魯北平原熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)研究

魯北平原砂巖熱儲(chǔ)主要包括新吉圖組的熱儲(chǔ)和老吉勒古近系的熱儲(chǔ)。地球熱資源的深度非常大。在自然條件下，它基本上處于靜態(tài)狀態(tài)，對(duì)土壤和水的補(bǔ)充略有不足，因此屬于不可恢復(fù)的消耗資源（1）。地?zé)豳Y源的開(kāi)采造成了熱儲(chǔ)壓力的急劇下降。此外,該區(qū)地?zé)豳Y源主要用于冬季供暖,供暖尾水直接排入城市下水道,不但造成了地?zé)豳Y源的極大浪費(fèi),而且對(duì)城市污水處理能力提出了更高要求。供暖后尾水水質(zhì)基本上沒(méi)有變化,僅溫度發(fā)生了變化,采用合理的工程措施,將供暖尾水回注熱儲(chǔ)層,是維持地?zé)豳Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)的根本措施。該文總結(jié)了區(qū)內(nèi)歷次回灌試驗(yàn)情況,對(duì)砂巖熱儲(chǔ)的回灌條件進(jìn)行了探討。1熱灌研究現(xiàn)狀1.1地?zé)峄毓嘣囼?yàn)地?zé)峄毓嗍蔷S持地?zé)崽锟沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用的必要措施之一,早在1969年,美國(guó)加州Geysers地?zé)崽?針對(duì)熱儲(chǔ)壓力下降過(guò)大,導(dǎo)致地?zé)崽锏漠a(chǎn)汽量和電站的發(fā)電能力嚴(yán)重下降的問(wèn)題,開(kāi)展了世界上第一個(gè)地?zé)峄毓囗?xiàng)目。隨后,世界各國(guó)的其他地?zé)犭娬疽查_(kāi)展了一系列地?zé)峄毓喙ぷ?。高溫地?zé)崽锒酁榛鶐r裂隙熱儲(chǔ),回灌所面臨的問(wèn)題主要是“熱突破”,即熱儲(chǔ)溫度的降低問(wèn)題,合理地選擇回灌井的布局,可以實(shí)現(xiàn)保持熱儲(chǔ)流體壓力的目的。目前,回灌已成為支持地?zé)犭娬境掷m(xù)運(yùn)行的必要措施之一。最早在沉積盆地型中低溫地?zé)崽镏羞M(jìn)行地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)的是在法國(guó)巴黎盆地。1969年在巴黎附近的Melunl.Almont建立了世界上第一個(gè)“對(duì)井”系統(tǒng),將采暖之后的地?zé)崃黧w回灌到熱儲(chǔ)中去。此后,其他國(guó)家,如德國(guó)也在沉積盆地型地?zé)崽锏纳皫r熱儲(chǔ)中進(jìn)行了回灌試驗(yàn)。結(jié)果表明,在砂巖熱儲(chǔ)中進(jìn)行地?zé)嵛菜毓嗟碾y度大,國(guó)外學(xué)者將回灌難的問(wèn)題歸結(jié)于回灌時(shí)熱儲(chǔ)的堵塞,并針對(duì)堵塞問(wèn)題提出了一系列的解決措施,如回灌水源的過(guò)濾、加入化學(xué)試劑等,但回灌效果仍然不佳。1.2生產(chǎn)實(shí)踐階段1982年初,我國(guó)在北京城區(qū)地?zé)崽飽|南部進(jìn)行了回灌試驗(yàn),熱儲(chǔ)層主要為薊縣鐵嶺組和霧迷山組碳酸鹽巖;1996年,天津市薊縣熱儲(chǔ)地?zé)峄毓嘌芯咳〉昧嗣黠@的效果。2001—2002年,北京在小湯山、北京城區(qū)地?zé)崽锏臇|南部進(jìn)行了一個(gè)采暖期的回灌試驗(yàn),小湯山地?zé)崽飶?003年開(kāi)始逐年增加回灌量,目前北京市地?zé)峄毓嗔窟_(dá)到采暖開(kāi)采量的80%左右,標(biāo)志著在碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲(chǔ)中進(jìn)行地?zé)岬幕毓嚅_(kāi)采已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)踐階段。天津市最早在砂巖熱儲(chǔ)中開(kāi)展了回灌試驗(yàn),1987—1989年,大港油田水電廠進(jìn)行了4次回灌試驗(yàn),累計(jì)時(shí)間197d,累計(jì)回灌量77943m3。