回灌水溫對(duì)砂巖熱儲(chǔ)回灌效果的影響分析
——以德州市地?zé)崽镳^陶組熱儲(chǔ)為例

張平平，王秀芹

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州　253072))

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回灌水溫對(duì)砂巖熱儲(chǔ)回灌效果的影響分析

——以德州市地?zé)崽镳^陶組熱儲(chǔ)為例

張平平，王秀芹

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州253072))

根據(jù)砂巖孔隙型熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w回灌試驗(yàn)中不同尾水溫度與回灌量、回灌水位之間的關(guān)系，研究了相同回灌量條件下尾水溫度對(duì)回灌效果的影響，并通過消除回灌尾水溫度對(duì)井筒存儲(chǔ)效應(yīng)的影響，將回灌時(shí)水位升幅的觀測(cè)值校正為同一溫度下的真實(shí)水位升幅，從而對(duì)不同溫度尾水回灌的滲透性能進(jìn)行了分析。

砂巖熱儲(chǔ)；回灌水溫;井筒效應(yīng)；滲透系數(shù)；館陶組；德州市

引文格式：張平平,王秀芹.回灌水溫對(duì)砂巖熱儲(chǔ)回灌效果的影響分析——以德州市地?zé)崽镳^陶組熱儲(chǔ)為例[J].山東國土資源，2015,31(6)：64-67. ZHANG Pingping，WANG Xiuqin. Effect Analysis on Reinjection Water Temperature to Reservoir Reinjection in Sandstone——Setting Geothermal Reserve in Guantao Formation in Dezhou City as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(6):64-67.

山東省德州市蘊(yùn)藏有豐富的地?zé)豳Y源，主要開采熱儲(chǔ)為館陶組熱儲(chǔ)。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的大量開采，導(dǎo)致了地?zé)崴坏募眲∠陆担責(zé)峄毓嗍且环N避免地?zé)釓U水直接排放引起的熱污染和化學(xué)污染的可行性措施，并對(duì)維持熱儲(chǔ)壓力，保證地?zé)崽锏拈_采技術(shù)條件具有重要的作用[1]。因此，德州市進(jìn)行了多次地?zé)峄毓嘣囼?yàn)研究，對(duì)回灌影響因素進(jìn)行了分析，提出了水位(壓力)、水質(zhì)、回灌工藝等對(duì)回灌效果的影響，但水溫對(duì)回灌效果影響的研究甚少[2-4]，筆者通過同一組采灌井進(jìn)行的不同溫度尾水回灌試驗(yàn)，對(duì)回灌效果進(jìn)行了對(duì)比分析，并通過消除因水溫產(chǎn)生的井筒效應(yīng)，計(jì)算了回灌過程中的實(shí)際水頭升幅，對(duì)其滲透性能進(jìn)行了初步的分析研究①魯北地質(zhì)工程勘察院，趙季初、楊訓(xùn)昌等，山東省德州市地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告,2007年，供學(xué)界同仁商討。

1　地?zé)峄毓啾尘皸l件

1.1回灌熱儲(chǔ)條件

區(qū)內(nèi)主要開采熱儲(chǔ)為館陶組，為孔隙型沉積盆地型碎屑巖孔隙—裂隙熱儲(chǔ)，地表無熱流顯示，地?zé)豳Y源類型屬熱傳導(dǎo)型。底板埋深1200～1800m，在拗陷區(qū)中心埋深深，厚度大，四周埋深淺，厚度薄；熱儲(chǔ)巖性主要為細(xì)砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖；熱儲(chǔ)厚度80～120m，占地層厚度的37%～45%，在取水段1000～1500m深度內(nèi)，單井出水量為70～120m3/h；熱水礦化度為6～10g/L，水化學(xué)類型為Cl-Na型，井口水溫為45～65℃，屬低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴獰崴偷責(zé)豳Y源[5-6]。

1.2回灌水源條件

區(qū)內(nèi)現(xiàn)有館陶組地?zé)峋s207眼，主要分布于市縣城區(qū)，用于供暖，洗浴，其中供暖所開采的地?zé)崴?0%以上，供暖后的地?zé)釛壦欧帕考s3461萬m3/a，水溫28～34℃。供暖尾水在開發(fā)利用后僅溫度發(fā)生了變化，水化學(xué)成分未變，采用地?zé)峁┡菜鳛榛毓嗨矗粫?huì)對(duì)熱儲(chǔ)的水質(zhì)產(chǎn)生不良影響，同時(shí)能夠減少或消除地?zé)衢_發(fā)對(duì)環(huán)境的不良影響，是回灌水源的最佳選擇。

