碳酸鹽巖裂縫熱儲回灌水滲流規(guī)律影響因素

劉浩成,何 宏*,杜 利,趙 磊,喬 勇,聶法健

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,武漢 430100；2.中國石化新星公司新能源研究院,鄭州 450000)

地?zé)嶙鳛橐环N可再生清潔能源,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益重視和節(jié)能減排的形勢背景下,如何高效開發(fā)與利用地?zé)豳Y源日益受到關(guān)注[1-3]。回灌作為開采地?zé)豳Y源的一種重要措施,能夠保持熱儲壓力,緩解地下水位下降速度,提高地?zé)豳Y源的利用率,實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展,已經(jīng)被成功用于碳酸鹽巖裂縫熱儲儲層的地?zé)豳Y源的開采[4-5]。然而,碳酸鹽巖裂縫熱儲回灌開發(fā)中存在回灌滲流規(guī)律不明確、回灌開采模式不清晰等問題,制約了碳酸鹽巖裂縫熱儲高效回灌開采[6-8]。因此,明確回灌水在碳酸鹽巖熱儲中的滲流規(guī)律和構(gòu)建合理的回灌開采井網(wǎng)模式,對高效開發(fā)利用碳酸鹽巖熱儲具有重要意義。

中外相關(guān)學(xué)者針對地?zé)崴毓酀B流方面開展了大量的數(shù)值模擬研究,而對于物理模擬實驗研究尚未有報道。Aksoy等[9]將理論分析與現(xiàn)場實驗相結(jié)合,研究了不同地下水采灌模式對含水層熱突破的影響。Nam等[10]通過數(shù)值模擬方法,分析了地?zé)醿又械幕毓嗨倪w移和熱傳遞過程。魏凱等[11]采用了COMSOL數(shù)值模擬軟件,研究了裂縫相關(guān)參數(shù)對開采井熱突破的影響。王貴玲等[12]采用三維數(shù)值模擬軟件,研究了回灌水層位及回灌水量對儲層滲流場與溫度場的影響。趙志宏等[13]提出了等效滲流通道的熱儲參數(shù)在回灌過程中的作用,分析了敏感性對開采井的熱突破的影響。

室內(nèi)巖心流動物理模擬實驗是常用于研究流體在孔隙介質(zhì)和裂縫介質(zhì)中流動規(guī)律分析方法,然而,裂縫熱儲天然巖心不好獲取,同時巖心不具有可視化特征,不能很直觀地分析回灌水的微觀滲流規(guī)律和波及特征。因此,針對雄安新區(qū)某區(qū)塊碳酸鹽巖裂縫熱儲地層,首次基于物理模擬實驗方法,構(gòu)建具有裂縫和基質(zhì)的可視化微觀刻蝕模型和帶溫度場監(jiān)測的大尺度膠結(jié)平板模型,研究了回灌水的注入速度、裂縫方位和井網(wǎng)方式對回灌水在碳酸鹽巖裂縫熱儲中的滲流規(guī)律影響及溫度場變化特征影響,分析回灌流體滲流及熱交換特征,對于確定合理的碳酸鹽巖熱儲回灌高效開發(fā)方式具有指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

微觀刻蝕玻璃模型:根據(jù)碳酸鹽巖熱儲孔隙結(jié)構(gòu)特征,在玻璃上利用激光刻蝕制作孔隙和裂縫,使用環(huán)氧樹脂將兩片玻璃黏結(jié)在一起,其中，微觀刻蝕模型尺寸為4 cm×4 cm,孔隙喉道尺寸為30 μm、3條裂縫尺寸為100、200、300 μm[圖1(a)]。碳酸鹽裂縫膠結(jié)平板模型:模型尺寸為30 cm×30 cm×3 cm,由白云巖和環(huán)氧樹脂膠結(jié)壓制而成,模型基質(zhì)滲透率為20×10-3μm2,同時設(shè)計3條不同尺寸的裂縫[圖1(b)]。其他試劑材料:亞甲基藍(lán)溶液、蒸餾水(實驗室自制)、地層水、無水乙醇。

圖1 微觀刻蝕模型和膠結(jié)裂縫平板模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the micro etching model and cemented fracture plate model

1.1.2 實驗儀器

實驗儀器主要包括高溫高壓驅(qū)替裝置、ISCO恒速恒壓泵、微觀驅(qū)替裝置、Sartorius精密電子天平、循環(huán)水式多用真空泵。

1.2 實驗方法

1.2.1 微觀刻蝕模型滲流實驗

微觀刻蝕模型的優(yōu)點在于其模型的可視化,并能制成孔隙結(jié)構(gòu)與實際巖心的孔隙結(jié)構(gòu)相似的微觀模型。由于微觀刻蝕模的可視化特點,在地?zé)崴毓鄬嶒炛锌捎^察到染色后的回灌水所流經(jīng)的裂縫和基質(zhì)的情況,同時可以分析回灌水在地層中的波及面積。微觀滲流實驗流程如圖2所示,具體流程如下:①利用1%亞甲基藍(lán)溶液將回灌水進(jìn)行染色；②以不同注入速度(0.01、0.02、0.04 mL/min)和注入方向(與裂縫夾角成0°、45°、90°)向微觀刻蝕模型注入,利用高清攝像機(jī)錄制回灌水的流動過程,分析回灌水裂縫方位和注入速度對回灌水微觀滲流規(guī)律影響；③改變回灌井網(wǎng)方式,以“1注2采”和“2注3采”的回灌井網(wǎng)方式進(jìn)行回灌,分析井網(wǎng)方式對回灌水微觀滲流規(guī)律影響；④基于Image J和PS圖像處理軟件處理分析不同條件下熱儲回灌水的波及面積。

