豫东通许凸起回灌条件下新近系地热资源优化开采方案研究

任 静,邓晓颖,郭 彦

(1.河南省地质局生态环境地质服务中心,河南 郑州 450053;2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003;3.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室,河南 郑州 450003)

0 引言

目前,国际国内普遍认为回灌式开采是一种新的地热开发利用方法。只有回灌,才能实现热储压力采灌平衡,才能使地热资源成为真正的可再生能源[1]。

河南省地下水管理办法规定建设需要取水的地热能开发利用项目应实行同一含水层等量取水和回灌[2]。豫东通许凸起中部地热地质单元内地热水回灌式开发利用的主要途径为地热供暖[3]。对于地热供暖项目,其工作原理主要是提取地热水中的可采热能,开采—回灌过程中水量基本不产生消耗。因此研究区内可回灌条件下的地热资源优化开采配置对于保证深部地热资源可持续发展意义重大[4,5]。

20世纪70年代末,德国WASY水资源规划和系统研究所开发了基于有限单元法的FEFLOW软件,它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。在FEFLOW系统中,用户可以很方便迅速地产生空间有限单元网格,设置模型的参数和定义边界条件,运行数值模拟以及实时图形显示结果与成图[6]。FEFLOW发展过程中经过了大量的测试和检验,它成功地解决了一系列与地下水有关的实质性问题,如判断污染物迁移途径、追溯污染物的来源,开展地热的模拟等[6]。翟美静[7]利用FEFLOW软件开展了西安市三桥地区地热采灌系统数值模拟研究,根据研究区地热井实测水位和温度资料对模型进行了拟合验证,确定了模型的可靠性。程万庆等[8]利用FEFlow求解地热采灌对井系统水热耦合模型,进行温度场模拟研究。

本文以研究区施工的DZK1地热钻孔新近系热储层回灌试验数据为基础,开展区内新近系热储温度场和压力场模拟预测,为研究区合理开发利用深部地热资源提供依据。

1 研究区地热地质概况

研究区位于通许凸起构造单元中部(图1),区内地热资源的形成是地球深部的热源以传导的形式对新生界及古生界地层影响的结果,地热资源类型属于沉降盆地传导型, 平面上呈层状展布,根据热储成因模式、储层时代、分布及储水介质特征,划分为新近系明化镇组(Nm)、馆陶组(Ng)、寒武-奥陶系(∈—O)三个热储层。

图1 研究区地热地质简图

新近系孔隙热储层是本区地热流体的主要开采层,具有分布面积大,产状倾角较缓,沉积厚度较大的特点。其储水介质岩性主要为细砂(岩)、粉细砂(岩),局部为中粒砂(岩)。隔水层岩性为厚层黏土及粉质黏土、泥岩。地热流体储层有砂(砂岩)层25-29层,单层厚度一般为3.5～55 m,累积总厚平均为500～800 m。根据地层岩性特征新近系热储分为新近系明化镇组(Nm)和馆陶组(Ng)。目前此层开采主要用于洗浴和城区小区地热供暖。

2 新近系热储层地热地质特征和回灌能力

2.1 新近系热储地热地质特征

根据DZK1井揭露地层情况,新近系明化镇组由浅黄色、黄褐色粉砂岩、中细砂岩、细砂岩与棕红、紫红色、浅棕红色泥岩互层组成;新近系馆陶组岩性为紫红色泥岩与浅黄色、黄褐色中细砂岩、细砂岩互层,与下伏地层呈不整合接触。两组岩层无显著隔水边界存在。

全区新近系热储层有砂(砂岩)层25～29层,单层厚度一般为3.5～55 m,累积总厚平均为500～800 m;顶板埋深240～380 m,底板埋深900～1200 m;孔隙度为27.10%。新近系热储层顶、底部均具有厚层黏土(泥岩)可作为相对隔水层,故垂向视为无越流作用;地热水径流微弱,开采主要消耗含水砂层弹性储量。热源供给主要为大地热流传导方式。

2.2 新近系热储回灌能力确定

本次利用区内最新施工的DZK1钻孔开展新近系热储回灌试验。DZK1地热勘探孔成井深度2000 m,新近系取水段870～1085 m(新近系馆陶组),成井工艺为筛管填砾成井。该井抽水试验结束后利用该井同层位进行无压重力自流回灌方式,采用浅层地下水作为回灌水源。本次试验采用流量表、水位测量仪计量流量、水位的变化,回灌试验自2020年3月20日10:30开始至3月25日13:20结束,累计回灌时间持续7310 min,持续回灌时间121.833 h,回灌流体温度17℃,稳定回灌量35.12 m3/h,回灌前静水位埋深60.26 m。回灌后稳定动水位9.23 m,稳定时间10 h。

