山東省德州市德城區地熱采灌工程合理井距與熱突破時間推算

王明珠,沙福建,馮克印,夏影,沈芳,郝俊杰

(1.山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊(山東省魯北地質工程勘察院),山東 德州 253072;2.山東省地熱清潔能源探測開發與回灌工程技術研究中心,山東 德州 253072;3.山東省國土空間生態修復中心,山東 濟南 250000)

0 引言

地熱資源是能夠經濟地為人類所利用的地球內部熱資源。地熱資源不受氣候、晝夜等因素影響,是集水、礦、熱為一體的礦產資源,具有潔凈、綠色、低碳等優點[1-3]。地熱資源的開發利用,在節能減排、推動碳中和中發揮了重要作用。為確保地熱資源可持續開發利用,地熱尾水回灌成為減緩資源枯竭、補充地熱存儲量的重要手段。但經過熱提取后的低溫地熱尾水在長時間回灌運行后將面臨熱突破的問題,即地熱尾水的回灌造成開采井溫度降低,影響地熱工程的供暖效果。

根據魯北地區地熱工程多年運行發現,采灌井距低于合理值,會加速熱突破的發生,縮減地熱工程的使用壽命[4-8]。在相同的地層構造下,回灌溫度、回灌量(開采量)一定時,合理井距是影響熱突破時間的主要因素[9]。孔彥龍等[10-12]利用數值模擬與經濟學分析方法對水熱型地熱供暖合理井距進行推算,黨書生等[13]利用FEFLOW軟件通過對地下水流場和溫度場的耦合模擬實現最優采灌井距的推算。張紅波[14]應用Petrosim-Tough2軟件建立數值模型實現對滲流場—地溫場的耦合模擬,探索地熱資源可循環利用井網模式。

考慮到實際地熱工程建設時,建設單位沒有技術能力進行建模數值模擬,因此本文以德州市德城區為例,基于地熱地質學理論,通過相對簡單的數值運算,推算德城區采灌工程開采量確定時(即供暖面積確定時)合理井距的大小,利用該方法工程建設單位可進行獨立推算,為采灌工程的可持續運行提供支撐,以期為砂巖熱儲地熱資源可持續開發利用提供借鑒。

1 德城區地熱地質條件

1.1 地層特征

德州市德城區位于華北平原的東南部,區域地質構造上屬華北板塊、華北潛陷區、臨清潛陷區的次級構造單元——德州凹陷(潛)范圍(圖1)。中生代以來,受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響,一直緩慢下降,沉積了巨厚的新生代地層[15-18]。第四紀為河湖相松散沉積層,厚度為260～2340m;新近紀地層厚度較穩定,厚度為1250～1350m;古近紀地層沉積厚度變化較大,在凹陷區沉積厚度1500～2500m,而在凸起區缺失,盆地斷裂構造發育,并伴有火山巖噴發。區內自中新世以來,受差異性升降運動的影響,一直緩慢下沉,沉積了厚度巨大的新生代地層,由老到新為古近紀孔店組、沙河街組、東營組,新近紀館陶組、明化鎮組,第四紀平原組[19]。

1—新近紀館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲;2—上部新近紀館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲,下部寒武—奧陶紀碳酸巖巖溶熱儲;3—上部新近紀館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲,下部太古界變質巖裂隙熱儲;4—館陶組底板埋深等值線(m);5—熱儲分區界線;6—地溫梯度等值線(℃/100m);7—斷裂構造痕跡線;8—開采井;9—回灌井;10—未利用井圖1 德城區地熱地質和地熱井分布圖

1.2 熱儲特征

德州市德城區地熱流體主要賦存于古、新近紀砂巖孔隙—裂隙中,屬于沉積盆地型層狀砂巖,為傳導型地熱,地表無熱流顯示,本區主要開采館陶組砂巖熱儲[20]。館陶組熱儲砂礫巖、砂巖富水性強,既可傳熱又可儲熱、儲水,儲集空間較好,上部以灰白、淺灰色細—中砂巖及棕紅色夾灰綠色泥巖為主,呈交互層狀;下部為灰白色含礫粗砂巖及砂礫巖為主,夾棕紅色泥巖,含礫砂巖,分選性較差,磨圓度中等,膠結性較差;底部為砂礫巖、礫狀砂巖,礫石粒徑1～10mm,呈次棱角—次圓狀,以石英、黑色燧石為主。層底埋深1450～1650m,厚度300～470m。該層與下伏東營組呈角度不整合接觸。目前,區內地熱開采井井口水溫50～65℃,屬于溫熱水,用途以地熱供暖為主,回灌溫度15～30℃。

館陶組熱儲的蓋層為上覆的第四紀平原組、明化鎮組黏性土與砂性土組成的松軟層。地球深部和上地幔的巖漿熱液為其主要熱源,附近區域的超深斷裂和上地幔的巖漿熱源為良好的水熱通道。地熱水主要來源于盆地沉積時保存下來的沉積水和封存水,有一部分為沉積后徑流來的大氣降水。

2 采灌工程合理井距

2.1 德城區地熱開發利用現狀

德城區是山東省地熱開發利用程度最高,地熱利用最早的地區,地熱井數占魯北地熱井的一半左右,在地熱供暖開采—回灌方面,該區也走在山東省乃至全國前列。根據2020年度山東省地熱地質普查,德城區共有地熱開采井51眼(圖1),回灌井53眼,未利用井54眼。德城區共有采灌工程39個,一采一灌工程30個,其中未利用的1個,兩采一灌工程2個,兩采兩灌工程3個,三采三罐工程2個,六采五灌工程1個(圖2)。德城區年開采總量949.10萬m3,年回灌總量798.07萬m3,回灌率約為84%,供暖面積245萬m2。

