華北地區(qū)基巖熱儲回灌段地溫場變化特征及熱源分析

牛 飛，李 鵬，張宏亮，申方樂

1.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056000；2. 河北省煤田地質(zhì)局環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050085；3.河北地質(zhì)大學(xué)華信學(xué)院，河北 石家莊 050700

0 引言

隨著地?zé)豳Y源的開發(fā)及利用，華北平原區(qū)水熱型地?zé)豳Y源的開采量呈逐年增加趨勢，部分集中開采區(qū)已出現(xiàn)嚴(yán)重超采，導(dǎo)致基巖熱儲壓力持續(xù)降低。尾水回灌可有效恢復(fù)熱儲壓力，有利于地?zé)豳Y源的持續(xù)開發(fā)利用[1-5]。國內(nèi)外專家學(xué)者通過建立熱儲模型來預(yù)測回灌井內(nèi)地下溫度場變化趨勢，以及回灌井冷峰面向開采端推移速度。但目前研究地?zé)峄毓嗉夹g(shù)時，往往比較重視回灌技術(shù)本身，包括回灌量、回灌壓力以及能持續(xù)回灌等，缺乏針對于回灌井熱儲層溫度場變化以及非供暖季內(nèi)熱儲溫度恢復(fù)熱量來源等研究。

由于不同的地?zé)崽锲涞責(zé)岬刭|(zhì)條件不同，所采用的回灌方式也存在差異。在華北地區(qū)近幾年的基巖熱儲回灌研究中發(fā)現(xiàn)：供暖季內(nèi)低溫地?zé)嵛菜?guī)模性回灌造成了回灌井周邊熱儲溫度持續(xù)降低，并在非供暖季內(nèi)無法恢復(fù)到原有的熱儲溫度[6]。本文以華北地區(qū)典型基巖熱儲地?zé)崽铩I(xiàn)縣地?zé)崽餅槔⒁跃┙蚣降責(zé)峥蒲谢貎?nèi)地?zé)峄毓喙こ虨槔ㄟ^對XXZK-1回灌井非供暖季內(nèi)垂向溫度場動態(tài)監(jiān)測，分析了冬季供暖結(jié)束后回灌井周邊地溫場變化特征，并首次深入研究了華北地區(qū)基巖熱儲在回灌條件下回灌段熱儲溫度恢復(fù)的熱量來源。

1 地?zé)岬刭|(zhì)概況

獻(xiàn)縣地?zé)崽镂挥谥袊娜A北地區(qū)獻(xiàn)縣斷凸構(gòu)造單元內(nèi)(圖1)，并以Ⅳ級構(gòu)造單元邊界斷層為界[7]。區(qū)域上構(gòu)造演化中中朝準(zhǔn)地臺經(jīng)歷呂梁、加里東、海西構(gòu)造運動以及后期拉張斷陷形成的深大斷裂為地殼深部熱源向上運移提供了通道，為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的富集奠定了基礎(chǔ)。

圖1 獻(xiàn)縣地區(qū)構(gòu)造[8]Fig.1 Structural map of Xianxian

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔揭露情況顯示地層由下至上主要為中上元古界、古生界、新生界，區(qū)內(nèi)熱儲層發(fā)育于上元古界及新生界地層中。獻(xiàn)縣斷裂是獻(xiàn)縣地?zé)崽镞吔纾哂袛嗑啻蟆⒀由扉L的特點[8]，走向北東至北北東向，傾向北西向(圖2)。

圖2 獻(xiàn)縣地區(qū)基巖地質(zhì)圖[8]Fig.2 Geological map of bedrock in Xianxian

獻(xiàn)縣地?zé)崽飪?nèi)共發(fā)育兩套熱儲，分別為新近系孔隙熱儲和基巖巖溶裂隙熱儲，其中薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲為獻(xiàn)縣地?zé)崽飪?nèi)主要利用熱儲。根據(jù)已有地?zé)峋疁y溫資料顯示，區(qū)內(nèi)霧迷山組熱儲溫度介于81 ℃～97 ℃之間，屬于中-低溫地?zé)豳Y源[8]。

