砂岩热储回灌难点识别与应对措施探讨

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.7.18

摘要/Abstract

摘要：

砂岩热储在我国分布面积广,热储厚度大,资源储量丰富,是我国北方和西部地区地热供暖的主力热储。但砂岩热储回灌量偏小,回灌过程易衰减,难以规模化开发,这些都是现实存在的难题。已有研究成果主要集中在钻井液污染、物理堵塞和化学堵塞方面,这些都是造成砂岩热储回灌困难的常见原因。本文在充分研究油田注水技术、收集砂岩岩心实验测试和野外回灌试验资料的基础上,分析总结了天津、山东、陕西等地砂岩热储生产性回灌实际案例,认为砂岩热储孔隙直径小、孔隙喉道迂曲度大和回灌流体渗流沿程摩阻力(压耗)大是造成回灌量偏小和衰减的根本原因。主要应对措施是精确识别砂岩热储特征,扩大回灌井井径,改造热储以减小近井地带的回灌流速,抑制以速敏为主的水岩作用发生,这是今后解决砂岩热储回灌困难的关键。

关键词: 砂岩热储, 回灌, 堵塞, 馆陶组, 渗流通道, 压力梯度

Abstract:

Abundant sandstone geothermal reservoirs with large reservoir thickness are widely distributed in China, and they are the main geothermal resource for heating in the country’s northern and western regions. However, sandstone reserviors are difficult to recharge due to the small rechargeable volume, high recharge decay, and difficulty to develop on a large scale. Previous researches mainly focused on the common causes, such as drilling fluid contamination and physical/chemical clogging. Based on comprehensive review of oilfield water injection technology and results from sandstone core experiments and field reinjection tests, combined with analysis and summary of production reinjection data as well as results from sandstone reservoirs in Tianjin, Shandong and Shaanxi, we considered that the root causes of small recharge volume and recharge decay were small pore diameter, highly tortuous pore channel, and high frictional resistance (pressure dissipation) along the seepage channel of reinjection fluids. The countermeasures identified included accurate characterization of sandstone reservoirs, enlargement of reinjection wells, reduction of reinjection flow rate in the near-well area, and inhibition of speed-sensitive hydrological interactions.

Key words: sandstone geothermal reservoirs, reinjection, clogging, Guantao Formation, seepage channel, pressure gradient

中图分类号:

P314
P641

赵侃, 沈健, 蔡芸, 赵苏民. 砂岩热储回灌难点识别与应对措施探讨[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 196-203.

ZHAO Kan, SHEN Jian, CAI Yun, ZHAO Sumin. Insights into the root causes of difficulties in reinjection in sandstone geothermal reservoir and countermeasures[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(6): 196-203.

图/表 9

图1 1994—2021年天津新近系馆陶组热储主要开采区水位动态曲线

Fig.1 1994—2021 water level changes in the main pumping area of geothermal reservoirs of the Guantao Formation in Tianjin

图2 天津某地热回灌井过滤前(a)与过滤后(b)悬浮物粒度分布图

Fig.2 Particle size distribution of suspended solids in a geothermal recharge well in Tianjin before (a) and after (b) filtration

图3 沿程压力损失与碰撞和旋涡造成局部压力损失示意图

Fig.3 Schematic of along-stream pressure loss and localized pressure loss due to collisions and vortices

图4 回灌水羽推进中压力损失示意图 a—储层冷缩部位;b—流体温度升高部位;箭头代表渗流方向。

Fig.4 Schematic diagram of pressure loss in the advancement of the recinjection plume. a: Cold shrinkage part of reservoir;b: Fluid temperature rising area; Arrows represent the direction of seepage.