本次回灌试验基本数据见表1,历时曲线见图2。

表1 DZK1井回灌试验基本数据

图2 DZK1井回灌试验历时曲线图

3 新近系热储层模拟

利用FEFLOW软件开展“直接开采”、“一采2灌”、“一采3灌”不同开采方案的新近系热储水热耦合模型预测。模型模拟流程见图3。

图3 新近系热储水热耦合模型模拟流程

3.1 边界条件概化

(1)模拟范围

根据研究区地质、地热地质条件,以研究区范围作为模拟范围,面积为1753.98 km2,见图4。

图4 边界概化示意图

(2)边界概化

根据区内新近系热储层2019年5月和2020年7月的压(力)头流场(自南向北径流),将模拟区北部边界概化为零通量边界,西侧、南侧和东侧边界概化为补给边界,如图3所示。垂向上,新近系上部由于第四系岩层的覆盖,不考虑大气降水入渗补给量,加之规模性黏土层的作用,概化为隔水边界面;下部与下伏二叠系热储层基本无水力联系,根据地层岩性分布同样概化为隔水边界面。

(3)含水层概化

根据DZK1井揭露地层情况,新近系明化镇组由浅黄色、黄褐色粉砂岩、中细砂岩、细砂岩与棕红、紫红色、浅棕红色泥岩互层组成。新近系馆陶组岩性为紫红色泥岩与浅黄色、黄褐色中细砂岩、细砂岩互层,与下伏地层呈不整合接触。两组岩层无显著隔水边界存在,因此将新近系地层统一概化为一个含水层,见图5。

图5 热储层概化后示意图

(4)数学模型

①地下水流动模型

在上述水文地质概念模型的基础上,根据达西渗流定律和渗流连续性方程,将研究区地下水流用以下方程和定解条件描述:

式中:Ω为模拟范围;H为热储层水头;Kxx、Kyy、Kzz为x,y,z方向上的渗透系数(m/d);Kn为边界法线方向上的渗透系数(m/d);μs为单位储水系数(l/m);μd为重力给水度;ε为源汇项(l/d);Γ0为上边界;Γ为第二类边界;n为研究区边界外法线方向;q(x,y,z,t)为第二类边界单宽流量(m/d)。

②热量运移方程

式中:Ceq为等效体积热容;Ceq=(∑θ·ρC)/∑θ。其中θ表示多孔介质中水所占的体积分数,即孔隙度,ρC表示多孔介质中(包括水)总的体积热容,单位:J/(m3·K);CL为ρw×Cw,表示水的体积热容,单位J/(m3·K);ρw为水的密度(kg/m3);Cw为比热容,单位J/(kg·K);λ为等效热传导系数,W/(m·K·d);QT为一般热源(W/m2);qT为边界Г2处流入的热通量(W/m2);其他符号意义同上。

3.2 模型识别与验证

(1)模型赋值

在水文地质概念模型中,采用给定水头边界和流量边界来进行模型区含水层侧向补给与排泄的赋值。其中给定水头边界由软件根据周边压(力)头流场分布来自动计算边界地下水的补排量;流量边界所赋数值由人工计算而来,具体见表2。

表2 水文地质概念模型边界参数值

(Kx、Ky、Kz)、弹性释水率(Ss)、孔隙度(n)。综合抽水试验资料及相关经验值,对各参数赋值初始值见表3。

表3 水文地质参数初值

(2)水文地质参数选取

建模过程中选用的水文地质参数有:渗透系数

(3)模型识别与验证

根据本次模拟研究的需要,以2019年5月—2020年7月为模型综合识别验证期,以2020年7月流场作为模拟流场拟合验证的目标。经过“对照-调参”的参数循环优化过程,模拟结果的平均相对误差小于10%,满足《地下水资源管理模型工作要求》中对水位拟合的要求,所建地下水模型可用于后续模拟研究。最终获得优化后的水文地质参数见表4。

表4 水文地质参数优化值

3.3 热传导数值模型建立

在已建立地下水流模型的基础上,耦合热传导参数,建立全区新近系热储热传导模型。

(1)热量运移边界

①顶板边界

研究区恒温带深度取23 m,恒温带温度确定为15.9℃(研究区年平均气温14.2℃)。而新近系顶层埋深在240～380 m,已处于增温带,其热量来源为下部热源的对流与弥散传导,因此以给定的温度场作为初始状态,由模型根据条件计算其温度变化。

②底板边界

通过数据分析确定通许凸起中部地区的大地热流值62.2 mW/m2[9]。

(2)模拟校正检验

研究区新近系热储的水温动态在2019—2020年处于稳定状态。在此基础上,当进行温度场模拟时,只要计算温度跟实测温度变化不大,则表示模型符合实际情况。在此对比模拟期前后温度场变化,如图6所示,可以看出两者差别极弱,说明本次所建地热模型稳定可靠,可用于后续模拟研究。