圖2 微觀滲流實驗流程Fig.2 Flow chart of micro seepage experiment

1.2.2 碳酸鹽巖裂縫熱儲膠結(jié)平板模型實驗

在微觀滲流實驗中選出波及面積最大的一組注入方式,再結(jié)合碳酸鹽巖裂縫熱儲膠結(jié)模平板型,進(jìn)行模擬較低溫度的回灌水回灌至熱儲儲層中后與地層水發(fā)生熱交換的溫度場變化情況。

碳酸鹽巖裂縫熱儲膠結(jié)平板模型實驗流程與設(shè)備如圖3、圖4所示。流程如下:①將膠結(jié)大尺度平板巖心模型抽真空飽和地層水,將飽和水的平板巖心模型放置在烘箱中進(jìn)行加熱,至目標(biāo)儲層溫度65 ℃；②回灌水由恒速恒壓驅(qū)替泵,以0.5 mL/min(根據(jù)流動相似性研究計算)向飽和好地層水的平板巖心模型中注入回灌冷水(25 ℃)；③注入的回灌水和模型中的地?zé)崴l(fā)生熱量交換,通過全自動溫度采集系統(tǒng),采集平板模型中不同位置的溫度變化,使用surfer 8繪圖軟件繪制不同位置的溫度場圖。回灌水的室內(nèi)模擬注入速度根據(jù)相似準(zhǔn)則原則計算。

圖3 碳酸鹽巖裂縫膠結(jié)大平板實驗流程Fig.3 Flow chart of carbonate fracture cementation large plate experiment

圖4 膠結(jié)平板模型與溫度場自動采集系統(tǒng)Fig.4 Cemented plate model and automatic temperature field acquisition system

目前現(xiàn)場回灌井距L=500 m,熱儲厚度h=200 m,孔隙度φ=6.5%,回灌量Q=100 m3/h,根據(jù)回灌速度和孔隙體積進(jìn)行相似性計算:V熱儲=hL2φ=(200×500×500×6.5%)m3/h=3.25×106m3/h。

實驗用平板模型尺寸30 cm×30 cm×3 cm,孔隙體積V平板=250 mL,平板模型回灌注入速度為

Q平板=0.5 mL/min

(1)

根據(jù)式(1)中折算現(xiàn)場回灌注入速度為

與現(xiàn)場的回灌量100 m3/h接近。

2 回灌水在微觀刻蝕模型中滲流的影響因素

2.1 裂縫方位和注入速度的影響

以不同注入速度(0.01、0.02、0.04 mL/min)和注入方向(與裂縫夾角成0°、45°、90°)向微觀刻蝕模型注入,利用高清攝像機(jī)錄制回灌水的流動過程,基于Image J和PS圖像處理軟件處理分析不同灌水裂縫方位和注入速度條件下熱儲回灌水的波及面積,如圖5、圖6所示。

圖5 不同裂縫方位和注入速度對回灌水波及面積的影響Fig.5 The influence of different injection rates and fractured orientations on the swept area of reinjection water

圖6 不同注入速度和裂縫方位時回灌水波及面積Fig.6 Swept area of reinjection water at different injection rate and fractured orientations

當(dāng)回灌水注入速度相同時,隨著裂縫方位角度的增加,回灌水不再沿裂縫所形成的優(yōu)勢通道快速滲流,水竄因素減弱,回灌水的波及面積增加。因此,增大裂縫方位的角度,可以有效提高回灌水的波及面積。當(dāng)裂縫方位相同時,提高回灌水的注入速度,波及面積增加。當(dāng)裂縫方位為0°、45°時,將回灌速度由0.01 mL/min提高至0.02 mL/min時,回灌水波及面積提升幅度較大；但回灌速度由0.02 mL/min提高至0.04 mL/min時,波及面積提升幅度較小。而當(dāng)裂縫方位為90°時,提高回灌速度由0.01 mL/min至0.02 mL/min時,波及面積變化并不明顯,而回灌速度由0.02 mL/min至0.04 mL/min時,回灌水的波及面有大幅度提升。由此說明,當(dāng)裂縫方位為0°、45°時,影響其波及面積的主要因素有兩點:①地層中裂縫形成的優(yōu)勢通道；②回灌水的直線滲流距離。當(dāng)裂縫方位為90°時,回灌水的滲流受到優(yōu)勢通道影響程度減弱,而流速成為影響滲流及波及面積的主要因素。由此可知,當(dāng)裂縫方位較小時,影響回灌水波及面積的主要因素為地層中存在的優(yōu)勢通道與較短的直線滲流距離,提高回灌速度對回灌水的波及面積影響較小；當(dāng)回灌水滲流距離較長、且優(yōu)勢通道對回灌水滲流無較大影響時,回灌水的回灌速度將成為影響其波及面積的主要因素。

