水文地质参数有哪些(地热采灌井井间距分析)

Posted 2023-05-30

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水文地质参数有哪些(地热采灌井井间距分析)

地热采灌井井间距分析—以山东德州陵城某工程为例

梁晗孟超（中能建地热有限公司北京 100022）

摘要：为探究地热采灌井合理井间距，以山东德州某工程为例，通过多种计算模型进行采灌井井间距计算，并利用Geothermal Kits软件做出最优井距下的水流场、温度场模拟图，结果表明该研究区采灌井的合理间距为 600m。
关键词：采灌井，井间距，Geothermal Kits

引言

随着社会经济的飞速发展，煤、石油、天然气等传统能源日趋紧张，寻找新能源成为当代的主要命题。我国政府非常重视新能源和可再生能源的开发利用，在《可再生能源法》和《可再生能源中长期发展规划（2007-2020年）》的推动下，我国可再生能源已步入快速发展阶段。地热资源作为一种绿色可再生能源，在生产生活中扮演着越来越重要的角色，广泛应用于供暖、医疗、种植、养殖等领域。2019年河南、山东、河北三省的中深层地热供暖面积分别达到8900万、6100万和1.6亿m2 。当前雾霾频发，空气污染严重，地热资源的开发利用对于改善环境质量、缓解能源紧张状况、调整能源消费结构，培育新的经济增长点具有积极的作用，其优越性逐步被社会所认可，其开发利用规模必将逐步扩大。而回灌是水热型地热开发的必由之路，因此合理的采灌井井间距尤为重要，否则将会对相邻地热井的水量、水位及水温等产生影响。因此开展地热水水流数值模拟研究，科学合理确定采灌井间距，对降低地热井间的干扰程度，使地热开发步入良性循环轨道，实现地热开发的可持续性具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 构造

DR1井位于陵城区糜镇吉祥社区内，在地质构造上属于华北板块（Ⅰ级）、华北坳陷区Ⅰ（Ⅱ 级）、济阳坳陷区Ⅰa(Ⅲ级)、无棣潜断隆Ⅰa2 （Ⅳ级）、无棣潜凸起Ⅰa23（Ⅴ级）内。无棣潜凸起Ⅰa23东北为大山潜凹陷Ⅰa22，西北为柴胡庄潜凹陷Ⅰa21，东为沾化潜凹陷Ⅰa51，西部逐渐过渡到与德州潜凹陷Ⅰb21相连，南部为惠民潜凹陷 Ⅰa42，西南为临邑潜凹陷Ⅰa41。详见图1区域地质构造简图。

图1 区域地质构造简图

1.2 热储特征

本区地热资源主要赋存于新生界新近纪馆陶组碎屑沉积岩中，地表无热流显示，属于传导型地热资源，热储类型为层状孔隙型热储，地热资源属温水—水热型低温地热资源。

本区地层自上而下为第四纪平原组、新近纪明化镇组、新近纪馆陶组、古近纪沙河街组地层。上覆第四纪平原组及新近纪明化镇组岩性主要为粘性土、砂性土夹松散砂层，其密度小，导热性能差，热阻大，构成了区内天然的良好热储保温层。本区的热源主要来自上地幔传导热流和地壳深部的正常传导热流。本区地热水属大气成因，具有大陆溶滤水的特征，其补给源除一部分为盆地沉积物形成时保存下来的沉积水和封存水外；另一部分为沉积物形成后，在漫长的地质历史时期中由大气降水补给。

1.3 抽水试验

对DR1井开展了三个落程的抽水试验进行了描述，以确定单井出水量、渗透性、影响半径等水文地质参数，并采集水样进行测试分析。试验设备采用250-QJ150型高温电热潜水泵，水泵功率 75KW，扬程150m，以钻杆代替泵管，下入深度 120m。通过变频设备控制抽水流量，用三角堰观测水量，用水银温度计观测井口水温和气温，用测绳及电流表测量水位埋深，试验结果见表1。

