河間潛山地熱資源開發方案數值模擬

丁 蕊 , 朱傳慶 *, 曹 倩, 方朝合,楊亞波 , 江曉雪

1)中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249;2)中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249;3)中國石油勘探開發研究院, 北京 100083

河間潛山位于冀中坳陷內, 具有豐富的地熱資源(王鈞和周家平, 1991; 王貴玲和藺文靜, 2020)。河間地區地熱資源的勘探和開發時間較早(周家平和王鈞, 1990), 初期多為直接利用, 之后重新利用廢棄油氣井或鉆探地熱井開發地熱資源, 取得了較好的經濟效益, 但存在地熱流體過度開采的問題。

地熱流體的過度開采會導致熱儲壓力、溫度下降(段忠豐等, 2020), 生產率降低等問題。回灌是維持熱儲溫度和熱儲壓力、避免環境污染的有效手段(Ungemach, 2003; 阮傳俠等, 2017a)。回灌過程中的采灌井距、開采量、回灌溫度等參數設置不合理會造成回灌效果不明顯或熱儲壓力下降過快、熱突破等問題, 影響地熱資源持續開發(劉志濤等, 2019;段忠豐等, 2020)。

水熱耦合模擬可以準確預測熱儲隨地熱資源開發的動態變化從而確定合理的地熱資源開發的開采參數(O'Sullivan et al., 2001)。段忠豐等(2020)利用Petrasim-Tough2軟件針對東營凹陷東營城區地熱田進行了水熱耦合模擬, 在 100%回灌的前提下確定了一采兩灌的布井方式以及合理的開采參數。羅寧等(2021)計算了雄安新區及其周邊古潛山地熱資源量, 對雄安新區容東安置區古潛山地熱資源開采進行了模擬。孔彥龍等(2020)利用OpenGeoSys軟件計算了雄縣地熱田開采 50年后的溫度壓力變化,從經濟和維持熱儲壓力兩方面對比了集中采灌和對井采灌, 選取了集中采灌為優化開發方案。Wang et al.(2021)利用 COMSOL軟件研究了雄安新區地熱資源開采40年后生產井溫度與生產參數的相關性。胡秋韻等(2020)利用COMSOL Multiphysics軟件模擬了雄安新區容城凸起地區不同采灌流量在100年開采年限后對儲層的影響。

為應對河間潛山地熱資源開發利用中的過度開采、資源利用水平低、浪費嚴重的問題, 本文基于測井資料、巖石熱物性資料, 明確河間潛山地區地溫場特征并進行地熱地質建模和水熱耦合模擬,選取合理的開采參數和采灌井網, 計算動態資源量,為后續地熱資源的可持續開發利用提供依據。

1 地熱地質條件

1.1 地熱地質特征

河間潛山帶位于冀中坳陷饒陽凹陷中東部(圖1a), 受其西側河間基底大斷層控制(葛許芳等,2003)。如圖1c所示, 河間潛山頂面埋深較淺, 是一個北東向展布、南東向傾向的貝殼狀半背斜, 抬升幅度相對較大, 潛山頂部地層相對復雜(吳濤等, 2017)。

圖1 河間潛山構造分布圖(a)、河間潛山地層柱狀圖(b)和河間潛山剖面圖(c)(改自李成海等, 2019)Fig. 1 Hejian buried hill structure distribution map (a), columnar strata section (b),and sectional drawing (c) (modified from LI et al., 2019)

研究區內分布有多套儲蓋組合(圖1b), 本文主要研究新生界砂巖蓋層和霧迷山組白云巖熱儲層。河間潛山霧迷山組熱儲層儲集條件以及儲集體連通性均較好, 潛山熱水與周緣山區有著較好的水力聯系, 有一定水源補給。河間潛山的蓋層厚度適中, 分布相對均勻, 并且熱導率較低, 阻熱能力好, 能夠有效地防止熱量的散失。合理的儲蓋組合以及適中的蓋層厚度有效的保存熱儲溫度, 有利于勘探開發。

