雄安新区高阳低凸起区馆陶组地热回灌数值模拟

王先超

山东泰山资源勘查有限公司 山东 济南 250104

地热资源作为一种可再生能源，与化石能源相比，具有强大的社会经济与环境优势，与风能和太阳能等相比，其可利用系数高、连续稳定、开发利用方便，是最具竞争力的资源之一[1-3]；地热资源还具有储量大、分布广和开发利用安全、高效的特点[4]。合理可持续开发地热资源有助于我国双碳目标的实现。雄安新区建设绿色智慧生态城市归功于丰富的地热资源以及良好的开采条件[5]。雄安新区尤其是牛驼镇凸起具有多年的地热开发历史[6-8]，雄县地热的利用已成规模化，是我国第一个用地热替代燃煤供暖的“无烟城”[9]，形成了政企合作、统一管理、集中回灌的“雄县模式”[7]。

雄安新区范围内高阳凸起区目前地热资源开发利用的主要是馆陶组砂岩热储水热型地热资源[10]，回灌对于水热型地热资源的可持续开发有着非常重要的作用。首先它可以保持维持热储压力不下降，其次可以防止热水对地表及浅层地下水体产生污染[11]。但是，地热回灌技术复杂难操作，需要考虑多方面的因素影响。地热田的寿命也与回灌过程息息相关。为此，需要采用数值模拟技术，模拟热储的温度与压力在不同采灌情景下的响应。利用数值模拟研究地下热储中热水系统的运动规律，已成为地热流体开发和评价的重要技术方法[12-16]。雄安地区地热资源的规模开发需要制定科学合理的采灌方案，是保障地热资源可持续利用的有效途径。本文建立雄安新区高阳低凸起区馆陶组热储水-热数值模型，根据现状开釆现状，设计两个对井方案，一个群井方案，分析不同采灌方案对热储层温度场和压力场的影响程度，为雄安地区地热资源合理开发、可持续开发提供依据。

1 地热地质特征

1.1 地热地质概况

雄安新区安新县中南部地区地质构造上为高阳台凸的一部分，也属于高阳地热田。安新县有华北最大的淡水湖泊白洋淀，地表水、地下水资源均丰富[10]（刘伟坡等，2013），为开发地热提供了良好的条件。安新主体位于高阳低凸起和-保定凹陷，北部一部分位于牛驼镇凸起、容城凸起和徐水凹陷[8,17]（图1）。

1.2 地热储层

本区热储类型分为两种类型：孔隙型热储（第三系热储）和深循环构造裂隙型热储（基岩热储），前者是以热传导为主的，在大地热流控制作用下形成的，后者是在热传导与热对流共同作用下形成的。目前4000m以浅新近系明化镇组、馆陶组孔隙热储与基岩热储为可开采热储层[18]。

1.3 成藏模式

该地区沉积盆地传导型地热资源成藏模式如图2所示，浅部地层的热来源于上地幔生热与基岩的放射性衰变，主要是通过传导的方式，上部的沉积盖层可以起到保温的作用，平原区的热对流导水导热通道传输，起到额外补充热量的作用，热储层形成于高孔隙度和高渗透性含水层处[5]。

2 雄安新区高阳低凸区热储数值模型描述

对于大区域热储层数值模拟，为提高计算速度，对研究区内热储层及地热流体做如下概化：（1）非稳定流、不可压、三维流动；（2）均质各向同性；（3）流体自然对流满足达西定律；（4）水与饱和多孔介质层处于热力学平衡状态[19-20]。

