孫曉林 楊寶美 高新智 朱挺 劉峰 王宇紅

摘要?奧陶系灰?guī)r熱儲是天津城區(qū)中深層地?zé)岬闹饕_采對象之一，但是在天津城區(qū)鞍山道斷裂以西地區(qū)，奧陶系上覆地層保留相當(dāng)厚度的石炭-二疊系地層，這種沉積環(huán)境下的奧陶系灰?guī)r不利于地?zé)崃黧w聯(lián)通與流動，影響熱儲層涌水量。以天津NK-28地?zé)峋疄槔?，通過地球物理測井和地層巖屑錄井，結(jié)合溶蝕試驗(yàn)、降壓試驗(yàn)、反循環(huán)氣舉洗井等技術(shù)手段，進(jìn)行了酸化壓裂增產(chǎn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：裂隙不發(fā)育且連通性差，以及地層地?zé)崃黧w補(bǔ)給不及時(shí)是該井產(chǎn)能過低的主要原因;經(jīng)過酸化壓裂增產(chǎn)后，其涌水量由68?m3/h提高到110?m3/h，地?zé)峋a(chǎn)能明顯提高，可為類似地質(zhì)條件下的地?zé)豳Y源開發(fā)提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)?鍵?詞?地?zé)?熱儲層;酸化壓裂;增產(chǎn)

中圖分類號?TU832?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼?A

Test?study?of?acidification?fracturing?stimulation?in?Ordovician?limestone?thermal?reservoirs?in?the?urban?area?of?Tianjin

SUN?Xiaolin1，?YANG?Baomei1，?GAO?Xinzhi1，?ZHU?Ting1，?LIU?Feng2，?WANG?Yuhong3

（1.?Tianjin?Geothermal?Exploration?and?Design?Institute，?Tianjin?300250，?China;?2.?Institute?of?Hydrogeology?and?Environment?Geology，?Chinese?Academy?of?Geological?Sciences，?Shijiazhuang，?Hebei?050061，?China;?3.?Tianjin?Rocked?Technology?Co?Ltd，?Tianjin?301700，?China）

Abstract?Ordovician?limestone?thermal?reservoir?is?one?of?the?main?middle-deep?geothermal?energy?exploration?sources?in?urban?areas?of?Tianjin.?In?the?western?areas?of?Anshan?Road?Fault，?there?remains?a?relatively?thick?Permo-Carboniferous?formation?above?the?Ordovician?limestone.?Such?a?sedimentary?environment?is?not?favorable?for?the?connectivity?and?flow?of?geothermal?fluid?in?the?Ordovician?limestone?thermal?reservoir，?usually?reducing?the?outflow?yield?of?geothermal?wells.?Taking?a?geothermal?well（No.NK-28）in?Tianjin?as?an?example，?acidification?fracturing?stimulation?is?carried?out?based?on?borehole?logging，?geophysical?logging，?the?corrosion?test，?drop?pressure?tests，?gas?lift?reverse?circulation?well?washing?and?other?technical?methods.?Test?results?show?that?a?low?productivity?of?the?present?geothermal?well?is?mainly?caused?by?the?non-sufficient?fracture?formation，?poor?connectivity?and?recharge?of?fluid?in?thermal?reservoirs.?After?a?stimulation?by?acidizing?fracturing，?the?outflow?yield?of?geothermal?water?is?greatly?increased?from?68?m3/h?to?110?m3/h，?which?can?provide?positive?references?for?the?development?of?geothermal?resources?in?similar?geological?areas.

Key?words?geothermal;??thermal?reservoir;?acidification?fracturing;?stimulation

0?引言

天津具有豐富的地?zé)豳Y源優(yōu)勢，隨著天津經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，社會對清潔能源的需求與日俱增，對于加快各功能區(qū)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要的推動作用。天津城區(qū)第一口地?zé)峄鶐r井（WR1#）成井于1979年10月;截止2017年，天津城區(qū)已累計(jì)開發(fā)地?zé)峋?68眼。奧陶系是天津地區(qū)揭露基巖后鉆遇的第一個(gè)基巖熱儲層，因其埋藏淺、鉆探成本低，且具有較好的回灌能力而成為重點(diǎn)開采熱儲層。但是，由于奧陶系熱儲層的賦水性極不均勻，往往導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)較高，一定程度上影響其開發(fā)利用進(jìn)程。因此，查明奧陶系熱儲發(fā)育和構(gòu)造特征，研究影響奧陶系熱儲層發(fā)育的因素，進(jìn)而對熱儲層進(jìn)行改造，增加熱儲層涌水量，提高地?zé)豳Y源利用率是當(dāng)前的重要工作之一。