霧迷山組熱儲發(fā)育于段村及壘頭—南河頭一帶，巖性為白云巖、灰?guī)r，具有可溶性。霧迷山組熱儲蓋層為第四系松散沉積層及新近系砂礫巖層，具有高熱阻率低熱導(dǎo)率的特征。經(jīng)過多次構(gòu)造運動，熱儲中次生裂隙發(fā)育，且連通性好。基巖裂隙與次生裂隙為本區(qū)基巖熱儲的主要儲水空間。在強(qiáng)烈的巖溶作用下形成孔、洞、縫相當(dāng)發(fā)育的溶蝕型碳酸巖熱儲體，也成為地?zé)崴x存的良好載體[9]。來自上地幔的大地?zé)崃髟谙蛏蟼鲗?dǎo)過程中，受地殼上部再分配作用影響，熱量由基巖“凹陷區(qū)”向基巖“隆起區(qū)”運移富集，并在基巖隆起區(qū)淺部形成高溫異常區(qū)[10-13]。加之區(qū)內(nèi)霧迷山組熱儲高熱阻蓋層與高熱導(dǎo)率基巖儲層的匹配從而形成了連通好、循環(huán)深、壓力大的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，并具有水溫高、水量豐富之特點。熱儲頂界埋深1 100～1 500 m，儲厚比15%～30%(熱儲厚度/熱儲發(fā)育地層總厚度×100%)，熱儲厚度1 050～1 200 m，巖溶裂隙發(fā)育，裂隙度約為3.3%，涌水量80～125 m3/h，單位涌水量0.333～0.694 L/s·m，水溫81 ℃～97 ℃。水質(zhì)類型以Cl-Na型為主，溶解性總固體一般為6.0～6.5 g/L。

2 工作手段

本次工作主要通過對典型地?zé)峄毓嗑娜鎰討B(tài)監(jiān)測，研究回灌井測溫曲線的垂向整體特征。選取獻(xiàn)縣地?zé)崽镏?低溫地?zé)豳Y源綜合利用科研基地內(nèi)XXZK-1回灌井，該回灌工程于2017年投入使用，XXZK-1、GRY1、XXZK-2三眼井由南向北分布，井深分別為2 500 m、4 050 m、2 010 m(圖3)。GRY1井開發(fā)利用層位為深部長城系熱儲層，且成井后未開發(fā)利用，故對本次XXZK-1回灌井內(nèi)溫度場并無影響。本次工作研究的XXZK-1井與XXZK-2井為同一采灌系統(tǒng)中的回灌井及開采井，兩井間距270 m，形成了“一采一灌”的開發(fā)利用形式。該采灌工程2017—2021年連續(xù)多個供暖季實現(xiàn)地?zé)峁┡菜?00%回灌，回灌溫度55 ℃～60 ℃。在河北地區(qū)，該采灌工程回灌間距小，回灌時間長，回灌效果持續(xù)良好，因此具有較好的代表性。

圖3 “科研基地”地質(zhì)剖面與井分布圖Fig.3 Geological section and well location map of “scientific research base”

安裝分布式光纖測溫主機(jī)(4通道HO-D-2000含610工作站)及XXZK-1回灌井井內(nèi)1 950 m HO-GL-120-4.5 mm型特種測溫光纜(井筒內(nèi)測試耐高溫100 ℃)進(jìn)行井內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采集工作。其采集測溫數(shù)據(jù)原理為：利用光在光導(dǎo)纖維中傳輸時產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射和光時域反射來獲取空間溫度分布信息[14，15]。2020—2021年供暖季結(jié)束停止回灌后，于2021年4月15日至8月10日對XXZK-1回灌井1 950 m深度范圍內(nèi)共進(jìn)行了125天全井段測溫工作，期間每1 m/h記錄一個溫度數(shù)據(jù)，精度0.5 ℃。

