天津地區(qū)館陶組回灌初期衰減分析

天津地區(qū)陶組常年開(kāi)采，增加了熱儲(chǔ)壓力。為緩解熱儲(chǔ)壓力下降和解決尾水排放問(wèn)題,多部門(mén)、多學(xué)科在不同時(shí)期對(duì)以館陶組為代表的孔隙型熱儲(chǔ)層進(jìn)行了人工回灌試驗(yàn)、模型研究和生產(chǎn)性回灌。通過(guò)試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題是回灌持續(xù)時(shí)間較短,回灌量衰減并明顯偏小。梳理前人的回灌資料和研究成果,發(fā)現(xiàn)地?zé)峄毓鄼C(jī)理極具復(fù)雜性和隱蔽性,但回灌量很快衰減、最終灌量偏小卻是不爭(zhēng)的事實(shí)。為尋求衰減原因,筆者從參加回灌試驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等理論,對(duì)回灌量衰減提出新的觀點(diǎn),愿與地質(zhì)界同仁商榷。1天津地區(qū)館陶組巖漸新世后期華北平原已基本夷為箕狀盆地,中新世時(shí)期以燕山隆起區(qū)為主要物源區(qū),在低彎河及辮狀河的搬運(yùn)沉積作用下,形成館陶組沉積旋回明顯的河流相碎屑巖。天津地區(qū)館陶組基本特征是上部為厚層砂層,下部為含礫砂巖,中間夾泥巖,砂、礫巖累計(jì)厚70~360m,孔隙度15%~32.4%,滲透率773×10-3~2631×10-3μm2。館陶組底部普遍發(fā)育一層厚30~60m的底礫巖熱儲(chǔ)層,礫徑多大于5mm,平均孔隙率為20%,主要分布在武清凹陷和黃驊拗陷內(nèi),其中塘沽、北塘、小站一帶的西北部為礫巖相區(qū),其它地區(qū)為含礫砂巖相區(qū)。2過(guò)去，實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1地?zé)崃黧w回灌試驗(yàn)20世紀(jì)80年代初至90年代末,在塘沽區(qū)對(duì)館陶組熱儲(chǔ)層進(jìn)行了二次對(duì)井回灌試驗(yàn)。1998年又與地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所合作對(duì)塘沽地區(qū)館陶組地?zé)崃黧w回灌進(jìn)行了理論研究。以1996年塘沽對(duì)井自然回灌試驗(yàn)為例,該試驗(yàn)除了對(duì)回灌設(shè)備、系統(tǒng)工藝、技術(shù)方法等進(jìn)行探索外,還進(jìn)行了二次回灌試驗(yàn),累計(jì)持續(xù)時(shí)間分別為262.95h和175.25h,最大灌量86.9m3/h,最小灌量5.9m3/h。分析回灌觀測(cè)數(shù)據(jù)及歷時(shí)曲線,發(fā)現(xiàn)回灌量衰減可分為四個(gè)階段:急速衰減段、快速衰減段、較快衰減段及緩慢衰減段。初步分析認(rèn)為回灌量衰減的主要原因是濾水管及其周?chē)鸁醿?chǔ)層的物理和化學(xué)堵塞。2.2綜合研究階段2002年開(kāi)始在武清區(qū)和東麗區(qū)組織實(shí)施了2眼館陶組地?zé)峄毓嗑^(guò)濾器工藝研究、地面回灌系統(tǒng)改進(jìn)、回灌試驗(yàn)等。2.2.1雙籠式填礫過(guò)濾器為預(yù)防懸浮固體顆粒進(jìn)入回灌層造成通道阻塞,參照石油注水井成功事例,首先對(duì)武清楊村YR9回灌井探索性地在2000m深的地?zé)峋惺状问褂秒p層籠式填礫過(guò)濾器(主要參數(shù):里層纏絲間距0.7mm,外層纏絲間距0.5mm,石英砂礫徑0.8~1.2mm,厚度10mm)。完井后經(jīng)過(guò)連續(xù)25d的洗井,測(cè)得產(chǎn)水能力約15~20m3/h。分析認(rèn)為該過(guò)濾器水阻過(guò)大,阻塞了過(guò)水通道。后采取射孔技術(shù)打開(kāi)籠狀濾水管和含水層,出水量93.8m3/h,井口穩(wěn)定水溫73.5℃。根據(jù)YR9回灌井施工中取得的經(jīng)驗(yàn),在東麗區(qū)華泰地?zé)峄毓嗑袑?duì)雙層籠式填礫過(guò)濾器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整(里層纏絲間距1.5mm,外層纏絲間距1.2mm,石英砂礫徑2~4mm,厚度10mm)。