郭朝斌， 張可倪， 曾繁興， 王笑雨

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804; 2. 北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院， 北京 100875)

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巖屑漿液回注場地儲層容量及影響半徑評估

郭朝斌1， 張可倪1， 曾繁興1， 王笑雨2

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804; 2. 北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院， 北京 100875)

在連續(xù)定量注入方式下針對影響儲層容量及影響半徑的兩個關(guān)鍵參數(shù)即不同地層埋深與注入層滲透率，采用數(shù)值模擬的方法進行參數(shù)敏感性分析.結(jié)果表明不同地層埋深及地層滲透率變化對儲層容量近似為指數(shù)型變化，對影響半徑近似為線性變化.因此，在實際工程中對儲層容量及影響半徑評估時應(yīng)根據(jù)不同的回注量需要綜合考慮地層埋深及地層滲透率的影響.

賓漢流體；TOUGH2； 漿液回注； 儲層容量； 影響半徑

鉆井廢棄物的處理技術(shù)方法應(yīng)遵循減量化、資源化和無害化等原則[1-2].漿液回注通常是將鉆井廢棄物研磨成粉末配比成漿液，回注到地層中，該技術(shù)在經(jīng)濟性、可行性以及環(huán)境績效方面具有較大的優(yōu)勢[1]，是鉆井廢棄物處理的重要技術(shù)方法之一.巖屑漿液(以下簡稱漿液)回注過程中由于回注到地下深部地層中，復(fù)雜的地質(zhì)條件及非均質(zhì)性等使得在回注容量及影響半徑等方面無法有效地描述.

在評估地層儲量及漿液影響半徑時，地層的埋深及地層滲透率為重要的影響參數(shù)，在很大程度上影響漿液回注的可行性、安全性及經(jīng)濟性.漿液在注入到地下深部地層過程及在地層中的運移變化涉及到注入率、總儲量、壓力積聚、液相漿液分布等諸多多相流方面的問題，涉及到熱學(xué)、水文地質(zhì)、力學(xué)及化學(xué)等方面的耦合，此時需要數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬方法，通過計算機程序綜合各種因素耦合運移變化過程來研究漿液回注過程中的問題，在一定程度上可有效描述漿液在注入到深部地層后的演變等過程.當前國內(nèi)外對巖屑漿液回注模擬，特別是賓漢流體在深部地層中滲流運移過程的相關(guān)研究描述較少.本文基于已有TOUGH2軟件框架，結(jié)合賓漢流體運移規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法分析地層埋深與滲透率對漿液回注工程中地層儲量及影響半徑的影響.

1　研究現(xiàn)狀

在油氣田開采中使用漿液回注技術(shù)可減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益.我國蓬萊9-3油田在1期開發(fā)中為避免污染渤海灣的海洋環(huán)境，首次在國內(nèi)油田的開發(fā)中使用巖屑回注技術(shù)，實現(xiàn)了油基鉆井液在海上應(yīng)用的零排放[3].美國德克薩斯州東部的一些地區(qū)已建成了一定數(shù)量的回注井，使用地層破裂的方法進行回注以處理來自墨西哥灣海上平臺的鉆井廢棄物[4].此外泰國灣，俄羅斯遠東海域等地區(qū)的海上鉆井作業(yè)均采用了巖屑回注技術(shù)[5].

漿液回注理論可用以指導(dǎo)漿液回注工程的設(shè)計和施工.是在多相流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要對漿液在地層中的流動形式進行分析，建立注漿壓力、注入方式(定量注入或定壓注入)、影響半徑等參數(shù)以及相互之間的關(guān)系[6].目前漿液回注理論主要有滲透注漿理論，裂隙巖體的注漿理論等[6].對于滲透注漿理論與實踐，郝哲等[7]總結(jié)出4種流體模型，研究有關(guān)滲透注漿的裂隙流、裂隙巖體擴散及多孔相互影響等問題.

數(shù)學(xué)模型在評估漿液回注可行性上具有重要的作用，是設(shè)計和實施漿液回注重要的工具之一.國內(nèi)外已有多個注漿參數(shù)的模擬實驗及數(shù)學(xué)模型[8-10].相關(guān)實驗研究表明，在裂隙巖體中進行注漿時漿液擴散半徑、注漿后試件的抗壓強度及滲透系數(shù)均受到裂隙寬度、注漿壓力及水灰比等因素的影響[11].在漿液模型及數(shù)值計算方面，研究用到的模擬軟件有ANSYS-CFX[12].Kim[13]使用網(wǎng)格模型的方法，研究了考慮滲濾效應(yīng)的砂柱注漿模型[14].目前對于地下灌注標準方面，美國是第一個在法律方面認可地下灌注的國家，美國環(huán)保署在1980年頒布地下灌注控制法規(guī)，并在1988年補充危險廢液回注論證的規(guī)定，確保有害廢液永久(10 000年內(nèi))不得發(fā)生泄漏事故.俄羅斯與加拿大等國家也相應(yīng)開展評估，我國地下灌注技術(shù)剛起步，尚未展開正式應(yīng)用，與之配套法律標準等尚未全面[15].