3 研究方法

通過對XXZK-1地?zé)峄毓嗑娜鎰討B(tài)監(jiān)測，獲取非供暖季內(nèi)回灌井測溫數(shù)據(jù)及測溫曲線垂向整體變化特征。選取溫度、地溫梯度、增溫率作為回灌井溫度場變化特征參數(shù)進(jìn)行整井垂向分段研究，并重點對XXZK-1回灌井回灌段霧迷山組熱儲溫度恢復(fù)的熱量來源進(jìn)行了分析研究。根據(jù)非供暖季內(nèi)XXZK-1回灌井測溫曲線隨時間、深度的整體變化特征(圖4)，自井口至井底可劃分為5個區(qū)段：頂部季節(jié)變溫段、上部陡變段、中部均勻增溫段、下部陡降段、底部波動段[16]。

圖4 頂部季節(jié)變溫段測溫曲線圖Fig.4 Temperature measurement curve of the top seasonal variable temperature section

3.1 頂部季節(jié)變溫段

該段自井口起，不同月份底部深度各次測溫略有不同。4月16日、5月1日、5月30日、6月15日、6月30日、7月15日自井口起在平均約13 m處溫度出現(xiàn)一個陡升階段(圖4)。而5月15日、7月30日自井口起溫度顯示穩(wěn)定，無突變階段，8月15日和8月24日顯示自井口溫度逐漸降低。井口溫度顯示與季節(jié)相關(guān)，隨著進(jìn)入夏季井口的溫度明顯升高，說明該段溫度主要受大氣溫度變化影響。在所有時間段的測溫結(jié)果顯示18 m以上有時溫度升高，有時降低，并出現(xiàn)突變段，而18 m以下深度所有時間段的溫度顯示緩慢增加，說明該段可能為該地區(qū)的恒溫帶。

3.2 上部陡變段

該段底部在60～74 m，平均70.6 m，底部溫度范圍為26.16 ℃～43.5 ℃，自4月16日至8月24日溫度該段底部溫度逐漸降低(圖5)。6月15日之前該段顯示頂部均勻上升，之后陡然上升，6月15日之后則表現(xiàn)為先降低后升高的特征。隨著距離供暖結(jié)束時間的延長該段底部的溫度逐漸上升。4月之后回灌井液位基本上在50 m左右，由于空氣與水的比熱容相差4倍，密度相差800倍，同等體積的水與空氣升高相同溫度時，所需要的熱量后者是前者的3 200倍，而下降同樣的溫度，水需要釋放比空氣更多的熱量。因此，4月16日至6月份該段的階梯型陡升過程可能與上部殘留的高溫淺部水有關(guān)，而隨著距離供暖時間越來越長，殘留水溫逐漸消失，恢復(fù)到正常的水溫，導(dǎo)致6月15日之后呈現(xiàn)自井口溫度先下降后升高的特征。

圖5 上部陡變段測溫曲線圖Fig.5 Temperature curve of the upper steep section

3.3 中部均勻增溫段

該段底部深度1 320.5～1 372.5 m，平均1 344.7 m，區(qū)間范圍為1 256～1 297.5 m，平均為1 274.1 m。該段底部溫度為76.09 ℃～79.04 ℃，平均為77.87 ℃(圖6)。該段溫度曲線的主要特征為隨深度增加而升高，且升幅較為平穩(wěn)，即曲線基本表現(xiàn)為一條斜率逐漸增大的直線，該段平均地溫梯度為2.56～4.12 ℃/100 m，動態(tài)測溫曲線形態(tài)表現(xiàn)為：停止回灌后，測溫曲線斜率隨時間延續(xù)逐漸增大。該段上部溫差較大，自上部陡變帶后在146 m處4月16日與8月24日的溫差最大，可達(dá)18.05 ℃，之后向深部溫差逐漸減小，溫度趨于一致，在該段底部溫度基本均一。隨著回灌結(jié)束的時間延長，中部均勻增溫段淺部的溫度逐漸降低并接近，說明早期供暖熱水對地溫場存在影響，導(dǎo)致該段淺部出現(xiàn)高溫過程，隨著該影響逐漸消失恢復(fù)成正常的地溫狀態(tài)，多次測溫趨近均一。該段的地溫梯度也顯示了相同的特征。測溫早期中部均勻增溫段上部地溫梯度大，超過最高值后逐漸降低，而測溫晚期整段的地溫梯度變化不大。

