抽水试验方法和成井工艺类型对热储层水文地质参数的影响

周群道，康凤新，刘志涛，杨建华

(1.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，山东 德州 250372；2.山东省地质矿产勘查开发局，山东 济南 250013；3.山东省地质勘查工程技术研究中心，山东 济南 250100)

1 研究背景

热储层水文地质参数对地热资源量计算、地热井合理井距确定、地热尾水回灌条件研究等有十分重要的影响。目前地热地质勘查中，水文地质参数多由稳定流抽水试验求得，稳定流抽水试验采用的裘布依理论模型，J.Kozeny在砂槽中进行井流模拟试验时发现，只有当水位降低非常小时，井中水位才与井壁水位基本一致。当井中水位降低较大时，井中水位明显地低于井壁水位，这种现象称为水跃。

地热井抽水试验初期，井筒水位受水温影响明显，此现象称为井筒效应。受条件所限，稳定流抽水试验，多以抽水主孔(单孔抽水)资料求参，主孔从井筒顶部采水，水跃现象和井筒效应对水文地质参数造成了较大影响。非稳定流抽水试验采用泰斯理论模型，多以观测孔资料求参，观测孔从井筒底部降水，能有效消除水跃现象和井筒效应，水文地质参数相对准确。不同成井工艺类型对水文地质参数的影响明显，同等开采量下，大口径填砾井的降深远小于裸眼井。

以往关于单个试验方法[1-3]或某种成井工艺[4]求取水文地质参数的研究较多，综合对比分析多种求参方法和成井工艺类型的研究较少。该文以山东省平原县回灌试验为例，利用多种试验方法、求参方法和不同的成井工艺，讨论对水文地质参数的影响，对地热资源的勘查、评价以及回灌优化提供参考。

2 研究区域概况

平原县位于山东省西北部、德州市中部，在大地构造上属于华北板块(Ⅰ)、华北坳陷区(Ⅱ)济阳坳陷(Ⅲ)惠民潜断陷(Ⅳ)、临邑潜凹陷(Ⅴ)(图1)。区内分布较厚的沉积地层，热储为岩性孔隙型砂岩，为半成岩状态，呈层状展布。基底埋藏较深，其经济型热储为新近纪馆陶组热储，馆陶组热储广泛分布于研究区内，为河流相沉积，厚度200～600m，与下伏东营组呈不整合接触。下部岩性为灰白色、灰色厚层状砾岩、含砾砂岩、砂砾岩、细砂岩夹灰绿色粉砂岩、棕红色泥岩及砂质泥岩，底部普遍发育含石英、燧石的砂砾岩。上部岩性为灰白色、浅灰色细、中砂岩及棕红色、灰绿色泥岩与细砂岩互层夹粉砂岩。岩性为一套灰白色砾状砂岩、细砾岩、灰绿色细砂岩和棕红色泥岩。钻遇地层0～266.00m为第四纪平原组，266.00～958.20m为新近纪明化镇组，958.20～1393.30m为新近纪馆陶组，1393.30～1610.38m为古近纪东营组，未揭穿(图2)。

1—试验地点；2—二级单元界线；3—三级单元界线；4—四级单元界线；5—五级单元界线；6—断层及推测断层；7—不整合界线；8—单元代号；9—凹陷区；10—隆起区图1 研究区构造简图

1—细砂岩；2—弱透水层；3—中砂岩；4—砂砾岩；5—底砾岩；6—凝灰岩；7—砂砾岩；8—泥质砂岩图2 研究区地质剖面示意图

3 试验井基本情况

3.1 试验井位置

试验地点为山东省德州市平原县，两眼地热井的直线距离为231.7m，两眼井的取水层位为新近纪馆陶组。

3.2 成井工艺

回灌井采用大口径填砾的成井工艺，开采井为裸眼绕丝成井工艺(图3)。大口径填砾工艺井开孔孔径为φ445mm，滤水管径为φ178mm，填砾厚度133.5mm，填砾粒径2～4mm[5-9]；裸眼绕丝工艺井开孔孔径φ241.3mm，滤水管径为φ139mm，未填砾[10-11]。

a—大口径填砾工艺；b—裸眼绕丝工艺图3 成井工艺类型

3.3 取水工艺

两眼井滤水段的绕丝间距为0.75mm，大口径填砾井滤水管长度为135.53m，裸眼绕丝井滤水管长度为115.32m(表1、表2)。

4 抽水试验

4.1 稳定流抽水试验

完井后对回灌井、开采井分别做单孔稳定流抽水试验，共2组，每组分3个降深完成。每个降深单独计时进行，各降深之间没有水位恢复，连续进行。为便于比较分析和成图，将后面降深的持续时间与前降深的持续时间相加，形成总的历时曲线(图4)。

