山東省德州市德城區(qū)地?zé)岵晒喙こ毯侠砭嗯c熱突破時(shí)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(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院),山東 德州 253072;2.山東省地?zé)崆鍧嵞茉刺綔y(cè)開發(fā)與回灌工程技術(shù)研究中心,山東 德州 253072;3.山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

地?zé)豳Y源是能夠經(jīng)濟(jì)地為人類所利用的地球內(nèi)部熱資源。地?zé)豳Y源不受氣候、晝夜等因素影響,是集水、礦、熱為一體的礦產(chǎn)資源,具有潔凈、綠色、低碳等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。地?zé)豳Y源的開發(fā)利用,在節(jié)能減排、推動(dòng)碳中和中發(fā)揮了重要作用。為確保地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用,地?zé)嵛菜毓喑蔀闇p緩資源枯竭、補(bǔ)充地?zé)岽鎯?chǔ)量的重要手段。但經(jīng)過熱提取后的低溫地?zé)嵛菜陂L(zhǎng)時(shí)間回灌運(yùn)行后將面臨熱突破的問題,即地?zé)嵛菜幕毓嘣斐砷_采井溫度降低,影響地?zé)峁こ痰墓┡Ч?/p>

根據(jù)魯北地區(qū)地?zé)峁こ潭嗄赀\(yùn)行發(fā)現(xiàn),采灌井距低于合理值,會(huì)加速熱突破的發(fā)生,縮減地?zé)峁こ痰氖褂脡勖黐4-8]。在相同的地層構(gòu)造下,回灌溫度、回灌量(開采量)一定時(shí),合理井距是影響熱突破時(shí)間的主要因素[9]。孔彥龍等[10-12]利用數(shù)值模擬與經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法對(duì)水熱型地?zé)峁┡侠砭噙M(jìn)行推算,黨書生等[13]利用FEFLOW軟件通過對(duì)地下水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合模擬實(shí)現(xiàn)最優(yōu)采灌井距的推算。張紅波[14]應(yīng)用Petrosim-Tough2軟件建立數(shù)值模型實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)—地溫場(chǎng)的耦合模擬,探索地?zé)豳Y源可循環(huán)利用井網(wǎng)模式。

考慮到實(shí)際地?zé)峁こ探ㄔO(shè)時(shí),建設(shè)單位沒有技術(shù)能力進(jìn)行建模數(shù)值模擬,因此本文以德州市德城區(qū)為例,基于地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)理論,通過相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)值運(yùn)算,推算德城區(qū)采灌工程開采量確定時(shí)(即供暖面積確定時(shí))合理井距的大小,利用該方法工程建設(shè)單位可進(jìn)行獨(dú)立推算,為采灌工程的可持續(xù)運(yùn)行提供支撐,以期為砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用提供借鑒。

1 德城區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地層特征

德州市德城區(qū)位于華北平原的東南部,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上屬華北板塊、華北潛陷區(qū)、臨清潛陷區(qū)的次級(jí)構(gòu)造單元——德州凹陷(潛)范圍(圖1)。中生代以來,受燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)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(jì)為河湖相松散沉積層,厚度為260～2340m;新近紀(jì)地層厚度較穩(wěn)定,厚度為1250～1350m;古近紀(jì)地層沉積厚度變化較大,在凹陷區(qū)沉積厚度1500～2500m,而在凸起區(qū)缺失,盆地?cái)嗔褬?gòu)造發(fā)育,并伴有火山巖噴發(fā)。區(qū)內(nèi)自中新世以來,受差異性升降運(yùn)動(dòng)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(jì)孔店組、沙河街組、東營(yíng)組,新近紀(jì)館陶組、明化鎮(zhèn)組,第四紀(jì)平原組[19]。