2　理論分析及試驗驗證

2.1理論分析

模擬軟件基于TOUGH2框架，在EOS7模塊的基礎(chǔ)上開發(fā)出漿液模擬模塊[16-18]，主要用于非牛頓流體(如賓漢流體)漿液回注過程中流體在地下運移規(guī)律.主要描述過程為漿液非牛頓流體(賓漢流體)流動過程，漿液與水的混溶流動過程(滿足達西定律，漿液質(zhì)量分數(shù)足夠大時進行有效壓強梯度修正)，漿液與水混溶流體的沉淀與溶解過程.模擬流動系統(tǒng)主要考慮的組分為水和漿液，可存在固液兩種狀態(tài).漿液組分在固液兩相中通過釋水沉淀和吸水溶解轉(zhuǎn)換.

在TOUGH2模擬器中漿液描述為賓漢流體[19]，其描述數(shù)學(xué)形式為

其中，τ為剪應(yīng)力;dv/dy為剪應(yīng)速度;η為運動粘性系數(shù);τ0為屈服應(yīng)力(屈服值).

在數(shù)值模擬計算中，對賓漢流體的有效壓強梯度進行矯正比描述其表觀粘度有更高的運算效率，因此賓漢流體服從的達西定律為[20]

其中:v表示速度;k是絕對滲透率；kr是相對滲透率;μb是賓漢流體的塑性粘度系數(shù)，與漿液質(zhì)量分數(shù)相關(guān)；ΔΦe是有效壓強梯度；G是使得賓漢流體流動的最小壓強梯度，滿足[21]：

其中,α是經(jīng)驗系數(shù)或擬合參數(shù).

2.2試驗驗證

通過20d的漿液回注試驗驗證模型計算的可靠性.根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)建立模型，將壓力監(jiān)測值(井口監(jiān)測壓力加上井口到注入點的靜水壓力值)與模擬值進行比對，得到圖1注入壓力模擬值與監(jiān)測值對比圖，圖中所示壓力為每天最大壓力.從圖中可以看出，模擬值可較好表述實際壓力的變化.導(dǎo)致模擬與監(jiān)測壓力誤差的原因之一是在實際注入的過程中，漿液中黃原膠、頂替水等比例變化，但模型中為固定比例，故模擬值與監(jiān)測值有一定的差別.

圖1　監(jiān)測壓力與模擬壓力對比圖

Fig.1Comparisonofthemonitoredandsimulatedpressureduringtheinjectionperiod(20days)

3　地層埋深與滲透率對儲層容量及影響半徑的影響分析

在判斷儲層容量時，以連續(xù)定量注入方式為例，選擇1.5倍地層靜水平衡壓力(以P0表示)作為地層安全壓力閥值，即地層中最大壓力積聚處達到1.5 P0時，認為地層不能繼續(xù)注入，此時的注入量作為儲層容量.影響半徑的描述以地層中出現(xiàn)漿液作為判斷，以漿液飽和度為0.1為判斷標準，地層中漿液飽和度為0.1的最遠位置到注入點的距離為影響半徑.

3.1基本模型建立

3.1.1模型建立

為研究地層埋深及滲透率對儲層容量及影響半徑的影響，在實際試驗獲取地層參數(shù)的基礎(chǔ)上，簡化其他影響因素的影響，建立均質(zhì)等厚的理想模型(圖2)，圖中,Q為注入量,H為地層厚度,R為模型半徑.以注入井為中心，平面上選擇半徑R為10km的范圍用于模型計算.徑向剖分為792個網(wǎng)格，最小半徑為2m，從井孔向外逐漸變大，最大半徑為15m.垂

向上根據(jù)注入井測井數(shù)據(jù)進行簡化，主要研究地層厚H為253m，剖分成28層，見表1.假設(shè)地層均質(zhì)等厚，水平向各向同性，假設(shè)kx=ky=10kz.初始條件為靜水壓力平衡狀態(tài)，模型頂部地層埋深為1 500m，四周為無流量邊界條件.模型中上下邊界層為低滲泥巖，起到封蓋層的作用，砂巖中間夾層假設(shè)為泥巖層，滲透率較低，起到部分封蓋作用.通過分析地層參數(shù)及前期預(yù)研究，中下部地層適合漿液回注，在模型相應(yīng)層段進行射孔注入，以2kg·s-1速率連續(xù)注入.