1.2 地溫梯度和大地熱流

基于研究區域鉆孔測溫數據計算地溫梯度(圖2a), 河間潛山地溫梯度范圍為29.8～44.5 ℃/km, 平均值為 40.7 ℃/km, 其大多數區域的地溫梯度超過41.5 ℃/km, 為地溫梯度高異常區, 遠遠高于冀中坳陷平均地溫梯度33.5 ℃/km(常健等, 2016)。大地熱流特征對于區域地熱資源成因以及開發利用潛力指導意義更大(Pollack et al., 1993)。河間潛山大地熱流值(圖2b)介于 64.8～80.6 mW/m2之間, 平均值為73.4 mW/m2。

圖2 河間潛山地溫梯度(a)和大地熱流(b)分布圖Fig. 2 Hejian buried hill gradient distribution map (a) and heat flow distribution map (b)

1.3 地熱成因機制

河間潛山的主要熱源是地幔熱流(左銀輝等,2013)。冀中坳陷現今的地幔熱流占地表熱流的55%,熱流比值為0.83(蔣林等, 2013), 地幔對地表的熱流貢獻較大, 為典型的“冷殼熱幔”結構。河間潛山主要發育花崗片麻巖類巖石, 其次為角閃片巖、花崗巖、角閃巖等。河間城區所在區域下部的基巖是太古界、下元古界變質巖, 其放射性物質生成的熱量為河間潛山次要熱源(李成海等, 2019)。

河間潛山的霧迷山組熱儲層巖性以白云巖為主, 是良好的熱水儲層, 潛山區域霧迷山組孔、洞、縫發育較好, 有較好的滲透率, 富水性較好, 地下水主要來源為大氣降水(孫杉等, 1982; 趙利杰等,2012)。

研究區內河間斷層以及河間西斷層均為良好的導熱導水斷裂, 共同構成了良好的流體通道, 為河間潛山提供了良好的流體條件。冀中坳陷內的潛山地下水基本上為一環狀動力帶, 地下水橫向上由太行山、燕山到河間潛山, 縱向上沿斷裂由深部向上運移, 共同為河間潛山區域帶來熱源(周瑞良,1987; 鄒華耀等, 2001)。

2 數值模擬及建模方法

2.1 水熱耦合模擬理論方法

本次對于河間潛山的開發優化模擬采用水熱耦合模擬方法, 將儲層視為多孔介質, 其中的地熱流體流動符合達西定律(Gelet and Loret, 2012; Wang et al., 2021)。將儲層性質、流體流動、熱量傳導、地下水流動等適度理想化, 同時忽略溫度以及壓力對于模擬結果的細微影響。

2.2 水熱耦合模型建立

2.2.1 霧迷山組儲層溫度及埋深

基于一維穩態熱傳導方程, 根據霧迷山組埋深(圖3a)及收集到的巖石熱物性數據, 可以得到霧迷山組熱儲層溫度(圖3b)。河間潛山霧迷山組頂面整體溫度較高, 溫度范圍為85～133 ℃, 以中部的東北方向以及西南方向為頂面溫度的兩個高點, 向四周逐漸降低。綜合考慮熱儲層頂面溫度以及頂面埋深,與導水導熱斷裂的距離等因素, 在研究區內選定地熱資源開發利用有利區。

圖3 河間潛山霧迷山組頂面埋深(a)及頂面溫度(b)分布圖Fig. 3 Hejian buried hilltop surface burial depth of (a) and surface burial temperature (b) of Jxw distribution map

2.2.2 模型參數與邊界條件

模型中涉及的蓋層及熱儲層巖石物理性質如表1所示。

表1 蓋層及熱儲層巖石物理性質Table 1 Physical properties of cap rock and thermal reservoir

模型中壓力梯度值近似設置為0.01 MPa/m, 模型底部設置恒定熱流值73.4 mW/m2, 熱儲層埋深以及溫度根據圖4、圖5進行設置, 其余邊界設置遵循實際并進行合理的理想化處理。

