抽水試驗方法和成井工藝類型對熱儲層水文地質參數的影響

周群道，康鳳新，劉志濤，楊建華

(1.山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 250372；2.山東省地質礦產勘查開發局，山東 濟南 250013；3.山東省地質勘查工程技術研究中心，山東 濟南 250100)

1 研究背景

熱儲層水文地質參數對地熱資源量計算、地熱井合理井距確定、地熱尾水回灌條件研究等有十分重要的影響。目前地熱地質勘查中，水文地質參數多由穩定流抽水試驗求得，穩定流抽水試驗采用的裘布依理論模型，J.Kozeny在砂槽中進行井流模擬試驗時發現，只有當水位降低非常小時，井中水位才與井壁水位基本一致。當井中水位降低較大時，井中水位明顯地低于井壁水位，這種現象稱為水躍。

地熱井抽水試驗初期，井筒水位受水溫影響明顯，此現象稱為井筒效應。受條件所限，穩定流抽水試驗，多以抽水主孔(單孔抽水)資料求參，主孔從井筒頂部采水，水躍現象和井筒效應對水文地質參數造成了較大影響。非穩定流抽水試驗采用泰斯理論模型，多以觀測孔資料求參，觀測孔從井筒底部降水，能有效消除水躍現象和井筒效應，水文地質參數相對準確。不同成井工藝類型對水文地質參數的影響明顯，同等開采量下，大口徑填礫井的降深遠小于裸眼井。

以往關于單個試驗方法[1-3]或某種成井工藝[4]求取水文地質參數的研究較多，綜合對比分析多種求參方法和成井工藝類型的研究較少。該文以山東省平原縣回灌試驗為例，利用多種試驗方法、求參方法和不同的成井工藝，討論對水文地質參數的影響，對地熱資源的勘查、評價以及回灌優化提供參考。

2 研究區域概況

平原縣位于山東省西北部、德州市中部，在大地構造上屬于華北板塊(Ⅰ)、華北坳陷區(Ⅱ)濟陽坳陷(Ⅲ)惠民潛斷陷(Ⅳ)、臨邑潛凹陷(Ⅴ)(圖1)。區內分布較厚的沉積地層，熱儲為巖性孔隙型砂巖，為半成巖狀態，呈層狀展布。基底埋藏較深，其經濟型熱儲為新近紀館陶組熱儲，館陶組熱儲廣泛分布于研究區內，為河流相沉積，厚度200～600m，與下伏東營組呈不整合接觸。下部巖性為灰白色、灰色厚層狀礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細砂巖夾灰綠色粉砂巖、棕紅色泥巖及砂質泥巖，底部普遍發育含石英、燧石的砂礫巖。上部巖性為灰白色、淺灰色細、中砂巖及棕紅色、灰綠色泥巖與細砂巖互層夾粉砂巖。巖性為一套灰白色礫狀砂巖、細礫巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖。鉆遇地層0～266.00m為第四紀平原組，266.00～958.20m為新近紀明化鎮組，958.20～1393.30m為新近紀館陶組，1393.30～1610.38m為古近紀東營組，未揭穿(圖2)。

1—試驗地點；2—二級單元界線；3—三級單元界線；4—四級單元界線；5—五級單元界線；6—斷層及推測斷層；7—不整合界線；8—單元代號；9—凹陷區；10—隆起區圖1 研究區構造簡圖

1—細砂巖；2—弱透水層；3—中砂巖；4—砂礫巖；5—底礫巖；6—凝灰巖；7—砂礫巖；8—泥質砂巖圖2 研究區地質剖面示意圖

3 試驗井基本情況

3.1 試驗井位置

試驗地點為山東省德州市平原縣，兩眼地熱井的直線距離為231.7m，兩眼井的取水層位為新近紀館陶組。

3.2 成井工藝

回灌井采用大口徑填礫的成井工藝，開采井為裸眼繞絲成井工藝(圖3)。大口徑填礫工藝井開孔孔徑為φ445mm，濾水管徑為φ178mm，填礫厚度133.5mm，填礫粒徑2～4mm[5-9]；裸眼繞絲工藝井開孔孔徑φ241.3mm，濾水管徑為φ139mm，未填礫[10-11]。