图6 研究区新近系热储温度场模拟

4 地热资源开采方案预测

在已建立地热模型的基础上,结合研究区开采现状及规划,并在考虑供暖期、停暖期的情况下,进行水热耦合模拟,研究地热资源不同开发利用情景对整个区域压力场和温度场的影响[10]。

方案一:直接开采方案。区内调查了47眼地热井开采新近系热储的资料,本方案设定为:按照现状分布的47眼地热井使其保持常年开采,其它条件不变[11]。以2020年7月地热流体压力场为预测模型初始流场,以现状资料温度场为初始温度场,将模型模拟预测期定为2020年7月—2030年7月,共10年,3650天。

方案二:一采二灌方案。基于调查的47眼开采井分布位置,采用“一采二灌”的地热井采灌组合形式,单井开采量设为1680 m3/d(70 m3/h),单井回灌流量设为840 m3/d(35 m3/h),回灌率:38.41%。在研究区现有的各地热开采井附近设置两个回灌虚拟井点,回灌点至开采点的距离在1000～1500 m之间,模拟预测的开采和回灌时间段定为当年11月至次年3月,停止开采及回灌时间段为4月至10月,根据相关规范及资料选择25℃为回灌水温度。

方案三:一采三灌方案。基于调查的47眼开采井分布位置,采用“一采三灌”的地热井采灌组合形式,单井开采量设为2400 m3/d(100 m3/h),单井回灌流量设为840 m3/d(35 m3/h)。回灌率:100%。在研究区现有的各地热开采井附近设置三个回灌虚拟井点,回灌点至开采点的距离在1000～1500 m之间,模拟预测的开采和回灌时间段定为当年11月至次年3月,停止开采及回灌时间段为4月至10月,选择25℃为回灌水温度。

4.1 方案一

现状直接开采模式下研究区地热流体压力场模拟预测结果如图7所示,可以看出在地热井的持续开采下模拟区地热流体水头整体发生不同程度下降,并在北侧开采井集中区形成了小规模的降落漏斗,水头下降至约6 m。分析流场变化原因,主要为模拟区地热水流系统补给项较为单一,为侧向径流补给,人工地热井群共47眼,单井抽水量在240～840 m3/d,而热储层渗透系数较小,使得区域压力头持续下降,并在通许县城井群集中区发育水头降落漏斗。

图7 新近系热储层模拟压力场 (2030年)

温度场预测结果如图8所示,可以看出在地热井的持续开采下模拟期末温度场变化甚微。观测孔顶层点温度维持在26℃～26.0355℃,底层点温度维持在45.2684℃～45.2493℃。在热能方面,按照现状开采条件,考虑开采水温及底线温度(25℃),计算得到2020—2030年区内开采可获得热能为0.281×1016J。

图8 研究区2030年温度模拟结果

综上所述,在该方案下维持现状地热井直接开采模式,会使得研究区区域地热流体压力持续下降,并在井群集中区发育水头降落漏斗。而温度场方面由于通许凸起为高温异常区,在现状地热开采条件下,可维持温度场的稳定。

4.2 方案二

在现状直接开采条件的基础上对区域性地热流体回灌做进一步的模拟研究,以探究在供暖期进行区域性回灌条件下,研究区新近系热储流场和温度场的变化情况。具体设置如下:

基于现有开采井,采用“一采两灌”的地热井采灌组合形式,在研究区现有的各地热开采井附近设置两个回灌虚拟井点,根据目前模型三角网格节点剖分情况,选取回灌点至开采点的距离在1000～1500 m之间,以使回灌点与三角网格节点重合。具体点位分布如图9所示:

图9 地热井采及回灌井分布简图

模拟区压力场预测结果如图10所示。可以看出,该方案下研究区内地热开采井附近地热流体水头降落漏斗的规模有所增大,表现为平面上扩展有限,而垂向上水头值下降明显。为定量化研究该方案回灌对研究区流场的影响,并验证上述分析,使用“数值模拟+GIS地理空间分析”的方法,对模拟结果进行处理,得到方案二回灌条件下研究区新近系热储地热流体回灌成效分布图10。

图10 新近系热储层模拟压力场(2030年)

结合图11可以看出,回灌措施下以回灌井为中心产生规模不等的“水丘”,其水头回升值大多在0.15～0.78 m,在研究区北部的群井回灌中甚至产生了0.78～3.45 m的回升值,中部部分开采井水头则呈现出进一步下降的现象,下降值大多在0.17～1.29 m,局部达5.5m,发现其“两灌一采”组合之间距离较远,且水头成效具有明显的分带性。