圖6 中部均勻增溫段測溫曲線圖Fig.6 Temperature measurement curve of the middle uniformly warming section

3.4 下部陡降段

該段底部深度1 390～1 403.5 m，平均1 399.1 m，區(qū)段長度25～81.5 m，平均54.4 m。該段溫度出現(xiàn)急劇下降，降幅3.37 ℃～6.27 ℃，平均4.3 ℃，溫度梯度-4.3～-16.3 ℃/m，平均-9 ℃/m(圖7)。

圖7 下部陡降段測溫曲線圖Fig.7 Temperature curve of the lower steep drop section

根據(jù)XXZK-1井成井結(jié)構(gòu)，該段已進(jìn)入回灌段，供暖季內(nèi)大量低溫回灌水的灌入導(dǎo)致該段熱儲溫度降低，在曲線形態(tài)上形成陡坎，而上部熱儲層受井筒套管保護(hù)沒有低溫回灌水流入，周圍地溫影響較小，曲線形態(tài)上無較大差異。因此測溫曲線在進(jìn)入回灌段后呈現(xiàn)出急劇下降。垂向上的溫度變化說明1 320.5～1 403.5 m為該井薊縣系霧迷山組熱儲層主要裂隙段，大量回灌的低溫地?zé)嵛菜辉搶佣瘟严段諏?dǎo)致儲層溫度驟降，形成溫度曲線上的陡坎狀。另外，本次工作通過收集到的XXZK-1井成井測井曲線及測井含水層解釋結(jié)果。成果顯示：該井1 339 m至2 500 m主要含水層共24層，厚度累計151.70 m，單層厚度1.0～15.75 m，而對應(yīng)該段內(nèi)共有9個含水層，且含水層累計厚度達(dá)到42.65 m，為該井主要含水層段，詳見表1。

表1 測井含水層解釋成果表Table 1 Results of logging aquifer interpretation

3.5 底部波動段

該段是主要回灌區(qū)段，整體溫度顯著低于非回灌段底部溫度，至最后一次觀測最高溫度也未恢復(fù)到初始熱儲溫度85.4 ℃(圖8)。總體來看，該段的溫度隨著時間的延長逐漸升高，供暖結(jié)束后溫度最低，8月底達(dá)到監(jiān)測的最高溫度。通過統(tǒng)計該段的溫度發(fā)現(xiàn)，溫度的升高并非是線性的，而是波動性回升，如果熱源為大地?zé)崃餮a(bǔ)給，升溫過程中測溫曲線變化特征應(yīng)該是平穩(wěn)的線性恢復(fù)，因此可以初步判斷大地?zé)崃鞑⒉皇菬醿囟然謴?fù)的主要熱源。

圖8 底部平穩(wěn)恢復(fù)段測溫曲線圖Fig.8 Temperature curve of the smooth recovery section at the bottom

4 熱量來源分析

非供暖季內(nèi)基巖熱儲溫度恢復(fù)需要外部熱量補(bǔ)給，根據(jù)熱量來源劃分為以下3個方向：(1)底部大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)的熱量(2)上部高溫段地層傳導(dǎo)的熱量(3)同層相對高溫的巖層及地?zé)崃黧w傳導(dǎo)的熱量[15]。

