齊 恭，李 楊，高鵬舉，董向宇*

（1.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊，河北 衡水 053000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

地?zé)崾鞘澜绻J的極具應(yīng)用價值的新型綠色清潔可再生能源，具有分布范圍廣、儲量大的特點。開發(fā)利用地?zé)豳Y源是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)任務(wù)、治理大氣污染的重要途徑之一［1-3］。其中砂巖熱儲埋藏相對較淺，是地?zé)衢_發(fā)利用的主要層位，但是隨著粗放性的開采，地?zé)釤醿訅毫χ鹉晗陆担行╅_采井已經(jīng)出現(xiàn)了抽空、提水困難現(xiàn)象。同時地下熱水含硫、鐵、氯等礦物質(zhì)，礦化度高，地?zé)崴苯优欧挪粌H造成資源浪費，而且對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生比較大的影響。因此，高效無害化利用砂巖熱儲成為亟待解決的問題。高效可持續(xù)的回灌技術(shù)是解決砂巖熱儲地?zé)崴淮蠓认陆祮栴}以及保護生態(tài)環(huán)境的有效技術(shù)手段［4-6］。

1 存在問題

我國沉積巖中砂巖熱儲分布廣泛，開發(fā)利用程度較高，但是回灌率低的問題成為制約其可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。為此，全國各地進行了大量的不同技術(shù)手段的回灌試驗［7-12］。目前采用大孔徑填礫、儲層射孔、同徑止水等方法探索和研究砂巖熱儲的高效回灌，這些技術(shù)手段尚未從根本上解決砂巖熱儲可持續(xù)回灌問題，從而導(dǎo)致砂巖熱儲的開發(fā)利用在很多地區(qū)受限，甚至被禁止。因此，系統(tǒng)地開展砂巖熱儲層物理形態(tài)、化學(xué)性質(zhì)的研究，分析鉆完井、洗井等施工工藝，對解決砂巖熱儲回灌問題具有現(xiàn)實意義。其中測試砂巖熱儲層的水頭壓力揭示含水層層間內(nèi)部循環(huán)形態(tài)及規(guī)律對回灌的影響，制定相應(yīng)的工藝技術(shù)以提高回灌量。

2 含水層壓力監(jiān)測

自2020 年開始在唐山市國家級一孔多層地下水監(jiān)測示范井地下水監(jiān)測試驗測試示范項目中，針對多含水層進行了分層監(jiān)測，見圖1。將淺層砂巖熱儲的5 個含水層分別建成了5 個觀測井，由于不同含水層的泥質(zhì)含量、孔隙率、滲透系數(shù)等因素具有差異，監(jiān)測顯示，各井的穩(wěn)態(tài)水位是相對獨立的，因而顯示不同層位的地下水壓力不相同。詳見表1。

圖1 多層地下水觀測井綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive bar chart of multi-layer groundwater observation wells

表1 含水層分層監(jiān)測參數(shù)Table 1 Monitoring parameters for aquifer stratification

通過試驗測試可以看出，不同的含水層具有不相同的水位，顯示含水層的地層壓力是有差異的。當(dāng)打開多個含水層進行綜合取水時，不同的含水層的貢獻也大不相同。

3 影響回灌的因素分析

導(dǎo)致砂巖熱儲地下水回灌困難的主要表象是：與儲層礦物組成、成巖機理、以及回灌過程中的水-巖石相互作用導(dǎo)致的懸浮物、化學(xué)沉淀和氣泡堵塞有關(guān)的地?zé)峋畬涌紫抖氯?、鉆完井工藝中的泥皮或固井水泥等對含水層段井壁的封堵、以及空壓機活塞洗井工藝產(chǎn)生的負壓對含水層井段的有效影響效果等。新近系砂巖熱儲回灌井回灌能量存在較大差異，針對華北區(qū)域的砂巖熱儲，相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，一般平均回灌量＜50 m3/h，甚至局部區(qū)域回灌量＜20 m3/h。回灌成了制約砂巖熱儲開采利用的瓶頸。地?zé)峋毓嗔看笮〖扔械刭|(zhì)方面的原因又有鉆探成井原因［13-15］，下面分別從地質(zhì)方面及鉆探成井方面進行分析。

3.1 地質(zhì)方面

以往的研究中往往把砂巖熱儲中的所有砂巖層擬合概化成一個大的含水層，但是實際上砂巖熱儲的水層多由層厚不一的砂巖和泥巖組合構(gòu)成的一套熱儲地層。其中每層砂巖的巖性、壓力、熱物性、水動力等特征均存在一定的差異，其對地?zé)峋鏊突毓嗟呢暙I也不能一概而論。如圖2（a）所示，在地下水靜止的時候含水層A、B、C共同維持著靜止水位h。

