基于抽水試驗的地熱儲層水文地質特性研究

■　趙長福

（山東第一地質礦產勘查院山東濟南250014）

基于抽水試驗的地熱儲層水文地質特性研究

■趙長福

（山東第一地質礦產勘查院山東濟南250014）

本文分析了地熱儲層水文地質的相關問題，希望能夠對讀者提供一些借鑒和參考。

地熱水文特征激發

1　前言

經濟的快速發展加大了對能源的需求。隨著能源供應緊張局面的加劇，可再生能源成為人們關注的焦點。地熱資源是一種清潔的能力，合理的開發和利用能夠大大提升經濟效益和社會效益。

2　地熱地質條件

2.1含水巖體及地下水類型

地熱水資源形成的四個要素為熱儲層、熱儲體蓋層、熱流體通道及地熱源，根據含水巖體具有相近性質和水力聯系的巖層組合，且組合后的含水巖組不存在明顯而穩定的隔水層原則，在考慮含水層的巖性、結構、水理性質和地下水賦存條件下，將區內地下水劃分為碳酸鹽巖巖溶水含水巖體，基巖裂隙水含水巖體和松散巖類孔隙水含水巖體三種基本類型。由于松散巖類孔隙水零星分布于石阡河谷兩岸Ⅰ、Ⅱ級基座階地上，堆積2～5m的河卵石、砂及亞砂土，含微弱孔隙水，對供水意義不大，所以未對其開展調查。

2.2地下水補徑排條件

地下熱水補給源主要為大氣降水，沿地表發育的落水洞以及溶蝕裂隙補給，地下熱水的徑流主要受石阡斷裂、背斜的控制，地下水沿斷裂向深部循環運移、徑流，受南北向、北東向斷裂構造的影響、控制，以熱礦泉、地熱井開采的形式排泄。

3　地熱資源分析

3.1熱源

某地區具有“五中心”（晚期花崗巖漿活動中心、中基性巖漿上涌中心、鈾活化中心，晚期斷裂構造活動中心、晚期熱液活動中心）特征，多期次強烈的構造巖漿活動形成多次熱液活動，這些頻繁的地質作用也為區內的地熱資源提供了大量的熱量補充。同時，該地區地殼成熟度高，具有二元結構的富鈾層，鈾豐度高，豐富的放射性物質的蛻變能提供大量的熱量，為區內地熱資源形成提供持續不斷的熱源。

3.2熱儲層與熱通道

該地區構造巖漿活動頻繁，NNE、EW、NEE向斷裂構造十分發育。根據多年來在下莊地區的地質工作成果：NEE向構造與NNE向構造為區內含水控礦構造，地下熱水大多儲存這些深大斷裂內部，這些NEE向和NNE向的構造成為區內主要的熱水儲。同時，這些斷裂構造構成大氣降水下滲及地下熱水上升的通道，控制地下熱水的形成，入滲的大氣降水經深部循環加熱形成地下熱水。地下熱水在一定深度后，沿著斷裂構造上升，在地形切割劇烈地段，成為熱水集中涌出的有利地段。

3.3蓋層

該地區熱水主要儲存于斷裂構造帶中，構造帶圍巖主要為花崗巖，這類花崗巖巖體裂隙不發育，富水性差，為隔水層，能很好地起到隔水隔熱的作用。工作區內的第四系松散覆蓋層也能起到一定的隔熱作用。同時，區內構造大多表現為前期張開、后期壓扭的特性，前期張開很好地為熱水的存儲提供空間，后期由于構造體系的復合和干擾，應力作用的集中和強化，使構造產生切割、拐彎和閉合等現象，將構造帶內的地下熱水分割成脈狀，連通性變差；壓扭的構造特性也使得熱量不易于散發；起到了較好的隔水、隔熱作用。

4　地熱儲層水文地質研究

4.1影響半徑R的確定

有一個觀測孔的承壓完整井的影響半徑依據下式計算:

所以影響半徑R=886137m。

式中:Sw為抽水井內水位下降值(m);S1為觀測孔內水位下降值(m);rw為抽水井的半徑(m);r1為抽水井至觀測孔的距離(m)。

4.2單孔完整井滲透系數

式中:Q為井的出水量(m3/d);M為含水層厚度(m);R為影響半徑(m),其余符號同前。

4.3有一個觀測孔單井抽水試驗時,有一個觀測孔的承壓水完整井的滲透系數依據下式計算:

式中個符號的意義同前。

從本次抽水試驗的計算結果可以看出,當以90.16m/h進行抽水時,該井的滲透系數在0.75m/d左右,影響半徑大約為600m到886m左右,其距離遠遠大于兩口井之間的距離(237m),這就表明新鑿熱水井和原熱水井有一定的水力聯系,這就為該井作為地熱水回灌井奠定了基礎。此外,以往的經驗表明該地區熱儲層地熱水井的最大影響半徑可達115km左右,該數據與本次計算的影響半徑有較大的差距,這主要因為這一數據是建立在大量地熱水井進行長期生產的基礎上而得的一個經驗數據,對于新鑿地熱水井,由于其所處地層含水量相對較為豐富,加之該地熱儲層滲透性相對較好,因此根據抽水試驗計算的影響半徑比經驗得到的影響半徑小,隨著開采年限的增加如果開采量長期大于補給水量,那么該井的影響半徑將會逐漸增大,最終達到115km甚至超過115km。為了達到可持續利用地熱水井的目的,建議對該井及周圍距離較近的地熱水井做進一步的調查,研究該井的合理開采量的同時也要弄清該井與其他井的關系,這樣有助于對該井及周圍其他井的合理開發利用。

