雄安新區高陽低凸起區館陶組地熱回灌數值模擬

王先超

山東泰山資源勘查有限公司 山東 濟南 250104

地熱資源作為一種可再生能源，與化石能源相比，具有強大的社會經濟與環境優勢，與風能和太陽能等相比，其可利用系數高、連續穩定、開發利用方便，是最具競爭力的資源之一[1-3]；地熱資源還具有儲量大、分布廣和開發利用安全、高效的特點[4]。合理可持續開發地熱資源有助于我國雙碳目標的實現。雄安新區建設綠色智慧生態城市歸功于豐富的地熱資源以及良好的開采條件[5]。雄安新區尤其是牛駝鎮凸起具有多年的地熱開發歷史[6-8]，雄縣地熱的利用已成規模化，是我國第一個用地熱替代燃煤供暖的“無煙城”[9]，形成了政企合作、統一管理、集中回灌的“雄縣模式”[7]。

雄安新區范圍內高陽凸起區目前地熱資源開發利用的主要是館陶組砂巖熱儲水熱型地熱資源[10]，回灌對于水熱型地熱資源的可持續開發有著非常重要的作用。首先它可以保持維持熱儲壓力不下降，其次可以防止熱水對地表及淺層地下水體產生污染[11]。但是，地熱回灌技術復雜難操作，需要考慮多方面的因素影響。地熱田的壽命也與回灌過程息息相關。為此，需要采用數值模擬技術，模擬熱儲的溫度與壓力在不同采灌情景下的響應。利用數值模擬研究地下熱儲中熱水系統的運動規律，已成為地熱流體開發和評價的重要技術方法[12-16]。雄安地區地熱資源的規模開發需要制定科學合理的采灌方案，是保障地熱資源可持續利用的有效途徑。本文建立雄安新區高陽低凸起區館陶組熱儲水-熱數值模型，根據現狀開釆現狀，設計兩個對井方案，一個群井方案，分析不同采灌方案對熱儲層溫度場和壓力場的影響程度，為雄安地區地熱資源合理開發、可持續開發提供依據。

1 地熱地質特征

1.1 地熱地質概況

雄安新區安新縣中南部地區地質構造上為高陽臺凸的一部分，也屬于高陽地熱田。安新縣有華北最大的淡水湖泊白洋淀，地表水、地下水資源均豐富[10]（劉偉坡等，2013），為開發地熱提供了良好的條件。安新主體位于高陽低凸起和-保定凹陷，北部一部分位于牛駝鎮凸起、容城凸起和徐水凹陷[8,17]（圖1）。

1.2 地熱儲層

本區熱儲類型分為兩種類型：孔隙型熱儲（第三系熱儲）和深循環構造裂隙型熱儲（基巖熱儲），前者是以熱傳導為主的，在大地熱流控制作用下形成的，后者是在熱傳導與熱對流共同作用下形成的。目前4000m以淺新近系明化鎮組、館陶組孔隙熱儲與基巖熱儲為可開采熱儲層[18]。

1.3 成藏模式

該地區沉積盆地傳導型地熱資源成藏模式如圖2所示，淺部地層的熱來源于上地幔生熱與基巖的放射性衰變，主要是通過傳導的方式，上部的沉積蓋層可以起到保溫的作用，平原區的熱對流導水導熱通道傳輸，起到額外補充熱量的作用，熱儲層形成于高孔隙度和高滲透性含水層處[5]。

2 雄安新區高陽低凸區熱儲數值模型描述

對于大區域熱儲層數值模擬，為提高計算速度，對研究區內熱儲層及地熱流體做如下概化：（1）非穩定流、不可壓、三維流動；（2）均質各向同性；（3）流體自然對流滿足達西定律；（4）水與飽和多孔介質層處于熱力學平衡狀態[19-20]。