表1 裸眼绕丝井取水工艺 单位：m

表2 大口径填砾井取水工艺 单位：m

a—回灌井；b—开采井图4 稳定流抽水试验历时曲线

回灌井稳定流抽水试验进行了3个降深的试验，分别为S1=5.55m，S2=10.80m，S3=13.65m，对应的单位涌水量分别为Q1=72m3/h，Q2=94m3/h，Q3=102m3/h。开采井稳定流抽水试验进行了3个降深的试验，分别为S1=7.60m，S2=18.60m，S3=29.92m，对应的单位涌水量分别为Q1=28.5m3/h。Q2=61.00m3/h，Q3=90.00m3/h。

4.2 非稳定流抽水试验

稳定流抽水试验结束后，水文恢复至初始状态，进行非稳定流抽水试验两组。第一组非稳定流抽水试验以回灌井为抽水主孔、开采井为观测孔，1130.7～1393.3m，岩性为馆陶组砂岩、砂砾岩热储层，含水层厚度为135.53m，抽水井井径为177.8mm，稳定流量为84.25m3/h，抽水历时8850min。抽水井的静水位为30.69m，观测井的静水位为31.81m。抽水井的降深范围为4.27～7.74m，降深稳定在7.47m左右。观测井的降深范围为0.005～1.01m，降深稳定在1.01m(图5)。

a—回灌井为主孔抽水；b—开采井为主孔抽水图5 非稳定流抽水试验历时曲线

第二组非稳定流抽水试验以开采井为抽水主孔、回灌井为观测孔试验开采层段为1127～1460m，岩性为馆陶组砂岩、砂砾岩热储层，含水层厚度为115.32m，抽水井井径为139.7mm，开采量为72.8m3/h抽水历时1710min。抽水井的静水位为31.81m，观测井的静水位为30.69m。抽水井的降深范围为0.49～15.37m，降深稳定在15.37m左右。观测井的降深范围为0.005～0.98m，降深稳定在0.98m(图5)。

5 水文地质参数

5.1 稳定流抽水试验参数

稳定流抽水试验采用公式法和配线法对水文地质参数进行了计算(表3、表4)。

表3 回灌井稳定流抽水试验公式法结果

(1)公式法：采用公式计算水文地质参数[12-17]：

(1)

(2)