4.1 大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)的熱量分析

通常情況下大地?zé)崃髟诘責(zé)豳Y源的形成和富集過程中作用較大。但在短時間低溫回灌條件下，回灌井周邊熱儲溫度受低溫尾水回灌影響，儲層溫度驟降。這時需要通過定量分析來確定回灌條件下，大地?zé)崃鲗醿謴?fù)熱量的補(bǔ)給作用。

熱儲恢復(fù)的熱量即非供暖季計算期內(nèi)熱儲熱量的增加值，計算公式如下：

Q=Adρrcr(1-φ)Δt+AφdρwcwΔt

式中，Q為非回灌期熱儲恢復(fù)的熱量(J)；A為計算面積(m2)；d為熱儲厚度(m)；ρr為霧迷山組白云巖熱儲巖石密度(kg/m3)；cr為霧迷山組白云巖熱儲巖石比熱[J/(kg·℃)]；ρw為地?zé)崴芏?kg/m3)；cw為水的比熱[J/(kg·℃)]；φ為熱儲巖石的孔隙度，無量綱；Δt為熱儲溫度變化(℃)。

本次計算主要選擇底部的回灌主體部分。回灌段頂部最深深度為1 403.5 m，底部深度為1 949.5 m，因此，本次工作選擇1 403.5～1 949.5 m作為主要熱儲計算階段，熱儲厚度為546 m。熱儲的溫度變化取第一次和最后一次熱儲層測溫平均值的差值，為4.75 ℃。根據(jù)科研基地早期的勘查成果，其他的參數(shù)見表2。根據(jù)上式，計算2021年4月16日至2021年8月24日131天內(nèi)單位面積熱儲熱量增加了7 848.91 MJ。

表2 霧迷山組白云巖熱儲主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of dolomite thermal reservoir in Wumishan Formation

4.2 大地傳導(dǎo)熱流估算分析

大地傳導(dǎo)熱流計算為：

Q=Aqt

式中，Q為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)的熱量(J)；A為計算面積(m2)；q為大地?zé)崃?mW/m2)；t為計算時間(s)。

地?zé)嵫芯空J(rèn)為，本區(qū)為地?zé)嵴^(qū)域，不存在高熱背景，區(qū)域平均熱流值為65 mW/m2，與華北平原大區(qū)域熱流平均值及全球熱流平均值很接近。通過計算得到131天單位面積大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)的熱量為0.73 MJ，該熱量僅占熱儲溫度恢復(fù)所需熱量的0.01%。

計算所得的大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)熱遠(yuǎn)達(dá)不到熱儲層恢復(fù)的熱量，因此大地?zé)醾鲗?dǎo)在熱儲層溫度恢復(fù)過程中作用較小。另外，假設(shè)大地?zé)崃魇菬醿拥闹饕獰嵩矗錅y溫曲線形態(tài)應(yīng)表現(xiàn)為單向增溫的特征，但本次工作監(jiān)測顯示熱儲層隨著深度的增加溫度呈現(xiàn)波動變化，某些階段甚至出現(xiàn)下降，進(jìn)一步證明大地?zé)醾鲗?dǎo)并非熱儲溫度恢復(fù)的主要熱源。

4.3 上部高溫地層傳導(dǎo)的熱量分析

回灌條件下由于底部回灌段熱儲層溫度低于上部非回灌段地層溫度，因此由于溫差的影響會使得非回灌層向回灌層傳遞熱量。熱儲層上部為相對高溫的陡降段。如果上部熱傳導(dǎo)導(dǎo)致熱儲層溫度上升，那么陡降段最可能是熱源。熱量的傳導(dǎo)公式為：

