. 試抽水試驗出現(xiàn)水位埋深大幅度下降和掉泵現(xiàn)象，無法完成正常三個落程的產(chǎn)能測試.

水力噴射酸化壓裂施工后，產(chǎn)能測試分三個落程，持續(xù)時間分別為48、31和17 h. 產(chǎn)能測試獲得熱水頭為101.43 m，最大動水位埋深為160.66 m，水位降深為59.23 m，涌水量為44.10 m3·h-1，單位涌水量為0.745 m3·(h·m)-1，井口水溫為66.5 ℃.

從表3可以看出，水力噴射酸化壓裂增產(chǎn)效果明顯，涌水量由4.72 m3·h-1增加到44.10 m3·h-1，目標(biāo)層段涌水量增加8.3倍；單位涌水量由0.024 m3·(h·m)-1增 加 到0.745 m3·(h·m)-1，單位涌水量增加30倍，儲層滲透系數(shù)由4.4×10-3m·d-1提高到了146.3×10-3m·d-1，井口水溫由60.0 ℃增加到66.5 ℃，增加了6.5 ℃，當(dāng)然，這里流體溫度的升高并非完全歸結(jié)于打開了深部溫度更高的新的熱儲空間，很大一部分因素是熱儲改造前抽水流量過小，流體溫度在由儲層向井口的流動過程中散失嚴(yán)重所導(dǎo)致.

表3 熱儲改造前后產(chǎn)能測試結(jié)果對比表Table 3 Comparison of the pumping test before and after reservoir stimulation

5 結(jié)論

（1）雄安新區(qū)碳酸鹽巖熱儲厚度大，深部碳酸鹽巖盡管連通性和儲水性差但仍然具有較好的裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征，具備通過熱儲層改造擴大地?zé)豳Y源利用空間的潛能. 針對深部碳酸鹽巖熱儲層滲透性能低、水熱循環(huán)差，熱能難以可采的特點，選擇雄安新區(qū)厚度在2000 m以上的碳酸鹽巖熱儲目標(biāo)層段實施了熱儲改造工藝，提出了水力噴射酸化壓裂技術(shù)，兼?zhèn)淞怂娚浼夹g(shù)的定點起裂、有效封隔、可多級多簇噴射射孔以及酸化壓裂的特點，具備造長縫、長穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢，對于碳酸鹽巖熱儲的增產(chǎn)具有很好的針對性.

（2）本次熱儲改造試驗針對碳酸鹽巖地?zé)峋来芜M行了綜合測井、成像測井、套管固井、射孔、試水試驗、小壓測試、水力噴射酸化壓裂、試水試驗（壓裂后）等施工過程，既實現(xiàn)了對目標(biāo)層段的熱儲層的強化增產(chǎn)，也為儲層性能評價提供了基本地質(zhì)參數(shù)，可以為同類地區(qū)的深部熱儲強化增產(chǎn)工作提供借鑒.

（3）以雄安新區(qū)D22井為例，在測井解釋的基礎(chǔ)上對深度為3024～3174 m層段實施了水力噴射酸化壓裂綜合改造工藝，對比壓裂前后地?zé)峋a(chǎn)能，增產(chǎn)效果明顯，涌水量由4.72 m3·h-1增加到44.10 m3·h-1，目標(biāo)層段涌水量提高了8.3倍；單位涌水量由0.024 m3·(h·m)-1增加到0.745 m3·(h·m)-1，單位涌水量提高了30倍；井口水溫由60.0 ℃增加到66.5 ℃，增加了6.5 ℃. 結(jié)果表明，熱儲改造后，深部熱儲連通性得到了提升，目標(biāo)儲層滲透系數(shù)由4.4×10-3m·d-1提高到了146.3×10-3m·d-1.