開采量：1—<30m3/h;2—30～60m3/h;3—60～90m3/h;4—≥90m3/h圖2 德城區采灌工程開采情況柱狀圖

2.2 德城區采灌工程合理井距推算

德城區生產性地熱開采—回灌工程均以社區為單位,受社區面積、布局的決定,采灌井距遠近不一。根據《砂巖熱儲地熱尾水回灌技術規程》(DZ/T0330—2019),對合理井距進行推算式(1)—式(2)：

(1)

<ρc>=ncωρω+(1-n)crρr

(2)

整理后獲得的公式(3)為：

(3)

式中：rT—合理井距(m);Qm—開采量(回灌量)(kg/s);tp—熱突破時間(s);H—回灌層段砂巖層總厚度(m);n—砂巖孔隙度;cω—地熱水比熱容(J·kg-1·℃-1);ρω—地熱水密度(kg/m3);cr—砂巖比熱容(J·kg-1·℃-1);ρr—砂巖密度(kg/m3)。

其中,采灌工程的開采量根據區域地熱地質調查所獲取資料,熱儲層厚度及孔隙度等均采用德城區水文二隊砂巖熱儲示范工程所獲取的數據,其他參數采取《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615—2010)中的經驗值。根據規程,合理井距以50年不發生熱突破為期限(表1)。

表1 合理井距計算參數

根據計算公式,影響采灌對井合理井距的主要因素為現狀條件下的開采量,即開采量越大,所需的合理井距越大。

由于不同社區供暖面積差異大,對井距要求亦不同,采灌井距應集中在100～300m。根據調查,實際井距大于推測合理井距的采灌對井30組,占總采灌對井的59%(圖3)。由于社區面積的限制,區內12組采灌對井實際井距不足100m,過近的采灌井距,勢必會加快熱突破的發生,一定程度上縮短采灌工程的運行壽命。

1—大于合理井距;2—小于合理井距圖3 德城區采灌對井井距情況柱狀圖

2.3 德城區不同開采量采灌工程合理井距推薦

德城區熱儲層埋深起伏不大,地熱開采深度相對集中,將德城區地熱地層概化為孔隙度、砂巖厚度、取水段與回灌段均相同的介質,則根據公式(3)知,該區影響合理井距的唯一變量為采灌對井的開采量。將表1中的參數代入公式(3),整理后獲得的公式(4)為：

(4)

式中：r德—合理井距,m;Qm—開采量(回灌量),kg/s;為與生產中開采量單位統一,將公式中開采量(回灌量)Qm的單位由kg/s換算為m3/h,整理后獲得的公式(5)為：

(5)

式中：r德—合理井距(m);Q'm—開采量(回灌量)(m3/h)。

德城區若新建采灌工程,則可根據所需供暖面積確定的開采量,推導合理井距(圖4,表2)。結合德城區開采量集中區段,若采灌工程開采量集中在30～35m3/h,建議合理井距不應低于128m;若采灌工程開采量集中在60～70m3/h,建議合理井距不應低于181m;若采灌工程開采量集中在80～90m3/h,建議合理井距不應低于209m。

圖4 德城區采灌工程開采量與合理井距關系曲線圖

表2 德城區不同開采量對應合理井距一覽表

3 德城區采灌工程實際熱突破時間

德城區已建采灌工程,采灌井距與開采量(回灌量)均已知,對公式(1)進行整理,整理后獲得求取熱突破時間的公式(6)為：

(6)

將德城區地熱地層概化為熱儲厚度相同的介質,則根據公式(6)知,該區影響熱突破時間為實際井距及回灌量。將表3中的參數代入公式(6),整理后獲得的公式(7)為：

(7)

式中：t—熱突破時間(s);Q德—采灌工程回灌量(kg/s);r德—同層采、灌井底距離(m)。

根據計算,德城區51對采灌對井中,30對采灌對井不會發生熱突破(圖5)。剩余21對采灌對井中有8對采灌對井熱突破時間不足10年,占比達到了19.6%。在目前采灌條件下,發生熱突破時間較短,為推延熱突破的發生,采灌工程可輔助熱泵,多手段供暖,必要時應對采灌井進行重新布局。

表3 熱突破時間計算參數

1—發生熱突破;2—不發生熱突破圖5 德城區采灌工程熱突破時間推算柱狀圖

4 結論

(1)根據調查,德城區地熱供暖共39個采灌工程,可劃分為多種采灌井比組合,其中一采一灌工程30個,占比約77%,為區內主要采灌對井組合方式。區內年開采總量949.10萬m3,年回灌總量798.07萬m3,回灌率約為84%,供暖面積245萬m2。

(2)德城區共51組采灌對井,井距大小差異較大,其中實際井距大于合理井距的采灌對井30組,占總采灌對井的59%。剩余21組采灌對井中,8組熱突破時間不足10年。為推延熱突破的發生,已建采灌工程可輔助熱泵,多手段供暖,必要時應對采灌井進行重新布局。

(3)根據德城區合理井距推導公式,單井開采量為30m3/h時對應合理井距不應低于128m,單井開采量為60m3/h時對應合理井距不應低于181m,單井開采量為90m3/h時對應合理井距不應低于222m。