同時(shí)在成井工藝上采取了如下技術(shù)措施:(1)改進(jìn)泥漿性能,減少施工中泥漿對(duì)熱儲(chǔ)層的滲入和堵塞;(2)下管前采取通井破壁措施,人為去除濾管與儲(chǔ)層之間的泥皮;(3)采用深風(fēng)管大降深和突然停機(jī)等激動(dòng)水壓的洗井技術(shù)。在洗井結(jié)束后的抽水試驗(yàn)中,泵下深128m,靜水位63m,動(dòng)水位123m,水量105m3/h,水溫82℃,效果基本理想。唯一不足的是水位降深過(guò)大,分析認(rèn)為還是雙層籠式填礫過(guò)濾器阻力過(guò)大所致?；\狀過(guò)濾器主要針對(duì)液化流砂層,對(duì)正常固結(jié)的館陶組地層來(lái)說(shuō)不太適用。即使用也應(yīng)該根據(jù)地層巖性、砂巖粒徑、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層的物性特征來(lái)確定過(guò)濾器的規(guī)格和參數(shù)。2.2.2級(jí)過(guò)濾裝置眾多的研究表明,物理堵塞和氣體堵塞是影響回灌效果的主要因素。因此,為防止物理堵塞,在2個(gè)回灌井的地面工藝設(shè)計(jì)中實(shí)施了三級(jí)過(guò)濾裝置:一級(jí)旋流式除砂器,二級(jí)粗過(guò)濾(精度50μm)和三級(jí)精過(guò)濾(精度5μm)。濾罐兩端裝有壓力表,如果壓差增大,可通過(guò)反沖,恢復(fù)初始工作壓力。為防止氣體堵塞,在回灌井口安裝了排氣罐,罐體頂部設(shè)置有自動(dòng)排氣閥。2.2.3m左右小體積實(shí)際運(yùn)行情況為:武清區(qū)回灌流體溫度42~52℃,回灌量由49m3/h衰減到20m3/h,穩(wěn)定液柱埋深高度在10m左右。東麗區(qū)華泰運(yùn)行情況為:回灌流體溫度50℃左右,回灌量基本穩(wěn)定在16m3/h,穩(wěn)定液柱埋深高度在15m左右。通過(guò)對(duì)館陶組熱儲(chǔ)層進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)二十多年的回灌試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模擬及研究,以及近幾年對(duì)回灌井過(guò)濾器及地面回灌工藝系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后的自然回灌效果分析,回灌量總是由最初的50~60m3/h減小到20m3/h左右,衰減問(wèn)題沒(méi)有避免。3氣堵的發(fā)生機(jī)制關(guān)于回灌量衰減原因,多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為主要是堵塞,并分為物理堵塞、化學(xué)堵塞、氣體堵塞和微生物堵塞。筆者認(rèn)為,在回灌之初(開(kāi)始回灌幾小時(shí)甚至幾天內(nèi)),堵塞只是影響回灌量衰減的外在因素而非決定性?xún)?nèi)在因素,原因有三:一是物理堵塞可以人為地消除,如懸浮物可以將5μm以上雜質(zhì)過(guò)濾掉;二是化學(xué)堵塞和微生物堵塞不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生;三是通過(guò)在自然回灌狀態(tài)下的回灌試驗(yàn),因回灌量衰減而停灌,過(guò)一定時(shí)間(1個(gè)月甚至更長(zhǎng))再次回灌時(shí),回灌量如初;也證明了堵塞只是影響回灌量的外界因素。但氣堵的可能性是存在的。因?yàn)樵谧⑺跗?回灌流體會(huì)將泵管、井管或泵管與井管的環(huán)狀間隙內(nèi)(與回灌方式有關(guān))的氣體壓入儲(chǔ)層。在做孔隙型熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)時(shí),由于操作方式的不同,同回灌流量、溫度條件下的試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)次,發(fā)現(xiàn)水位上漲速率變化很大,分析與回灌起始時(shí)氣堵有關(guān)。