雄縣地熱田示蹤試驗的解釋及分析

龐菊梅 ,王樹芳 ,孫彩霞 ,高小榮 ,劉久榮

(1.首都師范大學,北京 100048;2.北京市水文地質工程地質大隊,北京 100195; 3.陜西綠源地熱能源開發有限公司,咸陽 712000.;4.中國石化集團新星石油公司,北京 100083)

0 概述

地熱能是一種清潔的綠色能源.回灌是保證地熱系統可持續開發利用的有效措施,示蹤試驗常與回灌試驗一起進行,用來研究回灌井與生產井之間的水力聯系、可能的導水通道,以及定量化研究地下水系統中的流體流速問題.雄縣地區地熱資源的開發利用已有三十多年的歷史,本次在回灌試驗的同時實施了示蹤試驗.本文對示蹤試驗進行分析,對示蹤劑回收的濃度及峰值的出現時間進行了模擬分析,并且運用水平裂隙介質模型對長期回灌可能引起的熱儲冷卻進行了預測,為回灌井和生產井的合理井間距的選擇,提供一定的依據.

1 研究區地熱地質條件概況

河北省雄縣地熱田位于牛駝鎮地熱田的西南部,在華北平原的北部,全區524km2皆賦存地熱資源.雄縣區域地熱開發主要是新近系砂巖孔隙熱儲和基巖巖溶裂隙熱儲.

1.1 地質條件概況

雄縣及其周邊地區的地層包括新生界第四系、新近系和古近系,古生界奧陶系和寒武系,中上元古界青白口系和薊縣系以及古生界.其中新生界隨牛駝鎮凸起和凹陷的分布呈批蓋式沉積,第四系松散層和新近系砂巖、礫巖和泥巖近乎水平,古近系砂巖、礫巖和泥巖傾角平緩.下伏地層為白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、青白口系、薊縣系和長城系,以及太古界變質巖[1].

圖1 雄縣地區基巖地質圖

對雄縣范圍具有重要影響的斷裂構造主要有牛東斷裂、大興斷裂、容城斷裂、牛南斷裂和雄縣西斷裂(圖1).其中,前四者形成于燕山運動晚期,在喜馬拉雅運動早期活動加劇,是長期活動性斷裂,根據區域地質資料,推斷NE向斷裂由壓性轉變為張性,NE向斷層為張性.其它斷裂一般規模較小,對第三系的沉積不起控制作用[1].

1.2 地熱地質條件概況

雄縣地熱田被認為是一個有共同熱源的地質綜合體[2],關于地熱蓋層、導水通道和熱儲信息的簡單概念模型描述如下:

(1)熱儲蓋層

雄縣范圍內第四紀地層構成了地熱系統的良好的蓋層.熱儲蓋層的平均厚度變化在380～470m,巖性主要以粘性土為主,夾有部分砂層,水交替條件比較差.粘土具有較高的孔隙度,但是滲透率非常小(10-1mDarcy).粘土的熱導率為1.7～2.3W/mK,小于雄縣熱儲的平均熱導率[2].因此,熱導性和滲透性的狀況不利于在第四系和更深的地層之間傳導熱能或形成熱對流,從而第四系為深部的砂巖和白云巖熱儲形成了良好的熱儲蓋層.

(2)熱儲

雄縣地熱田范圍內普遍存在第三系熱儲.其中,在牛駝鎮凸起部分僅存在薊縣系熱儲,其埋藏深度在950m～1050m之間,是雄縣地熱系統開發利用的主要熱儲層.而在牛駝鎮凸起以東,雖然第三系下伏地層為奧陶系和寒武系灰巖,但因埋藏深度大于5000m,目前不具備開采條件[1].

(3)導水通道

雄縣地熱系統基巖中的斷裂和次生斷裂構成了地熱水的主要導水通道.

2 示蹤試驗及示蹤劑回收的假設模擬

示蹤試驗是回灌工程研究中很重要的方面之一,通常與回灌試驗同時進行,來研究回灌井和生產井之間的水力聯系、導水通道,定量化研究地下水系統中的流體流速問題,并且預測回灌引起的開采井冷卻的可能性.如果在示蹤試驗中,示蹤劑快速的、大量的被檢測出來,則意味著快速的、強烈的熱突破發生的可能性較大[3].

