林天懿，柯柏林，楊 淼，劉 慶，熊 馨，牛升晟，黃 璐

（北京市地熱研究院，北京 102218）

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，開發(fā)利用地熱能對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義。北京地區(qū)地熱資源豐富（柯柏林，2009a；柯柏林，2009b；呂金波等，2001；賓德智等，2002），主要以碳酸鹽巖類水熱型地熱為主，構(gòu)成相對獨立又有一定聯(lián)系的10個地熱田，分布面積2760km2，其中：薊縣系霧迷山組熱儲層由于厚度大、分布范圍廣，構(gòu)成北京平原最有開發(fā)價值的熱儲層。但是當前地熱井產(chǎn)量不穩(wěn)定、回灌難的問題，嚴重限制了地熱能開發(fā)的進程，酸化壓裂技術(shù)是解決北京水熱型地熱系統(tǒng)增產(chǎn)增灌的有效手段。天津開展酸化壓裂工藝在地熱井中的應(yīng)用較早（馬忠平等，2007；呂殿臣等，2013；王連成等，2010），多個技術(shù)應(yīng)用成功實例，證實酸化壓裂技術(shù)完全可以應(yīng)用于碳酸鹽巖熱儲地熱井。北京曾對地熱井進行過酸化壓裂初步嘗試，取得了明顯效果，其中：柯柏林等（2007）對被水泥封固的YRG-1井目的層進行壓裂施工，恢復(fù)地熱井原有產(chǎn)能，并使出水溫度增加了3℃；對順義某地熱井實施酸化壓裂施工，使出水量增產(chǎn)2.7倍等。

然而，對北京地區(qū)碳酸鹽巖熱儲水熱型地熱系統(tǒng)酸化壓裂增產(chǎn)機理尚無公開研究報道，限制了增產(chǎn)增灌技術(shù)在地熱領(lǐng)域的科學、高效指導(dǎo)作用。本文從酸化改造機理研究入手，結(jié)合北京某地熱井，通過理論模型分析、GCTS三軸壓縮實驗、室內(nèi)酸鹽反應(yīng)等，首次開展北京地區(qū)碳酸鹽巖熱儲酸化壓裂改造機理研究，指導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用取得良好示范成效，推動今后北京地熱資源高效、可持續(xù)開發(fā)利用。

1 水熱型地熱系統(tǒng)產(chǎn)量模型優(yōu)化

北京地區(qū)水熱型地熱系統(tǒng)大部分地熱井為完整承壓井，當水流為層流流態(tài)時，由裘布依公式得到理想狀態(tài)下的地熱井出水量表達式為（任天培，1986）：

式中：Q為地熱井出水量，m3/s；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；M為承壓含水層厚度，m；H0為承壓水原始水頭值，m；hw為抽水時的穩(wěn)定水頭，m；Sw為抽水時的水位降深，m，Sw=H0-hw；R為抽水時的影響半徑，m；rw為地熱井井徑，m。

實際上，在地熱鉆完井過程中，由于鉆井泥漿、固井水泥侵入地層，井筒周圍侵入帶地層滲透率降低，因此產(chǎn)生附加阻力，阻礙井下流體滲透。1949年Van Everdingen和Hurst引入表皮系數(shù)（S）的概念，用于表示井筒附近的壓差變異（Economides et al，2002），定義如下：

式中：?ps為儲層傷害造成的井底附加壓降，受到傷害的井?ps＞0，MPa；μ為流體的粘度，mpa·s；k為儲層滲透率，mD，其與滲透系數(shù)的換算公式為為流體容重，kg/m3。

聯(lián)合公式（1）、（2）可知，得實測水位降深

即可得產(chǎn)水量計算公式：

式中：Sws為承壓水水位降深，m。

從式（4）關(guān)系可以反映出水熱型地熱系統(tǒng)開發(fā)增產(chǎn)機理（圖1）。含水層厚度（M）、井徑（rw）是由地層性質(zhì)、井身結(jié)構(gòu)確定的不變常量。通過增大抽水泵排量，可在短期內(nèi)增加出水流量，但長期過量抽取地下水，承壓水水位降深（Sws）隨之增大，若動水位降至水泵以下，則該地熱井將無法開發(fā)利用。因此，提高地熱井產(chǎn)水量的關(guān)鍵因素是降低表皮系數(shù)（S）、增加含水層滲透系數(shù)（K）。

圖1 水熱型地熱系統(tǒng)開發(fā)增產(chǎn)圖Fig.1 Hydrothermal geothermal system development and stimulation diagram

2 酸化壓裂增產(chǎn)機理

2.1 酸化作用

本次研究主要選用的酸液體系為鹽酸溶液（HCl），可與碳酸鹽巖發(fā)生化學反應(yīng)，且反應(yīng)不可逆。反應(yīng)產(chǎn)物氯化鈣和氯化鎂在殘酸中溶解度高，不存在沉淀的風險。以北京地區(qū)霧迷山組白云巖熱儲為例，酸化反應(yīng)化學方程式為：

