地热回灌条件下流体可采量评价方法

刘志明，梁继运，刘春雷

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)



地热回灌条件下流体可采量评价方法

刘志明，梁继运，刘春雷

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

[摘要]通过尝试运用回灌条件下单井开采权益保护半径的方法和热突破公式计算回灌条件下流体可开采量，形成了回灌条件下流体可开采量评价体系。并进行了实例计算，结果表明，随着回灌温度的增大，越不易于发生热突破，其流体可开采量也迅速增大。

[关键词]地热；回灌；流体；可开采量；单井开采权益保护半径；热突破；评价；方法

地热资源是指能够经济地被人类利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分，目前可利用的地热资源主要包括：天然出露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地热能、通过人工钻井直接利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源[1]。目前，由于市场化盲目开发利用地热资源，引发诸多环境问题。如热储压力下降，开成压力降落漏斗等。因而，为了地热资源的可持开发利用，地热回灌势在必行。

《地热资源地质勘查规范》[1]中明确提出了单井开采权益保护半径的概念和计算方法。笔者在此基础上，提出了回灌条件下计算单井(将开采井和与之配套的回灌井看作一个单井)开采权益保护半径的方法[2]。Gringarten和Sauty[3]提出了热突破公式。本文尝试运用回灌条件下单井开采权益保护半径的方法和热突破公式计算回灌条件下流体可开采量，形成回灌条件下流体可开采量评价体系。

1评价公式与适用条件

1.1未回灌条件下流体可开采量计算公式

根据《地热资源地质勘查规范》[1]，对于盆地型地热田，按单井允许开采量开采100 a，消耗15%左右地热储量，采用下式估算地热井对热储的影响半径，视其为单井开采权益保护半径。

(1)

式中：Q为地热井产量(m3/d)；f为水热容与热储热容的比值，f=ρwCw/(φρwCw+(1-φ)ρrCr)；ρw为水密度(kg/m3)；Cw为水比热(J/kg·℃)；ρr为热储岩石密度(kg/m3)；Cr为热储岩石比热(J/kg·℃)；φ为热储孔隙度；H为热储层厚度(m)；R1为地热井开采对热储的影响半径(m)。

因此，其流体可开采量计算公式如下。

(2)

式中：Q允3为未回灌条件下流体可开采量(m3/d)。

1.2回灌条件下流体可开采量计算公式

(1)采用热突破公式的计算公式

根据Gringartent和Sauty[3]，在隔水隔热均一等厚的热储层中，热量只靠对流方式传递时，对井系统的热突破公式为：

(3)

式中：t为热突破时间(d)；R2为两井间距(m)。

当t取100 a，36 500 d时，(3)式可变换成以下形式。

(4)

那么，回灌条件下流体可开采量可按下式计算。

(5)

式中：Q允2为采用热突破公式计算的回灌条件下流体可开采量(m3/d)。

(2)采用地热回灌条件下单井开采权益保护半径的计算公式

根据文献[2]，满足假设条件：(1)除了抽取和回灌的热量外，系统与外界没有能量交换；(2)开采100 a，消耗15%左右地热储量；(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对热储的影响半径。

(6)

式中：α=(T2-T0)/(T1-T0)；β为回灌率，β=Q回/Q抽；T2为回灌水温度(℃)；T1为热储回灌前温度(℃)，T0为基准温度(℃)，一般取恒温层温度或多年平均气温；Q回为回灌量(m3/d)；Q抽为抽水量(m3/d)；R3为回灌条件下地热井对热储的影响半径(m)。

那么，回灌条件下流体可开采量可用以下公式计算。

(7)

式中：Q允1为采用单井开采权益保护半径计算的回灌条件下流体可开采量(m3/d)。

根据回灌未发生热突破这个条件可知R2≤R3，则αβ≤0.55，这是(6)式和(7)式计算的充分必要条件。

这样，当αβ≤0.55时，流体可开采量取Q允1，否则，流体可开采量取Q允2，就形成了回灌条件下流体可开采量评价体系。

2评价实例

2.1研究区概况

华北平原是地热资源丰富的区域，从总体上看，属于传导为主的大地热流作用机制下形成的以中、低温热水型为主的地热资源区[4]。主要的热储层为：新近系明化镇组和馆陶组，古近系含水岩组，下古生界及中、上元古界岩溶含水岩组[4、5、6]。地热资源已广泛应用于地热供暖、地热种植、地热养殖、地热洗浴及疗养、轻工业及农副业加工等各个领域[7]。