2.2 井網(wǎng)方式影響

改變回灌井網(wǎng)方式“1注1采”,以“1注2采”和“2注3采”的回灌井網(wǎng)方式進(jìn)行回灌,分析井網(wǎng)方式對回灌水微觀滲流規(guī)律影響。其中:以“1注2采”的井網(wǎng)方式進(jìn)行回灌時,回灌水注入速度為0.02 mL/min；以“2注3采”的井網(wǎng)方式進(jìn)行回灌時,回灌水注入速度為0.015 mL/min。基于Image J和PS圖像處理軟件處理分析不同井網(wǎng)方式條件下熱儲回灌水的波及面積,如圖7、圖8所示。

由圖7所示,“1注2采”中的圖7(b)、圖7(c)井網(wǎng)方式的波及面積遠(yuǎn)小于圖7(a)的75.68%波及面積,因為由裂縫產(chǎn)生的優(yōu)勢通道在后兩組實驗中與回灌水的主要滲流路線相平行,水竄因素增加,大幅度降低了回灌水的波及面積。在“2注3采”的井網(wǎng)方式中可以看出,圖7(e)、圖7(f)的波及面積稍小于圖7(d)的92.21%的波及面積,其主要因素也是由于優(yōu)勢通道的作用,使得回灌水沿優(yōu)勢通道快速滲流,從而使回灌水波及面積減小。由圖8可知,兩種井網(wǎng)方式的研究不僅驗證了“1注1采”實驗得出的結(jié)論,還可以看出,在“1注1采”時,裂縫方位為90°、注入速度為0.04 mL/min時,與“2注3采”的圖7(d)井網(wǎng)方式相比較,可以看出由于井間干擾問題,“2注3采”的回灌水的波及面積會有小幅度的下降。所以,在考慮井間干擾、波及面積與現(xiàn)場經(jīng)濟(jì)效益的最大化,“2注3采”的井網(wǎng)方式是最為合適的地?zé)崴毓喾绞健?/p>

圖7 不同井網(wǎng)方式對回灌水波及面積的影響Fig.7 Influence of different well patterns on affected areas of recharge water

圖8 回灌水波及面積Fig.8 Swept area of reinjection water

3 回灌水在膠結(jié)模型中滲流對溫度場的影響

在微觀滲流實驗基礎(chǔ)上,得出當(dāng)裂縫方位為90°、回灌速度為0.04 mL/min時,回灌水的波及面積最大。利用此結(jié)論,進(jìn)行回灌水在碳酸鹽巖裂縫膠結(jié)模型中的滲流實驗。基于1.2.2節(jié)中實驗方法,固定裂縫方位90°,以0.5 mL/min向平板模型中注入回灌水,注入的回灌水和模型中的地?zé)崴l(fā)生熱量交換,通過全自動溫度采集系統(tǒng),采集平板模型中不同位置的溫度變化,使用surfer 8繪圖軟件繪制不同位置的溫度場變化圖,如圖9所示。

圖9 回灌水回灌過程中溫度場分布Fig.9 Distribution of temperature field in the process of reinjection

由圖9可知,回灌水的滲流過程中在膠結(jié)大平板中發(fā)生熱交換的波及面積與微觀刻蝕模型中回灌水的波及面積基本一致。當(dāng)裂縫方位為90°時,回灌水能夠在高波及范圍內(nèi)發(fā)生熱交換,從而提高開采出來的熱水溫度,達(dá)到地?zé)崴咝ч_發(fā)目的。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)回灌水注入速度相同時,隨著裂縫方位角度的增加,回灌水不再沿裂縫所形成的優(yōu)勢通道快速滲流,水竄因素減弱,回灌水的波及面積增加。當(dāng)裂縫方位相同時,提高回灌水的注入速度,回灌水的波及面積增加。當(dāng)裂縫方位為90°、注入速度為0.04 mL/min時,回灌水的波及面積最大。

(2)從井間干擾、回灌水的波及面積、現(xiàn)場經(jīng)濟(jì)效益等方面考慮,井網(wǎng)方式為“2注3采”圖7(d)的井網(wǎng)方式時,為現(xiàn)場合適的地?zé)崴毓喾绞健?/p>

(3)回灌水在膠結(jié)平板模型滲流過程中波及面積與微觀刻蝕模型基本一致。根據(jù)溫度場分布特征,當(dāng)裂縫方位為90°時,回灌水能夠在高波及范圍內(nèi)發(fā)生熱交換,提高熱交換率。