地热井压裂酸化工艺优化新方法

地热井压裂酸化增产工艺优化新方法
胜利油田石油工程技术研究院
苏权生（山东东营）
关键词：地热、压裂、酸化、增产
目前社会经济飞速发展，能源消耗越来越多，随着煤炭、石油、天然气等化石燃料消耗的加剧，也带来了严重的环境污染和生态破坏问题，探索清洁环保型能源是未来发展的方向。

地热能作为一种清洁、可再生能源，越来越受到各国政府的重视，国外已经开始对地热能进行深入研究，并取得了一定的成果，目前主要的应用领域包括：发电、供暖、工业利用、医疗、洗浴、水产养殖、农业温室、矿泉水生产、农业灌溉等。

目前地热井研究主要集中在两个方面：一是浅源低温地热井，完井方式包括裸眼完井和套管射孔完井，其储层性质与油气储层相似，由于地层发育不理想或沉积物堵塞导致完井产能低下，在常规洗井措施增产受限的情况下，可借鉴采用油气井酸化压裂增产工艺，沟通裂缝通道提高储层导流能力，以达到预期的水温、水量要求；二是深源高温地热系统，称为增强型地热系统EGS（Enhanced Geothermal Systems），是一种通过介质循环（水或C02)来提取深部干热岩体中的地热资源，并将其用来发电及供暖的工程技术集成。

本文主要针对目前应用较为广泛的浅源低温地热井，如何将目前油气领域成熟的压裂酸化技术应用在地热井增产方面，并对遇到的问题进行讨论。

1．地热井压裂增产优化技术
压裂工艺就是通过大排量将一定粘度的流体注入地层，当注入能力超过地层吸收能力的时候，地层岩石就会破裂，随着流体的不断注入，地层岩石裂缝会逐渐向远离井筒方向延伸，通过加入支撑陶粒，就在地层中形成了人工高导流能力裂缝，为流体流向井筒提供通道。

数值模拟技术是压裂设计优化的核心，通过在计算机上建立地质模型，可以方便、快捷的进行不同压裂方案模拟、对比、评价，从中优选出经济合理的施工方案。

目前比较成熟的数值模拟软件GOHFER、FracPro-PT、StimPlan均可实现压裂施工参数和经济优化，设计优化过程如下：
一、地质建模
压裂数值模拟是一项复杂的系统工程，涉及到岩石力学、流体力学、数值分析等不同的学科，在进行地质建模时，需要对物理模型和数学模型做出适当的简化及假设，建立符合油藏特点的三维网格，然后对网格赋值来描述储层物性和力学参数，通过网格迭代求解进行压裂数值模拟。

在单井压裂设计优化时，应根据实际情况建立地质模型，输入相应的井筒和储层物性参数、岩石力学参数、地层流体参数、射孔参数等，完善地质模型。

在所输入的参数中，岩石力学参数对数值模拟结果影响较大，直接影响着人工水力裂缝尺寸、压裂材料用量、预测产能、经济效益评价等，是决定压裂设计水平的主导因素。

岩石力学参数计算要充分利用测、录井资料、取芯资料、区块地震资料等进行综合计算。

岩石的杨氏模量和泊松比直接影响着地应力剖面计算，进而影响压裂数值模拟优化的结果。

地质建模是数值模拟中最重要的一环，只有在建立准确的地质模型的基础上，模拟优化的结果与现场实施状况才会有高度的一致性，才能在数值模拟优化的指导下，更有效的对储层进行改造。

二、压裂设计优化原则、目标
压裂设计优化的目的是获得最大的经济效益，包括裂缝延伸模型(求解不同
施工参数下的裂缝几何尺寸和导流能力)、油藏模型（把水力裂缝与油藏开发结
合起来，预测不同方案下的压后生产动态）和经济模型（优选经济上收益最大的施工方案）。

这是一个带有离散变量的多目标线性规划模型，将压裂施工方案与影响压裂井开采效益的裂缝参数之间的互相影响的非线性关系离散成多个互不
影响的线性关系，运用线性规划方法，求得目标的最优解，同时得到相应的最佳压裂改造施工方案。

压裂设计要求在满足油藏地质、工程、地面及现有设备条件下，优化经济合理的施工方案，目前有两种设计原则：一是从满足给定的配产方案要求的增产倍数出发，优选压裂液、支撑剂及加砂方式，设计出相应的施工规模（排量、液量和砂量），确定相应的裂缝几何尺寸；二是从地层条件出发，满足设备能力的约束条件，优选压裂液，支撑剂和加砂方式，预测多种不同方案下的增产能力，再根据实际需要选择施工方案。

压裂施工造出具有一定导流能力的人工裂缝，地层流体通过人工裂缝流向井
筒，因此，压裂设计优化就包括了裂缝尺寸优化和满足目标裂缝参数需要的施工参数优化，然后根据优化结果进行压裂材料和施工车组优选，进行经济评价后，选择投入产出比最优的施工方案。