結(jié)合北京某地熱井巖心酸化測試，挑選霧迷山組4段巖心Jxw4-1，霧迷山組3段兩塊巖心Jxw 3-1、Jxw 3-2，巖心基本特征如下表1所示：

表1 霧迷山組巖心樣品特征Tab. 1 Core Features of Wumishan Formation

圖2 酸蝕反應(yīng)前后對比圖Fig.2 The comparison chart before and after Acid etching reaction

反應(yīng)用酸液濃度31%，試驗溫度25℃，反應(yīng)時間3h，反應(yīng)過程不攪拌。反應(yīng)結(jié)束后對三塊碳酸鹽巖樣品進行室內(nèi)酸鹽反應(yīng)，觀察酸蝕反應(yīng)面結(jié)構(gòu)特征。如圖2，對比Jxw 4-1、J Jxw 3-1、Jxw 3-2三塊巖樣的反應(yīng)前后對比圖可以看出：①Jxw4-1薄片鑒定顆粒結(jié)構(gòu)較致密，粒晶間微孔隙和粒晶內(nèi)微孔隙發(fā)育，白云石結(jié)晶欠均勻，見部分白云石充填的早期殘余構(gòu)造縫，酸蝕反應(yīng)表現(xiàn)為優(yōu)先沿巖脈、礦物條帶、天然裂縫以及節(jié)理等結(jié)構(gòu)弱面產(chǎn)生酸蝕突進現(xiàn)象，酸蝕改造效果顯著；②Jxw 3-1巖樣為細晶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，天然裂縫不發(fā)育，薄片鑒定碎屑狀粉晶，少量泥晶、細晶，部分石英、長石均勻分布其中，粉砂、極細砂為主，少量細砂，泥質(zhì)混雜氧化鐵，不均勻分布于白云石和其它砂質(zhì)顆粒間，表現(xiàn)出均勻表面溶蝕現(xiàn)象，酸蝕改造效果一般；③Jxw 3-2為含泥鐵質(zhì)粉晶白云巖，結(jié)構(gòu)較致密，局部見少量孔隙—微孔隙，常見石膏，少量粘土礦物主要為伊利石、綠蒙混層等。3-2微觀結(jié)構(gòu)顯示較3-1好，但內(nèi)部粘土礦物充填較多，大部分不參與反應(yīng)，部分存在酸敏特性（柳娜等，2008），因此3-2酸鹽反應(yīng)不明顯，反應(yīng)前后宏觀觀測未發(fā)現(xiàn)明顯酸蝕變化，微觀觀測發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖部分出現(xiàn)酸蝕蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有一定的酸蝕效果。

2.2 壓裂作用

壓裂作用是指人工加壓使井底流體壓力升高，超過儲層破裂壓力時，會產(chǎn)生新裂縫或擴大原有裂縫規(guī)模。由于北京地區(qū)碳酸鹽巖熱儲的縫洞結(jié)構(gòu)發(fā)育，因此水熱型地熱系統(tǒng)的壓裂作用將充分激活天然裂縫或者弱面，形成改造面積大、導(dǎo)流能力強的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。當井壁附近地層的天然裂縫面上的主應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足摩爾-庫倫準則時，天然裂縫發(fā)生剪切滑動（圖3），從而形成具有一定導(dǎo)流能力的流動通道，增加含水層滲透性能（康燕等，2005）。

表2 井底巖心取樣統(tǒng)計表Tab.2 Core Sampling Statistical Table in Bottom Hole

圖3 主裂縫周圍天然微裂縫應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 Natural microcrack stress around the main crack

圖4 巖石三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Triaxial stress - strain curve of rock

圖5 目的層應(yīng)力摩爾圓Fig.5 Mohr's circle of production layer

如表2，北京市薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖熱儲層可以細分為巖性不同的層段，結(jié)合北京某井，選取不同層段井底巖心，利用GCTS巖石三軸壓縮實驗儀測試巖石力學參數(shù)，并計算摩爾圓（圖4、圖5），得到碳酸鹽巖儲層天然弱面發(fā)生剪切滑動的臨界條件。

根據(jù)摩爾庫倫準則，計算得到北京地區(qū)縫洞型碳酸鹽巖熱儲發(fā)生弱面剪切破壞的條件（圖5），針對北京某井巖石特征，一方面可以通過人工泵入流體壓力，改變地應(yīng)力狀態(tài)，摩爾圓左移，誘導(dǎo)巖石發(fā)生破裂，形成高導(dǎo)流能力熱流通道，另一方面可以降低巖石骨架強度（劉興浩等，2011），即人工下移摩爾圓破裂線（破裂條件），易于產(chǎn)生水力裂縫。