也就是說(shuō),在館陶組回灌初期,部分的氣體堵塞會(huì)偶然對(duì)回灌量衰減造成影響,但持續(xù)的回灌量衰減應(yīng)有其主要因素(本文要探討的)而不是堵塞(需要強(qiáng)調(diào)的是,隨著回灌時(shí)間持續(xù),堵塞將有可能成為回灌量衰減的主要因素)。4回灌量衰減的情況根據(jù)在一個(gè)回灌系統(tǒng)內(nèi)回灌流體溫度總是相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)際情況,確定液面高度不變而回灌量減小或者回灌量不變而液面高度上升的現(xiàn)象都視作為回灌量衰減。4.1回灌量衰減的影響回灌流場(chǎng)是從回灌點(diǎn)開(kāi)始以不同的形式向外擴(kuò)展,最主要的是壓力傳導(dǎo)、流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)。正確理解三者的機(jī)理和關(guān)系對(duì)回灌工程的設(shè)計(jì)和分析回灌量衰減是非常重要的。在三者之中,壓力傳導(dǎo)界面的運(yùn)動(dòng)是最快的,因?yàn)樗橇黧w分子能量的傳遞,其影響可能幾天、幾小時(shí)甚至幾分鐘就能到達(dá)開(kāi)采井或邊界。流體的機(jī)械運(yùn)移慢于壓力傳導(dǎo),因?yàn)樗腔毓嗔黧w物質(zhì)分子的實(shí)際運(yùn)移,一般需要幾星期或幾天才能到達(dá)開(kāi)采井或邊界。溫度界面的運(yùn)移是最慢的,因?yàn)榛毓嗨谄溥\(yùn)移過(guò)程中會(huì)被逐漸加熱。4.2回灌流體壓力傳遞根據(jù)2004年8月華泰館陶組回灌試驗(yàn)資料(表1),可以看出,無(wú)論試驗(yàn)中間間隔多長(zhǎng)時(shí)間,水位埋深均在24h后基本恢復(fù)到71m左右,表明館陶組回灌流體壓力傳遞很快,在1d內(nèi)即可傳遞到邊界。4.3回灌流體的遷移由表1可知,第二次試驗(yàn)在開(kāi)始1h后即出現(xiàn)拐點(diǎn),且出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的水位埋深與第一次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的水位埋深(45.32m)基本相同。第三次試驗(yàn)開(kāi)始后也很快出現(xiàn)拐點(diǎn)(4.5h),且出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的水位埋深(16m)與第二次回灌試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的水位埋深值相近(17.42m)。也就是說(shuō),第一、二、三次回灌試驗(yàn)中間雖有間斷,且間斷期間壓力都很快達(dá)到平衡,但流體的機(jī)械遷移運(yùn)動(dòng)卻近乎于連續(xù)進(jìn)行,或者說(shuō)受間斷影響的波動(dòng)較小。第四次試驗(yàn)是在第三次試驗(yàn)結(jié)束174h之后進(jìn)行,同第一次試驗(yàn)一樣出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn),第一個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)水位埋深為20m,較上一個(gè)回灌試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的水位埋深低5m,可見(jiàn),在停待的174h時(shí)間里,上次回灌時(shí)施加的正壓早已消失,回灌井壓力與熱儲(chǔ)層壓力也早已達(dá)到平衡,但回灌流體的機(jī)械遷移運(yùn)動(dòng)還在緩慢進(jìn)行。回灌流體的遷移緩慢與它進(jìn)入熱儲(chǔ)層的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。在不考慮回灌注入流體與熱儲(chǔ)層水混合的情況下,從回灌井出發(fā),在壓力作用下回灌流體呈活塞式地排擠出含水層中原有的地下水,以不規(guī)則的舌形前緣向四周推進(jìn)。