理論與實踐:土酸注入速率對EGS熱儲層改造效果影響的實驗研究
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增強型地熱系統(tǒng)(Enhanced Geothermal Sys-tem,EGS)是采用人工形成地熱儲層的方法，從地下3～10 km低滲透性巖體中經(jīng)濟地開采相當數(shù)量深層熱能的人工地熱系統(tǒng)。干熱巖的開發(fā)是通過高壓將冷水注入深部巖層，水在熱儲層裂隙中吸收熱量后溫度升高，再通過生產(chǎn)井將水或蒸汽提取到地面。在實際EGS工程開發(fā)中，通常注入井和生產(chǎn)井之間裂隙網(wǎng)絡(luò)水力聯(lián)系很弱，難以保證EGS的產(chǎn)能要求。儲層滲透率越大，熱提取效率越高，因此可以通過人工改造裂隙網(wǎng)絡(luò)的方法增加儲層滲透率以達到提高產(chǎn)能的目的。化學刺激是目前常用的一種儲層改造技術(shù)，以地層破裂壓力的注入壓力向井附近熱儲層裂隙注入化學刺激液，依靠其化學溶蝕作用使礦物溶解來增加地層的滲透性。土酸是石油天然氣領(lǐng)域中一種較為成熟的化學刺激劑，常應(yīng)用于砂巖酸化，雖然在EGS中化學刺激對象有所不同，但是仍值得借鑒土酸酸化技術(shù)研究土酸在EGS工程中的化學刺激效果
據(jù)2001年中國大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編，松遼盆地大地熱流值為50～90 mW／m2，屬于全國高熱流區(qū)：徐家圍子位于松遼盆地北部徐家圍子一北安斷陷帶上，2012年啟動的國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃項目的子課題中將徐家圍子作為干熱巖靶區(qū)之一，區(qū)內(nèi)營城組(埋深3 784—5 020 m)平均溫度約160 0C，滿足干熱巖開采要求。本文選用營城組地層主要組分凝灰?guī)r為巖石樣品，在對其進行人工壓裂后，以不同流速實驗對比研究土酸不同注入速率對凝灰?guī)r裂隙通道滲透率的影響。
1巖心流動實驗
1.1實驗設(shè)備及材料
巖心流動實驗是測評酸巖反應(yīng)效果的常用方法，本次巖心流動實驗的主要儀器為巖心流動儀，巖心流動儀主要由恒壓恒流泵、鼓風烘箱、中間容器、巖心夾持器，手搖泵、冷凝器組成（圖1）。該儀器有恒壓和恒流兩種注水模式，其中恒壓注水時壓力可達40 MPa;恒流注水時流速可達40 mL/min．中間容器最大容積1 L，巖心直徑為25 mm．圍壓最大40 MPa,工作溫度可達到150℃。
取松遼盆地EGS靶區(qū)徐家圍子地區(qū)營城組三段凝灰?guī)r露頭巖樣為實驗材料，經(jīng)XRD測定其礦物成分主要為石英、鈉長石和鉀長石，其中石英占60%、鈉長石占20%、鉀長石占20%。對所取巖樣進行巖心制備，用巖心鉆取機制備長度3.7—4.2cm的圓柱形凝灰?guī)r巖心，然后用巴西劈裂法制作人工裂隙（圖2）。
土酸為一定比例的鹽酸和氫氟酸混合而成，是石油天然氣領(lǐng)域常用的化學刺激劑。石油天然氣領(lǐng)域常用12%HCl+3%HF的常規(guī)土酸（酸含量以質(zhì)量分數(shù)計）開展儲層增產(chǎn)工藝。前人的研究表明高濃度的土酸對巖體礦物溶蝕劇烈，極容易在儲層中形成二次沉淀用，故而本實驗中降低了土酸濃度，選用6%HCl+0.5%HF的低濃度土酸。此外，由于前期的巖心流動實驗過程中多次出現(xiàn)儀器管線堵塞的現(xiàn)象，故在土酸中加入1%的粘土穩(wěn)定劑，用以抑制微粒移動導致管線堵塞。最終確定的土酸化學刺激劑配方為6%HCl+0.5%HF+1%粘土穩(wěn)定劑，分別以0.5，2，3.5，5 mL/min的注入速率進行巖心流動實驗。
3 實驗結(jié)果與討論
3.1巖心裂隙滲透率的變化
由圖3可知，在注入速率為0.5 mUmin時的巖心流動實驗中，滲透率在化學刺激后不僅未增加反而有所下降。從注水階段可以看出整個注水階段滲透率曲線較為平穩(wěn)，滲透率基本保持在1.6um2左右。注酸階段，初期裂隙滲透率有小幅增加，最大達到2.2um2 ;在注酸0.5 h后滲透率開始緩慢降低，最終降至1.0 um2后維持不變。化學刺激結(jié)束后，通過注后置液測試裂隙刺激后的滲透率。在注后置液階段，初期滲透率保持不變，持續(xù)注入0.4 h后滲透率有小幅增加，達到1.4um2 后保持穩(wěn)定。