1995年冬季供暖期間,在塘沽區(qū)新開(kāi)里進(jìn)行了新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn),歷時(shí)79d,累計(jì)回灌量21190m3。2004年在東麗區(qū)華泰農(nóng)業(yè)科技園區(qū)和武清國(guó)環(huán)各進(jìn)行1組回灌試驗(yàn),在回灌過(guò)程中安裝了兩級(jí)過(guò)濾處理系統(tǒng),前者累計(jì)回灌時(shí)間138d,累計(jì)回灌量22077m3;后者累計(jì)回灌時(shí)間70d,累計(jì)回灌量48665m3。以上各次回灌時(shí),回灌量隨時(shí)間的迅速衰減,回灌效果不理想。2010年,在濱海新區(qū)新近紀(jì)孔隙型熱儲(chǔ)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)中,首次采用射孔爆破成井技術(shù),在回灌量和回灌持續(xù)性上取得突破性進(jìn)展,回灌量達(dá)103~120m3/h。2魯北砂巖熱儲(chǔ)層培育試驗(yàn)2.1館陶組熱儲(chǔ)厚度自1997年在山東省魯北地質(zhì)工程勘察院(魯北院)內(nèi)建成第一眼地?zé)峋詠?lái),德州市城區(qū)地?zé)崽镩_(kāi)采強(qiáng)度逐年增加,目前擁有地?zé)峋?00余眼,年開(kāi)采量約2400余萬(wàn)m3/a。地?zé)豳Y源的大量開(kāi)采,導(dǎo)致了熱儲(chǔ)壓力的急劇下降,水位年降幅達(dá)3.90m/a。除2眼井混合開(kāi)采東營(yíng)組、館陶組熱儲(chǔ)外,其余各井均開(kāi)采館陶組熱儲(chǔ)。館陶組熱儲(chǔ)厚度一般為160~200m,占地層總厚度的35%~45%。單層厚度大,平均單層厚度10m左右,最大單層厚度19.2m。上部巖性以灰白、淺灰色細(xì)、中砂巖及棕紅色夾綠色泥巖為主,呈交互層狀;下部為灰白色含礫粗砂巖及中粗砂巖為主,夾棕紅色泥巖、含礫砂巖。底部為砂礫巖、礫狀砂巖、礫石為主。垂向上呈上細(xì)下粗的正旋回沉積,底礫巖明顯,礫石成分以石英和黑色燧石為主,礫石直徑1~10mm不等,磨圓度中等,砂礫巖成巖性差,呈疏松狀?？紫抖却?一般為24%~30%,具有良好的儲(chǔ)水空間。單井涌水量80~120m3/h,水溫46~58℃,水化學(xué)類型為CL-Na型水,礦化度4000~5000mg/L。為研究館陶組熱儲(chǔ)的回灌性能,在該地?zé)崽飪?nèi)進(jìn)行了3次回灌試驗(yàn)。2.1.1魯北醫(yī)院的恢復(fù)試驗(yàn)2.1.1.回灌試驗(yàn)結(jié)果分析2006年10月17日至10月28日,采用同層對(duì)井、加壓模式對(duì)熱1井、熱2井開(kāi)展了地?zé)峄毓嘣囼?yàn),兩井相距65m,開(kāi)采熱儲(chǔ)層主要為館陶組熱儲(chǔ),熱1井濾水管段為1332.0~1467.56m,熱2井濾水管段為1408.0~1548.0m。其中熱2井作為回灌井,熱1井作為抽水井,利用熱1井抽出的地?zé)崴鳛榛毓嗨?通過(guò)輸水管道,經(jīng)水泵加壓后調(diào)節(jié)流量和壓力注入熱2井。為研究回灌量與回灌壓力之間的關(guān)系,該次共進(jìn)行了4個(gè)壓力段的回灌,回灌壓力與回灌之間的關(guān)系如圖1所示。(2)回灌試驗(yàn)結(jié)果分析回灌試驗(yàn)結(jié)果表明,回灌量與回灌壓力的相關(guān)系數(shù)為0.972,為完全相關(guān)。采用EXCEL軟件對(duì)回灌量與回壓力之間的關(guān)系進(jìn)行趨勢(shì)分析,兩者線性相關(guān)關(guān)系式為:Y=9.2053X+5.871,決定系數(shù)R2=0.944式中:Y為回灌量(m3/h),X為回灌壓力(MPa)。回灌條件下熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)中推薦的滲透系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行估算:式中:K為熱儲(chǔ)滲透系數(shù)(m/d);Q為加壓回灌流量(m3/d);H為回灌壓力換算成的水頭高度(m);L為熱儲(chǔ)厚度(m);ro為鉆孔半徑(m),取濾水管半徑。