楊睿月，黃中偉，溫海濤，叢日超，胡曉麗，馬?峰

雄安新區(qū)深部地?zé)醿?chǔ)層水力噴射酸化壓裂技術(shù)

楊睿月1，黃中偉1，溫海濤1，叢日超1，胡曉麗1，馬?峰2

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

地?zé)嶙鳛榍鍧嵉吞嫉目稍偕茉?，?duì)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義．我國(guó)深部碳酸鹽巖地?zé)豳Y源豐富，但是由于巖體基質(zhì)滲透率極低，亟需采取高效的儲(chǔ)層改造技術(shù)建立導(dǎo)流通道才能有效開(kāi)發(fā)．水力噴射酸化壓裂工藝是一種集噴砂射孔、水力封隔、酸液刻蝕、多段多簇為一體的增產(chǎn)改造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)溝通地質(zhì)甜點(diǎn)、一趟管柱體積造縫，對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層具有良好的適用性．首次開(kāi)展了雄安新區(qū)容城地?zé)崽锼娚渌峄瘔毫烟妓猁}巖深部地?zé)醿?chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、優(yōu)選耐腐蝕管柱材料、針對(duì)性設(shè)計(jì)泵注程序、模擬裂縫擴(kuò)展形態(tài)，研發(fā)了能夠滿(mǎn)足深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的水力噴射酸壓工具和配套工藝，采用“交替泵注交聯(lián)段塞-膠凝酸”的方式，進(jìn)一步促進(jìn)酸液刻蝕遠(yuǎn)端裂縫，充分溝通天然縫洞，促進(jìn)水力裂縫與天然裂縫溝通、相交、融匯，從而達(dá)到擴(kuò)大造縫總體積、提高裂縫導(dǎo)流能力的儲(chǔ)層高效改造目的．本次現(xiàn)場(chǎng)酸壓試驗(yàn)入井總液量為492.65m3，其中壓裂液為396.76m3，膠凝酸為95.89m3．試驗(yàn)結(jié)果表明：酸壓后較酸壓前單位涌水量從0.024m3/(h·m)提高到0.288m3/(h·m)，增產(chǎn)12倍，井口水溫增加了10℃，增產(chǎn)效果明顯；水力噴射酸壓工具耐高溫、耐高壓、耐磨損、耐腐蝕，節(jié)約成本，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)．研究成果可為深部地?zé)醿?chǔ)層增產(chǎn)改造提供技術(shù)借鑒與思路．

雄安新區(qū)；深部碳酸鹽巖；地?zé)醿?chǔ)層；水力噴射酸化壓裂；裂縫擴(kuò)展；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

地?zé)崮苁且环N具有重要應(yīng)用價(jià)值和較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的可再生綠色能源，被列為我國(guó)“十四五”可再生能源規(guī)劃重點(diǎn)任務(wù)，與太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等新能源相比具有高效穩(wěn)定，不受季節(jié)、晝夜限制等優(yōu)勢(shì)[1]．全球5000m以淺的地?zé)豳Y源量約為15.5×1025J，相當(dāng)于4948×1012t標(biāo)煤，我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，占比接近全球的8%[2]．碳酸鹽巖熱儲(chǔ)是地?zé)崮苜Y源的重要組成部分，其高效開(kāi)發(fā)利用是我國(guó)地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向之一[3]．雄安新區(qū)地?zé)豳Y源豐富，主要集中在冀中坳陷中部的容城凸起及牛駝鎮(zhèn)凸起等次級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)[4-5]．區(qū)內(nèi)中元古界薊縣系霧迷山組和長(zhǎng)城系高于莊組是主要的地?zé)醿?chǔ)層[6]．高于莊組熱儲(chǔ)溫度高、含水層占比高、熱儲(chǔ)發(fā)育面積廣、裂隙巖溶發(fā)育，屬于該區(qū)域的主力熱儲(chǔ)之一[7-8]．然而，碳酸鹽巖熱儲(chǔ)較為致密(孔隙度多為5.2%～12.6%，滲透率多為0.10～42.19mD)，需采用儲(chǔ)層改造技術(shù)建立高效的導(dǎo)流通道，從而提高地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用率[9]．

