雄县地热田示踪试验的解释及分析

庞菊梅 ,王树芳 ,孙彩霞 ,高小荣 ,刘久荣

(1.首都师范大学,北京 100048;2.北京市水文地质工程地质大队,北京 100195; 3.陕西绿源地热能源开发有限公司,咸阳 712000.;4.中国石化集团新星石油公司,北京 100083)

0 概述

地热能是一种清洁的绿色能源.回灌是保证地热系统可持续开发利用的有效措施,示踪试验常与回灌试验一起进行,用来研究回灌井与生产井之间的水力联系、可能的导水通道,以及定量化研究地下水系统中的流体流速问题.雄县地区地热资源的开发利用已有三十多年的历史,本次在回灌试验的同时实施了示踪试验.本文对示踪试验进行分析,对示踪剂回收的浓度及峰值的出现时间进行了模拟分析,并且运用水平裂隙介质模型对长期回灌可能引起的热储冷却进行了预测,为回灌井和生产井的合理井间距的选择,提供一定的依据.

1 研究区地热地质条件概况

河北省雄县地热田位于牛驼镇地热田的西南部,在华北平原的北部,全区524km2皆赋存地热资源.雄县区域地热开发主要是新近系砂岩孔隙热储和基岩岩溶裂隙热储.

1.1 地质条件概况

雄县及其周边地区的地层包括新生界第四系、新近系和古近系,古生界奥陶系和寒武系,中上元古界青白口系和蓟县系以及古生界.其中新生界随牛驼镇凸起和凹陷的分布呈批盖式沉积,第四系松散层和新近系砂岩、砾岩和泥岩近乎水平,古近系砂岩、砾岩和泥岩倾角平缓.下伏地层为白垩系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、青白口系、蓟县系和长城系,以及太古界变质岩[1].

图1 雄县地区基岩地质图

对雄县范围具有重要影响的断裂构造主要有牛东断裂、大兴断裂、容城断裂、牛南断裂和雄县西断裂(图1).其中,前四者形成于燕山运动晚期,在喜马拉雅运动早期活动加剧,是长期活动性断裂,根据区域地质资料,推断NE向断裂由压性转变为张性,NE向断层为张性.其它断裂一般规模较小,对第三系的沉积不起控制作用[1].

1.2 地热地质条件概况

雄县地热田被认为是一个有共同热源的地质综合体[2],关于地热盖层、导水通道和热储信息的简单概念模型描述如下:

(1)热储盖层

雄县范围内第四纪地层构成了地热系统的良好的盖层.热储盖层的平均厚度变化在380～470m,岩性主要以粘性土为主,夹有部分砂层,水交替条件比较差.粘土具有较高的孔隙度,但是渗透率非常小(10-1mDarcy).粘土的热导率为1.7～2.3W/mK,小于雄县热储的平均热导率[2].因此,热导性和渗透性的状况不利于在第四系和更深的地层之间传导热能或形成热对流,从而第四系为深部的砂岩和白云岩热储形成了良好的热储盖层.

(2)热储

雄县地热田范围内普遍存在第三系热储.其中,在牛驼镇凸起部分仅存在蓟县系热储,其埋藏深度在950m～1050m之间,是雄县地热系统开发利用的主要热储层.而在牛驼镇凸起以东,虽然第三系下伏地层为奥陶系和寒武系灰岩,但因埋藏深度大于5000m,目前不具备开采条件[1].

(3)导水通道

雄县地热系统基岩中的断裂和次生断裂构成了地热水的主要导水通道.

2 示踪试验及示踪剂回收的假设模拟

示踪试验是回灌工程研究中很重要的方面之一,通常与回灌试验同时进行,来研究回灌井和生产井之间的水力联系、导水通道,定量化研究地下水系统中的流体流速问题,并且预测回灌引起的开采井冷却的可能性.如果在示踪试验中,示踪剂快速的、大量的被检测出来,则意味着快速的、强烈的热突破发生的可能性较大[3].

2.1 示踪试验概述

雄县地热田此次示踪试验开始于2010年1月26日,是在回灌试验进行了一段时间之后,热储系统达到一个相对稳定的状态下进行的.本次试验中选取的地热井位于雄县县城北部地区,开采利用的热储均为蓟县系雾迷山组岩溶裂隙热储.示踪试验期间,选取回灌井0902周围的另外5口生产井0901、0801、0704、0703和0307作为观测井进行取样分析,其具体位置如图2所示.5个观测井距离回灌井的距离从350m到2km.