2.1 3D模型建立

整个高阳地热田评价面积为727.15 km2，建模时，边界条件根据该区构造特征和水文地质条件进行确定，补给、排泄边界均作已知流量边界处理，流量随时间变化，变化情况参考现有动态资料。通过不断调整边界流量，直到区域水位规律基本符号实际情况，也就确定了相应的边界流量。隔水边界为模型的顶部和底部水流边界，定热流量边界为模型顶部热量边界。水平方向上，研究区模型范围以高阳低凸起区为边界；西部为保定断裂；北部为牛南断裂；东部和南部为雄安新区边界。根据多年气象及有关地热地质资料确定初始条件，确定恒温带深度为25m，恒温带温度为14.5℃，安新县雾迷山组地温梯度为3.7℃/100m。根据研究区地温梯度及恒温层的温度以及水位统测结果，计算得到初始温度和压力并且一并赋值给模型相应的各个单元格。模型初始压力场见图3。

2.2 模型结果验证

2.2.1 温度拟合

本研究采用试估-校正法对模型参数进行识别和验证。研究区温度垂直分布基本上是随深度增加而增加,馆陶组温度分布50℃～70℃左右（图4），对比图5研究区主要地热井水温分布图，模型分析结果与地热井目前开采温度基本一致。

2.2.2 水位拟合

研究区内有一口监测井，位于研究区中北部的D32井，D32井在2019年1月15日至1月21日期间进行过一次抽水试验，历时158 h。结果显示，计算值与观测值很接近，模拟期、验证期内模拟数位与观测水位曲线基本拟合（图6）。所建数值模型能够代表真实的地热系统，可以对未来热储层压力变化进行预报。

3 地下热水回灌模拟研究

3.1 回灌方案

采灌模式根据回灌井分布方式主要分为两种，一种为分散采灌，第二种为外围集中采灌，本文分别对两种模式进行模拟，分析对比评估两种模式的效果以及热储的响应。

3.1.1 对井方案

对井采灌是当前水热型开采最常用的布局模式。根据文献对井采灌最优布局的研究[17]，采灌井距有一个边界距离，当采灌井距大于400m的时候，温度变化对井距变化不敏感，当大于这个距离的时候，注入的冷水在给定的时间内，对开采井温度影响不大。因此将对井井间距设置为400m，回灌井位于开采井下游(图7)。

3.1.2 群井方案

对丼方案由于布置的井数最偏少，导致可开采热量受到限制，现提出图10所示的群井布置方案。根据雄安新区地下水稳定同位素分析，地下水的运动方向是由西部和北部向东南运移，为了减少集中回灌给开采井带来的热突破风险，拟计划在安置区东北方向集中布置回灌井，在西南方向集中布置开采井（图8）。开釆井维持现状开采，将各井的回灌流量与开采井相同，回灌水的温度为45°C，回灌井采暖期回灌。

3.2 回灌模拟结果分析

3.2.1 对井方案Ⅰ

研究区开采模式采用“一采一灌”进行，利用尾水进行回灌，保持现有地热井开采格局和强度，开采井全年开采，在非采暖期用于生活热水的采量很少，仅为采暖期总采量的5-10% ；回灌井在每年11月中旬至第二年3月中旬的供暖期进行回灌，在其余时间即停暖期回灌井停灌。

在模型边界条件和参数等配置好的基础上，根据方案Ⅰ建立预测模型，运行得到研究区100年后预测的压力场和温度场如图9，10所示，热储压力漏斗中心在大规模集中开采的影响下不断扩大，同时，由于在西部和北部开采规模较大，漏斗中心向西北发展。而在研究区范围内及其附近地区，由于回灌井对热储层压力的支撑作用，水位相对增加，下降速率也相对缓慢。

地热井水位及温度随时间变化曲线如图11、12所示。在方案Ⅰ采灌条件下，根据预测模型得到水流场与验证模型中现状开采水流场差别不大，井底压力下降0.18MPa, 相当于水位下降18m，全区水位年降幅在2-3m左右。根据预测模型得到温度场与验证模型中现状开采温流场对比可知，在方案Ⅰ采灌条件下开采前60年，温度场变化不大，60年之后温度降低明显。监测井井底温度下降12℃，全区温度年降幅在0.15℃左右。

