摘要
以往的回灌试验、监测和研究仅针对整个热储层，并不能确定回灌流体的具体流向。砂岩热储含水段多构成水平透镜状层或连续的水平层，之间有透水性差的黏土、泥岩层，阻止了垂向上地热流体的交换，导致热储层间无明显的水力联系，注入的回灌流体在储层内以水平径流为主。本文从井下长置式测试仪、井口固定升降装置、地面控制系统和远程通信系统4个方面开展研究工作。成功研制井下分层多参数监测系统，并引入到地热回灌井监测，实现了地热回灌井井下分层动态流速、压力及温度测量。该系统在2 眼砂岩热储回灌井进行了野外试验测试，实现了砂岩储层回灌流体主渗流通道精确识别。本研究将为回灌主渗流层位优选、采灌布局优化等研究提供基础数据和技术支撑。
Abstract
Previous reinjection tests, monitoring and research only focused on the whole thermal reservoir, and could not determine the specific flow direction of the reinjection fluid. The water-bearing section of the sandstone thermal reservoir mostly constitutes a horizontal lenticular layer or a continuous horizontal layer, and there are clay and mudstone layers with poor permeability between them, which prevents the exchange of geothermal fluids vertically. As a result, there is no obvious hydraulic connection between the thermal reservoirs, and the injected reinjection fluid is mainly horizontal runoff in the reservoir. In this paper, the research was carried out from four aspects: underground long-term tester, wellhead fixed lifting device, ground control system and remote communication system. A multi-parameter monitoring system for downhole stratification had been successfully developed and introduced into the monitoring of geothermal reinjection wells, which realized the measurement of dynamic velocity, pressure and temperature of geothermal recharge wells. The system was tested in two sandstone thermal reservoir reinjection wells, and the main seepage channel of reinjection fluid in sandstone reservoir could be accurately identified. This research will provide basic data and technical support for the optimization of the main seepage layer of reinjection and the optimization of the layout of mining and reinject.
Keywords
0 引言
地热回灌是一种避免地热尾水直接排放引起热污染和化学污染的措施，在维持热储压力（Su et al.，2018），保证地热田可持续开发利用方面具有重要作用（中国地热能发展报告编委会，2018①；冯守涛等，2019）。回灌已经成为世界范围内数十个重要地热田生产运行中的一项日常工作（曹倩等， 2021），在美国、新西兰、冰岛、意大利、法国、日本、罗马尼亚、丹麦、菲律宾和萨尔瓦多等十多个国家得到了广泛的应用（Kaya et al.，2011；郑人瑞等， 2017；Kamila et al.，2021）。在国内，北京、天津、河北、山东、陕西等省市的地热回灌也已经具有一定规模（李郡和张志刚，2018；Wang et al.，2019；陈怀玉等，2020；王贵玲等，2020；董寒杰等，2022；祁新堂等，2022）。