估算結(jié)果表明(圖2),熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)隨回灌壓力的增大而減小,兩者相關(guān)系數(shù)為-0.903,成完全負(fù)相關(guān)。當(dāng)回灌壓力為0.34~0.6MPa時(shí),滲透系數(shù)與回灌壓力的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.996,此時(shí),熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)為0.075~0.095m/d。由此可見(jiàn),加壓回灌條件下,熱儲(chǔ)的滲透性能衰減嚴(yán)重。2.1.1.回灌壓力與回灌之間的關(guān)系2010年10月19日至10月29日,利用熱1井作為回灌井,熱2井作為抽水井,利用熱2井抽出的地?zé)崴鳛榛毓嗨?通過(guò)輸水管道,經(jīng)除鐵罐后水泵加壓,調(diào)節(jié)流量和壓力注入熱1井。該次進(jìn)行了4個(gè)壓力段的回灌試驗(yàn),第一個(gè)壓力段為無(wú)壓自然回灌,另外3個(gè)壓力段分別為0.05MPa,0.12MPa,0.20MPa,回灌壓力與回灌之間的關(guān)系如圖3所示。(2)回灌試驗(yàn)結(jié)果分析同樣采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)中推薦的滲透系數(shù)計(jì)算公式對(duì)回灌時(shí)熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,無(wú)壓回灌時(shí),熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)約為0.50m/d,而有壓回灌時(shí),熱儲(chǔ)滲透系數(shù)略高,且隨著壓力的升高,熱儲(chǔ)滲透系數(shù)減小(圖4),壓力為0.2MPa時(shí),熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)約為0.85m/d。2.1.2回灌井與水面質(zhì)量2011年5月16日至5月26日,利用東建1井作為水源井,東建2井作為回灌井進(jìn)行回灌試驗(yàn),兩井的取水段均為館陶組熱儲(chǔ),東建1井濾水管段為1435.95~1521.58m,東建2井濾水管段為1432.03~1520.0m,兩井取水段在垂向上基本處于同一位置,兩井相距311.6m。靜止水位埋深27.6m(水面至回灌壓力表),由于回灌井井口位于地面下1.5m左右,該次沒(méi)有進(jìn)行無(wú)壓回灌。采用連續(xù)回灌方式,累計(jì)進(jìn)行了4次回灌(圖5),每次回灌之間進(jìn)行回?fù)P洗井,第一次回灌穩(wěn)定壓力(壓力表讀數(shù))為0.187MPa,對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定回灌量為21.33m3/h;第二次穩(wěn)定壓力為0.196MPa,對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定回灌量為17.64m3/h;第三次穩(wěn)定壓力為0.22MPa,對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定回灌量為18.62m3/h;第四次穩(wěn)定壓力為0.20MPa,對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定回灌量為18.52m3/h。(2)回灌試驗(yàn)結(jié)果分析同樣采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)中推薦的滲透系數(shù)計(jì)算公式對(duì)回灌時(shí)熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,回灌時(shí)熱儲(chǔ)的平均滲透系數(shù)約為0.12m/d。2.2館陶組主要水化學(xué)類型東營(yíng)市城區(qū)地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)利用的熱儲(chǔ)主要為古近紀(jì)東營(yíng)組熱儲(chǔ)與新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)。