运城市盐湖区沉积盆地砂岩热储层回灌试验的研究

杨 可

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省地质勘查局二一四地质队，山西 运城 044000）

运城市地热属于沉积盆地型地热资源，地热开采历史较长、规模也比较大。数据表明，2003年运城开始使用地热，现有地热井56余眼，年开采量997万m3，单井涌水量60m3/h～102m3/h（1440-2448m3/d），井口出水温度57℃～70℃，主要用于供暖[1]。由于开采井密度过大，一定程度上超出了合理开采的规模，静水位埋深、单井出水量、出水温度发生了一定变化，水位埋深由2004年的+40m下降到2018年的-110m，水量由120m3/h下降到98m3/h，出水温度由90℃下降到70℃。

长期开采而缺乏有效回灌，导致运城地区储层水力平衡破坏，因此在这类地区保持回灌持续性极其重要。但热储层岩性为粉细砂岩，颗粒粒径较小，回灌量较小，难以做到连续稳定的回灌，因此，回灌模式的选择和回灌的操作方法是其保持稳定回灌的一个重要因素。本文通过对运城市盐湖区HGJ01回灌井回灌试验的数据分析，研究采用自然回灌、“回扬-回灌”两种回灌方式对砂岩热储层地热回灌井的回灌效果。

1 地质概况及地层特征

HGJ01回灌井处于运城块凹内，地理上与运城盆地大致范围相当。北侧以夹马口-临猗-三路里-陈村断裂与峨嵋陷隆为界，南侧以中条山北山前大断裂与中条山块隆为界，呈北东东走向，长110km，宽15km～25km。

HGJ01回灌井地层从上到下为：第四系丁村组、匼河组、三门组，新近系静乐组、保德组，古近系刘林河组、高庙组、坡底组[2]。

2 热储层条件

新近系与古近系在运城市盐湖区普遍发育，高庙组与坡底组是该区地热井开采的主要热储层。地区所有地热井主要为混合开采，开采深度2000m～3000m，出水量80m3/h～100m3/h，出水温度70℃～80℃，最高的能达90℃。HGJ01回灌井目的层为古近系高庙组与坡底组。

HGJ01回灌井高庙组与坡底组热储层声波孔隙度26.03%～28.86%，平均27.23%左右，渗透率56.89μm2～106.66μm2，砂岩泥质含量13.99%～20.33%（表1），整体来讲，储层孔隙度、渗透率均相对较低，泥质含量偏高。热流体矿化度17259 mg/L，水化学类型为Cl-Na型，pH值7.14。

表1 HGJ01回灌井回灌热储层段测井解释成果表

3 井身结构

一开：采用Φ444.5mm牙轮钻头清水自造浆正循环回转钻进，钻进至502.16m后，下入Φ339.72mm×9.65mmJ55级的石油套管，进行水泥固井。回灌井井身结构如图1所示[3]。

图1 HGJ01 回灌井井身结构图

二开：采用Φ311mm3A球齿牙轮钻头化学泥浆护壁，正循环回转钻进至2000.67m。下入ф244.48mm×8.94mmJ55级的石油套管1536.73m套管并进行水泥固井。

三开：采用ф215mm3A球齿牙轮钻头正循环回转钻进，使用优质化学泥浆护壁。施工至3218.53m。下入ф177.8mm×8.05mm的J55石油套管并进行水泥固井。

HGJ01在回灌目的层采用射孔工艺，射孔段位于2700m～3218.53m之间，根据测井地质资料，确定热储层含水层位置，最后根据含水层位置准确确定射孔段位置，该回灌井实际射孔段长度为300m。射孔作业时，地面操作系统采用SKD-3000B数控测井仪控制，射孔选用102枪64弹，枪长2m、3m或4m之间，密度16孔/m，孔径20mm，穿透深度≥800mm，射孔孔隙率1.11%。射孔方式螺旋排列。

4 回灌试验过程

本次回灌试验采用“同层对井”回灌试验，开采井为滨湖一号小区地热井，该井位于回灌井北180m，井深3705.0m，静止水位88.5m，降深36.5m，出水量可达100m3/h，出水温度59℃，主要开采深度2766m～3700m，热储层时代为古近系始新统（E2），与回灌井热储层为同一地质时代，回灌试验数据见表2。

表2 回灌试验数据表

第一阶段：非采暖期回灌试验。

试验前HGJ01回灌井水位埋深89.19m。该阶段回灌试验分三组，均以自然回灌方式进行：

第一组试验：历时28小时，稳定回灌量大小90m3/h，回灌水温度57.7℃，4小时水位基本稳定在23.39m，水位抬升65.80m，单位回灌水量为0.380 L/s•m。

第二组试验：历时86小时，稳定回灌量大小60m3/h，回灌水温度57.7℃，1小时水位基本稳定在55.09m，水位抬升34.10m，单位回灌水量为0.489 L/s•m。

