地熱供暖項目熱儲工程評價方法研究

馮保華 毛曉楠

（1 森諾科技有限公司 山東東營 257000 2 勝利油田分公司石油工程技術研究院 山東東營 257000）

1 概述

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表講話，鄭重提出中國2030 年前實現碳達峰、爭取2060 年前實現碳中和目標。地熱資源是貯存在地球內部穩定可靠、清潔環保、可再生的熱能，地熱產業的發展順應我國推進生態文明建設、構建綠色能源體系、推動能源革命的大形勢［1］，對實現碳達峰、碳中和目標具有重要的意義。我國地熱資源量較為豐富，年開發利用地熱資源總量已位居世界第一，水熱型地熱資源量折合標準煤12.5×1012t，國內336個主要城市淺層地熱能年可采資源量7×108t 標準煤；水熱型地熱能年可采資源量1.865×109t 標準煤；深度3 km～10 km 范圍干熱巖年可采資源量8.56×1014t 標準煤［2-4］；全國各省（直轄市、區）都投入了地熱資源的勘查與開發，共約2 334 處出露溫泉，5 818 口地熱開采井［5］。

近年來京津冀魯豫地熱能供暖面積快速增長，由2015 年的35%提高到2020 年的74%，成為北方地區清潔供暖的重要綠色替代能源［6］。“十三五”期間，我國建設了北京世界園藝博覽會、北京大興國際機場等一批重大的地熱能開發供暖項目，促進了地熱能的開發和利用。2021 年4 月14 日，國家能源局綜合司發布 《關于促進地熱能開發利用的若干意見》（征求意見稿），提出到2025 年，地熱能供暖（制冷）面積比2020 年增加50%；到2035 年，地熱能供暖（制冷）面積比2025 年翻一番；展示了淺層地熱能作為綠色清潔能源的廣泛應用和發展前景。

盡管近幾年我國地熱供暖項目發展較快，但作為一項地下資源開發，開發者們往往更關注地熱資源量，而缺少對熱儲工程的研究。在現有技術體系里，并沒有一套統一合理的熱儲工程開發利用流程和研究方法。缺乏完善的方法體系指導，導致地熱項目實施采灌井時隨機性較強，使熱儲壓力降低、地熱井出水溫度降低等問題，從而使地熱資源開發效益差，資源利用率低。

2 熱儲工程評價方法及流程

針對現有地熱資源開發體系里不規范、不合理的地熱井布局及實施，筆者根據多年地熱資源規劃及方案的編制經驗，總結提出一套針對地熱供暖項目的熱儲工程研究方法，具體評價步驟如下：

步驟1：分析該區已有地熱井抽水試驗報告。依據抽水試驗資料建立涌水量與水位降深的關系。

步驟2：建立地熱數值模型。利用已有鉆、測、錄數據及熱儲層地質構造、巖性、熱物性等參數建立研究區地熱數值模型。

步驟3：地熱井穩定涌水量論證。利用實際抽水試驗擬合公式測算不同降深時的穩定涌水量，同時結合數值模擬手段測算的不同水位降深時熱儲層厚度與穩定涌水量關系圖版，從而確定不同地熱井穩定涌水量。

步驟4：回灌井最大回灌量論證。利用數值模型模擬在保持熱儲層能量相對穩定，地熱井維持穩定產能情況下，不同井口回灌壓力下的回灌井最大回灌量；再依據研究區地面回灌設備條件及地熱井配產狀況確定該區回灌井最大回灌量。

步驟5：壓力場分析及地熱井井距論證。利用數值模型模擬不同地熱井井距下熱儲層壓力場分布特征，并結合抽水試驗時的Dupuit 公式及庫薩金抽水影響半徑經驗公式確定地熱井最佳井距。

Dupuit 公式為式（1）：

式中：K 為滲透系數，m/d；Q 為地熱井涌水量，m3/d；R 為影響半徑，m；r 為井眼半徑，m；M 為熱儲層厚度，m；S 為穩定水位降深，m。

庫薩金經驗公式為式（2）：

式中：R 為地熱井影響半徑，m；S 為穩定水位降深，m；M 為熱儲層厚度，m；K 為滲透系數，m/d。

步驟6：溫度場分析及采灌井井距論證。采用數值模擬的方法，計算不同回灌溫度、不同采灌井距下，在設定供暖周期內的回灌井冷鋒前緣距離，選取冷鋒前緣到達不了地熱井采暖區域距離作為最小采灌井井距。