深泽县位于华北平原中西部，河北省中南部。东接安平县，西接无极县，南与辛集市、晋州市相邻，北与定州市、安国市相连。总面积296.38 km2。深泽县主要热储层为新近系馆陶组。馆陶组顶板埋深924～1 300 m，底板埋深1 300～1 900 m。热储层厚度150～200 m。地层岩性上部为紫红色泥岩，灰绿色砂质泥岩与灰白色、浅灰色粉砂岩呈互层交互出现，下部以紫红色泥岩、砂质泥岩、灰白色含砾石粉砂岩为主，夹灰绿色薄层粉砂岩、含砾粗砂岩等。上部砂岩分选较好，磨圆中等，呈半胶结状，下部砂砾岩胶结较致密，砾石粒径大小不一，分选较差，磨圆差，呈次棱角状，直径一般为3～4 mm。地热井单井涌水量1 800～2 208 m3/d，地下水化学类型为HCO3·SO4-Na、HCO3-Na、HCO3·Cl-Na型水，矿化度为689～974 mg/L，井口温度60℃～63℃。全县共有地热井12眼，有10眼分布于县城，均开采馆陶组热水。根据张德忠、王蕴玉[8]的研究，深泽县属于非地热异常区的中低温地热资源区。

2.2计算参数

岩石比热和密度是根据岩性采用的经验值。岩石孔隙度采用的是实测值。热储层厚度、回灌前温度采用的是平均值。基准温度取13℃。回灌率按100%回灌计算。具体计算参数和计算结果见表1和表2。

表1　研究区计算参数与计算结果一览表(T2=25℃)

表2　研究区计算参数与计算结果一览表(T2=40℃)

2.3计算结果分析

当T2取25℃时，αβ=0.247<0.55，未发生热突破，计算的回灌条件下的Q允1小于Q允2，大于未回灌条件下的Q允3，Q允1约是Q允2的0.6倍，Q允1约是Q允3的1.33倍，较为合理，因而回灌条件下流体可开采量可取Q允1值，为188 999.79 m3/d。也就是说回灌条件下的流体可开采量应取采用单井开采权益保护半径的计算值。

当T2取40℃时，αβ=0.557>0.55，发生了热突破，计算的回灌条件下的Q允1大于Q允2，且大于未回灌条件下的Q允3，Q允1约是Q允2的1.02倍，Q允1约是Q允3的2.26倍，因而回灌条件下流体可开采量取Q允1值不合理，应取Q允2值，为316 082.12 m3/d，也就是说回灌条件下的流体可开采量应取采用热突破公式的计算值。

从表1、表2和前面的分析，可以看出当回灌温度增大时，不易发生热突破，其流体可开采量迅速增大。采用热突破公式计算的回灌条件下流体可开采量是不随回灌温度而变化的，因而，当αβ≤0.55时，采用热突破公式计算的回灌条件下流体可开采量是不合理的。

3结语

通过尝试运用回灌条件下单井开采权益保护半径的方法和热突破公式计算回灌条件下流体可开采量，形成了回灌条件下流体可开采量评价体系，具体如下：

实例计算表明，随着回灌温度的增大，越不易于发生热突破，其流体可开采量也迅速增大。

参考文献

[1]GB/T11615-2010.地热资源地质勘查规范.2010.

[2]刘志明，王贵玲，蔺文静. 地热回灌条件下单井开采权益保护半径的计算. 地下水.2014，36(6)：72-75.

[3]Gringarten, A. C., Sauty, J. P.. A theoretical study of heat extraction from aquifers with uniform regional flow. J. Geophys. Res., 1975, 80: 4956-4962.

[4]陈墨香，等. 华北地热. 北京：科学出版社.1988.

[5]陈墨香，汪集旸，等. 中国地热资源——形成特点和潜力评估. 北京：科学出版社.1994.

[6]陈望和. 河北地下水. 北京：地震出版社.1999.

[7]张国斌. 河北省地热资源分布特征、开发利用现状、存在问题与建议. 中国煤田地质. 2006, 18(增刊)：25-27.

[8]张德忠，王蕴玉. 河北平原非地热异常区地热资源. 地球学报.2000， 21(2)：151-154.

Assessment Method of Geothermal Fluid Exploitable Reserve under Condition of Reinjection

LIU Zhi-ming，LIANG Ji-yun，LIU Chun-lei

(Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS, Shijiazhuang 050061, Hebei)

Abstract:Under condition of geothermal reinjection, tried to use the method of the interests’ protection radius of single well and the formula of thermal breakthrough time to calculate geothermal fluid exploitable reserve, this paper formed the assessment system of it. And a case study was carried out, the results shown, along with the more increase of reinjection temperature, the thermal breakthrough was the more difficult to be occurred and the geothermal fluid exploitable reserve also increased rapidly.

Key words:Terrestrial heat；reinjection；fluid；exploitable reserve；the interests’ protection radius of single well；thermal breakthrough；assessment and method

[中图分类号]P314.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0061-03

[作者简介]刘志明(1969-)，男，江西泰和人，研究员，博士研究生，主要从事地下水与地热研究。

[收稿日期]2015-10-28