2.1 3D模型建立

整個高陽地熱田評價面積為727.15 km2，建模時，邊界條件根據該區構造特征和水文地質條件進行確定，補給、排泄邊界均作已知流量邊界處理，流量隨時間變化，變化情況參考現有動態資料。通過不斷調整邊界流量，直到區域水位規律基本符號實際情況，也就確定了相應的邊界流量。隔水邊界為模型的頂部和底部水流邊界，定熱流量邊界為模型頂部熱量邊界。水平方向上，研究區模型范圍以高陽低凸起區為邊界；西部為保定斷裂；北部為牛南斷裂；東部和南部為雄安新區邊界。根據多年氣象及有關地熱地質資料確定初始條件，確定恒溫帶深度為25m，恒溫帶溫度為14.5℃，安新縣霧迷山組地溫梯度為3.7℃/100m。根據研究區地溫梯度及恒溫層的溫度以及水位統測結果，計算得到初始溫度和壓力并且一并賦值給模型相應的各個單元格。模型初始壓力場見圖3。

2.2 模型結果驗證

2.2.1 溫度擬合

本研究采用試估-校正法對模型參數進行識別和驗證。研究區溫度垂直分布基本上是隨深度增加而增加,館陶組溫度分布50℃～70℃左右（圖4），對比圖5研究區主要地熱井水溫分布圖，模型分析結果與地熱井目前開采溫度基本一致。

2.2.2 水位擬合

研究區內有一口監測井，位于研究區中北部的D32井，D32井在2019年1月15日至1月21日期間進行過一次抽水試驗，歷時158 h。結果顯示，計算值與觀測值很接近，模擬期、驗證期內模擬數位與觀測水位曲線基本擬合（圖6）。所建數值模型能夠代表真實的地熱系統，可以對未來熱儲層壓力變化進行預報。

3 地下熱水回灌模擬研究

3.1 回灌方案

采灌模式根據回灌井分布方式主要分為兩種，一種為分散采灌，第二種為外圍集中采灌，本文分別對兩種模式進行模擬，分析對比評估兩種模式的效果以及熱儲的響應。

3.1.1 對井方案

對井采灌是當前水熱型開采最常用的布局模式。根據文獻對井采灌最優布局的研究[17]，采灌井距有一個邊界距離，當采灌井距大于400m的時候，溫度變化對井距變化不敏感，當大于這個距離的時候，注入的冷水在給定的時間內，對開采井溫度影響不大。因此將對井井間距設置為400m，回灌井位于開采井下游(圖7)。

3.1.2 群井方案

對丼方案由于布置的井數最偏少，導致可開采熱量受到限制，現提出圖10所示的群井布置方案。根據雄安新區地下水穩定同位素分析，地下水的運動方向是由西部和北部向東南運移，為了減少集中回灌給開采井帶來的熱突破風險，擬計劃在安置區東北方向集中布置回灌井，在西南方向集中布置開采井（圖8）。開釆井維持現狀開采，將各井的回灌流量與開采井相同，回灌水的溫度為45°C，回灌井采暖期回灌。

3.2 回灌模擬結果分析

3.2.1 對井方案Ⅰ

研究區開采模式采用“一采一灌”進行，利用尾水進行回灌，保持現有地熱井開采格局和強度，開采井全年開采，在非采暖期用于生活熱水的采量很少，僅為采暖期總采量的5-10% ；回灌井在每年11月中旬至第二年3月中旬的供暖期進行回灌，在其余時間即停暖期回灌井停灌。

在模型邊界條件和參數等配置好的基礎上，根據方案Ⅰ建立預測模型，運行得到研究區100年后預測的壓力場和溫度場如圖9，10所示，熱儲壓力漏斗中心在大規模集中開采的影響下不斷擴大，同時，由于在西部和北部開采規模較大，漏斗中心向西北發展。而在研究區范圍內及其附近地區，由于回灌井對熱儲層壓力的支撐作用，水位相對增加，下降速率也相對緩慢。

地熱井水位及溫度隨時間變化曲線如圖11、12所示。在方案Ⅰ采灌條件下，根據預測模型得到水流場與驗證模型中現狀開采水流場差別不大，井底壓力下降0.18MPa, 相當于水位下降18m，全區水位年降幅在2-3m左右。根據預測模型得到溫度場與驗證模型中現狀開采溫流場對比可知，在方案Ⅰ采灌條件下開采前60年，溫度場變化不大，60年之后溫度降低明顯。監測井井底溫度下降12℃，全區溫度年降幅在0.15℃左右。

