大名地熱田地質(zhì)概念模型及井網(wǎng)模擬

孫彭光(中國石化集團新星石油有限責任公司新能源研究院，北京 100083)

河北省大名地熱田位于渤海灣沉積盆地中臨清坳陷，三級構(gòu)造單元館陶斷凸、邱縣斷凹、臨漳斷凸和元村集斷凹的交界處。根據(jù)物探、鉆探資料，區(qū)域上褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，地層整體呈北東向，通過地震勘查大名縣區(qū)域西部斷層發(fā)育為滄州-大名深斷裂，南部斷層發(fā)育為臨漳-魏縣隱伏大斷裂。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層資料、鉆孔揭露情況，地層發(fā)育較全，由下至上依次為下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系及新生界第三系、第四系。第四系底界埋深400～600m，明化鎮(zhèn)組底界埋深1000～1300m，館陶組底界埋深1400～1800m左右。

大名地熱田面積約為255km2，地溫梯度一般在3.3～3.7℃/100m，明化鎮(zhèn)組埋深在450～1100m,水溫約32℃；館陶組埋深在700～1700m，水溫52～56℃，水量60～80m3/h，水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Na型水,礦化度約1.8g/L。新近系館陶組是大名縣最重要的熱水儲層。目前，大名中心城區(qū)目前有55口私人地熱井，供暖取水層均為館陶組砂巖，井網(wǎng)雜亂無章，無統(tǒng)一科學規(guī)劃部署，大部分井間距布局不合理(間距小于200m)，采水相互干擾。為此,筆者根據(jù)大名地熱田館陶組的構(gòu)造形態(tài)和儲層分布規(guī)律，建立了地質(zhì)概念模型，并利用地質(zhì)概念模型對地熱田開發(fā)常用3種井網(wǎng)“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”的溫度場和壓力場進行了模擬。

1 地質(zhì)概念模型

圖1 地質(zhì)概念模型

根據(jù)大名地熱田館陶組的構(gòu)造形態(tài)和儲層分布規(guī)律，建立地熱田地質(zhì)概念模型，如圖1所示。模型熱儲層平均厚度為550m，熱儲孔隙度為22%，彈性釋水系數(shù)為12.5×10-4，熱儲層滲透率為1263mD，地熱井井徑為241.3mm，地熱藏溫度梯度為2.94℃/100m，平均地層壓力為17.0MPa。研究區(qū)蓋層為明化鎮(zhèn)組及第四系，明化鎮(zhèn)組下部主要為淺棕紅色泥巖夾棕黃色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及灰綠色粉砂巖，第四系平原組以松散黃色泥砂巖為主，其滲透性較差、熱導率較低，是良好的隔水隔熱頂板。館陶組熱儲層的底板為為十幾米到幾十米厚的砂礫巖，具有良好的分隔作用。

建模采用Schlumberger的Petrel建模軟件,將明化鎮(zhèn)組至第四系作為蓋層，館陶組熱儲層作為模擬層，模型范圍內(nèi)館陶組頂面埋深在700～900m，熱儲厚度在500～700m。進行儲層三維建模時,在三維構(gòu)造背景上對儲層進行三維網(wǎng)格化,將實際的地質(zhì)體按X、Y、Z方向劃分成序列網(wǎng)格。在地熱田實際地質(zhì)情況下,平面上網(wǎng)格設(shè)置為200m×200m,縱向上則以館陶組單砂體為模擬單元，Z方向網(wǎng)格設(shè)計為50m，在計算精度高的區(qū)域進行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)為100749個。

在構(gòu)造網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，模擬砂體在空間上的三維分布。儲層巖性主要包括砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等。建模只考慮砂巖、泥巖2種骨架，砂體主要發(fā)育分流河道、河口壩等微相,而泛濫平原、河道間等沉積微相則以泥巖沉積為主,館陶組中部砂體分布穩(wěn)定性和連續(xù)性好。巖相控制約束建模使得地熱田孔隙度和滲透率較高的地方主要與沉積微相中的分流河道、灘壩和灘砂等沉積微相對應(yīng),能夠真實地反映各小層砂體連通及演化特征，模擬的結(jié)果符合地質(zhì)規(guī)律和地質(zhì)研究成果，如圖2～圖5所示。

圖4 滲透率模型 圖5 溫度場模型

2 井網(wǎng)模擬

模擬應(yīng)用OpenGeoSys軟件。OpenGeoSys軟件是由德國亥姆霍茲研究院開發(fā)的水熱耦合數(shù)值模型，其基本原理是面向?qū)ο蟮挠邢拊椒ǎ軌蚰M多孔和斷裂介質(zhì)中的單個或耦合的熱學-水力學-力學-化學過程，在地熱領(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的潛力。影響砂巖熱儲層開發(fā)的因素很多，主要是流體流動、儲層巖石物理性質(zhì)和現(xiàn)場運行條件等。水熱型地熱田開發(fā)中耦合問題的主要變量是壓力傳導、熱傳導和流動流體3個變量。

針對大名地熱田館陶組的地質(zhì)特征和開發(fā)特點，重點模擬溫度場和壓力場變化。研究中模型的基本控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