地?zé)醿?chǔ)層改造技術(shù)主要有水力壓裂、剪切刺激、循環(huán)/疲勞壓裂、化學(xué)刺激、徑向井壓裂、無(wú)水壓裂等．酸化壓裂技術(shù)作為化學(xué)刺激的重要組成部分，是開(kāi)發(fā)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)[3]．近年來(lái)，針對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造，主要形成了復(fù)合酸壓、體積酸壓、深度酸壓、控縫高酸壓、立體酸壓等技術(shù)思路．盡管這些技術(shù)已取得了良好的應(yīng)用效果，但由于深部碳酸鹽巖儲(chǔ)層客觀存在的巖溶縫洞發(fā)育、強(qiáng)儲(chǔ)層非均質(zhì)性、高地應(yīng)力、高溫高壓等復(fù)雜地質(zhì)條件，為酸化壓裂技術(shù)帶來(lái)了地層難壓開(kāi)、管柱易腐蝕、酸液穿透距離短、酸壓裂縫易失效、充分改造難度大等關(guān)鍵問(wèn)題．具體體現(xiàn)在：①儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度高、地應(yīng)力高，導(dǎo)致儲(chǔ)層壓開(kāi)難，縫網(wǎng)溝通差[9]；②儲(chǔ)層高溫，引起酸液反應(yīng)速率快，加速管柱腐蝕，且易造成酸液穿透距離短，影響壓裂造縫效果和壓裂施工安全[10]；③儲(chǔ)層閉合應(yīng)力高，造成裂縫易閉合，降低有效導(dǎo)流能力，產(chǎn)量遞減快[11]；④儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展預(yù)測(cè)困難，不利于酸壓裂縫的合理部署，難以充分溝通儲(chǔ)層，提高儲(chǔ)層改造體積[12]．亟需研發(fā)深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)高效儲(chǔ)層改造技術(shù)．

水力噴射壓裂技術(shù)集噴砂射孔、水力封隔為一體，可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多段壓裂、定點(diǎn)定向溝通地質(zhì)甜點(diǎn)、連通天然縫洞，在提高壓裂作業(yè)效率的同時(shí)大幅提升儲(chǔ)層改造體積，提高單井產(chǎn)量與穩(wěn)產(chǎn)能力[13]．近年來(lái)，該技術(shù)在不同井型、不同完井方式的致密儲(chǔ)層中均得到了廣泛應(yīng)用，且取得了顯著的應(yīng)用效果．但在深部碳酸鹽巖地?zé)醿?chǔ)層中的研究及應(yīng)用尚鮮見(jiàn)報(bào)道，且深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)酸化壓裂技術(shù)對(duì)壓裂工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及耐高溫/高壓、抗腐蝕的能力等提出了更高要求．

針對(duì)以上難題與挑戰(zhàn)，結(jié)合水力噴射壓裂技術(shù)優(yōu)勢(shì)，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了針對(duì)碳酸鹽巖地?zé)醿?chǔ)層的水力噴射酸壓井下工具與施工工藝，并在雄安新區(qū)容城地?zé)崽顳22井高于莊組開(kāi)展了增產(chǎn)改造現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合增產(chǎn)前后試抽數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)增產(chǎn)效果，驗(yàn)證了水力噴射酸壓工藝在深部地?zé)醿?chǔ)層增產(chǎn)改造中的適用性與可靠性．研究成果可為同類(lèi)型深部地?zé)醿?chǔ)層高效改造提供技術(shù)借鑒．

1?水力噴射酸化壓裂技術(shù)

1.1?水力噴射酸化壓裂技術(shù)原理

圖1?水力噴射酸化壓裂碳酸鹽巖儲(chǔ)層原理示意

1.2?噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噴射速度預(yù)測(cè)

依據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)前期試驗(yàn)結(jié)果[13]，水力噴射壓裂采用錐直型噴嘴，當(dāng)噴嘴入口收縮角為60°時(shí)，出口流速最高，射孔效果最好．因此，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用入口收縮角為60°、噴嘴直徑為6mm的錐直型噴嘴．采用計(jì)算流體力學(xué)模擬噴嘴出口處的射流速度，建立如圖2所示的射流流場(chǎng)數(shù)值模型，模型劃分為入口段、收縮段、直管段和外流場(chǎng)，探究30MPa噴嘴壓降下射流流場(chǎng)和渦結(jié)構(gòu)分布特征，并計(jì)算不同噴嘴壓降下射流速度的變化規(guī)律，模擬結(jié)果如圖3所示．由圖可知所設(shè)計(jì)的噴嘴產(chǎn)生的直射流能量集中，渦環(huán)序列結(jié)構(gòu)保存較完整．抽取射流軸線上的速度分布，隨著噴嘴壓降的增加，射流速度顯著增加，30MPa條件下最大流速接近250m/s，可有效沖蝕近井地帶儲(chǔ)層，同時(shí)強(qiáng)化酸液與碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，起到溶蝕效果.