3.2.2 对井方案Ⅱ

方案Ⅱ中，为了进一步分析热储层压力变化趋势受回灌的影响，开釆井维持现状开采，调整回灌量大小，回灌量与开采量比例相同，回灌水的温度为45°C，回灌井采暖期回灌。

根据方案Ⅱ建立预测模型，运行得到研究区地热井水位变化曲线和温度变化曲线如图11、12所示。依据预测模型得到的水流场与现状开采水流场比较可知，在方案Ⅱ采灌条件下压力下降趋势有了进一步的改善，井底压力下降0.14MPa，相当于水位下降13.66m，全区水位年降幅在1.5m左右。依据预测模型得到温度场与现状开采温流场对比可知，由于回灌温度较开采方案Ⅰ低，温度下降明显，井底温度下降14℃，全区水位年降幅在0.15℃左右。

3.2.3 群井方案

根据方案Ⅲ建立预测模型，运行得到研究区100年后地热井水位变化曲线和温度变化曲线如图11、12所示。在集中采灌模式下，热储压力在城区大部基本不变。在水流场作用下，回灌区注入的回灌水向城区集中开采区运动，有效地维持了热储压力。从回灌区到开采区，压力由上升逐渐过度到下降，在其中间地区形成了压力稳定带。压力下降的区域位于开采区；而东北部热储压力受到回灌的影响有所上升。从图11可以看到，与对井布并方案相比，开采温度下降相对缓慢，但是，由于采灌井间距太远，集中回灌对稳定和恢复热储压力的效果明显减弱了。

4 讨论：对井方案与群井方案局限性分析

方案预测结果对比表1为三种方案热储层预测压力和预测温度，明显地看出对井方案Ⅰ与群井方案的灌采比相当，50%左右，对井方案Ⅱ的回灌率将近94%，三种方案的水位变化曲线和温度变化曲线基本相同，热流体压力略有下降，但降幅不大。除了群井方案的流体压力降大于前两个开采方案，对井方案Ⅰ和对井方案Ⅱ压力下降幅度基本相同；群井方案与现状开采压力下降幅度一致（图11），这跟与集中回灌区与开采井的距离有直接的关系。

表1 三种方案热储层预测压力和预测温度

温度场的动态变化：由于该层三个开采方案设计回灌量都较大，动态预测期末三个开采方案温度都有变化，下降幅度基本以群井方案→对井方案Ⅰ→对井方案Ⅱ递增。相对于群井方案，对井方案可以有效减少热储压力的降低，但是热储温度降低较大，很容易过早出现热突破现象，群井方案有利于保持热储温度，但是对于维持热储压力效果不明显。

5 结论与建议

（1）建立了高阳地热田雄安新区范围内热储地热地质模型，该区地热资源是中低温地热资源，大气降水深循环传热形成，聚热机理以传导为主，局部有热对流发生，由盖层、热储层、热水通道和热源构成，形成了一个完整的地热系统。

（2）建立的水-热数值模拟模型，对于预测地热田对开采量的反应的比较准确的。根据现状开釆现状，设计两个对井方案，一个群井方案。预测结果显示，三种开采方案的热流体压力动态变化基本相同，略有下降，但降幅不大。动态预测期末三个开采方案温度由于较大的回灌量都有变化，下降幅度基本以群井方案→对井方案Ⅰ→对井方案Ⅱ递增。相对于群井方案，对井方案可以有效减少热储压力的降低，但是热储温度降低较大，很容易过早出现热突破现象，群井方案有利于保持热储温度，但是对于维持热储压力效果不明显。

（3）高阳地热田雄安新区范围内地热资源开釆以水热型地热开发为主。在采灌均衡的条件下，结合区域规划建设部署合理布设釆灌模式，在分散式釆灌的开采布局下，应重点考虑相邻井的热突破问题；在集中釆灌布局下，应重点考虑集中开采区水位下降问题。

（4）建议加强地热开发利用过程中对水量、水质、水温的长期动态监测，形成年度评价机制和预测预警机制，每年对区域地热资源条件以及可供暖面积进行评价，结合能源站布设和需求情况，形成长期动态调整机制，保障热储平衡。