步驟7：井網形式論證。根據地熱利用資源需求以及地熱井穩定涌水量和回灌條件等確定采灌井數比，結合地面實際情況，靈活選取井網形式；常用的地熱井布井形式包括兩點、四點、六點法井網。

步驟8：區域可采熱容量論證。依據地上地下相結合原則，采用水熱均衡法計算單位平方公里可采熱容量，作為衡量評價熱儲工程開發效益的依據。計算公式為式（3）：

式中：Qw為單位平方公里可采熱容量，J/km2；Q 為熱水井開采量，m3/d；Cw為熱水平均比熱容，J/（m3·℃）；Tw為地熱水平均溫度，℃；T0為回灌溫度，℃；n 為地熱井組數，組；A 為可利用熱儲面積，km2。

3 評價實例

以河北省H 區為例進行熱儲工程評價，H 區面積130 km2，總地熱資源量5.56×1018J，折合標準煤1.895×108t。其中開發利用的館陶組總地熱資源量2.9×1018J，折合標準煤9.9×107t，可利用地熱資源量7.26×1017J，折合標準煤2.48×107 t。館陶組地熱水總儲量為6.92×109m3，屬于NaCl 型水，礦化度3 133.29 mg/L～3 552.22 mg/L，pH 值7.6，屬于非腐蝕性，不結垢的水。

（1）抽水試驗分析。目前，H 區已有H1 井、H2 井、H3 井、H4 井完鉆，根據地質技術設計要求，4 口井依次進行了大、中、小落程抽水試驗（表1）。

表1 地熱井抽水試驗結果統計表

采用曲線誤差擬合法，對3 口地熱井涌水量Q 與最大水位降深S 關系曲線進行了擬合。采用最小二乘法進行試算，根據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）的規定，該抽水試驗曲線最適合采用拋物線方程進行擬合，擬合誤差C=0.005%，單井穩定涌水量Q 與水位降深S 之間的關系為式（4）。

（2）地熱數值模型建立。根據H 區館陶組熱儲層厚度分布范圍，建立了H 區館陶組地熱概念模型。模型熱儲層平均厚度為191 m，熱儲層孔隙度分布為25.3%～31.3%，熱儲層滲透率分布為1.133 μm2～1.550 μm2，彈性釋水系數為1.25×10-5，地熱井井徑為241.3 mm，熱儲層溫度梯度為3.13 ℃/100 m，平面溫度分布為56 ℃～58 ℃，平均地層壓力為13.0 MPa。

（3）地熱井穩定涌水量確定。利用實際擬合的單井穩定涌水量Q 與水位降深S 的公式，結合《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）要求：“計算使用的壓力降低值一般不大于0.3 MPa，最大不大于0.5 MPa”，參考該區域實際地質和開采特征，計算地熱井最大水位降深分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m 時，求解方程獲得單井穩定涌水量分別為67 m3/h、112 m3/h、141 m3/h、169 m3/h、194 m3/h（圖1）。

圖1 地熱井穩定涌水量與水位降深關系曲線圖

利用地熱數值模擬，在不同熱儲層厚度條件下，計算得到不同水位降深時熱儲層厚度與穩定涌水量關系圖版（圖2）。

圖2 不同水位降深時儲層厚度與穩定涌水量關系圖版

通過將抽水試驗結果與數值模擬計算結果對比發現，H2井、H3 井、H4 井的計算結果基本吻合(表2)。

表2 抽水試驗與數值模擬計算結果對比表

當館陶組地熱井最大水位降深20 m 時，單井穩定涌水量與儲層厚度呈正相關性（表3），館陶組單井穩定涌水量112 m3/h。

表3 水位降深20 m 單井穩定涌水量與儲層厚度對應關系表

（4）回灌井最大回灌量確定。為保持熱儲層能量，補充和穩定地熱水的產能，提高地熱資源利用率，同時保護環境減少熱污染，應當考慮部署回灌井［7］。根據H 區館陶組地熱模型，模擬計算了不同井口回灌壓力條件下的回灌井最大回灌量（表4），結果顯示熱儲層厚度為191 m 時，井口最大自然回灌量為148 m3/h，證實該區儲層吸水能力較好。