3.2.2 對井方案Ⅱ

方案Ⅱ中，為了進一步分析熱儲層壓力變化趨勢受回灌的影響，開釆井維持現狀開采，調整回灌量大小，回灌量與開采量比例相同，回灌水的溫度為45°C，回灌井采暖期回灌。

根據方案Ⅱ建立預測模型，運行得到研究區地熱井水位變化曲線和溫度變化曲線如圖11、12所示。依據預測模型得到的水流場與現狀開采水流場比較可知，在方案Ⅱ采灌條件下壓力下降趨勢有了進一步的改善，井底壓力下降0.14MPa，相當于水位下降13.66m，全區水位年降幅在1.5m左右。依據預測模型得到溫度場與現狀開采溫流場對比可知，由于回灌溫度較開采方案Ⅰ低，溫度下降明顯，井底溫度下降14℃，全區水位年降幅在0.15℃左右。

3.2.3 群井方案

根據方案Ⅲ建立預測模型，運行得到研究區100年后地熱井水位變化曲線和溫度變化曲線如圖11、12所示。在集中采灌模式下，熱儲壓力在城區大部基本不變。在水流場作用下，回灌區注入的回灌水向城區集中開采區運動，有效地維持了熱儲壓力。從回灌區到開采區，壓力由上升逐漸過度到下降，在其中間地區形成了壓力穩定帶。壓力下降的區域位于開采區；而東北部熱儲壓力受到回灌的影響有所上升。從圖11可以看到，與對井布并方案相比，開采溫度下降相對緩慢，但是，由于采灌井間距太遠，集中回灌對穩定和恢復熱儲壓力的效果明顯減弱了。

4 討論：對井方案與群井方案局限性分析

方案預測結果對比表1為三種方案熱儲層預測壓力和預測溫度，明顯地看出對井方案Ⅰ與群井方案的灌采比相當，50%左右，對井方案Ⅱ的回灌率將近94%，三種方案的水位變化曲線和溫度變化曲線基本相同，熱流體壓力略有下降，但降幅不大。除了群井方案的流體壓力降大于前兩個開采方案，對井方案Ⅰ和對井方案Ⅱ壓力下降幅度基本相同；群井方案與現狀開采壓力下降幅度一致（圖11），這跟與集中回灌區與開采井的距離有直接的關系。

表1 三種方案熱儲層預測壓力和預測溫度

溫度場的動態變化：由于該層三個開采方案設計回灌量都較大，動態預測期末三個開采方案溫度都有變化，下降幅度基本以群井方案→對井方案Ⅰ→對井方案Ⅱ遞增。相對于群井方案，對井方案可以有效減少熱儲壓力的降低，但是熱儲溫度降低較大，很容易過早出現熱突破現象，群井方案有利于保持熱儲溫度，但是對于維持熱儲壓力效果不明顯。

5 結論與建議

（1）建立了高陽地熱田雄安新區范圍內熱儲地熱地質模型，該區地熱資源是中低溫地熱資源，大氣降水深循環傳熱形成，聚熱機理以傳導為主，局部有熱對流發生，由蓋層、熱儲層、熱水通道和熱源構成，形成了一個完整的地熱系統。

（2）建立的水-熱數值模擬模型，對于預測地熱田對開采量的反應的比較準確的。根據現狀開釆現狀，設計兩個對井方案，一個群井方案。預測結果顯示，三種開采方案的熱流體壓力動態變化基本相同，略有下降，但降幅不大。動態預測期末三個開采方案溫度由于較大的回灌量都有變化，下降幅度基本以群井方案→對井方案Ⅰ→對井方案Ⅱ遞增。相對于群井方案，對井方案可以有效減少熱儲壓力的降低，但是熱儲溫度降低較大，很容易過早出現熱突破現象，群井方案有利于保持熱儲溫度，但是對于維持熱儲壓力效果不明顯。

（3）高陽地熱田雄安新區范圍內地熱資源開釆以水熱型地熱開發為主。在采灌均衡的條件下，結合區域規劃建設部署合理布設釆灌模式，在分散式釆灌的開采布局下，應重點考慮相鄰井的熱突破問題；在集中釆灌布局下，應重點考慮集中開采區水位下降問題。

（4）建議加強地熱開發利用過程中對水量、水質、水溫的長期動態監測，形成年度評價機制和預測預警機制，每年對區域地熱資源條件以及可供暖面積進行評價，結合能源站布設和需求情況，形成長期動態調整機制，保障熱儲平衡。