東營(yíng)組熱儲(chǔ)厚度一般140~200m,占地層總厚度的40%左右,孔隙度一般在28%~30%,滲透率為900×10-3~1200×10-3μm2。礦化度20.0g/L左右,水化學(xué)類型主要為Cl-Na·Ca型和Cl-Na型,溫度一般65~70℃。館陶組熱儲(chǔ)厚度一般為120~200m,占地層總厚度的35%~45%。熱儲(chǔ)孔隙度一般為30%~36%,滲透率為(800~1400)×10-3μm2。礦化度17.85~20.0g/L,水化學(xué)類型主要為Cl-Na型。為研究這2個(gè)熱儲(chǔ)的回灌性能,在該地?zé)崽镞M(jìn)行了一組回灌試驗(yàn)。2.2.1回灌井的井位回灌的水源井為東熱12井,取水層位為東營(yíng)組熱儲(chǔ)(表1);回灌井分別為東熱2井(回灌層位館陶組)與東熱5井(回灌層位東營(yíng)組);兩眼回灌觀測(cè)井東熱14井(觀測(cè)層位東營(yíng)組)與東熱15井(觀測(cè)層位館陶組),各井的相對(duì)位置見(jiàn)表2。2.2.2回灌時(shí)段和回灌天數(shù)回灌試驗(yàn)分二個(gè)階段進(jìn)行,時(shí)間為2006年10月13日—10月24日。第一階段僅對(duì)館陶組熱儲(chǔ)進(jìn)行了回灌試驗(yàn),抽取東熱12井水向東熱2井內(nèi)回灌,回灌時(shí)間為2006年10月13日8時(shí)27分—2006年10月14日14時(shí)20分,回灌歷時(shí)29小時(shí)53分。第二階段同時(shí)對(duì)館陶組熱儲(chǔ)與東營(yíng)組熱儲(chǔ)進(jìn)行回灌,其中東熱2井的回灌時(shí)間段為2006年10月19日9時(shí)38分至2006年10月24日11時(shí),回灌歷時(shí)121小時(shí)22分;東熱5井的回灌時(shí)間段為2006年10月19日7時(shí)30分至2006年10月24日11時(shí),回灌歷時(shí)123小時(shí)30分。各地?zé)峋乃慌c抽水量(回灌量)變化過(guò)程如圖6所示。2.2.3回灌條件下的熱儲(chǔ)滲透性能各井靜水位埋深數(shù)據(jù)表明,地?zé)崴牧鲌?chǎng)由南向北,館陶組熱儲(chǔ)中東熱2井靜水位埋深22.13m,東熱15井靜水位埋深27.96m,水力坡度達(dá)2.65×10-3;東營(yíng)組熱儲(chǔ)中東熱5井靜水位埋深29.82m,東熱12井靜水位埋深31.92m,東熱14井靜水位埋深38.20m,水力坡度達(dá)3.81×10-3;造成水力坡度大的原因可能是受區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源不均勻開(kāi)采的影響。第一階段回灌過(guò)程中,回灌開(kāi)始后東熱2井中水位迅速上升,單位回灌量隨著水位的上升而減小,采用Excel軟件中的CORREL()函數(shù)計(jì)算水位埋深與單位回灌量之間的相關(guān)系數(shù)為-0.51,呈顯著負(fù)相關(guān)。東熱12井抽水開(kāi)始后,東熱5井水位持續(xù)下降,東熱2井的回灌對(duì)東熱5井的水位沒(méi)有產(chǎn)生影響,表明東營(yíng)組熱儲(chǔ)與館陶組熱儲(chǔ)之間存在一個(gè)較好的隔水層,兩者之間水力聯(lián)系弱。第二階段回灌過(guò)程中,東熱2井與東熱5井中的水位均迅速上升,單位回灌量亦隨著水位的上升而降低。試驗(yàn)期間,東熱14井中最小水位埋深為38.13m,最大水位埋深為38.45m,水位降幅為0.32m,第一階段回灌過(guò)程中水位變幅為-0.06m,第二階段回灌過(guò)程中水位變幅為-0.17m;東熱15井中水位最小水位埋深為27.84m,最大水位埋深為28.12m,水位降幅為0.32m,第一階段回灌過(guò)程中水位變幅為-0.06m,第二階段回灌過(guò)程中水位變幅為-0.09m;這2個(gè)觀測(cè)的水位主要受東熱12井抽水的影響,東熱2井與東熱5井的回灌對(duì)這兩個(gè)觀測(cè)水位的影響很小。