地熱井抽水試驗中靜水位埋深的確定

王玲麗

【摘要】抽水試驗是目前確定含水層水文地質參數，了解水文地質條件的主要方法，抽水前測得的靜水位埋深，是未開采前保持的靜止水位埋深，即水溫自上而下逐漸增高的水柱，它不代表抽水狀態下的靜水位埋深，必須修正成抽水時上下形成統一熱力場的熱水頭靜水頭埋深，才能與觀察的水位埋深、水量、水溫相匹配進行參數計算。本次通過德熱DR46井野外抽水試驗數據為例闡述進行抽水試驗過程中水溫、動水位、恢復水位的變化特點，并通過三種方法對確定靜水位埋深值進行了分析與論述。

【關鍵詞】地熱井；抽水試驗；靜水位埋深

靜水位測量是抽水試驗過程中的一項重要工作。淺水井的靜水位是抽水前的穩定水位，抽水過程中，動水位呈一直下降趨勢，最后達到穩定狀態。而地熱井抽水試驗中，抽水開始后動水位首先快速下降，然后又向上回升，抽水試驗進行一段時間后，水溫升到一定值，其上升速度明顯變慢，并逐漸穩定。

本次通過抽水試驗資料整理與分析來確定地熱井中靜水位的埋深。

一、試驗井基本情況

（一）成井情況

以山東省魯北地質工程勘察院施工的德熱DR46井為例，該孔位于山東省德州市地熱田，完井深度1536.33m，目的層為新近紀館陶組，含水層段1319.00～1525.00m，含水層總厚176.00m，通過洗井試水證明成井質量較好，抽水后井口出水溫度57.0℃，單井涌水量92.24m3/h。

（二）抽水試驗情況

抽水試驗前進行了穩定水位觀測，其初始水位埋深75.20m。于2016年8月6日6時00分至2016年8月9日14時00分，對DR46井進行了三個落程的抽水試驗及水位恢復試驗。提水設備采用井用潛水泵，下入孔內深度120m。大落程（S1）自2016年8月6日6時00分至2016年8月8日8時00分，總抽水時間50.0h，穩定48.0h，降深14.38m時水量92.24m3/h；大降深后停泵做動水位恢復工作，水位恢復速度快，停止抽水后2h，動水位即恢復到初始水位，說明地下水的徑流補給速度較快。中落程（S2）自2016年8月8日18時至2016年8月9日4時00分，總抽水時間10.0h，穩定8.0h，降深7.23m時水量78.74m3/h；小落程（S3）自2016年8月9日5時至2016年8月9日14時，總抽水時間9.0h，穩定8.0h，降深4.49m時水量66.89m3/h，結束抽水工作。

二、抽水試驗的特點

（一）水溫的變化

開始抽水后，井筒內的水首先被抽出，形成壓差后儲層熱水涌入井筒內，井口水溫首先快速上升，達到一定溫度后上升速度變緩。在抽水中，井筒內的熱水向周圍地層散熱，隨著時間的推移，井壁周圍地層的溫度與井筒內的水溫越來越接近，當井筒內的熱水向地層散熱平衡穩定以后，井口出水溫度也開始保存衡溫狀態。井口水溫從抽水開始至衡溫的時間需要幾及十幾個小時甚至更長的時間。德熱DR46井抽水前井口水溫為31.5℃，第3、5、7、10分鐘后水溫分別是36.4℃、42.8℃、48.6℃、50.5℃，直至抽水3小時后井口水溫穩定在57.0℃，見圖1。

（二）動水位的變化

地熱井抽水試驗中，一般情況下，抽水開始后動水位首先快速下降，然后又向上回升。這是由于水溫快速上升，井筒內水的密度變小，造成水位升高。且這一溫度引起的水位上升速度又大于抽水造成的水位下降速度，因而動水位表現為回升。抽水試驗進行一段時間后，動水位也表現為趨于平穩或逐漸下降，對穩定流來說，動水位最終趨于穩定，見圖1。動水位由抽水開始至最后穩定需要的時間與含水層特征、涌水量大小有關。當涌水量很大時，穩定動水位值一般大于開始下降的最低值，而當涌水量較小時，則小于開始下降的最低值甚至回升后直接趨于穩定。