5　熱儲層的激發

深部高溫巖體中原生裂隙極不發育，因此在完成鉆井之后，需要通過水力壓裂等方法對熱儲層進行激發，以提高其滲透性和連通性，保證EGS開發的經濟性。

5.1激發方法

目前，熱儲層的激發方法主要包括水力壓裂法、化學激發法和熱激發法，其中最為常用的是水力壓裂法。水力壓裂法最早被應用于1974年的美國芬頓山干熱巖儲層激發中，隨后，世界主要發達國家都將這種方法應用于EGS熱儲層激發中。通過注入井將低溫高壓的水打入目標層位，改變目標層位巖石的應力狀態，大大改善巖石的滲透率及連通情況，從而使注入井與生產井之間相互連通，形成連通注入井與生產井的熱儲層。然而，并不是水力壓裂得到的熱儲層都是理想的，水流在熱儲層中循環測試時存在水流阻力和水流短路等現象，都是熱儲層激發效果不佳的表現。針對儲層的水流短路、水流阻力等壓裂效果不明顯的情況，在水力壓裂的基礎上進行一些改進，包括在注入水中加入一定濃度的重鹵水、使用黏性凝膠或在裂隙中布置支撐劑等，能夠使得水力壓裂的效果更加理想。

熱儲層激發的另一個方法是化學激發法，通過向井中注入酸性液體，使其在熱儲層中循環時溶解裂隙或注采井附近的礦物，從而改善熱儲層的裂隙連通情況、提高裂隙滲透率。化學激發法最初應用于石油和水熱型地熱系統中，主要用于增強井附近的注入或生產能力，以及解決地熱開發后期生產井附近礦物沉淀引起的堵塞問題，隨后被應用于EGS熱儲層的激發中。1988年，在瑞典非那巴卡干熱巖儲層激發過程中，注入了2m的HCl-HF酸性溶液，結果證明化學激發是可行的。在法國蘇爾茨的EGS野外試驗中，為了溶解井中的礦物沉淀和井附近裂隙中充填的礦物，在注入井和生產井中加入酸性溶液(如鹽酸HCl、常規泥酸HCl-HF、有機黏土酸HT)，結果經過酸化處理的生產井生產效率增加了50%，而注入井則只有微弱的提高。

目前，由于化學激發法使用的刺激劑穿透性較差，只能改變注入井和生產井及其附近區域的滲透性，因而只有少數幾個場地試驗用到過這種方法。可見，尋找具有長穿透性的化學刺激劑是化學激發法的關鍵。

熱激發法作為熱儲層激發的一個輔助方法，經常與水力壓裂法、化學激發法聯合使用，它是在儲層的某些部位，利用特殊方法，使得這些部位的溫度驟變，從而使裂隙擴張或者產生新的裂隙。關于熱激發法的相關研究證明，它在儲層激發過程中起到了一定的作用。

5.2熱儲層激發效果評價

在固定的層位，EGS進行商業開發的出力和壽命是與熱儲層的規模直接相關的，因此在熱儲層激發過程中或者激發成功后，需要對熱儲層的激發效果進行評價，以確保達到商業開發的標準。在熱儲層激發過程中，由于流體的不斷注入，導致原有裂隙產生剪切破壞而引發微地震，因此微地震就成為研究儲層壓裂及裂隙連通情況的一種間接手段。通過布置井下監測和地面監測兩種地震監測網，能夠對水力激發過程中產生的微震進行監測和定位，從而獲得各井之間的連通情況以及熱儲層的整體形態。示蹤技術是評價熱儲層激發效果的更為直接的方法，通過分析示蹤試驗獲得的示蹤曲線，能夠評價熱儲層各井之間大致的連通情況。由于場地試驗收集示蹤數據需要耗費很長時間，不利于EGS的開發，因而利用示蹤劑特征進行數值模擬成為新的評價熱儲層激發效果的方法。Pruess等利用示蹤數據進行數值模擬研究，估算了熱儲層的熱交換面積；Sanjuan等根據法國蘇爾茨場地示蹤劑試驗結果，運用數值模擬手段分析了井間水力連通情況。

必須指出的是，利用數值模擬手段得到的熱儲層的熱交換面積以及各井水力連通情況，需要與場地試驗數據相結合進行分析，這樣得到的結果才是相對可靠的。之所以運用數值模擬方法對熱儲層激發效果進行評價，是因為其耗時少、成本低且結果相對可靠。

6　結束語

綜上所述，對地熱儲層水文地質特性分析，加強對地熱能的有效激發，能夠提高綜合利用效率，獲得更大的經濟效益和社會效益。

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P314[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-333-1