圖2?水力噴射射流流場(chǎng)數(shù)值模型

圖3?水力噴射射流速度及渦結(jié)構(gòu)分布

2?試驗(yàn)井概況

2.1?區(qū)域環(huán)境概況

本次水力噴射酸化壓裂碳酸鹽巖深部熱儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在雄安新區(qū)容城地?zé)崽顳22井開(kāi)展．雄安新區(qū)位于太行山東麓、冀中平原中部、南拒馬河下游南岸，在大清河水系沖積扇上，屬太行山麓平原向沖積平原的過(guò)渡帶．全境西北較高、東南略低，海拔標(biāo)高7～19m，為緩傾平原，土層深厚，地形開(kāi)闊，植被覆蓋率很低，境內(nèi)有多處古河道．本區(qū)屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，大陸性氣候特點(diǎn)顯著. 年平均氣溫12.6℃，年極端最高氣溫42℃．容城地?zé)崽镂挥谛郯残聟^(qū)中北部，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)主要來(lái)自于碳酸鹽巖熱儲(chǔ)[7-8]．

2.2?地質(zhì)概況

容城地?zé)崽镆匀莩峭蛊馂橹行模瓺22井構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))華北斷坳(Ⅱ級(jí))冀中坳陷(Ⅲ級(jí))廊坊斷凹(Ⅳ級(jí))的東南部(圖4)[14]．該井以東7.6km處為容城斷裂，西南3km處為徐水?dāng)嗔眩唧w特征如下[6,8,15]：容城斷裂位于安新至白溝鎮(zhèn)一帶，為牛駝鎮(zhèn)斷凸與容城斷凸的邊界，長(zhǎng)約30km，走向NNE，傾向E，傾角45°左右，垂直斷距3000m，水平斷距1000～3000m．上升盤(pán)明化鎮(zhèn)組直接覆蓋在中、上元古界地層之上，下降盤(pán)新近系及古近系沉積厚度達(dá)2000～3000m．徐水?dāng)嗔盐挥谛焖残轮邻w北口一線，是控制容城凸起與保定斷凹邊界斷裂構(gòu)造，長(zhǎng)約35km．走向近東西，傾向南正斷裂，傾角45°左右，垂直斷距1200～3200m，水平斷距1000～2500m．此斷裂斷開(kāi)了結(jié)晶基底，為長(zhǎng)期活動(dòng)深大斷裂．

圖4?D22井地質(zhì)構(gòu)造

2.3?熱儲(chǔ)資源評(píng)價(jià)

容城地?zé)崽锩娣e為313km2，全區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采資源量為99.6×106m3/a，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為223×1014J/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤76.3×104t/a，其中寒武系資源量占6.3%，霧迷山組資源量占62.2%，高于莊組資源量占31.5%[15]．

2.4?改造目的層

結(jié)合臨井D16井資料、本井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和成像資料等，本次試驗(yàn)選擇的改造目的層位于高于莊組．高于莊組儲(chǔ)層厚度為400～800m，儲(chǔ)厚比為0.15～0.20，頂板為1400～3600m，水位埋深112m，熱儲(chǔ)溫度為65～95℃，基準(zhǔn)溫度為14.5℃，彈性釋水系數(shù)為0.61%～1.38%[15]．巖性以白云巖為主，一、二、三級(jí)裂縫發(fā)育．天然裂縫密度為平均每10m數(shù)量2～8條，裂隙走向主要集中在234°～300°和125°～175°兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向．目的層段測(cè)井解釋如表1所示，優(yōu)選射孔段為3024.0～3032.0m、3135.0～3140.0m、3155.0～3160.0m、3172.0～3174.0m，合計(jì)射孔段長(zhǎng)20m．

表1?目的層段測(cè)井解釋

Tab.1?Logging interpretation of target intervals

2.5?井身結(jié)構(gòu)

D22井采用三開(kāi)結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)如圖5所示，套管參數(shù)如表2所示．完鉆井深為3517m，鉆遇碳酸鹽巖熱儲(chǔ)厚度2537m．從上到下依次鉆遇地層為：第四系、新近系、薊縣系霧迷山組、薊縣系楊莊組和薊縣系高于莊組．

本井最大水平位移為123.8m，井底東西位移為東偏92.2m，井底南北位移為南偏82.5m，井底閉合方位為228.5°．一開(kāi)采用425水泥固井，水泥返高到地面．二開(kāi)、三開(kāi)均下入尾管，采用G級(jí)油井水泥“穿鞋戴帽”固井．二開(kāi)固井井段為934.47～987.14m、1934.18～2204.18m，三開(kāi)固井井段為2147.18～2290.00m與2917.18～3513.32m．因需對(duì)比壓前壓后產(chǎn)能變化，采用炮彈射孔對(duì)目的層射孔后進(jìn)行壓前抽水作業(yè)．