(2)回灌條件下熱儲(chǔ)滲透性能分析采用VisualMODFLOW4.0軟件自帶的參數(shù)估算PEST程序包進(jìn)行回灌條件下熱儲(chǔ)的滲透性能求解。(1)館陶組熱儲(chǔ)滲透性能根據(jù)東熱14,15井觀測(cè)孔資料,東熱2井回灌的影響范圍小,在數(shù)值模型建設(shè)時(shí)擬定模擬區(qū)范圍為2km×2km。東熱2井位于模擬區(qū)的中心,四周概化為零流量邊界,東熱2井的流量采用其實(shí)際回灌量,參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,回灌條件下,館陶組熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)為0.102m/d,彈性釋水率為2.057×10-6/m。根據(jù)PEST求取的參數(shù)對(duì)數(shù)值模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,運(yùn)行結(jié)果表明,東熱井2井中的水位計(jì)算數(shù)據(jù)與水位觀測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。為驗(yàn)證參數(shù)的正確性,采用東熱2井第二階段回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證,用第二次回灌數(shù)據(jù)對(duì)已建立的數(shù)值模型進(jìn)行替換,保持其他參數(shù)不變,運(yùn)行該數(shù)值模型,模擬結(jié)果表明,第一次回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取的參數(shù)能使東熱井2井中的水位計(jì)算數(shù)據(jù)與水位觀測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合(圖7),從而驗(yàn)證了所求取參數(shù)的正確性。因此,回灌條件下,館陶組熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)為0.102m/d,彈性系水率為2.057×10-6/m。(2)東營(yíng)組熱儲(chǔ)滲透性能由于東熱2井與東熱5井不存在水力聯(lián)系,采用第一回灌階段中東熱5井的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用泰斯配線法計(jì)算抽水試驗(yàn)條件下東營(yíng)熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)為9.75m/d,彈性釋水系數(shù)為2.98×10-3。以東熱5井回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),采用PEST軟件包對(duì)回灌條件下的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,求解結(jié)果為:東營(yíng)組熱儲(chǔ)在回灌條件下的滲透系數(shù)為0.0287m/d,彈性釋水率為3.323×10-7/m。由此可見(jiàn),回灌狀況下熱儲(chǔ)的滲透系數(shù)比抽水狀況下要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。3壓縮模量與回灌壓力地?zé)峄毓嗍峭ㄟ^(guò)一定的壓力差,將外界水注入熱儲(chǔ)中。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)機(jī)理的不同,可分為3大類。第一類:當(dāng)?shù)叵滤畯搅鳁l件較好時(shí),注入熱儲(chǔ)中的水符合地下水滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的達(dá)西定律,即V=KI,式中V為回灌水滲流速度(m/d);K為熱儲(chǔ)滲透系數(shù)(m/d);I為回灌時(shí)井周水力坡度(無(wú)量綱)。熱儲(chǔ)的回灌能力受熱儲(chǔ)滲透系數(shù)及回灌水力坡度的控制。第二類:當(dāng)?shù)叵滤旧咸幱陟o止?fàn)顟B(tài)(逕流條件極差