隨著回灌水前緣逐漸遠(yuǎn)離注水井,向四周推進(jìn)的冷鋒面所包圍的面積逐漸增大,此時(shí),有3個(gè)阻力在逐漸制約著這個(gè)冷鋒面前緣的擴(kuò)大:(1)冷鋒面內(nèi)部因溫度降低,回灌流體未能很快加熱而造成粘度增加,致使冷鋒面的推進(jìn)速度呈減速運(yùn)動(dòng);(2)冷鋒面前緣流體的溫度在逐漸增高,體積膨脹,阻止著冷鋒面的推進(jìn);(3)冷鋒面外緣熱儲(chǔ)層中原存熱水為避免被排擠而給冷鋒面施加的反作用力在增大。因此,如果保持最初的回灌量不變,只有增加回灌壓力,也就是增加回灌液柱的高度,將造成灌量衰減。為了把地?zé)嵛菜嗳霟醿?chǔ),人工增加壓力在一定時(shí)間段內(nèi)能實(shí)現(xiàn)最大回灌量,但長(zhǎng)時(shí)間就很難維持。因?yàn)檫^(guò)高的壓力,回灌系統(tǒng)難以承受,并且經(jīng)濟(jì)上也不合算。為探求衰減后的穩(wěn)定回灌量,在控制回灌流體為某一恒定溫度的自然回灌狀態(tài)下,以回灌流體不溢出井口為回灌量衰減的極限值,在塘沽地區(qū)館陶組回灌試驗(yàn)中,通過(guò)回歸方程發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定回灌量Q(m3/h)與回灌水柱高度H(m)呈冪函數(shù)Q=a·Hb關(guān)系。其中a、b與回灌層物性參數(shù)及回灌過(guò)濾器性能相關(guān)。根據(jù)實(shí)際回灌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),館陶組熱儲(chǔ)層在自然回灌狀態(tài)下穩(wěn)定回灌量為正常出水量的1/3~1/5(也有觀點(diǎn)認(rèn)為開(kāi)采狀態(tài)下的滲透系數(shù)為回灌狀態(tài)下滲透系數(shù)的3~5倍)。如華泰館陶組地?zé)峄毓嗑?正常出水量為80m3/h,自然回灌狀態(tài)穩(wěn)定回灌量為16m3/h,持續(xù)時(shí)間可達(dá)1個(gè)采暖期。5儲(chǔ)層主要參數(shù)在不考慮堵塞的情況下,由于館陶組儲(chǔ)層粒間孔隙彎曲,有效孔徑多變,相對(duì)寬大裂隙而言,孔喉通道與回灌流體的摩阻力對(duì)衰減起主要控制作用,也就是砂巖儲(chǔ)層的物性特征是制約回灌的重要因素。德國(guó)北部地區(qū)進(jìn)行砂巖熱儲(chǔ)回灌經(jīng)驗(yàn)表明,確定適宜的回灌儲(chǔ)層參數(shù)指標(biāo)是可行的(即有的砂巖不宜回灌)。適宜進(jìn)行回灌的砂巖儲(chǔ)層主要參數(shù)為:平均有效孔隙度>20%,滲透率>0.2μm2,砂層最小厚度20m。同時(shí)砂巖儲(chǔ)層還需具備以下特點(diǎn):大孔隙比率(半徑>5000nm)>60%,好-非常好的孔徑排列>0.4~0.5,篩分最大孔徑>10000nm在整個(gè)孔隙體積的比率>20%,小于0.063mm的粒徑比率<10%~12%,平均膠結(jié)物含量不超過(guò)8%~10%。德國(guó)在適宜上述參數(shù)的儲(chǔ)層中進(jìn)行回灌,平均灌量為60~125m3/h,效果很好。天津塘沽地區(qū)將報(bào)廢石油井T38-1改造為館陶組地?zé)峄毓嗑?chǔ)層主要參數(shù)為:孔隙度31%~35%,泥質(zhì)含量15%~23%,單層厚8~12m,總厚度82.7m,滲透率850×10-3~1442×10-3μm2。雖然沒(méi)有巖心測(cè)試資料,但根據(jù)有關(guān)研究成果,其井位于一自西向東的辮狀古河道上,儲(chǔ)層回灌條件較好。2008~2009年供暖期間開(kāi)始進(jìn)行回灌,回灌流體溫度為35~36℃,扣除設(shè)備故障等原因,平均回灌量51m3/h,自然回灌率達(dá)98%,是館陶組砂巖儲(chǔ)層回灌史上的首創(chuàng)。因此,在天津地區(qū)開(kāi)展館陶組回灌,除做好運(yùn)行系統(tǒng)密封、回灌流體精過(guò)濾(不大于5μ)外,應(yīng)選擇單層厚度>10m、總厚度>50m、滲透率>1000×10-3μm2、孔隙度>30%、泥質(zhì)含量<15%的館陶組砂礫巖、中粗砂巖為回灌目標(biāo)層,其沉積環(huán)境為主河道、支流河道,回灌的持續(xù)性是可以保證的。6回灌儲(chǔ)層指標(biāo)的建立(1)在回灌初期,物理堵塞、化學(xué)堵塞和微