CN110689793B - 一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，包括以下步骤：（1）铺设模拟砂槽，上部采用粘土作为隔水层，下部采用砂岩作为热储层，在砂岩中布设数个压力传感器，并进行编号；在热储层中设置有多个取水点，每一取水点处埋设示踪剂检测取样水管，并进行编号；位于同一直线上的示踪剂检测取样水管长度不同等。本发明的优点是：结构简单，便于施工。可以突破实际采灌工程由于经济投入和场地限制等，无法采集热储层岩心的问题，便于试验、便于获取回灌后的热储原状岩心，提高了测试结果的、真实可靠性，为堵塞机理研究提供支撑。

Description

一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，涉及地热资源领域的研究。

背景技术

地热资源是一种绿色清洁能源，地热回灌作为合理开发利用、保证地热资源可持续开发的重要手段被广泛应用，但回灌过程中的堵塞问题，特别是砂岩孔隙热储地热回灌堵塞问题，严重制约了砂岩热储地热资源的可持续开发利用。

地热回灌是在开采井抽取地热水，同时在利用后与之具有水力联系的回灌井进行回注，其利用重力作为自然流体的原动力，由抽灌井组的水头差形成渗透水流的驱动力，表现为：以开采井为中心形成地热水位降落漏斗，四周远离开采井水位逐渐较高，地热水形成由四周向开采井的汇流趋势，而回灌井为中心的水位最高，四周逐渐降低，地热水形成由回灌井向四周散流的趋势。

回灌过程中，在渗透水流驱动力的作用下，低温地热水水质运移，可能存在不同程度的物理、化学和生物堵塞：物理堵塞来源于水中悬浮物和热储层中水流可带动的细小砂岩颗粒，在经过小于砂岩热储孔隙吼道时，造成的吼道堵塞；化学堵塞，由于回灌水源为低温地热水，在经过地表利用后，水质可能存在微小变化，尤其温度变化较大，在热储层压力、温度环境作用下，可能存在化学物质结晶析出、微弱化学反应生成不溶物等，造成堵塞；生物堵塞，由于回灌水的温度、含氧量影响以及水质化学成分含量的影响，在热储层中可能存在如厌氧菌、铁、硫细菌等，引起回灌堵塞。因此，回灌堵塞机理研究，对回灌工程的稳定性、长期稳定利用具有重要意义。

在现有技术中，实际采灌工程运行后，预实现采灌井间热储层岩心的取样化验，必须在采灌井间施工钻孔，在热储层位置进行岩心采集、对其进行物理、化学、微生物检测，由于地热钻孔施工技术难度相对较大，钻探取热储岩心成本高，且已建成的采灌工程多为住宅小区，选点施工难度大，影响居民正常生活，因此无法对实际采灌工程中采集热储岩心进行堵塞机理研究。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于研究砂岩热储地热回灌堵塞机理的试验装置。通过建立模拟热储试验模型，开展回灌试验，获取模拟热储砂层岩心进行化验，研究堵塞物类型、影响程度、堵塞机理，进而提出堵塞防治措施，为砂岩热储地热资源可持续开发利用提供依据。本发明的技术方案是：

一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）铺设模拟砂槽，上部采用粘土作为隔水层，下部采用砂岩作为热储层，在砂岩中布设数个压力传感器，并进行编号；在热储层中设置有多个取水点，每一取水点处埋设示踪剂检测取样水管，并进行编号；位于同一直线上的示踪剂检测取样水管长度不同；

（2）设置贯通隔水层以及热储层的开采井和回灌井，在开采井和回灌井之间，以及在开采井和回灌井的外围，均匀等距布设同层位的水位监测井；在所述的开采井、回灌井以及水位监测井内布设压力水位计；所有的压力传感器以及压力水位计均通过数据采集器接入电脑；在隔水层和热储层上还布设砂样采集孔，在该砂样采集孔处的顶部安装有可折叠端盖，向砂样采集孔内放置砂样采集笼，该砂样采集笼的下部位于热储层段，采用桥式滤水管；与砂槽对应的砂样采集笼的下部装入砂，上部装入粘土，所述的砂样采集笼的内部可拆卸的安装有一同轴设置的内管，所述的内管的下部设置有与桥式滤水管对应的内管滤水孔，该内管的下部形成固定弧形板以及与固定弧形板对接的开合弧形板，该开合弧形板的上部转动的安装在环形片上，在该固定弧形板的下部设置有对开合弧形板限位的卡扣；所述的砂样采集笼与砂样采集孔的孔壁之间设置止水圈，所述砂样采集笼顶部焊接吊环；所述的砂样采集笼与砂样采集孔的孔壁之间设置止水圈，所述砂样采集笼顶部焊接吊环；