表1 大名地熱田熱儲層參數(shù)

式中，φ為巖石孔隙度,%；ρf為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為流動速度，m/s；qf為生產(chǎn)/注入井的流量,m3/s；ρr為巖石密度，kg/m3；cr為巖石的比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，K；λr為巖石熱導率，W/(m·K)；qh為生產(chǎn)/注入井的熱量，W/m3；σ為柯西應(yīng)力張量。

方程(1)為多孔介質(zhì)中熱流體滲流方程，方程(2)為熱傳導方程，可模擬計算溫度場的變化,方程(3)為巖石力學變形平衡方程。

方程(1)通過熱對流項ρfcfufs·T耦合到方程(2)中得到：

(4)

同時，溫度場的變化反過來影響地熱流體性質(zhì)，如流體密度ρf和粘性μ：

ρf=f1(T)

(5)

μ=f2(T)

(6)

流動速度u是由多孔介質(zhì)的變形速率us和流體流動與多孔介質(zhì)之間的相對速度ufs組成：

u=us+ufs

(7)

(8)

式中，k為滲透率，mD;g為重力加速度，9.8m/s2，p為流體壓力，Pa；z為深度，m。

根據(jù)巖石-流體耦合理論中的孔隙介質(zhì)力學，考慮巖石應(yīng)變速率，將方程(1)中的熱流體流動速度u耦合到方程(3)中并擴展變形得：

(9)

基于有限元方法進行空間離散化計算，基于有限差分方法進行時間離散化，運用牛頓迭代法求解每個時間步長的非線性和水熱耦合模型的計算。地熱田熱儲層模擬參數(shù)表如表1所示。

圖6 “一采一灌”壓力場模擬

圖7 “一采一灌”溫度場模擬

圖8 “二采一灌”壓力場模擬

圖9 “二采一灌”溫度場模擬

圖10 “三采二灌”壓力場模擬

圖11 “三采二灌”溫度場模擬

假設(shè)地下供水半徑無限大，地熱井涌水水溫56℃，回灌井回灌溫度20℃，熱儲層厚度為550m，地熱井最大水位降深20m，單井穩(wěn)定涌水量100m3/h，回灌量100m3/h，一個供暖周期內(nèi)供暖120d，剩余時間恢復水位和地層熱量，計算當供暖時間為30年時不同采灌井距間的冷鋒推進前緣位置。利用大名地熱田地質(zhì)概念模型對常用3種井網(wǎng)模擬，3種井網(wǎng)(“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”)溫度場和壓力場的模擬結(jié)果如圖6～圖11所示。當井網(wǎng)為“一采一灌”時，200m采灌井距溫度場沿回灌井向開采井舌進，方向性明顯，冷鋒前緣快速到達開采井。當井網(wǎng)為“二采一灌”時，600m井距時井底壓力下降明顯，開采井供液能力不足。當井網(wǎng)為“三采二灌”時，400m井距溫度場和壓力場均保持穩(wěn)定，參數(shù)指標優(yōu)于600m井距。

地熱井井口水溫和地層壓力隨時間變化關(guān)系如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可以看出，200m采灌井距時，回灌水過快地到達開采井，30年項目周期內(nèi)冷鋒前緣已經(jīng)到達地熱井井底，回灌井向開采井方向的熱突破明顯，引起熱儲冷卻，熱儲巖石溫度降低，將造成地熱生產(chǎn)井水溫斷崖式的下降，開采井喪失供暖能力；當采灌井距大于200m，30年供暖周期內(nèi)冷鋒前緣不會到達地熱井井底；當采灌井距為600m，開采井壓降漏斗半徑大，熱儲壓力下降，造成局部補給與開采失去平衡，熱儲壓力會持續(xù)降低，使地熱田的生產(chǎn)能力降低，甚至喪失生產(chǎn)能力和引起地面沉降。

綜合壓力場和溫度場2個方面對地熱開發(fā)的影響，當單井穩(wěn)定涌水量100m3/h，回灌水溫20℃，回灌量100m3/h時，最佳采灌井距為400m。

3 結(jié)論

1)根據(jù)大名地熱田的構(gòu)造形態(tài)和儲層分布規(guī)律，建立了地熱田館陶組概念地質(zhì)模型、構(gòu)造模型、屬性(孔隙度和滲透率)模型和溫度場模型。從儲層物性的三維空間展布看，孔隙度和滲透率較高的部位與河床亞相對應(yīng)，符合地質(zhì)規(guī)律和地質(zhì)研究成果。

圖12 溫度變化曲線圖 13 地層壓力變化曲線

2)采用OpnGeoSys軟件對常用3種井網(wǎng)(“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”)的溫度場和壓力場進行了模擬，并計算了供暖時間30年時不同采灌井距間的冷鋒推進前緣位置和地熱井井口水溫變化關(guān)系。該方法可以提高井網(wǎng)部署的科學性及準確性，在地熱領(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的潛力。

3)以開采井水溫水量保持穩(wěn)定為標準，確定最佳采灌井距為400m。

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