2.1 示蹤試驗概述

雄縣地熱田此次示蹤試驗開始于2010年1月26日,是在回灌試驗進行了一段時間之后,熱儲系統達到一個相對穩定的狀態下進行的.本次試驗中選取的地熱井位于雄縣縣城北部地區,開采利用的熱儲均為薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲.示蹤試驗期間,選取回灌井0902周圍的另外5口生產井0901、0801、0704、0703和0307作為觀測井進行取樣分析,其具體位置如圖2所示.5個觀測井距離回灌井的距離從350m到2km.

圖2 示蹤試驗井位分布圖

本次示蹤試驗選擇氟苯甲酸作為示蹤劑,總共22kg的氟苯甲酸被一次性注入到回灌井中.示蹤劑的檢測方法是氣相色譜質譜技術(GCMS),檢測的下限濃度為40ng/L.注入示蹤劑之后,從觀測井中采集水樣,檢測示蹤劑隨時間的回收濃度.

回灌試驗于2010年3月18日結束,在此期間,沒有從生產井和觀測井群中檢測到示蹤劑.截止到2010年7月30日停止取樣時,在整個示蹤試驗的取樣檢測分析期間,均沒有從生產井和觀測井群中檢測到示蹤劑.

這可能是因為回灌水體沒有流經一些開放型的、直接聯系回灌井和生產井的流動通道,而是擴散、分散到了巖石基質中或者是流到了沒有直接連通回灌井和生產井的裂隙中.

2.2 示蹤劑回收的模擬和解釋

本文基于地熱系統中連通生產井和回灌井之間特定流動通道的若干假設,對示蹤劑回收的濃度及出現峰值的時間進行了模擬,對通道的流體流速和橫截面積進行了估計.

(1)示蹤劑運移的理論基礎

示蹤劑解釋模型的基本理論是溶質在孔隙型/滲透型介質中的運移理論,包括溶質的對流運移、分子擴散和機械彌散運移理論.各種不同的溶質運移模型被用來對示蹤試驗進行分析解釋,圖3所示的簡單的一維流動通道的示蹤劑運移模型在解釋地熱田示蹤試驗時十分有效.該模型假設回灌井和生產井之間流動通道內的水流近似為一維流動(圖3).流動通道可能是近乎垂直的斷裂帶的一部分,或者是水平夾層的一部分.假設這些流動通道受斷裂邊界的控制,并且流場為線性流.此外,流動通道可能是連通回灌井和生產井之間的體積較大的通道,或者是連通回灌井和生產井的多個通道,例如地熱井之間不同給水區的連通通道[4].

圖3 連通回灌井和生產井的斷裂帶的簡單模型

此一維流模型中,假設回灌井的回灌量為定流量q,生產井的出水量為定流量Q.斷裂帶的寬度或者夾層的厚度用b表示,h表示斷裂帶內流動通道的高度或者夾層內的流動通道的寬度.則流道的橫截面積可表示為A=h.b.根據示蹤試驗解釋所得A、φ的值,可以估計得到h和b的值,但是應該對該地區流道的平均孔隙度以及h和b的比率進行假定.結合流體方程和溶質運移的質量守恒方程,如果在模型中忽略分子擴散作用,假設在t=0 時刻,瞬時投入質量為M(kg)的示蹤劑,則示蹤劑濃度的求解值為[4]:

D是彌散系數(m2/s); C是流動通道中示蹤劑的濃度值(kg/m3);x是流動通道的長度(m);u是通道中流體的平均流動速度(m/s);A是流動通道的平均斷面面積(m2);φ是流動通道的孔隙度;αL是流動通道的縱向彌散系數(m).