圖5?D22井井身結(jié)構(gòu)

表2?套管數(shù)據(jù)

Tab.2?Casing data

3?水力噴射酸化壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1?噴射點(diǎn)及分段選擇

目標(biāo)層段采用水力噴射酸化壓裂工藝改造．根據(jù)D22井井身結(jié)構(gòu)，采用外徑為148mm兩組六孔噴槍?zhuān)鶕?jù)目的層物性特征，兩組噴槍分別位于3024.22m和3158.26m．

3.2?水力噴射酸壓工具結(jié)構(gòu)及工作液體系

由于碳酸鹽巖熱儲(chǔ)具有垂向厚度大、溫度壓力高、裂隙非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，導(dǎo)致地層起裂壓力較高，對(duì)壓裂工具和工藝的可靠性提出更高要求．噴嘴優(yōu)選陶瓷材料鑄造，經(jīng)專(zhuān)門(mén)加工工藝制成韌性好并具有高耐磨內(nèi)流道的噴嘴結(jié)構(gòu)，可承受井下高溫高壓環(huán)境及空化、沖蝕、酸液腐蝕作用，最大程度降低磨損生銹．噴槍本體表面做磷化處理，增強(qiáng)耐腐蝕能力．本體兩端螺紋為API 5CT標(biāo)準(zhǔn)平式油管螺紋．本體總長(zhǎng)420mm、最大外徑148mm、最小內(nèi)徑54mm．在噴嘴布置上，設(shè)計(jì)每級(jí)噴槍安裝6個(gè)水眼，均布于兩個(gè)平面，平面內(nèi)噴嘴相位120°，平面間噴嘴相位為60°，目的是在噴槍本體有限的空間內(nèi)盡可能提高水力噴射壓裂作業(yè)效率．噴槍實(shí)物圖及與噴槍所連接的導(dǎo)向頭和多孔管如圖6所示．

井下工具管串結(jié)構(gòu)為：89mm NU導(dǎo)向頭×0.13m＋73mm NU多孔管×0.41m＋89mm球?座×0.13m＋148mm噴槍2#×0.42m＋89mm EU油管14根×133.32m＋變扣×0.30m＋148mm噴槍1#×0.42m＋89mm EU油管3根×28.58m＋150mm RTTS封隔器×1.82m＋提升短節(jié)×?1.01m＋89mm EU油管314根．

圖6?現(xiàn)場(chǎng)所用噴槍及配套井下工具

壓裂液配方為：0.3%胍膠＋0.5%助排劑＋0.3%黏土穩(wěn)定劑＋0.1%殺菌劑＋過(guò)硫酸銨1/10000，交聯(lián)劑0.3%，體系pH值9～11．膠凝酸配方為：15%鹽酸＋0.7%稠化劑＋1.5%緩蝕劑＋0.5%鐵離子穩(wěn)定?劑＋0.5%助排劑．

3.3?水力噴射酸化壓裂設(shè)計(jì)與施工

3.3.1?水力噴射酸壓泵注程序

D22井水力噴射酸壓施工泵注程序如表3所示.在整個(gè)施工中，共進(jìn)行了兩次壓裂，首先進(jìn)行了小型壓裂測(cè)試，油管排量以3m3/min、2m3/min、1m3/min逐漸降低，合計(jì)泵入線性膠33.5m3，停泵測(cè)壓降40min，壓力從17.53MPa降為0MPa．井底瞬時(shí)停泵壓力為43.91MPa，瞬時(shí)停泵壓力梯度為0.0140MPa/m．采用G函數(shù)分析方法，得到井口閉合壓力為3.75MPa，井底閉合壓力為34.54MPa，閉合壓力梯度為0.011MPa/m，裂隙閉合時(shí)間19.5min.為后續(xù)正式壓裂施工排量的選擇提供了依據(jù)．

表3?D22井水力噴射酸壓泵注程序

Tab.3?Hydra-jet acid fracturing pumping procedure of well D22

在正式壓裂施工中，主要分2個(gè)階段注入膠凝酸．首先以0.52～4.12m3/min的排量泵注前置液，共泵入245.15m3，裂縫起裂后不斷延伸，溝通遠(yuǎn)處天然裂縫；然后開(kāi)始第1階段注酸，以2.76～3.08m3/min的排量泵注60.66m3膠凝酸，使酸液酸蝕人工裂縫壁面；以2.09～4.23m3/min的排量泵注交聯(lián)段塞91.22m3，推動(dòng)裂縫深處的膠凝酸酸蝕遠(yuǎn)端裂縫；然后開(kāi)始第2階段注酸，以0.58～3.41m3/min的排量泵注35.23m3膠凝酸，酸蝕近井地帶裂縫，改善近井地帶裂縫導(dǎo)流能力；最后以1.96～3.30m3/min的排量泵入26.89m3頂替液，頂替油管．計(jì)算得到地層的破裂壓力為50.68MPa、停泵壓力為3.64MPa．入井總液量為492.65m3，壓裂液量為396.76m3，膠凝酸為95.89m3．