由圖4可知，在注入速率為2 mL/min時的巖心流動實驗中，化學刺激前后滲透率有明顯變化。注水階段滲透率無變化趨勢，測得裂隙初始滲透率為1.9 um2。注酸階段，初期滲透率快速增長，在注酸0.4 h內(nèi)由1.9 um2上升到7.2um2，之后一段時間內(nèi)滲透率曲線保持相對平穩(wěn)，注酸0.7 h后滲透率緩慢下降，降至4.4um2 后維持不變。注后置
液階段，滲透率相比注酸穩(wěn)定時有所增加，達到5.6 um2，但有緩慢下降趨勢，最終滲透率達到5.1um2。
由圖5可知，在注入速率為3.5 mL/min時的巖心流動實驗中，化學刺激前后裂隙滲透率有顯著增加。注水階段測得初始裂隙滲透率約為2.6um2。注酸階段，初期滲透率迅速增加，于注酸0.7 h后達到峰值8.1um2 ，之后滲透率有所下降，實驗結(jié)束后降至7.4um2左右。注后置液階段，滲透率前期略有增加，達到9.1um2 后開始緩慢下降，之后滲透率穩(wěn)定在8.3um2 。
由圖6可知，在注入速率為5 mL/min的巖心流動實驗中，化學刺激極大程度提高了裂隙滲透率。注水階段，測得初始裂隙滲透率為1.4um2。注酸初期滲透率急劇增加，在0.3 h后達到峰值10.3um2，之后滲透率不斷下降，并在開始注酸1h后穩(wěn)定在7.4um2。注后置液階段，滲透率有小幅度增加并很快達到穩(wěn)定，最終滲透率穩(wěn)定在7.9um2。
3.2實驗結(jié)果分析
實驗中發(fā)生的主要化學反應(yīng)為凝灰?guī)r礦物與HF的反應(yīng)，實驗所用凝灰?guī)r主要礦物成分為石英和長石。反應(yīng)方程式如下。
與石英反應(yīng)：
在注入土酸后HF與石英、長石發(fā)生反應(yīng)，溶蝕裂隙表面的礦物成分，增大等效裂隙寬度，引起裂隙滲透率相應(yīng)增加。在這一過程中會生成氟硅酸，這些氟硅酸附著在礦物表面，影響HF和礦物的進一步反應(yīng)，同時由于礦物的溶蝕會導致裂隙中形成微粒，隨著反應(yīng)的進行，這些微粒的脫落和堵塞會導致滲透率降低。
如表1所示，對比4組巖心流動實驗結(jié)果，土酸注入速率為0.5 mL/min時，化學刺激后巖心裂隙滲透率不僅沒有增大反而減小，土酸注入速率為2～5 mL/min時滲透率有明顯增加，并且土酸的化學刺激效果隨著注入速率的增加而明顯增強，由此可見，土酸注入速率對EGS熱儲層的改造效果影響顯著。隨著化學刺激劑注入速率的增加，化學刺激階段的酸液注入量也相應(yīng)增加，對裂隙礦物的溶蝕量有所增加�；瘜W刺激劑注入速率較大時，由于液流的攪拌作用，使得離子的強迫對流作用大幅提高，H+的傳質(zhì)速度顯著增加，化學刺激劑對裂隙礦物的溶蝕能力增強。隨著注入速率的增大，酸巖反應(yīng)速度增加的倍數(shù)小于化學刺激劑流速增加的倍數(shù)，化學刺激劑未能完全與礦物發(fā)生反應(yīng)就已經(jīng)流入儲層深處，因此提高注酸排量和注酸速率能夠增加活性酸深入儲層的距離，達到儲層深部改造的目的。此外，如果刺激劑注入速率很小，刺激劑在人口端與礦物反應(yīng)，不利于化學刺激的進行，同時人口端酸巖反應(yīng)形成的微粒的移動可能堵塞裂隙通道，使?jié)B透率下降。據(jù)此可知，在增強地熱系統(tǒng)熱儲層改造的工藝實施中，應(yīng)采用“高流量”的化學刺激劑注入方式增強裂隙通道的滲透率。
4結(jié)論
①用土酸作化學刺激劑進行巖心流動實驗，酸液進入裂隙通道后會與裂隙表面的石英、鉀長石、鈉長石反應(yīng)，溶蝕礦物成分，增加等效裂隙寬度，從而增加滲透率。
②土酸注入速率越大，離子的強迫對流作用越強,H+的傳質(zhì)速度越大，其對巖心裂隙礦物的溶蝕能力越強，化學刺激效果越好。此外，土酸和凝灰?guī)r礦物反應(yīng)生成的氟硅酸附著在礦物表面影響進一步反應(yīng)，礦物被溶蝕后破碎形成微粒會堵塞部分裂隙，會降低裂隙滲透率。當土酸注入速率較低時，化學刺激后巖心裂隙滲透率不增反降。
③在增強型地熱系統(tǒng)熱儲層改造的工藝實施中，可以采用“高流量”的土酸化學刺激劑注入方式增強裂隙通道的滲透率。
④由于實驗條件限制，本實驗中并未進行更高注入速率的測試，在更高速率下化學刺激效果是否仍與注入速率保持正相關(guān)未能驗證，有待進一步研究。
5摘要：
增強型地熱系統(tǒng)(Enhanced Geothermal Svstem,EGS)是一種通過人1二形成地熱儲層的方法從低滲透性巖體中經(jīng)濟地開采相當規(guī)模深層熱能的丁程，對滲透率的改造體現(xiàn)了EGS熱儲層改造效果。文章進行了實驗室條件下的巖心流動實驗，選用4組不同土酸注入速率進行對比，根據(jù)注酸前后巖心裂隙滲透率的變化，分析研究土酸的注入速率對巖心裂隙滲透率的影響；研究結(jié)果表明，采用“高流量”的注入方式更有利于凝灰?guī)r裂隙通道的改造。