Q=Aλ·GradT·t

式中，Q為傳導(dǎo)熱流量(J)；A為計算面積(m2)；λ為巖石熱導(dǎo)率[W/(m·℃)]；GradT為溫度梯度(℃/m)；t為計算時間(s)。

地溫梯度采用下部陡降段的平均地溫梯度。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，下部陡降段的平均溫度梯度為-9 ℃/m，熱導(dǎo)率采用圖9和表3擬合的公式采用插值法計算得出，求得平均巖石熱導(dǎo)率為7.75W/(m·℃)。通過計算，得到131天下部陡降段的散熱量為789.46 MJ，占底部熱儲層恢復(fù)熱量的10.06%。

表3 熱導(dǎo)率隨深度變化表Table 3 Thermal conductivity variation with depth

圖9 巖石熱導(dǎo)率擬合圖解Fig.9 Fitting diagram of rock thermal conductivity

此外，假設(shè)熱儲層的熱量來源于上部高溫的陡降段，那么上部陡降段的溫度應(yīng)該由于熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度降低，但事實卻是隨著距離停暖時間的延長，下部陡降段的溫差降低，溫度整體升高。因此，上部陡降段熱量傳導(dǎo)并不是熱儲層的主要熱源。

4.4 同層熱儲熱量分析

通過前文論證大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)0.73 MJ(占恢復(fù)熱源的0.01%)，上部高溫巖層的熱量傳導(dǎo)789.46 MJ(占恢復(fù)熱源的10.06%)都不是回灌段基巖熱儲層溫度恢復(fù)的主要熱源。因此，非供暖季內(nèi)周圍同儲層相對高溫的巖層及儲層內(nèi)相對高溫的地?zé)崃黧w所交換的熱量是該熱儲層溫度恢復(fù)的主要熱源(占恢復(fù)熱源的89.93%)。當(dāng)熱儲層由于低溫尾水回灌導(dǎo)致溫度降低后周圍同層位的高溫巖層以及地?zé)崃黧w會對同層的低溫的熱儲層傳遞熱量。加之底部熱儲層的溫度曲線特征呈波動式變化，并非線性升溫，若周邊同深度段高溫地層的熱量傳遞，則底部熱儲層熱量的恢復(fù)應(yīng)該是線性上升的，而波動式曲線變化證明底部儲層熱源應(yīng)該是相對高溫地層傳導(dǎo)的熱量和同層地下熱水流動帶來的。

5 結(jié)論

華北平原區(qū)獻(xiàn)縣地?zé)崽锎瓜虻販貓龇枪┡緝?nèi)展現(xiàn)出分段明顯的規(guī)律特征，結(jié)合垂向地層及熱儲層巖性成果，得出以下結(jié)論：(1)上部非回灌段地溫變化幅度較小，其溫度變化主要受井筒內(nèi)地?zé)崴疅崃繗埩粲绊懀S時間推移逐步恢復(fù)至地層溫度。(2)下部回灌段地溫變化幅度大，曲線分段特征明顯，并在主要回灌段出現(xiàn)陡坎狀曲線特征。(3)定性定量分析恢復(fù)熱源并結(jié)合該段測溫曲線特征，通過大地?zé)崃饔嬎慵吧喜扛邷氐貙訜醾鲗?dǎo)計算成果推導(dǎo)出：非供暖季內(nèi)底部基巖熱儲層溫度恢復(fù)的主要熱源是周邊同層相對高溫巖層熱量傳導(dǎo)以及同層地?zé)崃黧w的流動熱量補(bǔ)給，占恢復(fù)熱量的89.93%，高溫傳導(dǎo)占恢復(fù)熱量的10.06%，大地?zé)崃髡蓟謴?fù)熱量的0.01%。(4)供暖季內(nèi)低溫地?zé)嵛菜?guī)模化回灌會使回灌段熱儲溫度出現(xiàn)明顯降低，并無法在非供暖季內(nèi)恢復(fù)到原始儲層溫度，因此在開發(fā)利用霧迷山組基巖熱儲時應(yīng)合理布設(shè)的采灌系統(tǒng)，增加地?zé)峋行褂脡勖?/p>