压裂设计优化步骤：
（1）首先根据单井及区块资料，建立三维地质模型。

（2）根据地层渗透率，设置不同的裂缝半长和导流能力方案。

（3）分别模拟不同裂缝半长和导流能力方案下的增产效果。

（4）针对不同的半长和导流能力方案，分别模拟达到目标裂缝参数所需要的施工泵注程序，包括压裂液用量、支撑剂用量、砂比、支撑剂类型和粒径、施工排量等参数。

（5）分别计算不同压裂方案的施工成本和预期收益，计算投入产出比，优选既能满足油井增产要求，又能降低施工成本的施工方案。

图1 压裂设计优化示意图
压裂设计优化要求完成以下任务：（1）在给定的储层与井网条件下，根据不同缝长和导流能力预测压后生产动态；（2）根据储层条件选择压裂液、支撑剂和加砂浓度，并确定合理用量；（3）根据井下管柱与井口装置的压力极限选择合理的泵注排量与泵注方式、地面泵压和压裂车数；（4）确定压裂泵注程序；（5）进行压裂经济评价，使压裂作业最优化。

在压裂成本预测过程中，需要对压裂材料（压裂液和支撑剂）进行优选，选择时要考虑多种因素，比如储层类型、储层温度压力参数、天然裂缝、粘土矿物含量、岩石敏感性、地层水形及矿化度等；压裂施工车组的选择要依据优化的施工排量和预测的施工压力进行优选，优选合适的车组类型和数量。

压裂优化设计以经济效益最大化为原则，将裂缝三维模拟技术和油藏地质情况结合起来，从地层条件出发，结合裂缝参数、施工参数、经济评价等，提出了在目前低油价环境下的压裂设计优化方法。

三、压后跟踪及评价
水力压裂评价包括水力裂缝评估、工艺效果评价、开发效果评价和经济效益分析，工艺效果分析用于评价所实施压裂工艺技术的适应性和有效性。

（1）水力裂缝评估
为检验压裂设计、评价压裂施工的有效性和压后效果，需要评估水力裂缝。

目前发展了许多检测和确定压裂裂缝高度的方法，如适于裸眼井的井下电视法、地层微扫描仪和噪声测井等，还有适用于裸眼井和套管井的间接测试方法，如微地震法、井温测井、伽玛测井和声波测井等。

根据施工压力曲线可以定性分析压裂裂缝延伸情况，结合压裂后压力降落数据可以成功地解释裂缝几何尺寸、裂缝导流能力、压裂液滤失系数、压裂液效率和裂缝闭合时间、水平最小主应力等参数
（2）工艺效果分析
单井工艺效果分析主要指标是增产有效期和增产倍比，增产有效期是指压裂井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的
时间。

增产倍比是指相同生产条件下压裂后与压裂前的日产水平或采油指数之比，可以采用典型曲线法、近似解析法和数值模拟法得到。

（3）水力压裂经济评价
水力压裂具有高投入、高风险的特点，除了要分析工艺和开发效果外，还必须进行投入和产出分析。

投入产出比不仅与客观条件如地层构造、埋藏深度、储层岩性、储层物性、自然产能、地理位置与环境条件等密切相关，而且与工艺技术利用程度和水平有关。

压裂后形成的人工裂缝形态、有效长度、导流能力对压后产量有着重要的影响，因此，进行压后跟踪及评估，掌握裂缝在地层中的延伸状况，不仅可以帮助我们对压后效果进行分析，也可以帮助我们认识压裂井的地质状况，指导同区块其它井的压裂设计优化。

2．地热井酸化、酸压增产优化技术
油气井酸化工艺发展到目前已经相当成熟，形成了不同的类型酸化工艺，酸化工艺按照岩性主要可分为碳酸盐岩和砂岩储层酸化技术；
在地热井酸化、酸压增产中，其设计优化思路和油气井增产思路类似。