1—新近紀(jì)館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲(chǔ);2—上部新近紀(jì)館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲(chǔ),下部寒武—奧陶紀(jì)碳酸巖巖溶熱儲(chǔ);3—上部新近紀(jì)館陶組碎屑巖孔隙裂隙熱儲(chǔ),下部太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ);4—館陶組底板埋深等值線(m);5—熱儲(chǔ)分區(qū)界線;6—地溫梯度等值線(℃/100m);7—斷裂構(gòu)造痕跡線;8—開采井;9—回灌井;10—未利用井圖1 德城區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)和地?zé)峋植紙D

1.2 熱儲(chǔ)特征

德州市德城區(qū)地?zé)崃黧w主要賦存于古、新近紀(jì)砂巖孔隙—裂隙中,屬于沉積盆地型層狀砂巖,為傳導(dǎo)型地?zé)?地表無熱流顯示,本區(qū)主要開采館陶組砂巖熱儲(chǔ)[20]。館陶組熱儲(chǔ)砂礫巖、砂巖富水性強(qiáng),既可傳熱又可儲(chǔ)熱、儲(chǔ)水,儲(chǔ)集空間較好,上部以灰白、淺灰色細(xì)—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(jié)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(yíng)組呈角度不整合接觸。目前,區(qū)內(nèi)地?zé)衢_采井井口水溫50～65℃,屬于溫?zé)崴?用途以地?zé)峁┡癁橹?回灌溫度15～30℃。

館陶組熱儲(chǔ)的蓋層為上覆的第四紀(jì)平原組、明化鎮(zhèn)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(qū)域的超深斷裂和上地幔的巖漿熱源為良好的水熱通道。地?zé)崴饕獊碓从谂璧爻练e時(shí)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(qū)地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀

德城區(qū)是山東省地?zé)衢_發(fā)利用程度最高,地?zé)崂米钤绲牡貐^(qū),地?zé)峋當(dāng)?shù)占魯北地?zé)峋囊话胱笥?在地?zé)峁┡_采—回灌方面,該區(qū)也走在山東省乃至全國(guó)前列。根據(jù)2020年度山東省地?zé)岬刭|(zhì)普查,德城區(qū)共有地?zé)衢_采井51眼(圖1),回灌井53眼,未利用井54眼。德城區(qū)共有采灌工程39個(gè),一采一灌工程30個(gè),其中未利用的1個(gè),兩采一灌工程2個(gè),兩采兩灌工程3個(gè),三采三罐工程2個(gè),六采五灌工程1個(gè)(圖2)。德城區(qū)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(qū)采灌工程開采情況柱狀圖

2.2 德城區(qū)采灌工程合理井距推算

德城區(qū)生產(chǎn)性地?zé)衢_采—回灌工程均以社區(qū)為單位,受社區(qū)面積、布局的決定,采灌井距遠(yuǎn)近不一。根據(jù)《砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嗉夹g(shù)規(guī)程》(DZ/T0330—2019),對(duì)合理井距進(jìn)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(shí)間(s);H—回灌層段砂巖層總厚度(m);n—砂巖孔隙度;cω—地?zé)崴葻崛?J·kg-1·℃-1);ρω—地?zé)崴芏?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(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查所獲取資料,熱儲(chǔ)層厚度及孔隙度等均采用德城區(qū)水文二隊(duì)砂巖熱儲(chǔ)示范工程所獲取的數(shù)據(jù),其他參數(shù)采取《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615—2010)中的經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)規(guī)程,合理井距以50年不發(fā)生熱突破為期限(表1)。

表1 合理井距計(jì)算參數(shù)

根據(jù)計(jì)算公式,影響采灌對(duì)井合理井距的主要因素為現(xiàn)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(qū)供暖面積差異大,對(duì)井距要求亦不同,采灌井距應(yīng)集中在100～300m。根據(jù)調(diào)查,實(shí)際井距大于推測(cè)合理井距的采灌對(duì)井30組,占總采灌對(duì)井的59%(圖3)。由于社區(qū)面積的限制,區(qū)內(nèi)12組采灌對(duì)井實(shí)際井距不足100m,過近的采灌井距,勢(shì)必會(huì)加快熱突破的發(fā)生,一定程度上縮短采灌工程的運(yùn)行壽命。