a—大口徑填礫工藝；b—裸眼繞絲工藝圖3 成井工藝類型

3.3 取水工藝

兩眼井濾水段的繞絲間距為0.75mm，大口徑填礫井濾水管長度為135.53m，裸眼繞絲井濾水管長度為115.32m(表1、表2)。

4 抽水試驗

4.1 穩定流抽水試驗

完井后對回灌井、開采井分別做單孔穩定流抽水試驗，共2組，每組分3個降深完成。每個降深單獨計時進行，各降深之間沒有水位恢復，連續進行。為便于比較分析和成圖，將后面降深的持續時間與前降深的持續時間相加，形成總的歷時曲線(圖4)。

表1 裸眼繞絲井取水工藝 單位：m

表2 大口徑填礫井取水工藝 單位：m

a—回灌井；b—開采井圖4 穩定流抽水試驗歷時曲線

回灌井穩定流抽水試驗進行了3個降深的試驗，分別為S1=5.55m，S2=10.80m，S3=13.65m，對應的單位涌水量分別為Q1=72m3/h，Q2=94m3/h，Q3=102m3/h。開采井穩定流抽水試驗進行了3個降深的試驗，分別為S1=7.60m，S2=18.60m，S3=29.92m，對應的單位涌水量分別為Q1=28.5m3/h。Q2=61.00m3/h，Q3=90.00m3/h。

4.2 非穩定流抽水試驗

穩定流抽水試驗結束后，水文恢復至初始狀態，進行非穩定流抽水試驗兩組。第一組非穩定流抽水試驗以回灌井為抽水主孔、開采井為觀測孔，1130.7～1393.3m，巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層，含水層厚度為135.53m，抽水井井徑為177.8mm，穩定流量為84.25m3/h，抽水歷時8850min。抽水井的靜水位為30.69m，觀測井的靜水位為31.81m。抽水井的降深范圍為4.27～7.74m，降深穩定在7.47m左右。觀測井的降深范圍為0.005～1.01m，降深穩定在1.01m(圖5)。

a—回灌井為主孔抽水；b—開采井為主孔抽水圖5 非穩定流抽水試驗歷時曲線

第二組非穩定流抽水試驗以開采井為抽水主孔、回灌井為觀測孔試驗開采層段為1127～1460m，巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層，含水層厚度為115.32m，抽水井井徑為139.7mm，開采量為72.8m3/h抽水歷時1710min。抽水井的靜水位為31.81m，觀測井的靜水位為30.69m。抽水井的降深范圍為0.49～15.37m，降深穩定在15.37m左右。觀測井的降深范圍為0.005～0.98m，降深穩定在0.98m(圖5)。

5 水文地質參數

5.1 穩定流抽水試驗參數

穩定流抽水試驗采用公式法和配線法對水文地質參數進行了計算(表3、表4)。

表3 回灌井穩定流抽水試驗公式法結果

(1)公式法：采用公式計算水文地質參數[12-17]：

(1)

(2)

式中：r為濾水管的半徑(m)，r開采井=0.06985m，r回灌井=0.0889m。

表4 開采井穩定流抽水試驗公式法結果

(2)配線法：利用AquiferTest軟件，對穩定流抽水試驗的各個降深逐個求參(圖6～圖11)[18-20]。所求得的滲透系數分別為K1,K2和K3。

通過配線法求取導水系數T1=8.93×102m2/d，滲透系數K1=6.0013m/d。

通過配線法求取導水系數T2=8.48×102m2/d，滲透系數K2=5.56989m/d。

通過配線法求取導水系數T3=7.95×102m2/d，滲透系數K3=5.3427m/d。

通過配線法求取導水系數T1=1.98×102m2/d，滲透系數K1=1.435m/d。

通過配線法求取導水系數T2=1.48×102m2/d，滲透系數K2=1.072m/d。

通過配線法求取導水系數T3=1.18×102m2/d，滲透系數K2=1.377m/d。

圖6 回灌井涌水量72m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖7 回灌井涌水量94m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖8 回灌井涌水量102m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖10 開采井涌水量61m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖11 開采井涌水量90m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