圖4 河間潛山霧迷山組地層模型Fig. 4 Hejian buried hill stratum model of Jxw

圖5 河間潛山采灌井井距為500 m (a)及900 m (b)下儲層溫度的時間響應Fig. 5 Time response of reservoir temperature at 500 m (a) and 900 m (b) well spacing of mining and irrigation wells in Hejian buried hill

2.2.3 水熱耦合模型

利用COMSOL Multiphysics軟件的內置幾何處理器建立了含注采井的三維霧迷山組白云巖儲層模型, 如圖4所示。

3 模擬結果及討論

3.1 生產井與回灌井距離

冀中坳陷及其周緣地區砂巖熱儲層地熱井開采量一般為 55～70 L/s(張紅波, 2017; 段忠豐等,2020; 羅寧等, 2021), 白云巖具有更高的孔隙度和滲透率, 故可以適當設置更高的開采流量, 結合該區域已有地熱井的實際數據, 在模擬中設置基礎開采量為50 L/s。回灌溫度設置為40 ℃。

生產井和回灌井的井距是影響地熱資源開發的一個重要因素(張杰和謝經軒, 2021)。研究區域的地熱資源是水熱型地熱資源, 在井中循環的地下水充當生產井與回灌井之間的熱介質, 井距過大時會造成地下水在生產井和回灌井之間的流動受阻, 回灌效果不明顯; 井距過小時又會過早造成熱突破現象, 生產井溫度在短時間內迅速降低(曲占慶等,2017; 戴明剛等, 2019)。綜合現有生產資料設置井距, 分別為400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m。

對比不同生產參數對水熱型地熱生產經濟效益的影響時, 引入生產率這一概念:

其中ΔZ為生產率, 單位為W;M為生產流量,單位為L/s;Cw為地下水的比熱容, 單位為J/(kg·℃);ρw為地下水的密度, 單位為 kg/m3;Tp為生產溫度,單位為℃;Tinj為回灌溫度, 單位為℃。

河間潛山井距為500 m時, 40年冷鋒面推至生產井(圖5a); 而井距為900 m時, 100年冷鋒面未推至生產井(圖5b)。地熱資源開發對于儲層溫度的影響隨著時間的增大范圍逐步擴大, 井距過小時會在較短的時間內發生熱突破。

分析結果(圖6), 井距小于 800 m 時, 均在

100年之前發生熱突破。井距大于等于800 m時, 到100年時未發生熱突破現象。理論上只要年數足夠長, 均可發生熱突破現象, 而發生熱突破現象之前的生產井溫度曲線為一個先增大后減小的過程。前期溫度上升可能是由于深層地下熱水受到回灌水流的影響而向上流動, 造成生產井溫度增大; 后期生產井溫度隨著時間的推移而減小, 可能是由于地層熱量被提取過多, 地下熱水無法及時取得熱量, 地熱生產以及回灌對于周邊地層溫度影響的范圍隨時間推遲逐漸增大。

圖6 河間潛山不同井距下生產溫度與生產率Fig. 6 Production temperature and productivity under different well spacing in Hejian buried hill

3.2 生產參數

除生產井和回灌井井距之外, 開采流量和回灌溫度也是地熱資源生產中的重要影響因素。保持井距為 800 m, 開采量分別設置為 50 L/s、60 L/s、70 L/s, 回灌溫度分別設置為35 ℃、40 ℃、45 ℃。分析結果(圖7), 開采量相較于回灌液溫度對于生產井溫度的影響更大, 更大的開采量會使得生產井溫度在短時間內迅速升高, 而后快速降低, 同時使熱突破提前, 回灌溫度為次要因素, 更低的回灌溫度會使得儲層溫度下降幅度升高。在800 m井距下,綜合生產溫度以及生產率, 得到模擬區域最適宜的生產流量為60 L/s, 回灌溫度為35 ℃。由模擬結果進行地熱可開采資源量的動態預測, 模擬區域總可開采量為6.32×1016J, 每年可采量為6.32×1014J。采用加權平均法, 研究區域熱負荷指標為46 W/m2,算得可供暖面積為1.22×106m2。