3.3.2?水力噴射酸化壓裂施工曲線分析

水力噴射酸化壓裂施工曲線如圖7所示．從施工曲線看，小型壓裂測(cè)試過(guò)程中，油管壓力最高達(dá)到49.27MPa后，地層破裂，油管壓力下降．在前置液(交聯(lián)壓裂液)造縫階段，油管壓力最高達(dá)到52.39MPa后，壓力呈階梯狀下降，說(shuō)明裂縫向遠(yuǎn)處延伸，溝通了天然縫洞，縫網(wǎng)體積增大，出現(xiàn)了突降現(xiàn)象．在第１段的膠凝酸泵注過(guò)程中，油管壓力緩慢下降，說(shuō)明隨著酸液在裂縫中運(yùn)移，不斷酸蝕裂縫壁面，擴(kuò)大裂縫寬度，降低了裂縫內(nèi)流動(dòng)摩阻，同時(shí)激活了天然微裂縫，進(jìn)一步降低了泵注壓力．在交聯(lián)段塞泵注過(guò)程中，油管壓力先突然增大，然后逐漸降低，原因是初期交聯(lián)比高，膠液黏度大，因此流動(dòng)摩阻增大，壓力升高，調(diào)整交聯(lián)比和排量恢復(fù)正常施工，壓力逐漸降低，說(shuō)明交聯(lián)段塞推動(dòng)膠凝酸進(jìn)一步刻蝕遠(yuǎn)端裂縫．在第２段膠凝酸泵注過(guò)程中，油管壓力快速降低，說(shuō)明近井地帶已被充分改造，裂縫酸蝕效果良好．停泵后，壓力快速下降，油管壓力迅速降低至3.64MPa，說(shuō)明地層裂縫發(fā)育，導(dǎo)流能力強(qiáng)，改造效果良好．

圖7?水力噴射酸化壓裂工藝施工曲線

3.3.3?水力噴射酸化壓裂裂縫形態(tài)模擬

采用非常規(guī)裂縫擴(kuò)展模型(unconventional fracture model，UFM)模擬高于莊組水力噴射酸化壓裂后裂縫擴(kuò)展形態(tài)．UFM模型由Weng等[16]提出，是適用于模擬復(fù)雜裂縫幾何形態(tài)的全耦合數(shù)值模型，可以充分結(jié)合三維地質(zhì)模型、天然裂縫模型、地應(yīng)力數(shù)據(jù)、微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)井資料等模擬水力裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，描述裂縫變形、壓裂液流動(dòng)、支撐劑運(yùn)移、水力裂縫與天然裂縫的相互作用、應(yīng)力陰影效應(yīng)等．建立高于莊組儲(chǔ)層三維地質(zhì)模型，儲(chǔ)層物性參數(shù)如滲透率、孔隙度、泊松比、彈性模量等，均由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入. 天然裂縫模型根據(jù)裂隙成像測(cè)井解釋建立．地應(yīng)力由測(cè)井資料和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定計(jì)算而得：最大水平主應(yīng)力為129.9MPa，最小水平主應(yīng)力為98.5MPa．根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用的泵注程序(表3)進(jìn)行壓裂模擬，獲取水力噴射酸壓后高于莊組碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的裂縫形態(tài)特征，并對(duì)比了不采用酸壓和不考慮天然裂縫時(shí)的裂縫擴(kuò)展形態(tài)(圖8)，得到了裂縫參數(shù)(表4)．圖8中無(wú)酸液壓裂指得是無(wú)膠凝酸泵注，僅采用交聯(lián)液壓裂儲(chǔ)層.