研究人員在此方面開展了不少研究工作。例如，趙宗舉等[1]對塔里木盆地塔中地區(qū)的奧陶系儲層成因進(jìn)行研究，認(rèn)為各種巖溶作用是形成奧陶系有效儲集空間的主要動因。孫東等[2]研究了塔里木盆地哈拉哈唐地區(qū)奧陶系海相碳酸鹽儲層的主控因素，認(rèn)為斷裂體系對奧陶系儲層有一定的影響作用，斷裂交會裂縫發(fā)育區(qū)最有利于儲層的改造，是高效井點(diǎn)的理想位置。崔宇等[3]對歧口凹陷北大港構(gòu)造帶奧陶系潛山儲層的主控因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為有許多因素影響碳酸鹽儲層的發(fā)育，主要包括巖性巖相特征、古地貌、古氣候等，但是北大港構(gòu)造帶的奧陶系碳酸鹽儲層主要受巖性組合與多期次巖溶改造作用影響。唐世春[4]對奧陶系沙23#鉆井進(jìn)行了酸化壓裂改造，為該構(gòu)造擴(kuò)大儲量提供了資料。呂殿臣[5]對天津靜海縣JHR-16D#地?zé)峋M(jìn)行酸化壓裂改造，使其涌水量由原來的35.3?m3/h提高到133.0?m3/h，增產(chǎn)3.7倍。林天懿等[6]對北京某地?zé)峋M(jìn)行酸化壓裂增產(chǎn)研究，最終其出水量增產(chǎn)123%以上。客觀而言，酸化壓裂對于不同類型巖石熱儲的效果相差較大，尤其是針對灰?guī)r熱儲層酸化壓裂增產(chǎn)效果方面的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)相對較少。鑒于上述背景，本文以天津NK-28#地?zé)峋疄槔M(jìn)行奧陶系灰?guī)r熱儲層酸化壓裂增產(chǎn)的試驗(yàn)與分析，旨在總結(jié)相關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)，為類似地質(zhì)條件下的地?zé)峋脑炫c地?zé)豳Y源開發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1?地?zé)峋艣r

NK-28#地?zé)峋趨^(qū)域位于王蘭莊地?zé)崽镂鞅辈?，處于Ш級?gòu)造單元滄縣隆起的次一級構(gòu)造單元雙窯凸起的中北部（圖1）。附近發(fā)育斷裂有天津斷裂、海河斷裂和鞍山道斷裂。天津斷裂為滄縣隆起內(nèi)部斷裂，為多期活動斷裂，控制著奧陶系的分布。NK-28#地?zé)峋車延械責(zé)峋甆K-09#（1995年成井）、NK-10#（1993年成井）、NK-14#（1996年成井）、NK-24#（2009年成井），涌水量分別為127?m3/h、148?m3/h、150?m3/h、119?m3/h?，F(xiàn)階段仍在正常使用，但是NK-28#地?zé)峋删笞畲笥克績H為68?m3/h，與該地區(qū)熱儲層出水能力相差較大。

NK-28#地?zé)峋疃葹??852?m，揭露基巖為石炭-二疊系，深度1?276～2?189?m，地層厚度為872?m。巖性以暗紅色、灰綠色、灰黑色泥巖為主，夾不等厚砂巖及薄層煤層，與下伏地層奧陶系不整合接觸，風(fēng)化殼巖性為粗粒石英砂巖[7-8]。目的熱儲層奧陶系揭露深度為2?189～2?852?m，揭露地層厚度為663?m，巖性以棕黃色、淺黃色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，灰?guī)r泥質(zhì)含量較高。

根據(jù)鉆孔地層巖屑錄井統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)奧陶系上覆地層石炭-二疊系厚度達(dá)到872?m。根據(jù)以往研究成果[7-8]，奧陶系熱儲層有無石炭-二疊系覆蓋，對奧陶系產(chǎn)水量影響很大，同時(shí)石炭-二疊系的厚度與巖溶發(fā)育呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，厚度越大，巖溶裂隙發(fā)育越弱，其主要原因在于：石炭-二疊系覆蓋較厚的巖溶區(qū)一般處于構(gòu)造凹陷區(qū)，在該構(gòu)造特征下，水流運(yùn)動滯緩，水的溶蝕能力基本喪失，巖溶作用以沉淀充填為主，使古巖溶裂隙致密化，影響側(cè)向地下水的補(bǔ)給條件。根據(jù)鉆探結(jié)果推測，天津斷裂對奧陶系熱儲有隔水作用，斷裂以東賦水性較好;鞍山道斷裂控制古生界石炭-二疊系的分布，斷裂以西大面積保存有石炭-二疊系，以東只有零星分布;海河斷裂切割滄東斷裂天津段，表現(xiàn)為張性斷層性質(zhì)，有利于熱儲層的賦水性。