圖7 河間潛山不同開采量與回灌液溫度(a)對生產率(b)影響Fig. 7 Influence of different production mass flow rate and temperature of recharging fluid (a) on productivity (b)in Hejian buried hill

3.3 雙采雙灌

隨著地熱開發利用的逐步規模化, 地熱井數量增多, 形成群井采灌模式, 這些群井開采的不同對井之間可能存在相互作用。但中深層地熱資源開采的過程中, 回灌井的流量實際上也是受限制的, 其上限流量與生產井的非常接近(阮傳俠等, 2017b;曹瑛倬等, 2021)。所以此次研究中模擬兩個生產井和兩個回灌井的采灌井網, 設置不同的相對位置,如圖8a、b所示。同側井距經過模擬之后選擇700 m為最佳井距, 開采流量60 L/s, 回灌溫度35 ℃, 得到的河間潛山模擬區域生產井溫度以及生產率如圖8c、d所示。

圖8 河間潛山雙采雙灌方案一(a)及方案二(b)示意圖和其對生產溫度(c)、生產率(d)的影響Fig. 8 Schematic diagram of Scheme 1 (a) and Scheme 2 (b) of double mining and double irrigation in buried hill and its influence on production temperature(c) and productivity (d)

方案一相對于方案二而言, 可以更好地維持生產井溫度, 在河間潛山地區可以采取方案一進行開采。采取方案一進行開采, 生產井 a總可開采量為6.31×1016J, 每年可采量6.31×1014J, 可供暖面積為1.217×106m2; 生產井 b總可開采量為 6.32×1016J,每年可采量6.32×1014J, 可供暖面積為1.219×106m2。雙采雙灌與單采單灌的方案相比較, 單井可采資源量以及可供暖面積相差較小。

本次結果與羅寧等(2021)對雄安新區容東安置區古潛山、張紅波(2017)對于東營凹陷中央隆起帶、Kong et al.(2017)對于給定情境下的結果相比具有一定的差異, 反映了研究區域地熱地質條件、構造條件以及地熱開發年限對于模擬結果的影響。此次模擬中所用的模型較為簡化, 未考慮除熱儲層之外地層的形狀以及厚度。建立更為精細可靠的模型需要進行群井示蹤實驗, 以便進一步厘清研究區域熱儲中存在的優勢通道。區域內地下水的流速較小,故適當忽略其從橫向上對于地熱回灌的影響。群井采灌模擬時僅模擬了雙采雙灌的情況, 所得到的結果有一定的局限性, 但對河間潛山地熱資源開發、其他地區可采地熱資源量動態預測、確定地熱資源開采參數、進行地熱資源井網布置等仍具有一定指導意義。此外還需在此基礎上進行熱儲層敏感性分析和堵塞成因分析, 以預估熱儲回灌難度, 選擇更為合理的回灌技術。

4 結論

(1)河間潛山地溫梯度為29.8 ～ 44.5 ℃/km之間,平均值為 40.7 ℃/km。大地熱流值介于64.8 ～ 80.6 mW/m2之間, 平均值為 73.4 mW/m2, 具有良好的地熱地質條件、較高的地溫梯度以及大地熱流, 擁有相對較好的水熱型地熱資源, 開發潛力巨大。

(2)對河間潛山地熱資源開采的采灌井井距、生產流量、回灌液溫度進行水熱耦合模擬, 河間潛山合理開采井距為800 m, 開采流量60 L/s, 回灌溫度 35 ℃。模擬區域總可開采量為 6.32×1016J,每年可采量為 6.32×1014J, 可供暖面積為1.22×106m2。

(3)雙采雙灌井網模式下, 生產井和回灌井在同側的布井方式對于儲層溫度的影響較小, 可以延緩熱突破的時間。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 42172334), and National Key Research & Development Program of China (No. 2021YFA0716003).