圖8?碳酸鹽巖熱儲(chǔ)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)特征

圖8為裂縫擴(kuò)展形態(tài)模擬結(jié)果．圖8(a)為考慮天然裂縫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，水力噴射酸化壓裂儲(chǔ)層后裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展形態(tài)，即D22井壓后裂縫形態(tài)，縫長(zhǎng)為208.8m，裂縫總體積為129.6m3．圖8(b)為不考慮天然裂縫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，水力噴射酸化壓裂儲(chǔ)層后裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展形態(tài)，縫長(zhǎng)為189.2m，裂縫總體積為61.9m3.二者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，考慮天然裂縫影響下的造縫總體積是不考慮天然裂縫影響下的造縫總體積的2倍，因此水力裂縫與天然裂縫溝通可顯著提高造縫體積．圖8(c)為考慮天然裂縫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不泵注膠凝酸，僅采用交聯(lián)液壓裂儲(chǔ)層后裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展形態(tài)，縫長(zhǎng)為167.6m，比采用酸壓時(shí)縫長(zhǎng)小41.2m(圖8(a))，裂縫總體積為42.4m3，酸壓造縫體積是不采用酸壓的3倍，且酸壓形成的縫寬較大，因此酸液對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用可有效增大改造體積．圖8(d)為不考慮天然裂縫網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不泵注膠凝酸，僅采用交聯(lián)液壓裂儲(chǔ)層后裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展形態(tài)，縫長(zhǎng)為165.5m，裂縫總體積為25.7m3，進(jìn)一步表明酸壓可促進(jìn)天然裂縫與水力裂縫的溝通、相交、融匯，從而有效擴(kuò)大裂縫總體積，顯著提升改造效果．表4裂縫參數(shù)還說(shuō)明酸壓及水力裂縫-天然裂縫的相互作用可顯著提高縫高和縫寬．由于裂縫導(dǎo)流能力是在儲(chǔ)層閉合壓力下滲透率與縫寬的乘積，UFM模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明酸壓可有效提高裂縫的導(dǎo)流能力．因此，深部碳酸鹽巖地?zé)醿?chǔ)層，特別是天然裂隙發(fā)育的儲(chǔ)層，適合采用酸化壓裂進(jìn)行改造．

表4?非常規(guī)裂縫擴(kuò)展模型計(jì)算獲得的壓后裂縫參數(shù)

Tab.4?Fracture parameters simulated by the unconventional fracture model

4?壓后效果分析

4.1?酸壓前后增產(chǎn)效果對(duì)比

采用型號(hào)為200QJR20-340的潛水泵(揚(yáng)程340m)對(duì)D22井酸壓前后進(jìn)行抽水并對(duì)比．潛水泵下至342.72m處．酸壓前，抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)60h，其中抽水時(shí)間共48h，恢復(fù)水位時(shí)間12h．由于水量較小，抽水試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行一個(gè)落程(S3)．酸壓后，抽水試驗(yàn)總計(jì)歷時(shí)144h，其中抽水時(shí)間96h，恢復(fù)水位時(shí)間48h．抽水試驗(yàn)分3個(gè)落程(S3、S2、S1)，持續(xù)時(shí)間分別為48h、31h、17h．酸壓前、后抽水歷時(shí)曲線如圖9所示，具體抽水?dāng)?shù)據(jù)如表5所示．

酸壓前后按照最大水位降深對(duì)比，涌水量由4.72m3/h增加到44.10m3/h，目標(biāo)層段涌水量增加9.3倍．酸壓前單位涌水量0.024m3/(h·m)，酸壓后單位涌水量0.745m3/(h·m)，酸壓后較酸壓前增產(chǎn)31倍．井口水溫由60.0℃增加到66.5℃，增加了6.5℃. 產(chǎn)水一年后再次開(kāi)展全井段抽水試驗(yàn)，涌水量為5.21m3/h，單位涌水量0.288m3/(h·m)，酸壓后穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量較酸壓前提升12倍，酸壓增產(chǎn)效果明顯．井口水溫由60℃增加到70℃，增加了10℃，溫度變化與地?zé)崴a(chǎn)量呈正相關(guān)．井口流體溫度的升高，一方面是由于酸化壓裂造長(zhǎng)縫，并溝通天然裂縫，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，促進(jìn)了井筒與深部熱儲(chǔ)空間的溝通，增加了遠(yuǎn)井地帶裂縫的換熱面積，實(shí)現(xiàn)充分換熱；另一方面，與換熱時(shí)間有關(guān)，增產(chǎn)改造后抽水流量增大，返到地面時(shí)間減少，向井筒周?chē)蜏氐貙由⑹崃繙p少，導(dǎo)致井口溫度升高．

圖9?D22井水力噴射酸壓前后抽水試驗(yàn)

表5?D22井水力噴射酸壓增產(chǎn)前后效果對(duì)比

Tab.5?Water production before and after hydra-jet acid fracturing of well D22

4.2?水力噴射酸化壓裂工具評(píng)價(jià)