2?酸化壓裂試驗(yàn)

2.1?酸化壓裂概況

壓裂酸化是在高于地層破裂壓力下用酸液作為壓裂液，進(jìn)行不加支撐劑的壓裂。壓裂酸化過程中靠酸液的溶蝕作用將裂縫的壁面溶蝕成凹凸不平的表面，以使停泵卸壓后，裂縫壁面不會完全閉合。因此，具有較高的導(dǎo)流能力，對恢復(fù)和提高熱儲層生產(chǎn)能力，效果明顯。施工前需要將目的熱儲層以上地層進(jìn)行封閉，并注滿NH4Cl溶液，防止注酸過程中鹽酸溶液進(jìn)入上部地層，對非取水段造成污染及套管腐蝕。表1給出了本次研究酸化壓裂所采用施工液的用量及溶液配比情況。

2.2?反循環(huán)氣舉洗井

奧陶系熱儲層溫度通常遠(yuǎn)高于二氧化碳臨界溫度，二氧化碳多以氣體形式存在。為防止酸化反應(yīng)生成的二氧化碳在地層停滯時(shí)間過長而造成裂隙氣堵影響酸化效果，需進(jìn)行反循環(huán)氣舉洗井。圖2為反循環(huán)氣舉洗井的示意圖。相對傳統(tǒng)常規(guī)洗井方式，反循環(huán)氣舉洗井可以更好的將井底反應(yīng)物排出，同時(shí)擾動熱儲層深部地?zé)崃黧w而打破高溫高壓下二氧化碳的平衡狀態(tài)，有利于氣體的排出。反循環(huán)氣舉洗井時(shí)首先下入Φ73?mm油管2?000?m至奧陶系熱儲層頂部的套管底部，上接排水管道;然后平行下入Φ30?mm耐高壓軟管400?m，上接空壓機(jī)。井口封閉形成反循環(huán)管路，持續(xù)洗井至少10?h，至水清砂凈。通過洗井，將酸化壓裂過程中泥質(zhì)灰?guī)r反應(yīng)后殘留的泥質(zhì)成分以及地?zé)崃黧w中的過飽和溶質(zhì)，從熱儲層裂隙中帶出，改善熱儲層裂隙條件。

2.3?穩(wěn)定流降壓試驗(yàn)

穩(wěn)定流降壓試驗(yàn)主要是采用潛水泵通過測定井孔涌水量及其水位下降（降深）之間的關(guān)系，分析確定含水層的富水程度、評價(jià)井孔的出水能力。本次穩(wěn)定流降壓試驗(yàn)先進(jìn)行大落程抽水，然后依次進(jìn)行中小落程。穩(wěn)定流降壓試驗(yàn)求參數(shù)方法采用裘布依公式法及溪哈爾特降壓影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式迭代計(jì)算，其中含水層滲透系數(shù)采用K公式（1）計(jì)算，抽水影響半徑采用式（2）計(jì)算，分別為

[K=0.366Q（lgR-lgrw）MSw]， （1）

[R=10SwK]， （2）

式中：?K為含水層滲透系數(shù)，m/d;Q為單井涌水量，m3/d;R為抽水影響半徑，m;[rw]為取水段井半徑，?m;[Sw]為穩(wěn)定降深，m;M為熱儲層有效厚度，m。