表4 水位降深20 m 單井穩定涌水量、最大回灌量與儲層厚度對應關系表

但砂巖熱儲層低壓回灌存在著熱儲砂巖孔隙被堵塞，灌不進去的技術難題［8］。以無壓自然回灌為例，砂巖孔隙熱儲滲透性下降20%，回灌井最大回灌量小于地熱井穩定涌水量（圖3～圖4）。因此，本區初期可以采用無壓回灌，后期隨著地層堵塞及其他工程因素影響，預留地面增壓回灌條件。

圖3 不同熱儲層厚度不同井口回灌壓力下回灌井最大回灌量圖版

圖4 熱儲層滲透性下降程度對回灌量影響曲線圖版

（5）壓力場分析及地熱井井距確定。依據單井抽水試驗資料，采用承壓完整井單井穩定流抽水試驗時的Dupuit 公式和庫薩金抽水影響半徑經驗公式計算影響半徑（表5）。

表5 根據單井涌水試驗計算開采影響半徑結果表

同時利用數值模擬的方法進行影響半徑測算，數值模擬計算結果與理論公式計算結果基本一致（表5，圖5），單井涌水量越大，其影響半徑越大。當單井最大水位降深20 m 時，穩定涌水量112 m3/h，數值模擬計算地熱井開采影響半徑480 m，因此最佳地熱井井距為960 m，取1 000 m。

圖5 不同地熱井最大涌水量與影響半徑關系曲線圖版

（6）溫度場分析及采灌井距確定。利用本區館陶組地熱模型，假設地下供水半徑無限大，地熱井涌水水溫56 ℃，回灌井回灌溫度15 ℃，熱儲層厚度為191 m，地熱井最大水位降深20 m，單井穩定涌水量112 m3/h 時，一個供暖周期內供暖120 d，剩余時間恢復水位和地層熱量，計算供暖時間100 a，不同采灌井距冷鋒推進前緣位置。

模擬結果可以看出，當采灌井距為200 m～400 m 時，100 a的供暖周期內冷鋒前緣已經到達地熱井井底，造成地熱井水溫下降（圖6）。只有采灌井距大于500 m，100 a 的供暖周期內冷鋒前緣才不會到達地熱井井底。

圖6 不同采灌井距條件下回灌水冷鋒前緣推進圖

同理，結合H 區基準地層溫度，回灌水溫按照15 ℃、20 ℃、25 ℃計算最佳采灌井井距，結果顯示隨著回灌水溫從15 ℃升高至25 ℃時，最佳采灌井距由550 m 減小至464 m（圖7）。

圖7 不同溫差條件下的最佳采灌井井距曲線圖

（7）井網形式確定。目前，常用的地熱井布井形式包括兩點、四點、六點法井網等（圖8）。由于地熱井部署在城區，地面征地費用較高，為節約投資，在保證區域內采灌井數基本相當情況下，具體布井形式可根據地面小區實際供暖面積進行選取，本區優選六點法采灌井網形式。

圖8 不同布井形式井網部署對比圖

以回灌井回灌水溫15 ℃為例，根據數值模擬結果，一采一灌模式下采灌井間距550 m、地熱井間距1 000 m、回灌比1∶1時，開采井井口溫度不發生變化，可滿足供暖要求。按照H 區面積共可布采灌井141 組，根據地面小區實際供暖位置和征地情況，對地質概念部署結果進行局部調整，調整后H 區規劃部署采灌井120 組。

（8）區域可采熱容量預測。可利用熱儲面積按照地熱井井控面積進行測算，采灌井井距550 m，地熱井井距1 000 m 計算單井組控制面積為0.78 km2。本次規劃共設計120 個地熱井組，可利用熱儲面積為93.6 km2。

依據設計單井開采量112 m3/h，涌水溫度56 ℃，回灌溫度15 ℃，每年開采天數120 d，供暖時間100 a 測算單井開采熱容量為5.55×1012J，則區域120 個井組可采熱容量為6.665×1014J，單位平方公里的可采熱容量為7.12×1012J。

4 結論

（1）我國地熱資源豐富，大力開發利用地熱能，對推進我國生態文明建設、構建綠色能源體系、貫徹落實碳達峰、碳中和目標要求具有重要意義。

（2）開發地熱資源需要對熱儲工程進行系統的評價，文章提出了一套熱儲工程研究方法和流程，通過該方法可以確定合理穩定涌水量、合理回灌量、采灌井數、井網部署、合理井距等技術參數，優化熱儲工程設計，提高地熱能開發效益。

（3）以H 區實際資料為例對該區熱儲工程進行研究設計，結果表明本文提出的熱儲工程評價方法可滿足實際礦場需要。