表1 DR井抽水试验成果表表1 DR井抽水试验成果表

2 采灌井井间距计算

2.1 基于热突破时间进行计算

将模型简化为在隔水隔热均一等厚的热储层，热量靠对流方式传递，对井系统的热突破公式为：

式中： t—热突破时间（d），取50a； R1—井间距（m）。

Q—回灌条件下允许开采量（m3 /d），取 2160；

M—热储层厚度（m），取180.7；

φ—热储岩石孔隙度，取0.26；

ρw—热储水的密度（kg/m3 ），取985.7；

ρz—岩石的密度（kg/m3 ），取2000；

Cw—热储水的比热（kJ/kg.℃），取4.2；

Cz—岩石的比热（kJ/kg.℃），取0.8；

基于DR1井相关地质参数进行计算得到： R1=617m，即基于50年内不产生热突破的合理采灌井井间距为617m。

2.2 基于抽水试验资料计算

将抽水过程理想化为地热单井稳定流降压试验时，采用Dupuit公式及W.Sihardt公式，利用叠代法求取影响半径R2。公式如下：

式中： K—热储平均温度下的热储层渗透系数（m/s）；

Q—抽水流量（m3 /s），取324000；

Sw—抽水井稳定水位降深（m），取11.3；

M—热储层厚度（m），取180.7； R2—影响半径；

rw—抽水井热储段井半径（m），取0.0889。

基于抽水试验资料，采用Dupuit公式及 W.Sihardt公式，计算得R2=125m，此时合理的井间距为250m。

2.3 基于地热回灌条件下单井开采权益保护半径计算

对于研究区而言，假设：

①除了抽取和回灌的热量外，系统与外界没有能量交换；

②按回灌条件下开采50年，热储温度下降 1℃；

③回灌未发生热突破且抽水井井口温度与热储层回灌前温度一致；

采用下式估算回灌条件下地热井的影响半径：

式中： R3—回灌条件下地热井对热储的影响半径（m）；

α—回灌率，取100%；

t—时间（d），取50年；

δ —热储温度下降1℃所减少的地热储存量的百分比；

Qp—回灌条件下允许开采量（m3 /d），取 2160；

Qh—回灌量（m3 /d），取2160；

Tr—回灌水温度（℃），取25 ；

Th—热储回灌前温度，取55℃；

T0—基准温度（℃），取12.7；

计算得到R3=187m，即基于上述条件采灌井井间距为374m。

2.4 基于Geothermal Kits进行地热井井间距计算

Geothermal Kits是中科院汪集暘院士团队领衔开发的地热数值模拟软件，它是由Python语言编写的为实现地热资源可持续开发服务的计算机程序。本软件井距计算的核心算法基于 Kong et al. (2017)，计算过程中调用了德国亥姆霍兹环境研究中心Olaf Kolditz团队开发的开源数值模拟软件 OpenGeoSys（Kolditz et al., 2012）。该软件井距计算模块采用了Kong et al. (2017)中所提出的算法，对于本算法的水流方程与热传输过程简述如下：

多孔介质的水流方程，依据单元格内的质量守恒，可以写作：

其中，Ss为贮水率，P为水压，k为渗透率，μ是流体动力粘滞系数,ρl 是流体密度，g是重力常数，q是水流源汇项；

热传输过程包括对流与扩散两个过程，用如下方程表示：

其中，ρ是介质（储层）密度，cp是介质(储层）比热，cl 是流体比热，v是流速，T是温度，λ 是热导率，qT 是热流源汇项。

DR1井相关输入参数见表2、表3。

表2 采灌井基本参数表

表3 开采井地质参数表

基于以上参数，通过软件得出不同条件下的井距-温度变化，井距-水位变化，如图2-图3所示。

图2 井距-温度变化曲线图

图3 井距-水位变化曲线图

由图2可以看出，随着井间距的加大，温度变化幅度明显下降，且当采灌井间距小于500m时，对出水温度影响变化很大，600m以后的出水温度变化受井距影响基本可以忽略不计，即采灌井之间不会产生热突破，再加大采灌井井间距已无意义。因此，考虑温度场影响，地热采灌井的合理井间距为600m。

由图3可以看出，随着井间距的加大，水位变化幅度明显下降，当采灌井间距小于400m时，水位变化很大，说明400m范围以内采灌井之间发生了较为明显的水力联系，500m以后水位变化受井距影响基本可以忽略不计，继续加大采灌井间距已无意义。因此，考虑水位影响，地热采灌井的合理井间距为500m。

综上，基于Geothermal Kits软件计算得出该区地热采灌井合理的井间距为600m。

针对上述计算结果，利用Geothermal Kits对井间距为600m时，50年内的温度场及水流场进行模拟，结果如下：

从上述温度场、水流场分布图中可以看出地下热水运移情况：回灌入含水层的地热水不再以井筒为中心均匀分布，而是有了明显的偏移。在运行初期，地下水的天然流场受采灌作用的影响范围较小，随着抽水时间延长，形成的新流场方向被拉长，逐渐消切变扁，呈椭圆形，且椭圆形区域的影响范围逐渐扩大，但600m范围以内，50 年内未出现流场贯通，600m范围以外，地下水流场在采、灌水及边界的源汇项共同作用下仍然非常稳定。综上说明该研究区采灌井井间距为600m 是合理的。

图4 第1年温度场、水流场分布图

图5 第10年温度场、水流场分布图

图6 第20年温度场、水流场分布图

图7 第30年温度场、水流场分布图

图8 第40年温度场、水流场分布图

图9 第50年温度场、水流场分布图

3 结语

本文通过以上多种井间距计算方法，结合温度场及水流场的动态模拟，可以看出该研究区采灌井的合理间距为600m。地热井开采过程中应进行长期的动态观测工作，及时调整后期开发过程中地热井数量、布井间距，以使地热井井间干扰处于可控状态，保证地热井的使用年限。地热井开发利用过程中，应进行示踪试验，与构建的地热数值模拟模型相互印证，必要时对模型进行不断修改完善。

参考文献 [1] 水电水利规划设计总院.《中国可再生能源发展报告2019》[J]. 北京:中国水利水电出版社, 2020. [2] DZ/T 0331-2020,地热资源评价方法及估算规程[S].北京:中国标准出版社出版,2020. [3] GBT 11615-2010,地热资源地质勘查规范 [S].北京:中国标准出版社出版,2005. [4] Kong Y , Pang Z , Shao H , et al. Optimization of well-doublet placement in geothermal reservoirs using numerical sim ula ti o n a n d e c o n omi c a nal y si s[ J] . En vi r onm en tal Ea r th S ci en c e s , 20 1 7 , 76(3):118.

来源：《地源热泵》杂志