試驗(yàn)采用了兩組噴槍?zhuān)瑖姌?和噴槍2均對(duì)增產(chǎn)層段進(jìn)行了噴射酸壓．從增產(chǎn)改造作業(yè)實(shí)施過(guò)程看，水力噴射酸壓工具性能良好，圖10為施工結(jié)束后噴槍從井下起出的照片．在最高施工壓力53.1MPa的環(huán)境下，噴槍本體未出現(xiàn)破裂、腐蝕或滑扣等現(xiàn)象，說(shuō)明噴槍可以滿(mǎn)足耐酸、耐壓、耐高溫的井下復(fù)雜情況，在深部地?zé)醿?chǔ)層改造中具有良好的適應(yīng)性和可?靠性．

圖10?水力噴射酸化壓裂施工后工具起出照片

安裝在噴槍上的噴嘴未發(fā)生磨損、脫落、擴(kuò)徑嚴(yán)重等現(xiàn)象，說(shuō)明噴嘴具有較好的耐磨性和抗空蝕能力．空化指的是在溫度不變的條件下，當(dāng)液流局部絕對(duì)壓力降低到當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎毫r(shí)，液體內(nèi)部原來(lái)含有的小氣泡迅速膨脹，在液體內(nèi)部形成含有水蒸氣或其他氣體的空泡，從而產(chǎn)生空化現(xiàn)象[17].空化現(xiàn)象的全過(guò)程包括空泡的孕育與初生、發(fā)育與長(zhǎng)大以及收縮和潰滅3個(gè)階段．表面空蝕破壞是由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射流和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用所?致[17]．對(duì)于該噴槍所用的錐直型噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，淹沒(méi)條件下上游流體經(jīng)過(guò)噴嘴收縮段加速進(jìn)入直管段時(shí)，產(chǎn)生“縮徑現(xiàn)象”，流體速度增加，直管段最高流速可達(dá)到250m/s以上．根據(jù)伯努利原理，在該速度條件下，直管段內(nèi)形成一個(gè)低壓區(qū)，當(dāng)壓力降低到當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎毫r(shí)，就會(huì)誘發(fā)空化現(xiàn)象產(chǎn)生．空泡在收縮段的固體內(nèi)壁面孕育而初生，并在該低壓區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)大，沿著噴嘴的直管段壁面向后發(fā)展．當(dāng)空泡隨主流運(yùn)動(dòng)到壓力升高區(qū)后，空泡收縮而潰滅．因此，在錐直型噴嘴內(nèi)部，空蝕現(xiàn)象可能發(fā)生在直管段出口處，即噴嘴出口與井筒內(nèi)高圍壓環(huán)境的接觸部分．對(duì)材料而言，表面硬度越高、粗糙度越低，抗空蝕能力越強(qiáng)[17]．本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研發(fā)的噴嘴采用高硬度、高耐磨性的陶瓷材料，在井下連續(xù)作業(yè)3h，未發(fā)生損壞，因此具有較強(qiáng)的抗空蝕能力．

4.3?方法和工藝應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性討論

水力噴射酸化壓裂工藝在經(jīng)濟(jì)成本方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面：一是節(jié)約了常規(guī)壓裂工藝中炮彈射孔、機(jī)械封隔器、橋塞等材料/工具的成本；二是該工藝方法省時(shí)高效，省去了炮彈射孔、封隔器坐封/解封等工序，減少了起下管柱時(shí)間，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，從而縮短完井周期，加快投產(chǎn)進(jìn)度，節(jié)約了建井成本．例如，我國(guó)西部深層奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的兩口水平井酸化壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別采用不動(dòng)管柱噴射酸壓工藝(井深7053m，壓裂4層)和不壓井拖動(dòng)管柱噴射酸壓工藝(井深6428m，壓裂7層)，平均每層段作業(yè)時(shí)間為2～4h，作業(yè)周期分別為1d和3d[18]，節(jié)約作業(yè)工期50%以上．新疆油田采用水平井不動(dòng)管柱水力噴射分級(jí)壓裂技術(shù)共計(jì)實(shí)施21井次(水力噴砂射孔5井次，水力噴射壓裂16井次)，作業(yè)成功率100%，單井節(jié)約工具成本約20.6萬(wàn)元[19]．此外，大慶油田采用水力噴射壓裂工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用161口井(共壓裂1863段)，作業(yè)成功率100%，綜合成本節(jié)約52%，施工效率提高2.3倍，實(shí)現(xiàn)了水力噴射壓裂技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[20]．此外，水力噴射酸化壓裂可以在不采用封隔器的情況下進(jìn)行裸眼碳酸鹽巖井的分段壓裂，節(jié)約套管和固井費(fèi)用，大幅降低建井時(shí)間、壓裂施工時(shí)間和施工成本．因此，水力噴射酸化壓裂在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì)．