式中：r为滤水管的半径(m)，r开采井=0.06985m，r回灌井=0.0889m。

表4 开采井稳定流抽水试验公式法结果

(2)配线法：利用AquiferTest软件，对稳定流抽水试验的各个降深逐个求参(图6～图11)[18-20]。所求得的渗透系数分别为K1,K2和K3。

通过配线法求取导水系数T1=8.93×102m2/d，渗透系数K1=6.0013m/d。

通过配线法求取导水系数T2=8.48×102m2/d，渗透系数K2=5.56989m/d。

通过配线法求取导水系数T3=7.95×102m2/d，渗透系数K3=5.3427m/d。

通过配线法求取导水系数T1=1.98×102m2/d，渗透系数K1=1.435m/d。

通过配线法求取导水系数T2=1.48×102m2/d，渗透系数K2=1.072m/d。

通过配线法求取导水系数T3=1.18×102m2/d，渗透系数K2=1.377m/d。

图6 回灌井涌水量72m3/h Papadopulos-Cooper配线求参

图7 回灌井涌水量94m3/h Papadopulos-Cooper配线求参

图8 回灌井涌水量102m3/h Papadopulos-Cooper配线求参

图10 开采井涌水量61m3/h Papadopulos-Cooper配线求参

图11 开采井涌水量90m3/h Papadopulos-Cooper配线求参

5.2 非稳定流抽水试验参数

利用AquiferTest软件，泰斯配线法计算水文地质参数，由于抽水主孔存在井筒效应，利用观测孔监测资料求取试验参数(图12、图13)。

得出其导水系数(T回灌井)为9.72×102m2/d，渗透系数(K回灌井)为6.53m/d，弹性释水系数(μ回灌井)为3.19×10-4。

得出其导水系数(T开采井)为6.94×102m2/d，渗透系数(K开采井)为5.02m/d，弹性释水系数(μ开采井)为3.18×10-4。

图12 开采井为观测井泰斯配线法求参

图13 回灌井为观测井泰斯配线法求参

6 参数对比

6.1 稳定流公式法与非稳定流求参比较

将开采井稳定流抽水试验中S2与S32个降深所得参数进行算术平均，即(K2+K3)/2，可视为75.5m3/h开采量下的渗透系数，与非稳定流72.8m3/h开采量下的参数进行比较(表5)。

表5 开采井稳定流公式法与非稳定流求参比较

在同等开采量下，稳定流所得参数为非稳定流的14%。

将稳定流抽水试验中S1与S22个降深所得参数进行算术平均，即(K1+K2)/2，可视为84.3m3/h开采量下的渗透系数，与非稳定流84.25m3/h开采量下的参数进行比较(表6)。

在同等开采量下，稳定流所得参数为非稳定流的31%。

表6 回灌井稳定流公式法与非稳定流求参比较

6.2 稳定流公式法与配线法求参比较

将开采井、回灌井稳定流抽水试验的3个落程，分别采用公式法和配线法进行求参比较(表7、表8)。

表7 开采井稳定流公式法与配线法结果比较

表8 回灌井稳定流公式法与配线法结果比较

6.3 稳定流配线法与非稳定流求参比较

将开采井稳定流抽水试验中S2与S32个降深所得参数进行算术平均，即(K2+K3)/2，可视为75.5m3/h开采量下的渗透系数，与非稳定流72.8m3/h开采量下的参数进行比较(表9)。

表9 开采井稳定流配线法与非稳定流求参比较

在同等开采量下，稳定流配线法所得参数为非稳定流的25%。

将稳定流抽水试验中S1与S22个降深所得参数进行算术平均，即(K1+K2)/2，可视为84.3m3/h开采量下的渗透系数，与非稳定流84.25m3/h开采量下的参数进行比较(表10)。

表10 回灌井稳定流配线法与非稳定流求参比较

在同等开采量下，稳定流所得参数为非稳定流的89%。

7 结论

裸眼绕丝成井工艺同等开采量条件下，稳定流抽水试验公式法所得渗透系数为0.68905m/d，非稳定流泰斯配线法所得渗透系数为5.02m/d，稳定流公式法所得渗透系数仅为泰斯配线法所得渗透系数的14%；采用大口径填砾成井工艺同等开采量条件下，稳定流抽水试验公式法所得渗透系数为1.9855m/d，非稳定流泰斯配线法所得渗透系数为6.39m/d，稳定流公式法所得渗透系数仅为泰斯配线法所得渗透系数的31%。

裸眼绕丝成井工艺同等开采量条件下，稳定流抽水试验配线法所得渗透系数为1.2535m/d，为非稳定流泰斯配线法所得渗透系数的25%，采用大口径填砾成井工艺同等开采量条件下，稳定流抽水试验配线法所得渗透系数为5.7035m/d，非稳定流泰斯配线法所得渗透系数的89%。

从稳定流的3个降深所得参数来分析，无论由什么方法、无论什么成井工艺，地热井渗透系数随着开采量的增加而减小。

随着成井工艺的优化，稳定流抽水试验所得渗透系数，朝着变大的方向接近非稳定流所得参数，随着成井工艺及质量的变差，稳定流抽水试验所得渗透系数，朝着变小的方向远离非稳定流所得参数。随着成井工艺的优化，非稳定流抽水试验所得渗透系数变大，同样稳定流抽水试验所得渗透系数也变大，说明井水的流动性增强。

稳定流抽水试验中，配线法所得参数，基本上为公式法所得参数的2倍。配线法所得参数更接近非稳定流抽水试验所求的参数。