3?結(jié)果與討論

3.1?酸化壓裂前測井結(jié)果

圖3給出NK-28#地?zé)峋峄瘔毫亚皽y井結(jié)果?？梢钥闯?，NK-28#鉆孔熱儲層裂隙發(fā)育較差，一類裂隙3層，累計(jì)厚度為9.6?m，測井井段分別為2?417.5～2?420.7?m、2?451.3～2?455.1?m、2?600.3～2?602.9?m;二類裂隙9層，累計(jì)厚度為45.2?m，測井井段分別為2?365.4～2?368.2?m、2?370.6～2?373.5?m、2?378.9～2?384.1?m、2?389.2～2?398.2?m、2?455.1～2?458.8?m、2?467.7～2?471.0?m、2?556.5～2?563.0?m、2?609.1～2?614.1?m、2?626.2～2?633.0?m;三類裂隙14層，累計(jì)厚度為80.9?m，測井井段分別為2?212.3～2?214.7?m、2?322.9～2 333.0?m、2?354.0～2?360.1?m、2?477.0～2?486.4?m、2?501.6～2?505.1?m、2?511.5～2?528.7?m、2?543.3～2?549.3?m、2?658.1～2?661.0?m、2?693.8～2?696.6?m、2?734.8～2?737.0?m、2?746.9～2?749.7?m、2?755.3～2?763.7?m、2?792.5～2?796.5?m、2?804.6～2?807.7?m。其中一類、二類裂隙層為有效取水層，總累計(jì)厚度54.8?m，占總揭露厚度的8.2%。?熱儲層裂隙率1.05%～6.77%，滲透率0.1×10-3～2.63×10-3?μm2，泥質(zhì)含量2.04%～13.29%。通過與相鄰鉆孔比對，NK-28#地?zé)峋严堵逝c孔隙度偏低，泥質(zhì)含量相差不多，其最大涌水量僅為68?m3/h，遠(yuǎn)低于周圍奧陶系熱儲層地?zé)峋克浚焕诘責(zé)崃黧w開發(fā)利用。由于NK-28#鉆孔為灰?guī)r熱儲，不能夠與白云巖一樣依靠石化作用的增強(qiáng)來增大晶間孔隙度，進(jìn)而改善巖石的滲透率[9]。因此，對奧陶系熱儲層進(jìn)行酸化壓裂是很有必要的增產(chǎn)作業(yè)方式之一。

3.2?酸化壓裂結(jié)果

酸化壓裂增產(chǎn)前，對不同深度奧陶系灰?guī)r取樣、編號，分別采用18%?鹽酸溶液、20%?鹽酸溶液、22%?鹽酸溶液進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)對比，在25?℃的條件下試驗(yàn)1?h。圖4給出了不同濃度下灰?guī)r溶蝕率?？梢钥闯?，灰?guī)r隨著鹽酸溶液的濃度增加，溶蝕率呈正比增加，但濃度超過20%后，溶蝕率增加速度減緩。張帥等[10]試驗(yàn)結(jié)果表明，溶蝕率的增加與酸液濃度和試樣臨近表面的原生孔隙打開度有關(guān)。剛開始的時(shí)候酸的濃度比較低，試樣臨近表面的原生孔隙打開度較低，溶蝕率較低;隨著酸的濃度的增加，試樣臨近表面的原生孔隙迅速打開，溶蝕率也快速增加;但是當(dāng)酸的濃度達(dá)到一定時(shí)，原生孔隙基本全部打開，因此溶蝕率增加速度減緩，這與本文試驗(yàn)結(jié)果是基本一致的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，本次酸化采用20%濃度鹽酸溶液進(jìn)行酸化作業(yè)。

表2匯總了酸化壓裂試驗(yàn)參數(shù)，可以看出，試驗(yàn)剛開始注酸壓力為10?MPa（根據(jù)該區(qū)域奧陶系灰?guī)r地層破碎壓力經(jīng)驗(yàn)值為6～9?MPa），試驗(yàn)開始23?min后，壓力下降，表明原生孔隙基本打開，地層裂隙壓裂成功，持續(xù)注酸60?min后，壓力降至6.8?MPa，之后壓力維持不變。整個(gè)酸化過程持續(xù)130?min，共計(jì)注酸110?m3。

3.3?反循環(huán)氣舉洗井結(jié)果

根據(jù)測井結(jié)果顯示，奧陶系熱儲層溫度為71?℃，遠(yuǎn)高于二氧化碳臨界溫度31.2?℃。在這種高壓高溫條件下，二氧化碳以氣體形式存在。因此，為了避免影響酸化效果，需要在反應(yīng)進(jìn)行4?h后進(jìn)行反循環(huán)氣舉洗井。表3匯總了反循環(huán)氣舉洗井的各項(xiàng)參數(shù)?？梢钥闯觯瑒傞_始進(jìn)行第一次洗井時(shí)，出水壓力為6.2?MPa，停水壓力為2?MPa，而接下來進(jìn)行洗井時(shí)，出水與停水壓力穩(wěn)定不變，壓差為3.9?MPa，出水時(shí)長基本穩(wěn)定在9?min左右。除了前兩次洗井的出水間隔較長，后面11次出水間隔也基本穩(wěn)定在51?min左右。由此說明，此次洗井達(dá)到了預(yù)期目的，成功的擾動了熱儲層深部地?zé)崃黧w，有效地打破了高溫高壓下二氧化碳的平衡狀態(tài)，將二氧化碳?xì)怏w排出而避免造成裂隙氣堵，清除了殘留的泥質(zhì)成分和裂隙中地?zé)崃黧w中過飽和的溶質(zhì)，有效的改善了的儲層裂隙條件，穩(wěn)固了本次酸化壓裂的效果，為本例中奧陶系熱儲層產(chǎn)能的提高提供了一定的保證。