回灌是地热田管理中最为复杂的一项技术，为了避免因回灌而引起热储冷却，需要在正式运行前进行回灌试验（王学鹏等，2020），并在回灌运行过程中进行全面监测（马正孔，2018）。以往的回灌试验、监测和研究仅针对整个热储层（董月霞等，2021；刘帅等，2021），并不能确定回灌流体的具体流向（程斌等，2005；贺森等，2018）。砂岩热储含水段多构成水平透镜状层或连续的水平层，之间有透水性差的黏土、泥岩层，阻止了垂向上地热流体的交换，导致热储层间无明显的水力联系，注入的回灌流体在储层内以水平径流为主。本文通过研制井下分层多参数动态监测系统，以实现砂岩储层回灌流体主渗流通道的精确识别，为回灌主渗流层位优选、采灌布局优化等研究提供基础数据和技术支撑，以提高砂岩储层回灌率，实现可持续开发利用。
1 井下分层多参数监测系统研制
井下分层多参数监测系统由井下长置式测试仪、井口固定升降装置、地面控制系统和远程通信系统四部分组成。测试过程中，由地面控制系统发出测试指令，通过电缆将命令下发给井下长置式测试仪，测试仪根据接收到的测试命令进行流量、温度、压力等参数的测量工作。测量的结果通过电缆传至地面控制系统，完成测量的全过程。分层测试数据采用递减法，经地面软件计算处理后，上传数据库供查询分析使用。系统工作示意图见图1。
1.1 井下长置式测试仪
井下长置式测试仪是整个系统的核心，可实现对井下流量、温度、压力等参数4个月以上的连续监测；仪器测量范围及精度：流量 20~2000 m3 /d，≤ ±1%F·S；温度 0~90℃，±0.1℃；压力 0~40 MPa，≤ ±1%。仪器的上下两端，安装特制的扶正器（图2、图3），采用弹簧和轮系组合实现在 Φ220 mm 到 Φ 112 mm内径间自由压缩和涨开，使仪器始终位于流道内的中间位置。井下长置式测试仪通过电缆串联方式连接，以合适的间隔下入井筒，对应不同深度的回灌层，进行实时测量和数据传输，实现分层监测。仪器主要密封方式为多道 O 型圈密封，辅助密封方式为“世伟洛克”管接头；设置双层密封，并在密封后布置机械抱紧锥结构。在承受液体压力情况下，第一道密封“世伟洛克”管接头抱死电缆，将液体阻挡在管接头的外端；同时多道 O 型圈作为密封体，挤压在电缆外壁，形成数道密封面，抵抗来自外界的水压。
1.2 井口固定升降装置
井口固定升降装置包括专用井口（图4）、绞车、塔架结构调转仪器（图5）、磁定位仪和井口固定装置（图6）。由于回灌井的套管没有标记短接，仪器准确定位有一定难度。因此地面采用马丁代克深度和井下磁定位校深两种方式相互验证。马丁代克深度值是根据深度编码脉冲的计数确定的（李军等，2007；杨云杰等，2012）。磁定位仪在井下移动时经过管柱接箍或井下工具时，周围导磁介质发生变化，在线圈中产生感应电动势，通过记录产生的感应电动势得到磁定位曲线（李然等，2014）。磁定位仪通过电缆输送至井下目的深度，精准找到套管深度。塔架结构调转仪器（图5），仪器可采用单线或双线结构，单线结构即一根8.0 mm的钢丝电缆受力和传信号，双线结构即一根 6.4 mm 的钢丝绳受力，一根 4.0 mm 的钢管电缆传信号；设计塔架滑轮为双槽结构，即钢绳和钢管电缆都从一个滑轮滑出，在地面通过地滑轮转向后通过 2 个绞车分别回收钢绳和钢管电缆。井口固定装置采用“S”型压线块与绕线块结合的方式，实现对测试仪器的长期有效固定和悬挂（图6）。
1.3 地面控制系统
地面控制系统（图7）主要功能是完成对井下仪器串的供电、通讯以及对井下上传数据进行采集与处理，设置测试参数，协助本地实时测量和控制井下设备。该系统采用高速ARM芯片进行数据处理，包括与井下仪器的通信、总线电压、电流监测、与计算机通信（RS232、USB）；同时实现总线电压、电流实时显示、电流过流保护等。
图1系统工作示意图
图2井下仪器整体示意图
图3井下长置式测试仪实物图
图4专用井口实物图
图5塔架结构调转仪器
图6井口固定装置实物图
图7地面控制系统仪器主体图
1.4 远程通信系统
远程通信系统包括井下监测数据的传输和人工远程通讯两部分，可以将井下长置式测试仪的监测数据分时上传数据给地面控制箱及远程服务器，实现人工远程轮询目标层数据和监控井下仪器状态的目的。
2 测试区域基础条件
2.1 测试区域地质构造特征
为了实测验证井下分层多参数监测系统，本次选择了2眼砂岩孔隙型地热回灌井进行测试。所处的区域构造位置处于 III 级构造单元黄骅坳陷东部之次级构造单元北塘凹陷的东南部，地理位置位于天津市滨海新区（图8），区域主构造格局受新华夏构造体系控制。沧东断裂、汉沽断裂相互作用，使得该地区在中生代末长期持续沉降，沉积着数千米厚的新生界。新近系在凹陷区内具有由西向东，向海中倾斜的趋势；自北向南地层沉积有由厚变薄的特点（李文龙等，2014）。区域上断裂构造较为发育，对地热地质条件起控制作用的断裂主要有：西侧的沧东断裂，南侧的海河断裂。
2.2 测试地热井概况
2.2.1 C1井基本情况