（1）碳酸盐岩储层酸化工艺
在碳酸盐岩储层酸化改造中，主要形成和发展了基质酸化技术和压裂酸化技术，习惯上用酸化表示基质酸化，用酸压表示压裂酸化。

1) 基质酸化工艺
基质酸化也称为常规酸化或解堵酸化，如前所述，其基本特征是在施工压力
小于储层岩石破裂压力的条件下，将酸液注入储层。

碳酸盐岩基质酸化的重要特征是酸蚀蚓孔的形成和微裂缝的扩大，其增产机理与蚓孔密切相关。

2) 酸压工艺
控制酸压效果的主要参数是酸蚀裂缝导流能力和酸蚀缝长。

影响酸蚀缝长的最大障碍有：一是酸蚀缝长因酸液快速反应而受到限制，其次是酸压流体的滤失影响酸压效果。

另外，为产生适足的导流能力，酸必须与裂缝面反应并溶解足够的储层矿物量。

因此，为了获得好的酸压效果，提高裂缝导流能力和酸蚀缝长从降低酸压过程中酸液滤失、降低酸－岩反应速度、提高酸蚀裂缝导流能力等几个方面入手。

酸压过程中酸液的滤失问题通常考虑从滤失添加剂和工艺两方面着手；降低酸－岩反应速率也可以缓速剂的使用及工艺上来进行；加入缓速剂，使用胶凝酸、乳化酸、泡沫酸和有机酸并结合有效的酸化工艺可起到较好的缓速效果；提高裂缝导流能力可从选择酸液类型和酸化工艺着手，其原则是有效溶蚀和非均匀刻蚀。

压裂酸化工艺以能否实现滤失控制，延缓酸－岩反应速度形成长的酸蚀裂缝
和非均匀刻蚀划分为普通酸压和深度酸压及特殊酸压工艺。

○1普通酸压工艺普通酸压工艺指以常规酸液直接压开储层的酸化工艺。

酸液既是压开储层裂缝的流体，又是与储层反应的流体，由于酸液滤失控制差，反应速度较快，有效作用距离短，只能对近井地带裂缝系统的改造。

一般选用于储层污染比较严重、堵塞范围较大，而基质酸化工艺不能实现解堵目标时选用该工艺。

○2深度酸压工艺以获得较长的酸蚀裂缝为目的而采用的不同于普通酸压工
艺的酸压工艺称为深度酸压工艺。

○3特殊酸压工艺
针对某些特殊类型储层或为实现特定要求，提出了一些不同于上述酸压工艺、具有独特理论及工艺特点的一些特殊酸压工艺，如闭合酸压、平衡酸压、变粘酸酸压及不同酸化技术的复合工艺。

限于篇幅，在此简要介绍目前应用较多的闭合酸压工艺。

（2）砂岩储层酸化工艺
砂岩酸化主要是进行基质酸化。

为了满足不同的储层特性、污染类型及增产的实际需要，目前发展了多种砂岩酸化工艺，不同的工艺其不同之处主要体现在处理液和工序上。

按其注入处理液的类型及能否实现深穿透可分为常规酸化和深部酸化技术，不同的工艺其注液顺序也不同。

○1常规土酸酸化
常规土酸酸化用常规土酸作为处理液的酸化工艺，是使用时间最早，也是最为典型的砂岩酸化工艺。

该酸化工艺用液包括：前置液（preflush fluid）、处理液（treating fluid）、后置液（overflush fluid）和顶替液（displacement fluid），一般注液顺序为：注前置液®注处理液(土酸)®注后置液®注顶替液。

前置液：一般用3~15％HCl作为前置液，具有以下作用：
a. 前置液中盐酸把大部分碳酸盐溶解掉，减少CaF2沉淀，充分发挥土酸对粘土、石英、长石的溶蚀作用；
b. 盐酸将储层水顶替走，隔离氢氟酸与储层水，防止储层水中的Na+、K+与H2SiF6作用形成氟硅酸钠、钾沉淀，减少由氟硅酸盐引起的储层污染；
c. 维持低pH值，以防CaF2等反应产物的沉淀；
d. 清洗近井带油垢(添加高级溶剂清洗重烃及污物)。

处理液：处理液(土酸)主要实现对储层基质及堵塞物质的溶解，沟通并扩大孔道，提高渗透性。

后置液：后置液的作用在于将处理液驱离井眼附近，否则，残酸中的反应产物沉淀会降低油气井产能。

顶替液：顶替液一般是由盐水或淡水加表面活性剂组成的活性水，其作用是将井筒中的酸液顶入储层。

3．地热井压裂酸化存在的问题
（1）井口问题
地热井井口一般采用焊接连接，抗压能力低，限制了压裂酸化技术的应用；同时，若采用采油树，采油树怎么与套管连接，怎么提高抗压能力，是压裂酸化工艺应用需要考虑的问题。

（2）井身结构问题
地热井井筒常采用二开结构，但技术套管并没有到井口，仅仅悬挂在表层套管下部，或者简单的重叠并“带帽”，存在漏失风险；同时，表层套管与技术套管“接口”处承压能力不足；
（3）如何建立对井系统
对于低温地热井，需要一口注入井，一口生产井，把利用过的废水进行回注，提高地热井使用效率和寿命。

对于不需要压裂的系统，应选择在高渗条带注水，从生产井产出，效率较低。

建立对井系统，通常采用“U”型井，钻水平井，进行水平段端口对接，水平段长度长达500、600m，一注一采。

回注井，希望无压力直接回灌，节省成本，如果回注压力过高，可以考虑采用降压增注技术（酸化、注入表活剂、径向软管钻孔等）。