（3）配置抽水设备、回灌设备及管路；抽水设备安装在开采井，供水管路与抽水设备连通，分布在开采井；回灌管路分布在回灌井，回灌设备作为水处理设备，安装连接在供水管路与回灌管路之间；

（4）在每一水位监测井中放入一与自吸泵连通的取水软管，该水位监测井同时作为示踪剂检测取样井使用；

（5）所有的水位监测井通过连通管与水平设置的补水管道相连通，在连通管上安装有连通管阀门，所述的补水管道位于热储层的外部；

（6）在砂槽外围接取水阀门，取水阀门安装在砂槽四周，自上而下均有分布，可实现对砂槽不同深度不同位置的水样提取，便于对各取水点的水样进行采集；

（7）在砂槽底部布设带有滤水孔的石油套管，在石油套管的外围包网后形成排水管，用于放空砂槽内存储的水；

（8）进行回灌实验。

在砂岩中布设的数个压力传感器呈网格状分布。

所述的热储层从上至下被设置成两层单元热储层，上层单元热储层厚度1m、孔隙度为25%、砂岩颗粒主要在0.075～0.25mm之间，下层单元热储层厚度2m、孔隙度为30%、砂岩颗粒主要在0.25～0.5mm之间。

所述的示踪剂检测取样水管的一端封闭，一端开口，在接近封闭端一侧的示踪剂检测取样水管上设置有滤水孔，在所述滤水孔的外围包覆有过滤网。

所述的砂样采集笼的直径为80～90mm。

本发明的优点是：结构简单，便于施工。可以突破实际采灌工程由于经济投入和场地限制等，无法采集热储层岩心的问题，便于试验、便于获取回灌后的热储原状岩心，提高了测试结果的、真实可靠性，为堵塞机理研究提供支撑。

附图说明

图1是本发明中各结构层的布置关系示意图。

图2是图1中热储层的压力传感器的布置示意图。

图3是图1中补水管道的连接关系示意图。

图4是图1中示踪剂检测取样水管的结构示意图。

图5是图1中砂样采集孔与砂样采集笼的装配关系示意图。

图6是图1中砂样采集笼和内管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图1至图6，本发明涉及一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）铺设模拟砂槽，上部采用粘土作为隔水层2（隔水层外壁5），下部采用砂岩作为热储层1，在砂岩中布设数个压力传感器，并进行编号；在热储层1中设置有多个取水点，每一取水点处埋设示踪剂检测取样水管10，并进行编号；位于同一直线上的示踪剂检测取样水管10长度不同；

（2）设置贯通隔水层以及热储层的开采井4和回灌井3，在开采井和回灌井之间，以及在开采井3和回灌井4的外围，均匀等距布设同层位的水位监测井6；在所述的开采井、回灌井以及水位监测井内布设压力水位计；所有的压力传感器以及压力水位计均通过数据采集器接入电脑；在隔水层和热储层上还布设砂样采集孔14，在该砂样采集孔14处的顶部安装有可折叠端盖，向砂样采集孔内放置砂样采集笼211，该砂样采集笼211的下部位于热储层段，采用桥式滤水管23（设置有过滤孔111）；与砂槽对应的砂样采集笼211的下部装入砂22，上部装入粘土21，所述的砂样采集笼211的内部可拆卸的安装有一同轴设置的内管212，所述的内管212的下部设置有与桥式滤水管对应的内管滤水孔，该内管的下部形成固定弧形板221以及与固定弧形板221对接的开合弧形板222，该开合弧形板222的上部转动的安装在环形片上，在该固定弧形板的下部设置有对开合弧形板限位的卡扣；所述的砂样采集笼与砂样采集孔的孔壁之间设置止水圈，所述砂样采集笼顶部焊接吊环；所述的砂样采集笼211与砂样采集孔的孔壁之间设置止水圈，所述砂样采集笼顶部焊接吊环；回灌试验前，打开采集笼放置砂样；回灌试验中，回灌水对砂笼中砂岩颗粒进行排列重组；回灌试验后，打开采集笼，取出砂样。

（3）配置抽水设备、回灌设备及管路：抽水设备安装在开采井，供水管路与抽水设备连通，分布在开采井；回灌管路分布在回灌井，回灌设备作为水处理设备，安装连接在供水管路与回灌管路之间；

（4）在每一水位监测井6中放入一与自吸泵连通的取水软管，该水位监测井同时作为示踪剂检测取样井使用；

（5）所有的水位监测井通过连通管与水平设置的补水管道9相连通，在连通管上安装有连通管阀门8，所述的补水管道9位于热储层1的外部；

（6）在砂槽外围接取水阀门，取水阀门安装在砂槽四周，自上而下均有分布，可实现对砂槽不同深度不同位置的水样提取，便于对各取水点的水样进行采集；

（7）在砂槽底部布设带有滤水孔的石油套管，在石油套管的外围包网后形成排水管，用于放空砂槽内存储的水；

（8）进行回灌实验，首先根据不同流量抽水，进行等量回灌；在试验中监测回灌井及各观测孔的水头升幅高度（压力），回灌试验结束后，吊取砂样采集笼，取得下部热储层内的岩心进行堵塞物采集与测试。所述岩芯堵塞物测试方法，采用电镜扫描、岩矿鉴定、微生物检测等手段进行鉴定。