(2)示蹤劑回收的模擬和解釋

本文示蹤劑回收的模擬基于兩個假設:首先,假設示蹤試驗期間示蹤劑的回收濃度值低于檢測下限,即40ng/L.這樣,最大可能回收的示蹤劑質量大約為7.7X10-3kg,占總的示蹤劑投入量的比例為0.035%,該比例非常的小,可以忽略不計.另一個假設是,示蹤劑回收的速度都非常慢,只在試驗進行的最后一天(即第52天),回收濃度達到檢測下限40ng/L.

根據其他大量地熱田示蹤試驗的經驗[5],并結合區域地熱地質條件,本文取縱向彌散度的值分別為0.05x, 0.1x, 0.15x(x 是流動通道的長度)進行了模擬計算.取流動通道的長度為350m(回灌井和生產井之間的直線距離).流體的密度值為983kg/m3.計算結果如表1和圖4所示.

表1 基于不同的縱向彌散度由示蹤劑回收模擬模型得出的參數值

從圖4可以看出,不同的縱向彌散度得出不同的示蹤劑回收濃度的峰值.當流動通道的縱向彌散度是回灌井和生產井之間距離的0.05倍時,示蹤劑回收濃度的峰值出現的最早.縱向彌散度值越大,峰值出現的時間越晚.由表1,在不同的縱向彌散度的情況下,流體的平均流速值不大,回灌水沿裂隙和溶隙的運動速度緩慢.

圖4 示蹤劑回收濃度值在2000天內的模擬計算結果,基于縱向彌散度分別為17.5m,35m,52.5m的情況,圖中顯示了從長期來看,示蹤劑濃度的變化情況

值得注意的是,以上模擬計算的結果對應的是最為悲觀的情景,可以想象實際濃度值的增加會比上面的分析結果要慢的多.因此,回灌井和其周圍生產井的直接聯系通道甚至比表1所示的結果還要弱.這些信息盡管是基于假設得出的,但可以為今后回灌工程的設計提供研究基礎,為進一步的示蹤試驗的實施提供參考.

3 基于水平裂隙型介質模型的熱儲冷卻分析

地熱回灌最受關注的問題是熱儲的冷卻,特別是長期回灌對熱儲溫度的影響.在示蹤試驗的解釋和假設模擬中,估計求算了裂隙的橫截面積和孔隙度的乘積,但是由于缺乏裂隙通道數目以及來自每條裂隙的示蹤劑回收數量比例的有效信息,很難非常準確的基于示蹤試驗對熱儲冷卻的可能性進行模擬預測.

本文為了進一步研究回灌井周圍地下水溫度場的變化,運用水平裂隙型介質熱運移模型對由于長期回灌可能引起熱突破的發生時間進行分析預測,獲得了一些半定量化的結果,為回灌工程設計中回灌流量以及回灌井和生產井的合適井間距的選擇提供一定的依據.

(1)水平裂隙型介質(N個水平斷裂帶)模型簡介

該模型描述了從一個井內注入流體,流體沿著若干大規模的斷裂帶流動,每一個斷裂帶有一個小的統一均勻的厚度值的情況.其中注入井位于中心位置.為方便考慮,假設斷裂均為水平狀的,并且向各個方向無限延伸.巖石是不透水的,初始溫度為常數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T0.假設作為流動通道的斷裂的數目為N,每個斷裂的平均流量為Q kg/s,則所求問題即為推導出熱儲巖石的溫度場的變化情況[6].

如圖5所示,r表示距離回灌井的輻射距離,y表示距離斷裂處(y=0)的垂直距離.另外,αT表示巖石的熱擴散系數,輻射方向的熱傳導系數忽略不計.針對本模型,溫度場的求解方法在方程(2)中給出[6],其中erf()為誤差函數.

圖5 用來估計冷鋒面在薄的、非滲透性巖石中水平斷裂帶中熱傳遞速度的示意圖

(2)生產井溫度變化及冷鋒面傳播的預測

為了比較回灌流量、斷裂帶數目對溫度場傳播的影響,用求解公式(2)計算了不同開采量情況下熱儲溫度的變化情況.分別假設回灌井和生產井之間存在1、3、5條連通通道,對地熱井的出水溫度的長期變化進行估算,這樣的估算和實際情況會有一定的差別,但還是可以提供一些有用的依據.