1.3回灌動(dòng)力條件

地?zé)豳Y源的開采造成了館陶組熱儲(chǔ)壓力的大幅下降。目前來看，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)壓力水頭以3.12～5.48m/a的速率下降。其中熱儲(chǔ)壓力下降最為突出的德州市城區(qū)，2013年供暖期平均水位埋深為60.76m；非供暖期平均水位埋深為53.17m，所轄各縣市城區(qū)地?zé)崴宦裆?0～52m之間，全區(qū)在自然條件下可提供0.2～0.6MPa的壓差。

2　地?zé)峄毓嘣囼?yàn)

2.1回灌井組概況

為研究不同溫度尾水的回灌效果，在同一組采灌井進(jìn)行2次回灌試驗(yàn)，2井均采用二開成井結(jié)構(gòu)，取水層位為新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)含水層。其中開采井深度為1457.57m，井壁管規(guī)格為139.7mm×6.98mm，濾水管長115.32m，取水段區(qū)間為1127.00～1460.00m，降深29.92m時(shí)，涌水量為90.00m3/h；回灌井深度為1402.75m。井壁管規(guī)格為177.8mm×8.05mm，濾水管長135.53m，取水段區(qū)間為1130.7～1393.3m，洗井結(jié)束后進(jìn)行抽水試驗(yàn)，水位降深13.65m時(shí)，涌水量為102.00m3/h。

2.2回灌試驗(yàn)

2.2.1高溫尾水回灌試驗(yàn)

該試驗(yàn)于2012年進(jìn)行，初始水位埋深30.69m，采用無壓自然回灌，并以流量階梯式進(jìn)行，近似為5m3/h，10m3/h，20m3/h，30m3/h，40m3/h，50m3/h，60m3/h，70m3/h8組定流量(表1)。回灌水溫49～50℃。

表1　高溫尾水回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2低溫尾水回灌試驗(yàn)

該組試驗(yàn)于2013年供暖期進(jìn)行，試驗(yàn)前水位埋深36.6m,試驗(yàn)同樣采用無壓自然流量階梯遞增回灌方式，但由于尾水量限制，近似定流量分別為10m3/h，20m3/h，30m3/h，40m3/h4組(表2)，回灌尾水水溫32℃。

表2　低溫尾水回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

在回灌過程中，回灌井水頭升幅隨著回灌量不斷變化，且呈正相關(guān)關(guān)系，回灌量較為穩(wěn)定時(shí)，水位最終趨于穩(wěn)定。因是同一套回灌井組進(jìn)行的不同溫度尾水回灌試驗(yàn)，故排除了含水層、井結(jié)構(gòu)、地面凈化設(shè)備等對(duì)回灌效果的干擾，即同等灌量條件下，不同水溫對(duì)應(yīng)回灌水頭升幅直接反應(yīng)了回灌效果，水頭升高幅度越小，則回灌效果越好。根據(jù)以上2組回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1、表2)，將其近似同回灌量對(duì)應(yīng)水位升幅進(jìn)行對(duì)比，可以看出低溫尾水回灌水位升幅較小，即：水溫為32℃與49～50℃尾水進(jìn)行回灌，在小于40m3/h回灌量條件下，低溫尾水回灌水位升幅相對(duì)較小，回灌效果較好；大于40m3/h回灌量條件下的水位升幅，由于尾水水量限制，無法直觀進(jìn)行對(duì)比，還需進(jìn)一步深入研究。

3　回歸分析

在自然無壓回灌條件下，最大回灌量取決于回灌井水位的最大允許升幅，即回灌井水位埋深。低溫尾水回灌試驗(yàn)由于尾水水量限制，最大穩(wěn)定回灌量僅為40m3/h，對(duì)應(yīng)水位升幅16.79m，從目前水位埋深來看，具有較大水頭升幅空間，因此，對(duì)2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)一步判斷回灌量大于40m3/h時(shí)的水溫對(duì)回灌效果的影響。

回灌量與回灌井水位升幅呈正相關(guān)關(guān)系，即回灌量與水位升幅符合3次多項(xiàng)式回歸(圖1)。根據(jù)該多項(xiàng)式，回灌量為70m3/h時(shí)，水位升幅為41.6m，在目前水位埋深36.6m條件下，推算最大自然回灌量為66.7m3/h。由此可見，與高溫尾水回灌量69.3m3/h對(duì)應(yīng)水位升幅28.65m相比,低溫尾水回灌效果并非完全優(yōu)于高溫尾水，而是以某一值為界，水位升幅低于該值時(shí)，低溫水表現(xiàn)出更好的回灌性能，水位升幅高于該值時(shí)，高溫水回灌性能更好。通過對(duì)該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，2組溫度尾水回灌性能分界對(duì)應(yīng)水位升幅值為16.8m，回灌量為44m3/h。