綜上，雄安新區(qū)深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層水力噴射酸化壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，水力噴射酸化壓裂工具性能可靠，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工對(duì)工具耐酸蝕、耐高壓、耐高溫等復(fù)雜工況的要求；水力噴射酸化壓裂工藝施工過(guò)程順利，增產(chǎn)效果顯著．對(duì)于地層厚度大、溫度高、壓力高的深部地?zé)醿?chǔ)層，開(kāi)展多段多簇體積酸化壓裂是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)．在這一過(guò)程中，水力噴射酸化壓裂工藝的可靠性和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景．

5?結(jié)?論

(1) 首次開(kāi)展了雄安新區(qū)容城地?zé)崽锼娚渌峄瘔毫焉畈刻妓猁}巖地?zé)嵩靸?chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，壓裂后D22井單位涌水量較壓裂前提高了12倍，井口水溫增加了10℃，增產(chǎn)效果顯著．

(2) 水力噴射酸化裂壓工藝可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)起裂、精細(xì)改造、酸蝕裂縫通道的儲(chǔ)層改造目的，通過(guò)交替泵注“交聯(lián)段塞-膠凝酸”，進(jìn)一步促進(jìn)酸液刻蝕遠(yuǎn)端裂縫，充分溝通天然縫洞、促進(jìn)水力裂縫與天然裂縫的交匯融通，提高裂縫總體積和裂縫導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)目的．

(3) 研發(fā)的水力噴射酸化壓裂工具耐酸、耐高溫、耐高壓，配套的酸化壓裂工藝在試驗(yàn)井中施工順利，表明該工具和工藝方法可以滿(mǎn)足深部高溫高壓地?zé)醿?chǔ)層的改造需求，可為同類(lèi)型地?zé)醿?chǔ)層增產(chǎn)改造提供良好借鑒．

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Hydra-Jet Acid Fracturing Technology in Deep Geothermal Reservoirs of Xiong’an New Area

Yang Ruiyue1，Huang Zhongwei1，Wen Haitao1，Cong Richao1，Hu Xiaoli1，Ma Feng2

(1. National Key Laboratory of Petroleum Resources and Egnineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China)

Geothermal energy，as a clean and low-carbon renewable energy，plays an important role in contributing to the carbon peaking and carbon neutrality goals. Deep carbonate geothermal resources are abundant in China. However，because of high temperature，high pressure，and low permeability，an efficient reservoir stimulation method needs to be adopted，and conductive fractures need to be established to develop such resources. Hydra-jet acid fracturing technology is a kind of stimulation technology integrating abrasive jet perforation，hydraulic isolation，acid etching，and multi-stage and multi-cluster stimulation. Hydra-jet acid fracturing technology can realize fixed-point communications to geological sweet spots and volume fracturing in one trip，which has good applicability to carbonate geothermal reservoirs. In this study，the field test of hydra-jet acid fracturing in the Rongcheng geothermal field of Xiong’an New Area was conducted for the first time.By optimizing the nozzle structure，selecting the corrosion-resistant string materials，designing the pumping program，and simulating the fracture propagation patterns，the hydra-jet acid fracturing tools and operations that can meet the needs of deep carbonate geothermal reservoirs have been developed. The “alternating pumping cross-linked slug and gelling acid” method is adopted to further promote acid etching of distal fractures，fully communicate with natural fractures/vugs，and improve the connectivity between hydraulic and natural fractures，thus increasing the stimulated reservoir volume and enhancing the fracture conductivity，so that efficient reservoir stimulation can be achieved. In this on-site acid fracturing test，the total amount of fluid pumping into the well is 492.65m3，of which the fracturing fluid is 396.76m3，and the gelling acid is 95.89m3. The field application results indicate that the unit water inflow increases from 0.024m3/(h·m) to 0.288m3/(h·m) after acid stimulation，approximately 12 times，and the temperature of water at the wellhead increases to 10℃. The production enhancement is remarkable. Moreover，the hydra-jet acid fracturing tools developed by the authors are resistant to high temperature，high pressure，wear，and acid corrosion. The research results are expected to provide technical references and thoughts for deep geothermal reservoir stimulation.

Xiong’an New Area；deep carbonate rock；geothermal reservoir；hydra-jet acid fracturing；fracture propagation；field test

the Young Scientists Fund of National Nature Science Foundation of China(No.52004299).

10.11784/tdxbz202207010

TK529

A

0493-2137(2023)12-1277-11

2022-07-09；

2022-09-13.

楊睿月（1989—??），女，博士，副教授，yangruiyue@cup.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

黃中偉，huangzw@cup.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52004299).

(責(zé)任編輯：王曉燕)