3.4?降壓試驗(yàn)與增產(chǎn)效果分析

酸化壓裂增產(chǎn)結(jié)束后，進(jìn)行穩(wěn)定流降壓試驗(yàn)，試驗(yàn)前測得靜水位91?m（對應(yīng)液面溫度50?℃），考慮到熱效應(yīng)作用，NK-28#地?zé)峋c該地區(qū)靜水位平均值87?m基本吻合（圖5）。具體3個(gè)落程降壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。通過前述計(jì)算公式（1）-（2）可知，該井單位涌水量為4.48?m3/h·m，滲透系數(shù)為0.85?m/d，導(dǎo)水系數(shù)為115.58?m2/d，滲透率為0.037?m2/d。與該地區(qū)其它地?zé)峋畢?shù)相差不大，表明本次試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。

區(qū)域內(nèi)地下水位在一定意義上反應(yīng)了該地區(qū)地下水賦水能力、補(bǔ)給能力以及與周圍水文地質(zhì)單元的水力聯(lián)系。以NK-28#鉆孔為例，酸化壓裂試驗(yàn)前靜水位為101?m，動水位為221.94?m，涌水量為68?m3/h;酸化壓裂后，靜水位為91?m，動水位為106.09?m，涌水量為110?m3/h。對比可知，通過酸化壓裂前后，涌水量提高了61.7%。一般而言，對于地?zé)峋乃峄瘔毫眩湓霎a(chǎn)效果不低于原來產(chǎn)量的1倍。例如，文獻(xiàn)[5]中對天津碳酸鹽巖熱儲層進(jìn)行酸化壓裂改造，其涌水量由原來的35.3?m3/h提高到133.0?m3/h，增產(chǎn)效果達(dá)到2.77倍。文獻(xiàn)[6]中針對北京低孔低滲的碳酸鹽巖熱儲進(jìn)行酸化壓裂增產(chǎn)研究，其增產(chǎn)效果達(dá)到了1.23倍。申云飛等[11]采用水力壓裂技術(shù)，使低產(chǎn)地?zé)峋鏊吭霎a(chǎn)高達(dá)3倍。綜合而言，雖然酸化壓裂可以對地?zé)峋M(jìn)行增產(chǎn)改造，但對于不同地區(qū)、不同類型熱儲、不同壓裂方式的改造效果存在較大差異，不可一概而論。因此，在對低產(chǎn)地?zé)峋M(jìn)行增產(chǎn)改造設(shè)計(jì)過程中，需因地制宜采用合適的方法、工藝與參數(shù)，這是保證最終達(dá)到最優(yōu)效果的關(guān)鍵因素。此外，試驗(yàn)前后靜水位變化不大，且與該區(qū)域平均靜水位87?m接近，說明該地區(qū)奧陶系熱儲層賦水能力在空間具有相似性，賦水性良好。試驗(yàn)前后動水位變化較大，與之前推斷NK-28#地?zé)峋@遇區(qū)域可能裂隙發(fā)育不佳，且地下流體的連通性較差的基本判斷相吻合。

4?結(jié)論

1）天津城區(qū)奧陶系熱儲層富水性較好，造成產(chǎn)能過低的主要原因是裂隙不發(fā)育且連通性差，地層地?zé)崃黧w補(bǔ)給不及時(shí)。奧陶系熱儲上面的石炭-二疊系的厚度越大，巖溶裂隙發(fā)育越弱，對地?zé)衢_發(fā)越不利。

2）通過酸化壓裂增產(chǎn)，本文地?zé)峋畲笥克坑?8?m3/h提升至110?m3/h，靜水位變化不大，大大提高了地?zé)峋漠a(chǎn)能，表明酸化壓裂是地?zé)峋霎a(chǎn)改造的有效措施之一。灰?guī)r的溶蝕率隨著鹽酸溶液濃度增加呈正比增加，但濃度超過20%后，溶蝕率增加幅度減緩。

3）酸化壓裂對不同地區(qū)、不同類型熱儲層的增產(chǎn)改造效果存在差異，在低產(chǎn)地?zé)峋霎a(chǎn)改造設(shè)計(jì)過程中，需要因地制宜選擇合適的方法、工藝及參數(shù)。

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[責(zé)任編輯????田????豐]