图5 回灌井筒附近流线与等压线分布示意图

Fig.5 Schematic distribution of streamlines and isopiestic lines in the vicinity of the reinjection wellbore

表1 天津地区新近系馆陶组与明化镇组砂岩热储物性参数对比表

Table 1 Comparison of physical parameters for sandstone geothermal reservoirs between the Neoproterozoic Guantao and Minghuazhen Formations in Tianiin

图6 某回灌井不合格的回填砾料(a)和近似圆形的石英砂回填砾料(b)

Fig.6 Failed backfill gravel (a) and nearly rounded quartz sand backfill gravel (b) at a reinjection well

图7 射孔成井工艺图

Fig.7 Perforation technology in well building

表2 水岩作用常见的敏感性产生条件和抑制方法

Table 2 Common hydrogeological sensitivity-producing conditions and inhibition methods

黏土矿物	所含离子	敏感程度	潜在敏感性	产生条件	抑制方法
蒙皂石	Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺, Al³⁺,Fe³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中中小	水敏性速敏性酸敏性碱敏性	淡水系统,较高流速酸化作业化学驱(高温、高碱度)	高盐度流体、防膨剂酸处理酸敏抑制剂抑制剂
伊利石	K⁺,Al³⁺, OH^-,Si⁴⁺	小中大	速敏性堵塞 K₂SIF₆沉淀	高流速淡水系统氢氟酸酸化	低流速高盐度流体、防膨剂酸敏抑制剂
高岭石	Mg²⁺,Al³⁺,Fe³⁺, OH^-,Si⁴⁺	中中大	速敏性 AI(OH)₃沉淀碱敏性	高流速、PH、瞬变压力酸化压裂化学驱	低流速、低瞬变压力酸敏抑制剂抑制剂
绿泥石	K⁺,Na⁺,Mg²⁺, Ca²⁺,Al³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中小	Fe(OH)₃沉淀 MgF₂沉淀速敏性	富氧系统、高PH 氢氟酸酸化高流速、高PH	除氧剂酸敏抑制剂低流速

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黏土矿物	所含离子	敏感程度	潜在敏感性	产生条件	抑制方法
蒙皂石	Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺, Al³⁺,Fe³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中中小	水敏性速敏性酸敏性碱敏性	淡水系统,较高流速酸化作业化学驱(高温、高碱度)	高盐度流体、防膨剂酸处理酸敏抑制剂抑制剂
伊利石	K⁺,Al³⁺, OH^-,Si⁴⁺	小中大	速敏性堵塞 K₂SIF₆沉淀	高流速淡水系统氢氟酸酸化	低流速高盐度流体、防膨剂酸敏抑制剂
高岭石	Mg²⁺,Al³⁺,Fe³⁺, OH^-,Si⁴⁺	中中大	速敏性 AI(OH)₃沉淀碱敏性	高流速、PH、瞬变压力酸化压裂化学驱	低流速、低瞬变压力酸敏抑制剂抑制剂
绿泥石	K⁺,Na⁺,Mg²⁺, Ca²⁺,Al³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中小	Fe(OH)₃沉淀 MgF₂沉淀速敏性	富氧系统、高PH 氢氟酸酸化高流速、高PH	除氧剂酸敏抑制剂低流速

黏土矿物	所含离子	敏感程度	潜在敏感性	产生条件	抑制方法
蒙皂石	Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺, Al³⁺,Fe³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中中小	水敏性速敏性酸敏性碱敏性	淡水系统,较高流速酸化作业化学驱(高温、高碱度)	高盐度流体、防膨剂酸处理酸敏抑制剂抑制剂
伊利石	K⁺,Al³⁺, OH^-,Si⁴⁺	小中大	速敏性堵塞 K₂SIF₆沉淀	高流速淡水系统氢氟酸酸化	低流速高盐度流体、防膨剂酸敏抑制剂
高岭石	Mg²⁺,Al³⁺,Fe³⁺, OH^-,Si⁴⁺	中中大	速敏性 AI(OH)₃沉淀碱敏性	高流速、PH、瞬变压力酸化压裂化学驱	低流速、低瞬变压力酸敏抑制剂抑制剂
绿泥石	K⁺,Na⁺,Mg²⁺, Ca²⁺,Al³⁺,OH^-,Si⁴⁺	大中小	Fe(OH)₃沉淀 MgF₂沉淀速敏性	富氧系统、高PH 氢氟酸酸化高流速、高PH	除氧剂酸敏抑制剂低流速