图2 示踪试验井位分布图

本次示踪试验选择氟苯甲酸作为示踪剂,总共22kg的氟苯甲酸被一次性注入到回灌井中.示踪剂的检测方法是气相色谱质谱技术(GCMS),检测的下限浓度为40ng/L.注入示踪剂之后,从观测井中采集水样,检测示踪剂随时间的回收浓度.

回灌试验于2010年3月18日结束,在此期间,没有从生产井和观测井群中检测到示踪剂.截止到2010年7月30日停止取样时,在整个示踪试验的取样检测分析期间,均没有从生产井和观测井群中检测到示踪剂.

这可能是因为回灌水体没有流经一些开放型的、直接联系回灌井和生产井的流动通道,而是扩散、分散到了岩石基质中或者是流到了没有直接连通回灌井和生产井的裂隙中.

2.2 示踪剂回收的模拟和解释

本文基于地热系统中连通生产井和回灌井之间特定流动通道的若干假设,对示踪剂回收的浓度及出现峰值的时间进行了模拟,对通道的流体流速和横截面积进行了估计.

(1)示踪剂运移的理论基础

示踪剂解释模型的基本理论是溶质在孔隙型/渗透型介质中的运移理论,包括溶质的对流运移、分子扩散和机械弥散运移理论.各种不同的溶质运移模型被用来对示踪试验进行分析解释,图3所示的简单的一维流动通道的示踪剂运移模型在解释地热田示踪试验时十分有效.该模型假设回灌井和生产井之间流动通道内的水流近似为一维流动(图3).流动通道可能是近乎垂直的断裂带的一部分,或者是水平夹层的一部分.假设这些流动通道受断裂边界的控制,并且流场为线性流.此外,流动通道可能是连通回灌井和生产井之间的体积较大的通道,或者是连通回灌井和生产井的多个通道,例如地热井之间不同给水区的连通通道[4].

图3 连通回灌井和生产井的断裂带的简单模型

此一维流模型中,假设回灌井的回灌量为定流量q,生产井的出水量为定流量Q.断裂带的宽度或者夹层的厚度用b表示,h表示断裂带内流动通道的高度或者夹层内的流动通道的宽度.则流道的横截面积可表示为A=h.b.根据示踪试验解释所得A、φ的值,可以估计得到h和b的值,但是应该对该地区流道的平均孔隙度以及h和b的比率进行假定.结合流体方程和溶质运移的质量守恒方程,如果在模型中忽略分子扩散作用,假设在t=0 时刻,瞬时投入质量为M(kg)的示踪剂,则示踪剂浓度的求解值为[4]:

D是弥散系数(m2/s); C是流动通道中示踪剂的浓度值(kg/m3);x是流动通道的长度(m);u是通道中流体的平均流动速度(m/s);A是流动通道的平均断面面积(m2);φ是流动通道的孔隙度;αL是流动通道的纵向弥散系数(m).

(2)示踪剂回收的模拟和解释

本文示踪剂回收的模拟基于两个假设:首先,假设示踪试验期间示踪剂的回收浓度值低于检测下限,即40ng/L.这样,最大可能回收的示踪剂质量大约为7.7X10-3kg,占总的示踪剂投入量的比例为0.035%,该比例非常的小,可以忽略不计.另一个假设是,示踪剂回收的速度都非常慢,只在试验进行的最后一天(即第52天),回收浓度达到检测下限40ng/L.

根据其他大量地热田示踪试验的经验[5],并结合区域地热地质条件,本文取纵向弥散度的值分别为0.05x, 0.1x, 0.15x(x 是流动通道的长度)进行了模拟计算.取流动通道的长度为350m(回灌井和生产井之间的直线距离).流体的密度值为983kg/m3.计算结果如表1和图4所示.

表1 基于不同的纵向弥散度由示踪剂回收模拟模型得出的参数值

从图4可以看出,不同的纵向弥散度得出不同的示踪剂回收浓度的峰值.当流动通道的纵向弥散度是回灌井和生产井之间距离的0.05倍时,示踪剂回收浓度的峰值出现的最早.纵向弥散度值越大,峰值出现的时间越晚.由表1,在不同的纵向弥散度的情况下,流体的平均流速值不大,回灌水沿裂隙和溶隙的运动速度缓慢.

图4 示踪剂回收浓度值在2000天内的模拟计算结果,基于纵向弥散度分别为17.5m,35m,52.5m的情况,图中显示了从长期来看,示踪剂浓度的变化情况

值得注意的是,以上模拟计算的结果对应的是最为悲观的情景,可以想象实际浓度值的增加会比上面的分析结果要慢的多.因此,回灌井和其周围生产井的直接联系通道甚至比表1所示的结果还要弱.这些信息尽管是基于假设得出的,但可以为今后回灌工程的设计提供研究基础,为进一步的示踪试验的实施提供参考.