圖1　回灌量與水頭升幅相關(guān)曲線

4　滲透性能分析

4.1滲透系數(shù)與水位升幅關(guān)系

在回灌過程中，含水層滲透性的分析，可以理論認(rèn)為回灌就是抽水的逆過程，采用抽水試驗(yàn)公式求取回灌過程中的滲透系數(shù)。取水頭近似穩(wěn)定時(shí)段回灌量代替出水量，近似穩(wěn)定回灌水頭升幅代替抽水過程中的水位降深。其計(jì)算公式：

k=0.366Q′(lgR-lgr)/MH

(1)

(2)

式中：K—回灌滲透系數(shù)(m/d)；H—回灌水頭升高(m)；M—回灌熱儲(chǔ)含水層厚度(m)；R—回灌影響半徑(m)；r—回灌井井底半徑(m)；Q′—回灌水量(m3/d)。

另外，可將回灌看作是向鉆孔中壓水，采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)壓水試驗(yàn)法求取回灌滲透系數(shù)：

(3)

式中：K—巖體滲透系數(shù)(m/d)；Q—壓入流量(m3/d)；H—試驗(yàn)壓力,以水頭表示(m)；L—試段長度(m)；r0—井孔半徑(m)。

由以上2組公式看，相同回灌量條件下，滲透系數(shù)均與回灌水頭升幅呈反比，即回灌水頭升幅越大，滲透系數(shù)越小，回灌水頭升幅越小，滲透系數(shù)越大，相對(duì)滲透性能越好。

4.2回灌中動(dòng)水位升高值計(jì)算

深層地下熱水鉆井在開采過程中井內(nèi)水溫明顯高于開采前的水溫，水的密度隨之降低，可導(dǎo)致動(dòng)水位高于開采前的靜水位[6-7]。抽水時(shí)如此，回灌時(shí)也存在相似情況，即回灌前，靜水條件下井口水溫較低，由上至下逐漸增大，而回灌中，回灌井內(nèi)充滿回灌尾水，水溫上下一致，不同溫度地?zé)崴芏炔煌绻苯訉⒒毓鄷r(shí)近似穩(wěn)定水位與回灌前靜水位之差作為水頭升幅，勢(shì)必會(huì)影響對(duì)尾水水溫與回灌效果關(guān)系的判斷。因此，要消除溫度對(duì)井筒存儲(chǔ)效應(yīng)的影響，求取真實(shí)的水頭升幅數(shù)據(jù)。

在地下水動(dòng)力學(xué)中，井底壓力也可以作為井內(nèi)水位高度來表示。即井底壓力為：

(4)

式中：P—井底壓力(MPa)；ρ—水的密度(kg/m3)；g—重力加速度(9.81m/s2)；h—井內(nèi)水柱高度(m)。

由于地?zé)峋陟o止?fàn)顟B(tài)下，井內(nèi)水柱溫度由上至下逐漸增高，因此井底壓力近似計(jì)算為：

(5)

式中：ρk，ρd分別為井口水溫和井底水溫對(duì)應(yīng)的水的密度(kg/m3)[6]。

根據(jù)公式2，分別將2組試驗(yàn)前水柱高度換算成50℃地?zé)崴畬?duì)應(yīng)水柱高度。靜止?fàn)顟B(tài)下按照井口水溫16℃，井底水溫53℃計(jì)算，2012年高溫尾水回灌前井內(nèi)水柱高度為1372.06m，換算成50℃地?zé)崴叨葹?378.75m；2013年低溫尾水回灌前井內(nèi)水柱高度為1366.15m，換算成32℃地?zé)崴叨葹?372.81m。回灌中水位近似穩(wěn)定時(shí)，井內(nèi)充滿回灌尾水，水柱上下水溫一致，由公式(1)分別換算成50℃水溫對(duì)應(yīng)水柱高度，與回灌前水位做差，即可得出回灌中真實(shí)的水頭升幅(表3)。從結(jié)果可以看出，近似同灌量條件下，高溫尾水回灌水頭真實(shí)升幅相對(duì)較小，根據(jù)公式(1)(3)，均可證明高溫尾水作為回灌水源時(shí)滲透系數(shù)大于低溫尾水，表現(xiàn)出更好的滲透性能。

表3　地?zé)峄毓嘣囼?yàn)水頭升高對(duì)比

5　結(jié)語

上述試驗(yàn)及計(jì)算分析結(jié)果表明，在自然無壓回灌條件下，最大回灌量取決于回灌井允許水頭升幅，用不同溫度的尾水進(jìn)行回灌，存在某一數(shù)值，當(dāng)回灌井允許水頭升幅低于該值時(shí)，低溫尾水最大回灌量大于高溫尾水；當(dāng)回灌井允許水頭升幅高于該值時(shí)，低溫尾水最大回灌量小于高溫尾水。這種現(xiàn)象是由于尾水與回灌井內(nèi)水溫存在差異，不同溫度水的密度不同，這樣就造成了井內(nèi)水的壓密或緩釋，從而影響了回灌水頭升幅，但通過消除溫度對(duì)井筒存儲(chǔ)效應(yīng)的影響，總體看，回灌水溫越高，回灌滲透性能越好。