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，酸化壓裂作業(yè)，一方面有助于降低鉆完井技術(shù)傷害帶來的阻力，另一方面由于酸蝕蚓孔的存在（Economides，2002），在井筒周圍形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，降低熱儲層整體抗壓強度，對應(yīng)摩爾圓中破裂線下移；隨著壓裂的持續(xù)作用，酸蝕蚓孔相互溝通，沿最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生坍塌，形成小范圍的徑向裂縫（圖6）。且裂縫等結(jié)構(gòu)弱面發(fā)育層段改造效果普遍較結(jié)構(gòu)面不發(fā)育層段好，碳酸鹽巖含量越高的層段改造效果越好。

圖6 酸化壓裂過程中蜂窩狀腐蝕空間改造示意圖Fig.6 Schematic diagram of honeycomb corrosion space improvement during acid fracturing

2.3 酸化壓裂增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用

北京某地熱井目的層為薊縣系霧迷山組白云巖，完鉆井深2800.88m，取水層段為1730～2800.88m裸眼井段。測井結(jié)果顯示：1700～2800m熱儲的孔隙度0.81%～7.25%，平均為3.36%；滲透率0.1～1.42×10-3μm2，平均為0.25×10-3μm2，屬于超低滲透致密儲層。前期經(jīng)過裸眼段泡藥、酸化洗井、氣舉洗井、水泵抽水等洗井工作后，出水量為968m3/d，較鄰井偏小。因此，結(jié)合酸化壓裂機理研究，針對該井制定了酸化壓裂方案（表3），并開展了工程示范。

本次酸化作業(yè)的施工井段為1700m以下裸眼段，采用震蕩壓裂方式，試壓不刺不漏后，采用正擠法注酸液，施工過程最大瞬時排量1.5m3/min，最大瞬時工作壓力6.5MPa。20%鹽酸用量為100m3。

圖7為酸化壓裂曲線，根據(jù)施工壓力曲線，酸化壓裂共經(jīng)歷3個過程：第一階段，泵壓穩(wěn)定在6MPa、排量穩(wěn)定在1.2m3/min，此時以酸化作用為主，在近井地帶形成大量酸蝕縫洞，此時由未被酸蝕的巖石骨架以及孔隙內(nèi)流體壓力共同平衡地應(yīng)力，尚未溝通裂縫；第二階段，13:55時壓力曲線突然下降，反映酸蝕進一步加強后，骨架整體抗壓強度降低，沿最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生坍塌，形成小范圍的徑向裂縫，但由于裂縫空間小，很快被流體充填，壓力再次回升到之前的水平；第三階段，圧力曲線穩(wěn)定6MPa，排量逐漸增加至1.5 m3/min，說明進一步擴大了儲層裂縫改造體積，增強了滲流能力。

圖7 酸化壓裂壓力及排量曲線圖Fig.7 Acid-fracturing pressure and displacement curve

圖8 為該井酸壓前后出水量和水溫對比圖，可以看出酸化壓裂技術(shù)起到了很好的增產(chǎn)效果，出水量由酸化前的968m3/d激增到2163 m3/d，出水溫度由43.5℃增加到46℃，實現(xiàn)地熱井產(chǎn)能的大幅提升。

3 結(jié)論

通過對碳酸鹽巖熱儲水熱型地熱系統(tǒng)酸化壓裂增產(chǎn)機理研究及技術(shù)應(yīng)用，形成以下主要結(jié)論：

（1）在傳統(tǒng)地熱井涌水量計算模型的基礎(chǔ)上，引入表皮系數(shù)，兼顧了地熱鉆完井技術(shù)對近井地層的傷害，從理論上闡明了水熱型地熱系統(tǒng)開發(fā)增產(chǎn)機理，提高地熱井出水量的關(guān)鍵因素是降低表皮系數(shù)(S)、增加含水層滲透系數(shù)(K)。

圖8 酸化壓裂前后溫度及產(chǎn)量對比Fig.8 The temperature and production contrast before and after acid-fracturing

（2）首次針對北京地區(qū)霧迷山組白云巖開展酸化壓裂增產(chǎn)機理：酸化作用在近井筒周圍形成蜂窩狀酸蝕蚓孔結(jié)構(gòu)，降低儲層抗壓強度，在流體壓力作用下，形成裂縫。

（3）實驗證實，酸化壓裂改造效果與儲層巖石礦物組成、構(gòu)造特征相關(guān)：儲層天然裂縫、節(jié)理面等結(jié)構(gòu)弱面越發(fā)育，碳酸鹽巖含量越高，改造效果越好。

（4）北京某地熱井進行酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用。壓力曲線表現(xiàn)出明顯的儲層破裂，裂縫形成特征，證明機理的可靠性。增產(chǎn)后，出水量2163m3/d，較增產(chǎn)前的968 m3/d增加了123%以上；出水溫度46℃，也較增產(chǎn)前增加了2.5℃，是酸化壓裂技術(shù)在地熱增產(chǎn)增灌中的成功應(yīng)用，對實現(xiàn)京津冀地區(qū)地熱資源高效開發(fā)利用具有重要意義。