C1 井建成于 2022 年，完钻井深 2148 m。该井井身结构为二开定向井，最大井斜 21.80°，方位角 38.60°。该井目的层为新近系馆陶组，采用射孔成井工艺，射孔段总厚度 126 m。根据 C1 井射孔情况，将 C1 井回灌段概化为 4 层，第一层为 1640~1700 m，第二层为 1700~1810 m，第三层为 1810~1890 m，第四层为1890~2067 m。
2.2.2 C2井基本情况
C2 井建成于 2022 年，完钻井深 2263.25 m。该井井身结构为二开直井。采用射孔成井工艺，射孔总长度 100 m。根据录井资料，该井新近系馆陶组： 1802～2218 m，厚 416 m，分为三段。馆Ⅰ段：1802~1926 m，厚 124 m；馆Ⅱ段：1926~2088 m，厚 162 m； 馆Ⅲ段：2088~2218 m，厚 130 m。试验时按照地层分段情况，将 C2 井回灌段概化为 3 层，第一层为馆 Ⅰ段，第二层为馆Ⅱ段，第三层为馆Ⅲ段。
3 测试分析
3.1 C1井测试结果及分析
根据 C1 井射孔情况。试验时将 4 支仪器分别下入到井内 1640 m、1700 m、1810 m、1890 m进行回灌测试，各层对应射孔段有效厚度分别为 23 m、38 m、17 m、48 m。回灌流量为25 m³/h，后因回灌溢水，将回灌流量降低至21 m³/h。图9为监测软件及监测现场，图10为仪器测得原始数据作图，回灌过程持续 36 h。通过提取回灌量监测数据，绘制了各层回灌量曲线图（图11）。回灌试验结束时，各回灌层稳定回灌量分别为 7.10 m³/h、10.92 m³/h、1.96 m³/h、 1.46 m³/h。
图8测试井区域构造地质图
1 —河流；2—道路；3—海岸线；4—铁路；5—所属构造单元；6—测试位置；7—断裂
从图10和图11中可知，第一层至第四层回灌量随深度增加而减小，温度随回灌时间增加逐步上升。由于回灌过程中，液面已接近井口，水位没有明显变化，因此各层压力没有明显变化。通过计算得到单位射孔段长度回灌量，趋势为随深度增加而逐渐降低（表1）。
表1C1井各层回灌量及单位长度回灌量统计
图9监测软件及现场监测
图10C1井回灌原始数据曲线图
图11C1井各层回灌量曲线图
3.2 C2井测试结果及分析
根据C2井地层以及射孔情况，试验时将仪器下入到井深 1800 m、1940 m 和 2050 m 进行测试，各层对应射孔有效厚度分别为 36 m、42 m、22 m。试验回灌量由 35 m³/h 逐渐增加至 45 m³/h、55 m³/h，持续时间分别为 21.7 h、22.4 h、51.4 h。由于开采井水温较高，采用开采井和附近浅井水在井口通过水箱混合降温后，通过增压水泵将水输送至回灌井口，小流量回灌时，使用的冷水较多，后期随回灌量增大，混合水温度逐渐升高，测得压力随回灌过程逐渐增大，最后趋于稳定。图12为仪器测得流量、温度、压力原始数据，图13为各层回灌量曲线图，各层回灌量稳定数据见表2～表4。
图12C2井回灌原始数据曲线图
图13C2井各层回灌量曲线图
从图12、图13和表2～表4可知，各层回灌量随回灌总量增大而增大，第一层至第三层回灌量逐渐减小，平均占比分别为 63.39%、28.25%、8.36%。通过计算得到单位射孔段长度回灌量，趋势为随深度增加而逐渐降低。
表2C2井分层回灌量统计
表3C2井各层单位长度回灌量统计
表4C2井各层回灌占比统计
整理以上监测数据，针对每一层进行分析计算，求得单位压力回灌量，从而评价各层回灌能力 （表5～表7，图14）。根据监测成果可知：C2测试井的馆陶组Ⅰ段砂岩回灌能力最强，单位压力回灌量为28.25 m3 /h·MPa；馆陶组Ⅱ段砂岩回灌能力次之，单位压力回灌量为 10.83 m3 /h·MPa；馆陶组Ⅲ段砂岩回灌能力最弱，单位压力回灌量为 2.89 m3 /h· MPa。
图14C2井热储回灌试验分层回灌量-压力升高值曲线
表5C2井第一层（馆陶组Ⅰ段砂岩）回灌能力计算成果
表6C2井第二层（馆陶组Ⅱ段砂岩）回灌能力计算成果
表7C2井第三层（馆陶组Ⅲ段砂岩）回灌能力计算成果
4 结论
（1）井下分层多参数动态监测技术实现了对地热井采灌条件下的分层监测，并保证井下数据通讯仪长期置于井下复杂环境下监测数据传输的稳定性，可简化仪器下井过程和准确定位的难度，便于长期进行实时测量以及后期维护。
（2）仪器进行下井测试，根据地热井含水层垂向分布特点，测得不同层位确切流量，并且直接测量各层位热储的静压力和动压力，确定了各层位的回灌能力，实现了砂岩储层回灌流体主渗流通道的精确识别。
（3）根据监测数据分析结果，测试井各层回灌量和单位射孔段长度回灌量随深度增加而减小，主渗流通道分布于馆陶组热储层上部。
致谢 感谢天津市地质矿产勘查开发局资深专家赵苏民、天津地热勘查开发设计院副院长沈健对本项目的指导，感谢项目组成员的参与和支持。感谢天津地热资源开发有限公司和天津市津地地质工程监理有限公司为本项目提供了试验井和试验场地。
注释
① 《中国地热能发展报告》编委会.2018. 中国地热能发展报告[R]. 北京: 中国石化出版社.