中深层砂岩热储回灌井参数优化模拟_王磊.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01823-10科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2021-10-23;修订日期:2022-11-15基金项目:国家重点研发计划(2019YFC0604904，2019YFB1504201，2021YFE0111400);国家自然科学基金重大项目(52192624)作者简介:王磊(1983)，男，汉族，辽宁锦州人，博士研究生。研究方向:地热钻完井理论与工艺技术。E-mail:wanglei8 sripe sinopec com。引用格式:王磊 中深层砂岩热储回灌井参数优化模拟J 科学技术与工程，2023，23(5):1823-1832Wang Lei Simulation on parameters optimization of middle deep sandstone heat storage and recharge wellsJ Science Technology and Engi-neering，2023，23(5):1823-1832自然科学总论中深层砂岩热储回灌井参数优化模拟王磊1，2(1 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101;2 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院，北京 102249)摘要砂岩热储回灌对于地热能源的高效利用和土壤环境的保护具有重要的意义。华北地区中深层孔隙型砂岩地热回灌效率低下，回灌参数优化不准确，需要对中深层砂岩热储回灌井参数进一步优化研究，提升回灌效率。因此开展有关中深层砂岩热储回灌井参数优化模拟的研究尤为重要。建立了基于 CMG-STAS 的华北地区砂岩热储定向井的回灌与采出模型，分别研究了完井方式、单日回灌量、水层厚度比及采灌井径对地热回灌效率的影响，并分析优化中深层砂岩热储的回灌井参数。结果表明:完井方式是影响回灌效率的最主要因素，依次是单日回灌量、采灌井井径、水层厚度。为提高回灌效率，通过模拟研究优选出参数方案为表皮系数的最佳数值为0 和5，单日回灌量在1 600 m3左右，采灌井径为215.9 241.3 mm，水层厚度比为0.33 1。结合造井成本因素，采灌井型选用“一定向井”回灌“一定向井”生产模式，其回灌效率明显高于“一定向井”回灌“一直井”生产模式。关键词砂岩地热;回灌效率;回灌参数;表皮系数;地热定向井中图法分类号N33P314;文献标志码ASimulation on Parameters Optimization of Middle DeepSandstone Heat Storage and echarge WellsWANG Lei1，2(1 SINOPEC esearch Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China;2 College of Safety and Ocean Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)Abstract The reinjection of sandstone thermal storage is of great significance for the efficient utilization of geothermal energy and theprotection of soil environment The geothermal reinjection efficiency of medium deep porous sandstone in North China is low，and the op-timization of reinjection parameters is not accurate，so it is necessary to further optimize the reinjection well parameters of medium deepsandstone thermal reservoir to improve the reinjection efficiency The recharge and recovery model of directional wells for sandstone heatstorage in North China was established based on CMG-STAS The effects of well completion mode，single-day recharge amount，waterlayer thickness ratio and well diameter on geothermal recharge efficiency were studied respectively，and the recharge well parameters formiddle and deep sandstone heat storage were analyzed and optimized The results show that the completion mode is the most important factoraffecting the injection efficiency，which is followed by one-day injection volume，well diameter and water layer thickness In order to improvethe recharge efficiency，the optimal parameters of