第三组试验：历时96小时，稳定回灌量大小80m3/h，回灌水温度58.5℃，3小时水位基本稳定在36.32m，水位抬升52.87m，单位回灌水量为0.420 L/s•m。

第一阶段自然回灌累计时间210小时，回灌水温57.7℃～58.5℃，回灌量15360m3。

第二阶段：采暖期回灌试验。

由于采暖期地热井大量用于采暖，使得地热水静水位降低，试验前测得HGJ01回灌井水位埋深101.44m。该阶段回灌试验分五组：

第一组试验：历时75小时，以自然回灌方式进行。稳定回灌量大小75m3/h，回灌水温度40℃，72小时水位基本稳定在8.99m，水位抬升92.45m，单位回灌水量为0.225L/s•m。

第二组试验：历时48小时，以自然回灌方式进行。稳定回灌量大小50m3/h，回灌水温度40℃，稳定水位17.44m，水位抬升84.00m，单位回灌水量为0.165L/s•m。

第三组试验：历时18小时，57分钟水位抬升至管口，以压力回灌方式进行。稳定回灌量大小65m3/h，回灌水温度40℃，水位抬升至管口。

第四组试验：历时360小时，回灌前水位埋深98.70mm，以自然回灌方式进行。稳定回灌量大小50m3/h，回灌水温度40℃，稳定水位3.80m，水位抬升94.90m，单位回灌水量为0.146 L/s•m。

第五组试验：历时412小时，该组试验在回扬44小时后以自然回灌方式进行。稳定回灌量大小85m3/h，回灌水温度40℃，回灌前稳定水位埋深118.95m，回灌稳定水位埋深6.69m，水位抬升112.26m，单位回灌水量为0.210L/s•m。

第二阶段自然回灌累计时间913小时，回灌水温40.0℃，回灌量累计63480m3。

第三阶段：非采暖期回扬后回灌试验。

该阶段回灌试验前进行了一组回扬试验，回扬试验历时72小时，静止水位埋深114.30m，水位降深31.10m，出水量95.60m3/h，单位涌水量0.854 L/s•m，出水温度57℃。

回扬试验结束，进行了一组回灌试验，历时320小时，该组试验在回扬72小时后以自然回灌方式进行。稳定回灌量大小70m3/h，回灌水温度57.2℃，回灌稳定水位埋深5.30m，水位抬升109.0m，单位回灌水量为0.178L/s•m。

第三阶段自然回灌累计时间320小时，回灌水温57.2℃，回灌量累计22400m3。

5 回灌试验分析

5.1 第一阶段自然回灌分析 （非采暖期）

根据第一阶段回灌试验数据分析，该阶段累计回灌210小时，最大回灌量90m3/h，最小回灌量60m3/h，最大水位抬升65.80m，最小水位抬升34.10m，回灌水温57.7℃～58.5℃，累计回灌量15360m3。说明在非采暖期回灌效果较好，水位短时间内无法达到孔口，保证回灌率达到90%。

5.2 第二阶段自然回灌分析 （采暖期）

根据第二阶段回灌试验数据分析，最大回灌量85m3/h，最小回灌量50m3/h，回灌水温40.0℃，回灌量累计63480m3。

当回灌量为65m3/h时，回灌18小时，水位抬升至孔口，孔口压力0.1Mpa，当回灌量为50m3/h时，稳定水位埋深3.38m，单位回灌量变小。回扬44小时后，回灌量增加至85m3/h，稳定水位埋深6.69m。说明在采暖期回灌随时间的增加，出现堵塞现象，回灌量逐渐减少，通过回扬44小时后，回灌量增加。

5.3 第三阶段回扬后自然回灌分析（非采暖期）

该阶段主要进行了“回扬-回灌”试验，回灌量70m3/h，回灌水温度57.2℃，累计回灌时间320小时，稳定水位埋深5.30m，累计回灌量22400m3。当回扬72小时后，回灌量增加。

综上所述，对比第一阶段和第二阶段的自然回灌试验，反应出回灌井出现堵塞现象，初步推测回灌井水温度的变化，造成化学堵塞，容易形成硫酸钙垢、氯化钠垢及碳酸钙垢等。通过第二阶段与第三阶段的试验结果，表明采用自然回灌与回扬相结合的方式，以17天为周期，遵循“回灌17天－回扬3天”的定时循环运行方式，其平均灌量可提升至85m3/h左右。

6 结论与建议

（1）运城市盐湖区热储层主要为粉砂岩、砂砾岩，回灌量小，回灌工作困难，难以保持回灌的稳定性，回扬对回灌井的回灌性起着关键作用，能够增大回灌量及回灌持续性。加压回灌可以增加回灌量，但也会造成地层孔隙结构的破坏，导致堵塞现象，经试验表明，采用“回扬-回灌”是现阶段最适宜的回灌方式。

（2）该地区回灌方式采用自然回灌，回灌率为50%，当采用自然回灌与回扬相结合的方式时，遵循“回灌17天-回扬3天”的定时循环运行方式，其平均灌量回灌率提升到85%。