（三）恢復水位的變化：地熱井停止抽水后，由于地層壓差的作用，水位短時間內將快速上升，當回升至一定高度后速度變緩。此時，井筒中的水因向地層散熱，造成溫度降低而密度增大，導致水柱高度下降。當下降速度大于水位回升的速度時，水位則下降，直至井筒中水的溫度與地層溫度基本等同，靜水柱壓力與地層壓力保持平衡，此時的水位即為穩定靜水位，這一過程往往需要較長的時間。德熱DR46井水位幾分鐘內快速上升，第15分鐘水位恢復到最高點64.40m后，恢復速度變緩，直至120分鐘后趨于穩定，見圖2。

三、靜水位的選擇

抽水前測得的水位，是未開采前保持的穩定靜水位埋深，不能代表抽水狀態下的靜水位埋深。德熱DR46井抽水前測得的靜水位埋深（75.20m），為地熱井抽水時的假水位，其原因主要是：抽水前的靜水位是長期保持的穩態水位，此時井筒中水柱的水溫是自上而下逐漸增高，頂部可以認為是恒溫帶溫度，底部是熱儲層溫度，而長時間抽水后，井筒內水的溫度基本是一致的，等于地熱井穩定井口出水溫度，略低于熱儲層中部溫度。如果直接采用穩定靜水位計算水位降深值，因其與最后的動水位值處于不同溫度狀態下，該降深值誤差較大。因此，要將穩定靜水位值換算為穩定水溫時的水位值。下面則通過三種方法來確定靜水位埋深：

方法一：停泵后，立即觀測恢復水位，由于熱儲層的高壓力，動、勢能量的轉換，當水位恢復到最高點，即熱水頭高度，此時測得的最高水位近似等于地熱井穩定出水溫度下的靜水位數據。一般我們都通過這個方法來粗略確定其抽水中靜水位埋深值。德熱DR46井停泵后進行恢復水位觀測，15分鐘后出現熱水頭埋深（64.40m），此值近似等于靜水位埋深，可以用于計算水位降深。

方法二：作圖法也可求得靜水位埋深值，即用三次降深的動水位（H），與涌水量（Q）作H=f（Q）曲線，曲線交于縱軸涌水量為零時，便是熱水靜水位埋深，此法簡便、真實、實用。見圖3，德熱DR46井的H=f（Q）曲線，交于縱軸時，靜水位埋深為64.20m。

方法三：公式計算法

考慮地熱井水位的變化主要是水位引起的，同時溫度又是改變密度值的主要因素，雖然水流磨阻及水礦化度等也有影響，這里不予考慮。根據液體壓強原理，利用抽水前測溫資料，水位校正（換算到熱儲層平均溫度），可用公式（1）進行校正。

將表1數值帶入公式1求得靜水位埋深為64.03m。這與恢復水位觀測15分鐘后出現的熱水頭埋深64.40m相差0.37m，這是觀測誤差、觀測時差或測溫誤差所造成的。

通過對比（表2），綜上三種方法所確定的靜水位埋深值均相差不大，其中方法一當水位恢復到最高點時觀測熱水頭高度，是最簡便、最實用的，當沒有恢復水位觀測數據時，我們亦可采用后兩種方法求得靜水位埋深值。

四、結論及存在問題

德州地區中低溫熱水井穩態靜水位，都低于抽水時動態條件下靜水位，本文給出的靜水位經驗公式，是符合實際情況的，非自留熱水井更適宜應用。抽水試驗過程中地下熱水動力性質的分析與解釋，基本揭示了中低溫地下熱水的特征。

由于筆者水平有限，文中雖對地熱水井抽水一般現象作了討論，但仍存在很多疑難問題，如不同深度，不同地層條件下水溫、水位、水量、壓力、密度等，它們的內在變化關系參數公式的選用和計算等，在實際運用中是有一定難度的。

參考文獻：

[1]中國地質調查局.水文地質手冊（第二版）[M].北京：地質出版社，2012.

[2]G.P克魯斯曼N.A德里德.抽水試驗資料的分析和評價.地質出版社.1980.

[3]中國地質調查局.GB/T 11615-2010.地熱資源地質勘查規范[S].

[4]沈俊超、王朝暉.地熱水井抽水試驗的特點.地熱能.2005，4：3-5.

[5]中國計劃出版社.GB50027-2001.供水水文地質勘察規范[S].2001.

[6]王大純、張人權等.水文地質學基礎.地質出版社.2006.