在砂岩中布设的数个压力传感器7呈网格状分布。所述的热储层1从上至下被设置成两层单元热储层，上层单元热储层厚度1m、孔隙度为25%、砂岩颗粒主要在0.075～0.25mm之间，下层单元热储层厚度2m、孔隙度为30%、砂岩颗粒主要在0.25～0.5mm之间。

所述的示踪剂检测取样水管10的一端封闭，一端开口，在接近封闭端一侧的示踪剂检测取样水管上设置有滤水孔11，在所述滤水孔11的外围包覆有过滤网13。

所述的砂样采集笼的直径为80～90mm。

本发明的工作原理是：通过建立回灌模拟砂槽，开展回灌试验，获取模拟热储砂层岩心及水质进行化验，运用COMSOL软件，基于回灌井中的回灌流体从井口注入到井底的过程，开采井中的开采“热水”从井底抽采到井口的过程，会发生井中流体温度与周围岩石的热交换过程，运用井中流体的能量、动量和质量守恒方程，以及井壁附近岩石的能量守恒方程，建立模拟热储试验模型，分析回灌储层温度场、水动力场、水化学场的变化特征，研究堵塞物类型、影响程度、堵塞机理，进而提出堵塞防治措施，为砂岩热储地热资源可持续开发利用提供依据。

Claims (4)

1.一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)铺设模拟砂槽，上部采用粘土作为隔水层，下部采用砂岩作为热储层，在砂岩中布设数个压力传感器，并进行编号；在热储层中设置有多个取水点，每一取水点处埋设示踪剂检测取样水管，并进行编号；位于同一直线上的示踪剂检测取样水管长度不同；

(2)设置贯通隔水层以及热储层的开采井和回灌井，在开采井和回灌井之间，以及在开采井和回灌井的外围，均匀等距布设同层位的水位监测井；在所述的开采井、回灌井以及水位监测井内布设压力水位计；所有的压力传感器以及压力水位计均通过数据采集器接入电脑；在隔水层和热储层上还布设砂样采集孔，在该砂样采集孔处的顶部安装有可折叠端盖，向砂样采集孔内放置砂样采集笼，该砂样采集笼的下部位于热储层段，采用桥式滤水管；与砂槽对应的砂样采集笼的下部装入砂，上部装入粘土，所述的砂样采集笼的内部可拆卸的安装有一同轴设置的内管，所述的内管的下部设置有与桥式滤水管对应的内管滤水孔，该内管的下部形成固定弧形板以及与固定弧形板对接的开合弧形板，该开合弧形板的上部转动的安装在环形片上，在该固定弧形板的下部设置有对开合弧形板限位的卡扣；所述的砂样采集笼与砂样采集孔的孔壁之间设置止水圈，所述砂样采集笼顶部焊接吊环；

(3)配置抽水设备、回灌设备及管路：抽水设备安装在开采井，供水管路与抽水设备连通，分布在开采井；回灌管路分布在回灌井，回灌设备作为水处理设备，安装连接在供水管路与回灌管路之间；

(4)在每一水位监测井中放入一与自吸泵连通的取水软管，该水位监测井同时作为示踪剂检测取样井使用；

(5)所有的水位监测井通过连通管与水平设置的补水管道相连通，在连通管上安装有连通管阀门，所述的补水管道位于热储层的外部；

(6)在砂槽外围接取水阀门，取水阀门安装在砂槽四周，自上而下均有分布，可实现对砂槽不同深度不同位置的水样提取，便于对各取水点的水样进行采集；

(7)在砂槽底部布设带有滤水孔的石油套管，在石油套管的外围包网后形成排水管，用于放空砂槽内存储的水；

(8)进行回灌实验；

所述的热储层从上至下被设置成两层单元热储层，上层单元热储层厚度1m、孔隙度为25％、砂岩颗粒主要在0.075～0.25mm之间，下层单元热储层厚度2m、孔隙度为30％、砂岩颗粒主要在0.25～0.5mm之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，其特征在于，在砂岩中布设的数个压力传感器呈网格状分布。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，其特征在于，所述的示踪剂检测取样水管的一端封闭，一端开口，在接近封闭端一侧的示踪剂检测取样水管上设置有滤水孔，在所述滤水孔的外围包覆有过滤网。

4.根据权利要求1所述的一种用于研究地热回灌堵塞机理的模拟试验方法，其特征在于，所述的砂样采集笼的直径为80～90mm。

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