圖2　基本模型示意圖

層號巖性層厚/m層數(shù)孔隙度滲透率kx=ky=10kz/10-15m2套管開孔相對模型頂部深度/m1～2泥巖(上覆層)50.0020.150.013～4砂巖10.6720.242435泥巖2.1310.15406砂巖4.5710.242437泥巖3.0510.150.28砂巖4.8810.242439～12泥巖34.1340.150.213～15砂巖13.4130.2095射孔段-11016泥巖2.4410.150.217～18砂巖6.1020.2095射孔段-12619泥巖3.0510.150.220砂巖2.4410.2095射孔段-13521～25泥巖62.7950.150.226砂巖3.6610.1540射孔段-20127～28泥巖(下伏層)50.0020.150.01

3.1.2結(jié)果分析

選擇距離注入井不同距離的位置點作為監(jiān)測點分析壓力變化，以第13層為例，如圖3所示.距離注入井不同距離的監(jiān)測點壓力變化趨勢相同，其中注入點的壓力變化幅度最大，在連續(xù)注入到3 680d時，最先達到原始靜水壓力P0的1.5倍，此時認為達到地層安全壓力閥值，達到最大注入量.

圖4為地層達到安全壓力閾值時，第13層中液相和固相漿液質(zhì)量變化圖.由圖4可知，在連續(xù)注入的過程中液相漿液質(zhì)量大于固相漿液質(zhì)量，這是因為在連續(xù)注入過程中壓力梯度保持較大值，大部分漿液以液相形式存在.圖5所示為液相漿液質(zhì)量分數(shù)在地層中隨時間的變化，在3 680d時影響半徑約145m.圖6為地層中固相漿液飽和度隨時間變化圖，隨著時間的變化，在暈的邊緣不斷產(chǎn)生沉淀.從圖6中可以看出，沉淀主要集中在邊緣，少量部分分

圖3　　　　連續(xù)定量注入模型中注入層(第13層)地層壓力與地層安全注入時間的確定

Fig.3Pressureoftheinjectionlayer(No.13)underconstantrateinjectionmodeandthedeterminationofinjectionlife

布在地層中.這是因為暈的邊緣處壓力梯度較小，小于賓漢流體描述公式中的屈服值，根據(jù)賓漢流體的性質(zhì)，此時漿液不再流動，在數(shù)小時內(nèi)逐漸沉淀.隨著連續(xù)注入，壓力梯度逐漸增大到大于屈服值，產(chǎn)生的沉淀又逐漸開始溶解，模型中漿液溶解速率小于沉淀速率，所以在地層中仍存在少量的固相沉淀.另外，模型中隔離層由于滲透率極低，隔離效果明顯，漿液注入層之間無明顯擴散現(xiàn)象.

圖4　　　　定量連續(xù)注入方式下注入層(第13層)中漿液質(zhì)量變化圖

a 時間 20 d

b 時間1 800 d

c 時間 3 680 d

3.2不同地層埋深下儲層容量及影響半徑分析

3.2.1方案設(shè)計

為研究不同地層埋深對回注目標地層容量及影響半徑的影響，設(shè)計不同地層埋深(地下800，1 000，1 200，1 500，1 800m)方案.計算分析注入后漿液在地下空間的分布和地層中壓力的變化，確定地層容量及影響半徑.與基本模型相同，回注方式采用連續(xù)注入，注入速率為2kg·s-1，選擇1.5P0為地層安全壓力閾值.

3.2.2結(jié)果分析

在注入層，封蓋層及部分低滲地層中選擇監(jiān)測點，監(jiān)測其壓力變化.圖7為各個方案主要注入層壓力隨時間變化圖，包含注入點，距離注入點距離分別為0，13，31，60，99m.各監(jiān)測點在注入周期的壓力變化基本符合預(yù)期預(yù)測，在每個監(jiān)測點的壓力緩慢升高，并且隨著監(jiān)測點的深度加深，壓力變化增大.在每個方案中，第13層注入點網(wǎng)格監(jiān)測點壓力變化最大，最先達到注入層的安全壓力閾值，即1.5P0，漿液注入停止.

a 時間 20 d

b 時間1 800 d

c 時間 3 680 d

a 埋深800 m

b 埋深1 000 m

c 埋深1 200 m

d 埋深1 800 m

地層埋深800m時(圖7a)，在211d左右達到地層安全壓力閾值，此時，地層中注入總量為3.81×107kg，影響半徑大約為49m.其余各地層埋深的注入量、影響半徑見表2.頂部地層埋深越深，其注入量越多，影響半徑越大，當?shù)貙勇裆顬? 800m時，注入量最大，為1.14×109kg.地層注入量與地層埋深變化趨勢如圖8所示，通過數(shù)據(jù)分析得到圖中的計算公式.圖9為不同地層埋深方案對應(yīng)影響半徑變化圖，可近似認為線性變化.