圖2 水位與含水層關(guān)系示意Fig.2 Relationship between water level and aquifer

新鉆成的砂巖熱儲地?zé)峋稍谏淇讜r分層射孔，從而分別確定各含水層的壓力。可以采用圖2（b）的方法，在地?zé)峋畬覣、含水層B、含水層C之間的白管內(nèi)下入與鉆桿相連的封隔器及止水橋塞，在鉆桿內(nèi)單獨測量含水層A 的水位為hA，同理測得含水層B 和C 的水位為hB、hC。通過監(jiān)測同一含水組不同含水層不同的液柱高度，可以推斷出熱儲地下水在含水層混合利用情況下處于越層補給狀態(tài)。這種檢測方法適用于射孔成井的砂巖熱儲地?zé)峋瑢τ谕兜[成井和同徑止水地?zé)峋部梢越梃b。

下面用QA出、QB出和QC出表示含水層A、B 和C的出水量，QA灌、QB灌和QC灌表示含水層A、B 和C 的回灌量，QB補和QC補表示含水層B、C 的層間補水量，在不同狀態(tài)下有以下的情況。

（1）井內(nèi)不抽水水位靜止?fàn)顟B(tài)下，含水儲層A、B、C 處于穩(wěn)定的層間補水狀態(tài)，QA出=QB補+QC補。同時由于hC高于hB，所以QB補>QC補，如圖3（a）。

圖3 含水層越層補給示意Fig.3 Schematic diagram of aquifer cross layer supply

（2）地?zé)峋樗疇顟B(tài)時，潛水泵抽取地下水的量Q泵直接影響動水位h的高度，含水層對于水井的滲水會呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。

當(dāng) 動 水 位h高 于hC水 位 時 ，Q泵=QA出-QB補-QC補含水層B、C 處于含水層A 的補給狀態(tài)，如圖3（b）所示。

當(dāng)動水位h高于hB水位，低于hC水位時，Q泵=QA出+QC出-QB補含水層B 處于含水層A 和C 的補給狀態(tài)，如圖3（c）所示。

當(dāng)動水位h低于hB水位時，Q泵=QA出+QB出+QC出，如圖3（d）所示。

（3）地?zé)峋M行回灌時，由于回灌量不同，含水層回灌狀況也不同，如圖4。

圖4 回灌壓力與層間補水關(guān)系示意Fig.4 Relationship between recharge pressure and cross layer supply

當(dāng)回灌水位低于hA時，Q總灌=QB灌+QC灌，含水層A 因回灌壓力沒達到本身地層壓力，處于對地層B、C 補給狀態(tài)，變相的降低了Q總灌的量，如圖4（a）所示。

當(dāng)回灌水位高于hA時，Q總灌=QA灌+QB灌+QC灌，含水層A 因回灌壓力大，回灌量最小，其關(guān)系為QC灌>QB灌>QA灌，如圖4（b）所示。

3.2 成井工藝方面

在平原丘陵沉積地層砂巖熱儲開發(fā)利用過程中，有一個現(xiàn)象：相鄰100 多米的砂巖型熱儲地?zé)峋瑴y井結(jié)果大致相同、成井利用出水段相同、成井工藝相同（射孔成井）情況下，地?zé)崴克恳蚕嗖畈淮?，但回灌量卻差異很大。為此對回灌量小的地?zé)峋删芜M行了二次射孔，確保鉆遇的所有含水層全部被打通，反復(fù)充分的洗井作業(yè)后行回灌量測試，回灌量并沒有明顯的增加，究其原因分析如下。

3.2.1 鉆井液影響

鉆井液的作用是攜帶鉆屑、穩(wěn)定井壁、平衡鉆孔地層壓力、冷卻鉆頭鉆具、潤滑鉆頭鉆具、傳遞水動力等作用［16-19］。在施工時，為了保證鉆孔不坍塌，鉆井液對地層壓力大于地層自身壓力，往往不可避免地侵入井壁一定深度，鉆井液中固相顆粒及濾液氣泡侵入熱儲層后，在砂巖孔隙發(fā)生堵塞架橋現(xiàn)象。為保證鉆井安全，鉆井液密度按地層壓力大的含水層配置，這也就導(dǎo)致了壓力大的含水層由于自身水壓大，受泥漿侵入少，洗井時極易洗開；而地層壓力小的地層，泥漿侵入多，滲透遠，洗井時很難清洗干凈，導(dǎo)致地層壓力小的含水層堵塞。

如圖5 所示，地層壓力A>C>B，在鉆孔1 內(nèi)鉆井液密度一致時，泥漿滲透距離LB>LC>LA。

圖5 鉆井液井壁滲透狀態(tài)示意Fig.5 Schematic diagram of wellbore permeating state of drilling fluid

3.2.2 洗井工藝的影響

洗井是地?zé)峋删に囍袠O為重要的一道工序。尤其是砂巖熱儲地?zé)峋?，洗井的好壞對地?zé)峋鏊坑泻艽蟮挠绊憽?/p>

砂巖地?zé)峋删螅淳姆椒ɑ旧峡煞譃闄C械洗井和化學(xué)洗井兩大類。對于泥皮、泥沙淤積堵塞過濾器等，均可采用機械洗井方法處理。機械洗井法的原理是：通過洗井設(shè)備在井中產(chǎn)生的強大抽、壓作用和沖擊振蕩作用，加大井內(nèi)外的水壓力差和加快地下水流速，從而破除井壁泥皮、帶出阻塞于含水層空隙與過濾器中的細粒物質(zhì)，以達到疏通含水層、增加水井出水量的目的。目前常用的洗井方法有：噴射洗井、潛水泵、活塞洗井法、空壓機洗井法等［20］。