图11 地热流体开采、回灌成效分布图

从图12(a)可以看出,在方案二条件下进行区域性供暖期回灌时,2030年研究区底层温度场整体保持稳定,但是在各回灌点附近小范围的温度下降更加明显。为定量该方案回灌对研究区温度场的影响,利用GIS地理空间分析方法对地热模拟结果进一步处理,得到由回灌引起的底层温度下降带分布图12(b)。可以看出,由回灌引起的温度下降大多在“0.059℃～0.114℃”区间,局部群井回灌则会引起热储温度进一步下降,最大可达1.08℃。受此影响,区域上温度下降主要在0℃～0.059℃。“一采两灌”开采时温度下降值分布特征明显,呈分别以两回灌点为中心向开采井递减,且开采井附近地温受此影响的下降值在“0℃～0.024℃”区间,即局部出现热失衡现象,该现象与采灌井间距布局有关。

图12 研究区2030年温度模拟结果

在地热能方面,2020—2030年考虑开采水温及底线温度(25℃),计算得到10年内一采二灌模式下可获得的热能为0.596×1016J,比直接消耗式开采可获得的热能高0.315×1016J,说明回灌有助于增加深部大地热流传导补给被消耗的地热资源。

4.3 方案三

基于现有开采井,采用“一采三灌”的地热井采灌组合形式,在研究区现有各地热开采井附近设置三个回灌虚拟井点,根据目前模型三角网格节点剖分情况,选取回灌点至开采点的距离在1000～1500 m之间,以使回灌点与三角网格节点重合。具体点位分布如图13所示:

图13 地热采井及回灌井分布简图

模拟区流场预测结果如图14所示。可以看出,该方案下模拟区开采井附近地下水头降落漏斗的规模相较方案一进一步增大,表现为水头值下降更加明显。为定量化研究该方案回灌对研究区流场的影响,并验证上述分析,使用“数值模拟+GIS地理空间分析”的方法,对模拟结果进行处理,得到方案三回灌条件下研究区地下水回灌成效分布图15。

图14 2030年热储层模拟压力场

图15 地热流体开采、回灌成效分布图

结合图15可以看出,回灌措施下以回灌井为中心产生的“水丘”更高,其成效水头值大多在0.15～0.83 m,且在组合中三口回灌井的综合作用下,成效水头值大多已连成包围性面状,在研究区北部集中的群井回灌中甚至产生了0.83～3.5 m的回升值,而在开采井中心,受大流量开采作用产生的负面水头成效最高达到了8.88 m,但是受外围三口回灌井的综合影响,其扩展面积有限。

从图16(a)可以看出,在方案三条件下进行区域性供暖期回灌时,2030年研究区底层温度场整体保持稳定,但是在各回灌点附近小范围的温度下降更加明显。为定量该方案回灌注水对研究区温度场的影响,利用GIS地理空间分析方法对地热模拟结果进行进一步处理,得到由回灌引起的底层温度下降带分布图16(b)。可以看出,由回灌引起的温度下降大多在“0.03℃～2.099℃”区间,且普遍呈由回灌井为中心四周自“0.601℃～2.099℃”区间向“0.03℃～0.067℃”区间递减,受此影响区域上温度下降主要在0℃～0.067℃。“三灌一采”组合之间温度下降值分布特征明显,呈分别以三回灌点为中心向开采井递减,且开采井附近地温受此影响的下降值在“0℃～0.03℃”区间。

图16 研究区2030年温度模拟结果

在地热能方面,考虑开采水温及底线温度(25℃),计算得到2020—2030年按照一采三灌模式区内可增加净热能0.852×1016J,比直接消耗式开采获得的热能高0.57×1016J。即该回灌方案相较方案二更有助于增加深部大地热流传导补给被消耗的地热资源。

5 结论

通过对通许凸起中部研究区地热数模型的建立和不同地热开采方案的预测分析,获得以下几点认识:

(1)单井开采模式下,研究区深层地热流体压力水头持续下降,且在通许县城井群集中区出现水头降落漏斗,区内温度场变化不明显,持续性开采可获得热能0.281×1016J。

(2)采灌模式下,回灌率38.41%时,研究区北部水头出现回升,地下水回灌引起的温度下降主要在0.059℃～0.114℃区间。回灌式开采可获得的热能0.596×1016J,比直接消耗式开采获得的热能高0.315×1016J;回灌率100%时,全区北部水头回升更明显,地下水回灌引起的温度下降主要在0.03℃～2.099℃区间,回灌式开采可获得地热能0.852×1016J,比直接消耗式开采获得的热能高0.57×1016J。

(3)研究结果表明一采三灌模式相对最优化。回灌能力越大,深部大地热流传导补给作用越明显,区内可利用热能越大。回灌动态补给可以消减研究区内地热流体压力水头下降趋势,虽然会引起回灌点附近温度下降越明显,但以回灌点为中心向开采井呈递减趋势,说明回灌点周边一定区域内出现热失衡现象,但全区温度场整体保持稳定。研究结果可为通许地区规模性开发利用地热资源提供理论依据。