表2　不同地層埋深注入量及影響半徑

圖8　不同地層埋深儲層注入量變化圖

3.3不同地層滲透率對儲層容量及影響半徑影響

3.3.1方案設(shè)計

地層滲透率為影響流體運移的重要因素之一，影響流體運移及壓力的傳播等近而影響地層儲量及影響半徑的評估，因此有必要針對滲透率進行敏感性分析.以基本模型滲透率為基準，選擇0.6, 0.8, 1.0, 1,2, 1.4倍基本模型滲透率進行研究.

圖9　不同地層埋深影響半徑變化圖

3.3.2結(jié)果分析

同樣假設(shè)地層安全壓力閾值為1.5倍的原始靜水壓力，如圖10所示，確定地層安全回注時間.

圖10　不同滲透率比例方案壓力變化及回注時間確定

表3為不同滲透率比例方案下注入量及影響半徑的結(jié)果.對地層不同滲透率敏感性分析結(jié)果表明，不同的滲透率對漿液注入量及影響半徑具有較大的影響.

對于漿液注入量和注入時間，圖11中漿液注入量與滲透率比例變化，兩者近似成指數(shù)型函數(shù)變化關(guān)系.對于影響半徑，如圖12所示，近似成線性變化關(guān)系.因此在評估地層回注容量及影響半徑時，需要盡可能精確測量地層滲透率，因為較小倍數(shù)滲透率的變化，帶來的地層容量及影響半徑的評估將會產(chǎn)生較大誤差.

表3　不同滲透率比例方案注入量及影響半徑對比

圖11　不同滲透率比例下漿液注入量及注入時間變化圖

圖12　不同滲透率比例方案影響半徑變化圖

4　結(jié)語

漿液回注工程中，地層漿液回注容量及影響半徑的評估是工程設(shè)計與施工的前期重要步驟之一.數(shù)值模擬方法作為儲量及影響半徑評估時常用方法之一，TOUGH2漿液模擬模塊可描述漿液作為賓漢流體流動過程，漿液與水的混溶流動過程(滿足達西定律，漿液質(zhì)量分數(shù)足夠大時進行有效壓強梯度修正)以及漿液與水混溶流體的沉淀與溶解過程.不同地層埋深及不同滲透率較小倍數(shù)的變化對評估儲層容量影響較大，均表現(xiàn)出近似指數(shù)形式變化的結(jié)果.對于影響半徑近似為線性變化.根據(jù)不同漿液回注工程的回注量及影響半徑的控制，應(yīng)當選擇適當?shù)貙勇裆罴皾B透率.

模擬軟件對儲層容量及影響半徑的判斷仍然存在一些不足，如模型中漿液需按固定比例注入，在實際情況中會根據(jù)漿液回注量而變化，另外，理想模型中地層埋深及滲透率對儲層容量及影響半徑的影響均為單因素變化，在實際情況中儲層容量和影響半徑會受到地層埋深、滲透率、孔隙度等多因素綜合影響，需要結(jié)合實際工程應(yīng)用進行綜合判斷.

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AssessmentofReservoirCapacityandInfluenceRangeinSlurryInjection

GUOChaobin1,ZHANGKeni1,ZENGFanxing1,WANGXiaoyu2

(1.SchoolofMechanicalandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China; 2.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Inaslurryreinjectionproject,theevaluationofreservoirstoragecapacityandinfluencerangearetwoimportantaspects,especiallyduringtheprocessofdesignandconstruction.Twokeyparameters,theformationdepthandtheformationpermeability,wereevaluatedandtheirsensitivitieswereanalyzedbyusingnumericalsimulationmethodforthecaseofinjectionwithconstantrate.Ourresultsshowthatthereservoirstoragecapacitycanbeapproximatedasanexponentialfunctionoftheinjectionformationdepthandpermeability.Theinfluencerangeiskindoflinearfunctionofthetwoparameters.Theresultsindicatethatstoragecapacityandinfluencerangecanbesignificantlyaffectedbythetwoparameters.Therefore,intheprocessofevaluationofreservoirstoragecapacityandinfluencerange,theinfluenceofformationdepthandpermeabilityshouldbeseriouslyconsidered.

Binghamfluid；TOUGH2；slurryinjection；reservoirstoragecapacity；influencerange

2015-03-18

能源科技發(fā)展項目專項(NY20111102-1)

郭朝斌(1989—)，男，博士生，主要研究方向為多相流數(shù)值模擬.E-mail：cugbgcb@163.com

張可倪(1964—)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為多相流數(shù)值模擬.E-mail：keniz@hotmail.com

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