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兗州局聚焦機(jī)關(guān)作風(fēng)提升工作效能

兗州局把強(qiáng)化機(jī)關(guān)作風(fēng)建設(shè)作為轉(zhuǎn)變政府職能、提高服務(wù)水平的重要抓手，堅(jiān)持常抓不懈，不斷促進(jìn)各項(xiàng)工作健康發(fā)展。

抓學(xué)習(xí)，提升駕馭全局的能力。嚴(yán)格落實(shí)領(lǐng)導(dǎo)班子帶頭學(xué)、干部職工集中學(xué)和自學(xué)相結(jié)合的學(xué)習(xí)制度，不斷拓寬學(xué)習(xí)渠道和途徑，引導(dǎo)干部在學(xué)中干，在干中學(xué)，以學(xué)促干，以干促學(xué)，使學(xué)習(xí)常態(tài)化、自覺化。堅(jiān)持和完善理論學(xué)習(xí)制度，圍繞工作大局和中心任務(wù)，結(jié)合工作實(shí)際，明確學(xué)習(xí)計(jì)劃,堅(jiān)持將理論學(xué)習(xí)與保障發(fā)展結(jié)合起來，提高理論素養(yǎng)、培養(yǎng)戰(zhàn)略思維、樹立長遠(yuǎn)眼光、加強(qiáng)黨性修養(yǎng)，不斷增強(qiáng)總攬全局、應(yīng)對(duì)復(fù)雜局面、解決突出矛盾和問題的能力。

抓紀(jì)律，提升優(yōu)質(zhì)服務(wù)的能力。領(lǐng)導(dǎo)班子成員以身作則，認(rèn)真執(zhí)行紀(jì)律作風(fēng)規(guī)定，嚴(yán)格落實(shí)機(jī)關(guān)考勤和請(qǐng)銷假制度和各項(xiàng)管理制度。通過狠抓紀(jì)律建設(shè)，工作人員自覺遵守崗位工作紀(jì)律，主動(dòng)服務(wù)干事創(chuàng)業(yè)的精神面貌正在形成，工作秩序井然，工作效率和服務(wù)質(zhì)量明顯得到提升，有力促進(jìn)了國土資源工作目標(biāo)的落實(shí)完成。

抓效能，提升工作執(zhí)行的能力。強(qiáng)化"落實(shí)體現(xiàn)責(zé)任，執(zhí)行就是負(fù)責(zé)，細(xì)節(jié)決定成敗"的工作理念，重點(diǎn)培育用心想事、用心謀事、用心干事的“三心干部”，使全局干部切實(shí)珍惜工作機(jī)會(huì)。對(duì)關(guān)乎全區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生根本的重點(diǎn)工作、重大項(xiàng)目，全面貫徹一線工作法，采取提前介入、超前工作、現(xiàn)場(chǎng)辦公、跟蹤服務(wù)等方式，加快報(bào)件材料組織，優(yōu)化工作流程，努力提高工作質(zhì)量和效率，使國土資源保障服務(wù)工作更加順暢、快捷、高效。

抓廉政，提升拒腐防變的能力。認(rèn)真落實(shí)黨風(fēng)廉政建設(shè)責(zé)任制，嚴(yán)格執(zhí)行中央八項(xiàng)規(guī)定等廉潔自律的各項(xiàng)規(guī)定。通過打造廉政文化精品，組織德廉知識(shí)測(cè)試，參觀廉政教育基地等方式，積極傳播正風(fēng)肅紀(jì)正能量，使廉潔從政的理念深入到全局干部職工心中，自覺接受各方面的監(jiān)督，樹立為民、務(wù)實(shí)、清廉的良好形象。

(兗州局趙媛)

Effect Analysis on Reinjection Water Temperature to Reservoir Reinjection in Sandstone——Setting Geothermal Reserve in Guantao Formation in Dezhou City as an Example

ZHANG Pingping，WANG Xiuqin

(Lubei Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Dezhou 253072, China)

According to the relationships between different tail water temperatures and reinjection volume and water level in reinjection experiments of sandstone porous type geothermal reservoirs, the influence of temperature to reinjection under the conditions of the same reinjection volume has been studied. Through eliminating the influence of temperature to the wellbore storage, converting the observation values of the water level to the real level in the same temperature, the permeability of the tail water reinjection in different temperatures has been analyzed.

Sandstone reservoir; reinjection temperature; wellbore effect; infiltration ccoefficient; Guantao formation; Dezhou city

2014-09-19；

2014-12-01；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

張平平(1984—)，女，遼寧遼中人，工程師，主要從事水工環(huán)及地?zé)岬刭|(zhì)工作；E-mail:zpp840419@163.com

P314.1

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