根據雄縣地熱田2009-2010年地熱回灌試驗的實際情況,盛唐小區地熱采暖系統的熱量來自一個地熱對井系統,其中開采井深1250m,回灌井深1500m,兩井相距350m.開發的熱儲為裂隙含水層,年平均開采和回灌量為約15kg/s,即將開采出來的地熱水經供暖利用后全部回灌入同一含水系統中.本文選取研究區地熱井所處熱儲系統內巖石的平均孔隙度為6%.通道長度取為示蹤試驗中回灌井和生產井的井間距350m,熱儲地層中薄的斷裂帶流動通道的數目分別考慮1,3,5三種不同的情況.其次,考慮年平均回灌量和生產量增加為43kg/s時,生產井的溫度變化情況.結果分別如圖6和圖7所示.

從圖6可以看出,如果熱儲地層中只有一個裂隙帶作為流動通道,在回灌進行大約35年之后,生產井開采的地熱水的溫度將開始下降,在100年的時間內,熱儲溫度將下降1.25℃.若在回灌井和生產井之間可透水的裂隙帶的數目為3或者5,如圖6所示,當回灌流量為15kg/s時,在100年的使用年限之內,地熱井開采的地熱水溫度都不會降低.

若年均回灌量和開采量增加到43kg/s時,則在一條斷裂帶作為兩井之間直接通道的情況下,生產井的水溫在開采5年之后將迅速下降,在47年之內會下降10℃;如果存在3條斷裂帶作為過水通道,熱儲溫度將緩慢下降,100年之內會下降1℃;若存在5條斷裂帶作為流動通道,在100年之內熱儲溫度將保持穩定(如圖7所示).

圖6 在ST0902井回灌期間,ST0901井溫度冷卻的預測,基于回灌量為15kg/s

圖7 與圖6相同,但是回灌量為43kg/s

4 結論

雄縣地熱田2009-2010年在地熱回灌期間開展了示蹤試驗,試驗期間沒有檢測到示蹤劑,表明回灌井與其周圍所選的生產井群之間不存在直接的、開放型的流動通道.

在兩個基本假設的基礎上,對不同的縱向彌散度情況下,示蹤劑回收濃度峰值出現的時間以及流體流速進行了模擬,結果同樣表明回灌井與生產井之間聯系十分微弱,盡管這些信息是在假設的基礎上得出的,但是可以為更好的分析示蹤試驗提供參考.

為了對進一步地熱回灌實施過程中回灌流量以及回灌井和生產井之間合理井間距的選擇提供一定的依據,運用水平裂隙介質模型對長期回灌可能引起的熱儲冷卻進行了分析預測.基于熱傳遞理論,分析了在輻射流的條件下裂隙巖石地熱系統由于回灌所引起的溫度干擾的快慢.它們適合于簡化的模型,但是表達了所討論問題的主要方面,可以為今后回灌工程的設計和管理提供有用的資料.

在今后實施回灌工程時,需要進一步開展回灌試驗和示蹤試驗,對回灌的長期效果進行研究,保證地熱資源的可持續開發利用.

[1]劉久榮,王樹芳.2005.河北省雄縣地熱資源評價報告[R].北京:北京市地質工程勘察院.11～12pp.

[2]蔡洪濤,馬敬業,張德忠等,河北省牛駝鎮地熱田勘察報告[R],河北省地質局第三水文地質工程地質大隊.張家口:河北省地礦局.1990:19～21pp.

[3] Horne, R.N., Modern well test analysis, a computer aided approach (2nded.).Petroway, Inc., USA, 1995:257p.

[4]Axelsson, G., Bj?rnsson, G., and Montalvo, F., 2005.Quantitative interpretation of tracer test data[A].Proceedings of the World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 12 p.

[5]Lynn W.Gelhar, Claire Welty and Kenneth R.Rehfeldt.1992.A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers[J].Water resources research, 1992, 1955-1974pp.

[6]Axelsson, G.2010.The physics of geothermal resources and their management during utilization.UNU-GTP, Iceland, Unpublished manuscript:156～161pp.