考慮各向異性的砂巖地熱儲層提高數值模擬精度方法

引用格式：郎寶山，范顯利，薄浩，馮學坤，張志偉，劉長生，趙雅靜. 考慮各向異性的砂巖地熱儲層提高數值模擬精度方法［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：309-316.

摘要：為了確保沈260 區塊地熱田能在合理采灌方式下實現可持續穩定開發，利用Petrel 軟件建立了包括構造、巖性、孔隙度、滲透率、溫度和壓力等信息的三維精細地質模型。基于該模型，利用CMG 軟件對7 口單井的生產動態進行了歷史擬合，分析了不同井距、構造位置和井網條件下溫壓場和滲流場的演化規律，從而確定了沈260 區塊最合理的開采方式。研究表明，利用Petrel 軟件建立的精細模型可以精確描述地熱田的構造、巖性、物性和溫壓場的空間分布規律。通過CMG 熱采軟件進行的單井生產歷史擬合率達到了100%，較均一地質模型擬合率提高了15 個百分點。此外，研究確定了合理的開采井距為400 m，并推薦沿垂直構造位置采用五點法部署方式作為該區塊的最佳開發方案。該研究為類似地區的地熱田開發提供了一種更精確的預測方法，對提高地熱資源的利用效率和可持續性具有重要意義。

關鍵詞：新能源；地熱資源；地質模型；數值模擬；溫度場；壓力場；滲流場；井網部署；勘探開發

中圖分類號：P314 文獻標識碼： A

0 引言

在十四五“碳達峰、碳中和”戰略目標和國家對能源需求不斷加大的現實背景下［1］，亟需地熱、風能等清潔能源［2］。我國地熱資源的主力為水熱型地熱資源，其開采存在回灌難、能量利用率低的問題［3］，尤其是在實際生產一段時間后極易產生熱突破、熱儲層壓力下降以及環境污染等問題［4］。因此，需要合理的采灌工程維持熱儲層的壓力以及水位不下降，從而實現地熱資源可持續開發［5］。

水熱型地熱資源的開發利用是一個包含傳熱、滲流等多個系統耦合的復雜過程［6］，其影響因素較多，國內外學者通常利用數值模擬法建立概念模型或簡化地質模型進行分析［7］，確定合理的采灌井距和灌采組合，并對熱儲層的溫度場、壓力場、滲流場和化學場等多個動態系統進行模擬，分析并預測其變化特征［8］。

丁蕊等利用COMSOL Multiphysics 數值模擬軟件建立地質模型，該模型考慮了溫度和壓力隨深度的變化特征，模擬結果為河間潛山地熱資源的開發提供依據［9］；段忠豐等利用TOUGH2 數值模擬軟件建立地熱田成因概念模型，該模型考慮了溫度、壓力以及儲蓋層的特征，分析了不同采灌參數下溫度場、壓力場的動態變化特征，模擬結果為東營城區的地熱開發提供了可靠的參數［10］；段曉飛等利用COMSOL Multiphysics 軟件建立了簡化地質模型，并制作了地熱對井采灌井距計算器，并以此為基礎確定了地熱開發利用工程的關鍵參數［11］。

在實際地熱資源開發過程中，由于地熱儲層環境復雜，其砂巖平面及垂向的分布狀況、孔隙度、滲透率和實際斷層發育等情況存在各向異性［12］，因此溫度場、壓力場和滲流場幾個系統的變化規律也存在區別，尤其是滲流場，在滲透率的各向異性下會導致流速和流度存在顯著差異，如Li 等在耦合單裂縫模型的基礎上進行開發過程研究，發現高滲透率或大孔隙的條件下，發生熱突破的時間變短，從而間接影響溫度場和壓力場的變化，最終影響熱藏的開采效果［13］。因此，在數值模擬過程中更需要能夠反映地熱田真實熱儲層狀況的三維地質模型，尤其是需要建立孔隙度和滲透率的模型，以確保模擬結果的準確性，保證在實際開采地熱田后不會對儲層溫度場造成不可逆損傷，保證尾水回灌進熱儲層中滲流及換熱能力保持穩定的同時維持熱儲層的壓力平衡。如馬子涵等建立干熱巖儲層的分區均質及非均質滲透率模型，分析儲層溫度場、流場及采熱性能的動態變化特征，發現分區均質模型的模擬溫度場采熱量相比實際偏高，溫度下降幅度小，因此，認為非均質模型對熱藏的開采更具有價值［14］；Llanos等考慮干熱巖儲層滲透率的各向異性，建立了三維地質模型，研究發現滲透率各向異性是儲層流體動態變化的控制要素，以此模型設計不同的部署方案，得出東西向交錯的布局是最優部署方案［15］。

盡管目前國內外學者已經對水熱型地熱資源開展了大量物理場耦合的數值模擬研究，但由于實際地層具有復雜性，其滲透率各向異性強，確定儲層的合理開發方式仍存在大量挑戰［16］。針對地質模型精度問題，筆者總結前人研究經驗，以遼河沈260 區塊沙三段典型水熱型儲層為例，利用Petrel 軟件建立三維地質模型［17］，基于滲流與熱量耦合原理，利用油藏開發CMG 軟件模擬熱藏，進行資源量與生產歷史擬合模擬，保證模型能夠反映實際熱儲真實地質特征，預測不同井距、不同方位的采灌對井部署方式下地下溫度場、壓力場及滲流場隨時間變化特征，并模擬三個系統之間的影響關系，對比篩選出最佳的井距及部署方式，為沈260 區塊及具有相似地質背景的地熱田開發提供科學的依據。

1 方法過程

1.1 室內研究

以沈260 區塊沙三段儲層為例，基于物理模型、滲流模型以及數學模型，根據已知的地震、鉆井、測井及錄井數據，對主力熱儲層沙三段（Es32—Es34） 的地質特征進行精細描述，利用Petrel 軟件建立三維精細地質模型，CMG 軟件進行數值模擬，通過輸入已知的熱儲參數、篩管井段、生產數據對資源量和生產歷史反復進行擬合，確保模型能夠反映熱儲真實地質特征。