現(xiàn)在使用洗井方法多為潛水泵、空壓機全井段綜合洗井?；钊淳m然能做到逐層段進行洗井，但由于地?zé)峋删话爿^深，為保證施工安全，活塞洗井只是在泵室管段進行往復(fù)抽吸［21］。這就導(dǎo)致了低壓力含水層以及泥漿滲透影響區(qū)較大的含水層過水通道不能夠得到充分疏通。再有就是壓力大的含水層抽水時已能夠滿足取水設(shè)備的最大流量，且降深還沒達到壓力低含水層的靜止水位，壓力低含水層處于受水狀態(tài)，導(dǎo)致在回灌時處于泥漿堵塞狀態(tài)。

新施工的館陶組地?zé)峋M行分層洗井，可以采用止水橋塞和封隔器聯(lián)合的工藝方法，分隔各個含水層的水力聯(lián)系，分層洗井。采用射孔工藝打開最下面?zhèn)€一含水回灌層，然后進行洗井工作，徹底疏通打開的含水層；在上方相鄰的回灌層底部下入止水橋塞，分隔上下兩個層位，然后對上面一層實施射孔作業(yè)，并洗井，使該層徹底疏通；重復(fù)以上的工作步驟，直至最上面的一個回灌層徹底疏通。其它砂巖熱儲地?zé)峋捎弥顾畼蛉头飧羝鲝牡責(zé)峋钕乱粚訛V水管位置進行分層洗井。

4 問題及建議

以往針對地?zé)峄毓嚅_展了大量的試驗工作，普遍認為地?zé)峋鏊吭酱蠡毓嗔烤驮酱螅畬釉胶窕毓嗔吭酱?，井徑越大回灌量越大，射孔成井回灌量大。但是砂巖熱儲可持續(xù)回灌以及回灌量不穩(wěn)定問題沒有從根本上解決。熱儲孔隙度是回灌不可或缺的條件，但熱儲層含水層地下水壓力也是取決回灌量大小的條件。在靜止水位狀態(tài)下，通過流量測井、井下電視等進行觀察，可以明顯地看到具有壓力差的含水層之間有穩(wěn)定的層間流場。對于混層開發(fā)的地?zé)峋?，在進行熱儲回灌時，由于含水層壓力差的存在，回灌的水能夠進入哪個含水層也會有差異的。

（1）在含水層組孔隙度相似的情況下，基于含水層壓力，在同一含水組中不同壓力的含水層共同維持地?zé)峋撵o水位，靜止?fàn)顟B(tài)下，由于各含水層壓力不同，地下水始終處于運動狀態(tài)，也就是壓力大的補給壓力小的。因此，對于抽水狀態(tài)，含水層孔隙度相近似，壓力大的含水層是出水的主要層位。對于回灌狀態(tài)，水頭壓力低于含水層的最大地層壓力時，將不能抑制儲層水之間的層間補給，從而顯示回灌水量低的現(xiàn)象。含水層孔隙度相近似的條件下，壓力小的含水層是回灌的的主要層位。

（2）對于回灌井，改變利用含水層越多越好的思路，利用壓力小滲透系數(shù)好的含水層作為回灌層位，有效控制含水層之間的補給，又降低靜水位增加了回灌的自然壓力，可以大幅度提高回灌量。

（3）對于新施工的抽灌井，改變現(xiàn)有的全孔段混合洗井方法，由下向上依次分層射孔，實施分層洗井，徹底疏通含水層。基于以上思路，采用含水層分層處理技術(shù)，還可以改造已有封停的砂巖熱儲型地?zé)峋?，實現(xiàn)封停井再利用，盤活廢棄資產(chǎn)的目的。

5 結(jié)語

提高回灌量解決可持續(xù)回灌問題，對于砂巖熱儲地?zé)衢_發(fā)利用具有重要意義。通過監(jiān)測不同含水儲層的壓力，揭示了儲層間的層間補水現(xiàn)象，提出了回灌壓力與回灌效果具有一定的相關(guān)性的認識，建議將低水頭壓力高孔滲儲層作為回灌的主力層位，對于較高水頭壓力低孔滲層位需要進行儲層改造，擴大連通性。綜合回灌層位的水頭壓力，采用適宜的回灌壓力，盡量減少層間補水情況，較大幅度的提高回灌量。另外對地?zé)峋@完井及成井工藝實施過程的優(yōu)化及精細化的控制，減少對含水層原狀物理狀態(tài)的破壞，確保井筒及含水儲層的通道暢通，對于實現(xiàn)高效可持續(xù)的儲層回灌同樣具有重要意義。