5.2 非穩定流抽水試驗參數

利用AquiferTest軟件，泰斯配線法計算水文地質參數，由于抽水主孔存在井筒效應，利用觀測孔監測資料求取試驗參數(圖12、圖13)。

得出其導水系數(T回灌井)為9.72×102m2/d，滲透系數(K回灌井)為6.53m/d，彈性釋水系數(μ回灌井)為3.19×10-4。

得出其導水系數(T開采井)為6.94×102m2/d，滲透系數(K開采井)為5.02m/d，彈性釋水系數(μ開采井)為3.18×10-4。

圖12 開采井為觀測井泰斯配線法求參

圖13 回灌井為觀測井泰斯配線法求參

6 參數對比

6.1 穩定流公式法與非穩定流求參比較

將開采井穩定流抽水試驗中S2與S32個降深所得參數進行算術平均，即(K2+K3)/2，可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數，與非穩定流72.8m3/h開采量下的參數進行比較(表5)。

表5 開采井穩定流公式法與非穩定流求參比較

在同等開采量下，穩定流所得參數為非穩定流的14%。

將穩定流抽水試驗中S1與S22個降深所得參數進行算術平均，即(K1+K2)/2，可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數，與非穩定流84.25m3/h開采量下的參數進行比較(表6)。

在同等開采量下，穩定流所得參數為非穩定流的31%。

表6 回灌井穩定流公式法與非穩定流求參比較

6.2 穩定流公式法與配線法求參比較

將開采井、回灌井穩定流抽水試驗的3個落程，分別采用公式法和配線法進行求參比較(表7、表8)。

表7 開采井穩定流公式法與配線法結果比較

表8 回灌井穩定流公式法與配線法結果比較

6.3 穩定流配線法與非穩定流求參比較

將開采井穩定流抽水試驗中S2與S32個降深所得參數進行算術平均，即(K2+K3)/2，可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數，與非穩定流72.8m3/h開采量下的參數進行比較(表9)。

表9 開采井穩定流配線法與非穩定流求參比較

在同等開采量下，穩定流配線法所得參數為非穩定流的25%。

將穩定流抽水試驗中S1與S22個降深所得參數進行算術平均，即(K1+K2)/2，可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數，與非穩定流84.25m3/h開采量下的參數進行比較(表10)。

表10 回灌井穩定流配線法與非穩定流求參比較

在同等開采量下，穩定流所得參數為非穩定流的89%。

7 結論

裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下，穩定流抽水試驗公式法所得滲透系數為0.68905m/d，非穩定流泰斯配線法所得滲透系數為5.02m/d，穩定流公式法所得滲透系數僅為泰斯配線法所得滲透系數的14%；采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下，穩定流抽水試驗公式法所得滲透系數為1.9855m/d，非穩定流泰斯配線法所得滲透系數為6.39m/d，穩定流公式法所得滲透系數僅為泰斯配線法所得滲透系數的31%。

裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下，穩定流抽水試驗配線法所得滲透系數為1.2535m/d，為非穩定流泰斯配線法所得滲透系數的25%，采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下，穩定流抽水試驗配線法所得滲透系數為5.7035m/d，非穩定流泰斯配線法所得滲透系數的89%。

從穩定流的3個降深所得參數來分析，無論由什么方法、無論什么成井工藝，地熱井滲透系數隨著開采量的增加而減小。

隨著成井工藝的優化，穩定流抽水試驗所得滲透系數，朝著變大的方向接近非穩定流所得參數，隨著成井工藝及質量的變差，穩定流抽水試驗所得滲透系數，朝著變小的方向遠離非穩定流所得參數。隨著成井工藝的優化，非穩定流抽水試驗所得滲透系數變大，同樣穩定流抽水試驗所得滲透系數也變大，說明井水的流動性增強。

穩定流抽水試驗中，配線法所得參數，基本上為公式法所得參數的2倍。配線法所得參數更接近非穩定流抽水試驗所求的參數。