1—大于合理井距;2—小于合理井距圖3 德城區(qū)采灌對(duì)井井距情況柱狀圖

2.3 德城區(qū)不同開采量采灌工程合理井距推薦

德城區(qū)熱儲(chǔ)層埋深起伏不大,地?zé)衢_采深度相對(duì)集中,將德城區(qū)地?zé)岬貙痈呕癁榭紫抖?、砂巖厚度、取水段與回灌段均相同的介質(zhì),則根據(jù)公式(3)知,該區(qū)影響合理井距的唯一變量為采灌對(duì)井的開采量。將表1中的參數(shù)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(chǎn)中開采量單位統(tǒng)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(qū)若新建采灌工程,則可根據(jù)所需供暖面積確定的開采量,推導(dǎo)合理井距(圖4,表2)。結(jié)合德城區(qū)開采量集中區(qū)段,若采灌工程開采量集中在30～35m3/h,建議合理井距不應(yīng)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(yīng)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(yīng)低于209m。

圖4 德城區(qū)采灌工程開采量與合理井距關(guān)系曲線圖

表2 德城區(qū)不同開采量對(duì)應(yīng)合理井距一覽表

3 德城區(qū)采灌工程實(shí)際熱突破時(shí)間

德城區(qū)已建采灌工程,采灌井距與開采量(回灌量)均已知,對(duì)公式(1)進(jìn)行整理,整理后獲得求取熱突破時(shí)間的公式(6)為：

(6)

將德城區(qū)地?zé)岬貙痈呕癁闊醿?chǔ)厚度相同的介質(zhì),則根據(jù)公式(6)知,該區(qū)影響熱突破時(shí)間為實(shí)際井距及回灌量。將表3中的參數(shù)代入公式(6),整理后獲得的公式(7)為：

(7)

式中：t—熱突破時(shí)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(jù)計(jì)算,德城區(qū)51對(duì)采灌對(duì)井中,30對(duì)采灌對(duì)井不會(huì)發(fā)生熱突破(圖5)。剩余21對(duì)采灌對(duì)井中有8對(duì)采灌對(duì)井熱突破時(shí)間不足10年,占比達(dá)到了19.6%。在目前采灌條件下,發(fā)生熱突破時(shí)間較短,為推延熱突破的發(fā)生,采灌工程可輔助熱泵,多手段供暖,必要時(shí)應(yīng)對(duì)采灌井進(jìn)行重新布局。

表3 熱突破時(shí)間計(jì)算參數(shù)

1—發(fā)生熱突破;2—不發(fā)生熱突破圖5 德城區(qū)采灌工程熱突破時(shí)間推算柱狀圖

4 結(jié)論

(1)根據(jù)調(diào)查,德城區(qū)地?zé)峁┡?9個(gè)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(gè),占比約77%,為區(qū)內(nèi)主要采灌對(duì)井組合方式。區(qū)內(nèi)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(qū)共51組采灌對(duì)井,井距大小差異較大,其中實(shí)際井距大于合理井距的采灌對(duì)井30組,占總采灌對(duì)井的59%。剩余21組采灌對(duì)井中,8組熱突破時(shí)間不足10年。為推延熱突破的發(fā)生,已建采灌工程可輔助熱泵,多手段供暖,必要時(shí)應(yīng)對(duì)采灌井進(jìn)行重新布局。

(3)根據(jù)德城區(qū)合理井距推導(dǎo)公式,單井開采量為30m3/h時(shí)對(duì)應(yīng)合理井距不應(yīng)低于128m,單井開采量為60m3/h時(shí)對(duì)應(yīng)合理井距不應(yīng)低于181m,單井開采量為90m3/h時(shí)對(duì)應(yīng)合理井距不應(yīng)低于222m。