牛駝鎮(zhèn)地熱田回灌井水力流動特性研究

牛駝鎮(zhèn)地熱田回灌井水力流動特性研究

中國豐富的中低溫熱能源主要基于水熱型。地熱水是地熱能源開采的主要手段。隨著地熱水大量開采,熱儲壓力發(fā)生了大幅度下降,導致開采耗能逐漸增加[1~2]。由于牛駝鎮(zhèn)地熱田目前水位埋深為90~100m,部分地熱井用于安裝開采裝置的泵室段一般只有50~300m,所以當?shù)責峋兴幌陆抵?00m以下時,地熱井就會被迫報廢,造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此,維持熱儲壓力才能保證地熱能長期開采。牛駝鎮(zhèn)地熱田開展了現(xiàn)場回灌實驗計算熱儲的可回灌能力。同時,通過示蹤試驗來估算回灌可能對熱儲所造成的冷卻。1研究領域的總結1.1牛藥地層的分布牛駝鎮(zhèn)地熱田總面積約1500km2,位于河北省雄縣、容城、永清,徐水、安新、固安、霸縣境內部分地區(qū),是在20個世紀70年代進行石油勘探時發(fā)現(xiàn)的。牛駝鎮(zhèn)地熱田處在華北盆地的冀中坳陷中央基巖凸起帶上,由牛駝鎮(zhèn)凸起和容城凸起等組成,呈NE向展布。地層層序由新至老有新生界第四系、新近系、古近系;中生界白堊系、侏羅系;古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系;中上元古界青白口系、薊縣系、長城系和太古界(圖1)。1.2牛藥、基肥、地熱井牛駝鎮(zhèn)地熱田內的地熱資源開采主要集中在南部雄縣地區(qū)。根據(jù)劉久榮等的計算,雄縣3000m以淺的新近系、古近系熱儲和薊縣系熱儲地熱能儲存總量為194.23×1018J,地熱水儲總量為821.78×108m3,地熱水中儲存的地熱能為116.42×1017J。第四系厚度一般為400m,平均地溫梯度為4.57℃/100m,最高可達12.61℃/100m。新近系平均地溫梯度為3.85℃/100m。薊縣系熱儲平均地熱梯度為1.21℃/100m。牛駝鎮(zhèn)地熱田內薊縣系地熱井的單井的生產(chǎn)能力可以達到120~180m3/h,出水溫度為64~83℃。2010年,牛駝鎮(zhèn)地熱田的開采量為350×104m3,其中300×104m3的開采量分布在熱田的南部雄縣地區(qū),50×104m3/a的開采量分布在熱田的北部固安和霸縣地區(qū)。2005~2010年,地熱井的水位最多下降了近30m,平均每年約下降6m。這是我國部分中低溫地熱田開發(fā)過程中面臨的問題。因此,為實現(xiàn)地熱水資源的可持續(xù)開發(fā)利用,必須進行回灌。2可持續(xù)研究2.1次回灌實驗結果地熱采暖尾水回灌是保證地熱資源可持續(xù)開發(fā)的最有效的措施之一。開采井與回灌井相間分布可能會引起不成熟熱突破的發(fā)生并難以控制,這將極大影響地熱田的生產(chǎn)壽命。所以,在進行大規(guī)模熱田的回灌前需要進行回灌實驗來確定回灌井與開采井之間的水力聯(lián)系,計算地熱井的回灌能力等。牛駝鎮(zhèn)地熱田在2009年進行了第一次回灌實驗,將1眼開采井中的地熱水經(jīng)換熱后全部回灌到另外一眼回灌井中。采用階梯式無壓回灌,回灌量從50m3/h逐漸增加到150m3/h。2010~2011年進行了第二次回灌實驗(圖2),將2眼開采井的地熱水經(jīng)換熱后回灌到同一眼回灌井中。試驗結果顯示,在不加壓的條件下,地熱單井的回灌能力可以達到180m3/h。兩次試驗的結果表明地熱井的回灌能力很大,完全可以實現(xiàn)“全采全灌”的模式。利用第二次回灌試驗計算了回灌井的回灌系數(shù)。相對于開采井的單位涌水量,根據(jù)回灌實驗可以計算出回灌井的回灌系數(shù)II(InjectionIndex)(圖3)。式中:II———回灌系數(shù)((L/s)/bar,1bar=105Pa);ΔQ———回灌率的變化量(L/s);圖4中直線的斜率s=0.1146(bar/(L/s)),可以計算得到回灌系數(shù)II=1/s=8.72(L/s)/bar,即地熱井中的壓力每升高1bar,可以實現(xiàn)8.72L/s的回灌率。根據(jù)圖中所得公式,推斷回灌率可以達到94.85L/s,約341.47m3/h。根據(jù)試井試驗的結果,回灌井的單位涌水能力為8.98(L/s)/bar,與回灌系數(shù)非常接近。說明回灌井的涌水能力與回灌能力在數(shù)量級上是相當?shù)摹?.2熱儲質量分析示蹤試驗為定量計算回灌水在熱儲中的運移速度和采灌井之間的水力聯(lián)系提供了非常好的途徑?？