skin coefficient are 0 and 5，the daily recharge volume is about 1 600 m3，the well diameteris 215.9 241.3 mm，and the water layer thickness ratio is 0.33 1 Combined with the factors of well construction cost，the productionmode of“one directional well”and“one directional well”is selected for the production mode of“one directional well”and“one directionalwell”，and its recharge efficiency is obviously higher than that of“one directional well”and“all the way well”Keywords sandstone geothermal;recharge efficiency;recharge parameters;skin coefficient;geothermal directional well随着经济全球化的快速发展，能源短缺和环境污染已经成为制约全球可持续发展的重要问题之一。常规的一次性不可再生能源如天然气、煤炭、石油等可开采储量越来越小且其在使用过程中带来越来越多的环境问题1。地热能作为一种可再生的能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定性好、利用系数高等优点。因此，地热资源成为世界上各国重点关注的新能源，也受到了国内外学者的投稿网址:www stae com cn广泛关注2。地热回灌是维持地热资源可持续开采和预防地面沉降等地质环境问题的有效措施，对于各类正在开采的地热储层都具有重要意义，是决定地热能开发成败的关键因素3。目前，砂岩热储的回灌效率普遍很低。砂岩热储回灌的影响因素包含多个方面，例如储层特性和地质条件、采灌井距、回灌温度等4-6。因此，开展提高中深层砂岩热储回灌效率的研究，并对回灌参数进行优化，对于解决砂岩热储的回灌难题具有十分重要的意义。目前，针对地热回灌开展的研究有很多，其中涉及地热回灌的回灌参数和地热储层参数特征等方面。目前众多研究都是通过开展回灌试验，研究分析回灌参数对回灌效果的影响，更多的是探讨回灌量与回灌温度、压力等关系7-10。Zhao 等11 对地热井取样的岩石物理性质进行了分析，并进行了一系列的岩心驱替实验，结果表明近井地层中的颗粒运移和堵塞是导致地热回灌能力下降的主要原因。以上研究是通过回灌试验对回灌参数及其对回灌效果的影响进行研究。除了开展一些回灌试验以外，运用合理的数值模拟可以对回灌研究和理论分析起到指导作用，来弥补试验工作的不足。针对地热储层中渗流与热传递耦合模拟以及多孔介质中能量运移的非稳定流模型建立方面的研究较多12-14，具有一定的参考意义。同时，也有较多学者通过建立数值模拟模型，研究地热储层特征参数对地热储层渗流场、温压场以及对地热回灌的影响 15-18。Wang 等 19 建立了考虑沿井轴的热对流和热传导以及地热流体与岩石径向传热的一维地热井模型，用于评估地热井的寿命以及储层温度和压力的变化对长期井作业的响应。此外，在地热回灌工作的模拟研究中，避免热突破的发生也是需要关注的重点之一。此外，关于渗透率、岩石热容空间以及采灌井距对热突破发生的影响研究也较多 20-21。对于地热回灌的研究，除了对回灌参数的影响分析，其中地热回灌井的布局方法、地热回灌井的成井工艺、地热尾水回灌试验等方面对回灌工作的影响也同样重要。罗天雨22 针对不同回灌井数量、注采井同时存在、不同边界条件、不同排布方式下，回灌井注水能力大小的计算模型进行研究，分析影响回灌能力的因素。少部分地热回灌室内试验的开展，以提高地热回灌效率为目的，研究了地热井采灌井网、回灌井成井工艺以及采灌井距对提高地热回灌效率的帮助23-25。同时，实验结合模拟的方法对地热回灌的研究也较多，很多学者通过进行地热回灌实验并结合数值模拟的方法，系统研究了在地热储层中井网布局方式、采灌模式及采灌井距对地热回灌的影响26-29。Ma 等30 提出了多井布井与压裂技术相结合的概念，建立了热工水力耦合模型，研究了不同多井布井方案和压裂网络下的热采动态，并从井网布置和裂缝网络的角度提出了改善采热性能的合理建议。上述研究大多是分析各种因素对回灌效果的影响程度，通过对采灌井的井网布局进行优化，更多的研究目标是提高地热资源的利用率或采热率即实现地热资源可持续开发利用。但针对回灌参数的优化以及提高地热回灌效率的研究较少，较多研究的是热突破的影响参数，关于回灌效率影响因素的相关研究较少。且大多考虑的是裂缝型热储，针对孔隙型的砂岩热储的回灌效率研究也较少。此外，目前研究的井型大多是直井，针对地热定向井回灌参数的研究也较少。现基于 CMG-STAS 模拟软件，建立地热定向井回灌采出模型，分别研究完井方式、单日回灌量、水层厚度比及采灌井径对地热回灌效率的影响并进行回灌参数优化方案设计。其中，提高地热回灌效率是重点，以期能够对中深层砂岩热储的回灌问题提供一定的指导。1砂岩热储定向井回灌数学模型1.1假设条件砂岩地热储层岩石大多是多相且不连续的介质，在储层中会存在各种各样的结构面。在地热储层中，大多数组分为地热水。因此尽量简化了数学模型，且只考虑水相在地下流动的情况。为保证模型计算的准确度，提出以下假设。(1)模型周围的砂岩基质为均匀的各向同性不渗透固体。(2)岩体为水饱和介质，没有其他的物质。(3)渗流满足达西定律，传热满足傅里叶定律且满足局部热平衡假设。(4)不考虑热辐射效应，水流和热储层中岩石之间的热交换以热对流和热传导为主。(5)模拟过程中，孔隙中水的流动速度处于均匀状态，且水始终保持为液相。1.2控制方程假定砂岩基质为均匀的