紤]到示蹤劑的檢測靈敏度和檢測條件,選用熒光素鈉作為示蹤劑。示蹤試驗結果顯示,收到示蹤劑的3眼井距離回灌井最近是816m,最遠的1477m(圖2)。但是也可以發(fā)現(xiàn),距離回灌井最近的0902井并沒有回收到示蹤劑。這種情況反映了薊縣系白云巖熱儲的非均質各向異性。從回收到示蹤劑的地熱井中示蹤劑的濃度曲線(圖5),示蹤劑濃度峰值出現(xiàn)的時間0603和0801井最早。根據(jù)計算,示蹤劑在通道中流動的最快速度可以達到370m/d(0603井)。0603井回收到的示蹤劑質量最大,達到了0.057kg,回收率為0.19%?？紤]到回灌實驗中回灌井的回灌量在回灌實驗期間是1.8×105m3,則回到0603井的總量約為260m3。0801井回收的示蹤劑最小,約為0.00048kg,回收率為0.0016%。由圖2可知,距離回灌井最近的開采井與回灌井的距離為350m,最遠的大于2km,試驗中涉及的所有監(jiān)測井沒有發(fā)現(xiàn)溫度下降的現(xiàn)象,說明回灌并未影響到開采井的溫度。根據(jù)地熱水起源與演化的研究結果,牛駝鎮(zhèn)地熱田中地熱水的流向是NE-SW向,這與示蹤劑的主要流向是一致的。另一方面,回灌井位于城區(qū)的北部地區(qū),受降落漏斗的影響,回灌水的流向也是NE-SW向。區(qū)域流場與局部流場的疊加使示蹤劑的主要流向趨于NE-SW向。2.3裂隙的熱傳導模型為預測回灌對開采井溫度的影響,可以建立一個裂隙型介質模型。該模型涉及到從一個井內注入流體,流體沿著若干通道流動,每一個通道有一個相對均勻而且較小的厚度值。根據(jù)上文的計算結果,熱儲中通道的規(guī)模都非常小,所以是符合以上假設的,可以用以上模型對熱儲的溫度變化進行預測。為計算方便而又不失準確性,假設通道均為水平狀的,并且向各個方向無限延伸。假設除裂隙外,其它的圍巖是不透水的,而且圍巖的初始溫度為常數(shù)Tr。假設從時間t=0開始向井內注入流體,灌入的流體的溫度為常數(shù)T0(圖6)。假設作為流動通道的斷裂的數(shù)目為N,每個通道的平均流量為Q(kg/s)/N。由于裂隙的寬度一般比較小,可以認為同一點處裂隙內流體的溫度是相同的?？紤]到巖石裂隙中的熱傳遞以對流為主,巖石的傳熱以傳導為主,可以用下面的方程來刻畫巖石中的熱傳導。式中:a———巖石的熱傳導系數(shù)(W(/m·℃))。考慮裂隙中對流傳熱,同時假設溫度場是對稱的,則可以用下式來表達y=0處裂隙中的熱運移。式中:ρf————液體的密度(kg/m3);c———液體的比熱容(J/(kg·℃));Q———回灌量(kg/s);k———熱傳導系數(shù)(W/(m·℃))。方程左邊為T在y=0處的隨體導數(shù),表示裂隙中由流體攜帶的熱量;右側表示通過裂隙兩側巖石傳導的熱量。由于裂隙的寬度一般很小,所以計算中為了方便可以忽略。同時,由于裂隙中的熱傳遞以徑向的對流為主,所以忽略徑向的傳導傳熱,則式(2)和(3)可以簡寫成:在y=0的邊界處,并且初始條件為在t=0時,T=T0。假設時間T可由T(u,t)來表示,其中u=πr2b+y,b=2k/cQ。由以上可推導出:滿足邊界條件(5)時,方程(4)可以有如下形式:變換后的邊界條件為:對本模型,溫度場的求解方法見式(10)[10~11]:其中erf為誤差函數(shù):由解可知,在邊界y=0時,溫度的分布只與徑向距離r和時間t有關,即隨著回灌時間的增加,回灌引起的溫度下降由回灌井處沿裂隙逐漸向遠離回灌井處傳播。計算結果表明,距離回灌井10m處的熱儲會隨著回灌快速冷卻;隨著距離的增加,冷卻的速度會逐漸下降。距離回灌井100m處熱儲的溫度在4年內下降了30℃;300m以遠的熱儲的溫度在4年內下降的溫度小于1℃;800m以遠的熱儲溫度在100年內溫度下降幅度小于1℃;1500m以遠的熱儲溫度在100年內溫度無變化。以上計算結果說明,如果回灌井與開采井之間存在模型中假設的裂隙通道,1500m的井距是比較安全的(圖7)。3回灌井規(guī)模的確定連續(xù)2年的回灌實驗結果顯示在不加壓的條件下,單井回灌能力可以達到每小時180m3,單井回灌系數(shù)為8.72(L/s)/bar,與單井單位涌水能力8.98(L/s)/bar相當,說明可以實現(xiàn)采灌平衡。單井的示蹤試驗結果表明,受區(qū)域和局部流場的影響,回灌水的流向主要為NE-SW向。示蹤劑單井的回收率最高僅為0.19%,表明回灌井與開采井之間的存在水力通道,但是規(guī)模