3 基于水平裂隙型介质模型的热储冷却分析

地热回灌最受关注的问题是热储的冷却,特别是长期回灌对热储温度的影响.在示踪试验的解释和假设模拟中,估计求算了裂隙的横截面积和孔隙度的乘积,但是由于缺乏裂隙通道数目以及来自每条裂隙的示踪剂回收数量比例的有效信息,很难非常准确的基于示踪试验对热储冷却的可能性进行模拟预测.

本文为了进一步研究回灌井周围地下水温度场的变化,运用水平裂隙型介质热运移模型对由于长期回灌可能引起热突破的发生时间进行分析预测,获得了一些半定量化的结果,为回灌工程设计中回灌流量以及回灌井和生产井的合适井间距的选择提供一定的依据.

(1)水平裂隙型介质(N个水平断裂带)模型简介

该模型描述了从一个井内注入流体,流体沿着若干大规模的断裂带流动,每一个断裂带有一个小的统一均匀的厚度值的情况.其中注入井位于中心位置.为方便考虑,假设断裂均为水平状的,并且向各个方向无限延伸.岩石是不透水的,初始温度为常数Tr.假设从时间t= 0 开始向井内注入流体,灌入的流体的温度为常数T0.假设作为流动通道的断裂的数目为N,每个断裂的平均流量为Q kg/s,则所求问题即为推导出热储岩石的温度场的变化情况[6].

如图5所示,r表示距离回灌井的辐射距离,y表示距离断裂处(y=0)的垂直距离.另外,αT表示岩石的热扩散系数,辐射方向的热传导系数忽略不计.针对本模型,温度场的求解方法在方程(2)中给出[6],其中erf()为误差函数.

图5 用来估计冷锋面在薄的、非渗透性岩石中水平断裂带中热传递速度的示意图

(2)生产井温度变化及冷锋面传播的预测

为了比较回灌流量、断裂带数目对温度场传播的影响,用求解公式(2)计算了不同开采量情况下热储温度的变化情况.分别假设回灌井和生产井之间存在1、3、5条连通通道,对地热井的出水温度的长期变化进行估算,这样的估算和实际情况会有一定的差别,但还是可以提供一些有用的依据.

根据雄县地热田2009-2010年地热回灌试验的实际情况,盛唐小区地热采暖系统的热量来自一个地热对井系统,其中开采井深1250m,回灌井深1500m,两井相距350m.开发的热储为裂隙含水层,年平均开采和回灌量为约15kg/s,即将开采出来的地热水经供暖利用后全部回灌入同一含水系统中.本文选取研究区地热井所处热储系统内岩石的平均孔隙度为6%.通道长度取为示踪试验中回灌井和生产井的井间距350m,热储地层中薄的断裂带流动通道的数目分别考虑1,3,5三种不同的情况.其次,考虑年平均回灌量和生产量增加为43kg/s时,生产井的温度变化情况.结果分别如图6和图7所示.

从图6可以看出,如果热储地层中只有一个裂隙带作为流动通道,在回灌进行大约35年之后,生产井开采的地热水的温度将开始下降,在100年的时间内,热储温度将下降1.25℃.若在回灌井和生产井之间可透水的裂隙带的数目为3或者5,如图6所示,当回灌流量为15kg/s时,在100年的使用年限之内,地热井开采的地热水温度都不会降低.

若年均回灌量和开采量增加到43kg/s时,则在一条断裂带作为两井之间直接通道的情况下,生产井的水温在开采5年之后将迅速下降,在47年之内会下降10℃;如果存在3条断裂带作为过水通道,热储温度将缓慢下降,100年之内会下降1℃;若存在5条断裂带作为流动通道,在100年之内热储温度将保持稳定(如图7所示).

图6 在ST0902井回灌期间,ST0901井温度冷却的预测,基于回灌量为15kg/s

图7 与图6相同,但是回灌量为43kg/s

4 结论

雄县地热田2009-2010年在地热回灌期间开展了示踪试验,试验期间没有检测到示踪剂,表明回灌井与其周围所选的生产井群之间不存在直接的、开放型的流动通道.

在两个基本假设的基础上,对不同的纵向弥散度情况下,示踪剂回收浓度峰值出现的时间以及流体流速进行了模拟,结果同样表明回灌井与生产井之间联系十分微弱,尽管这些信息是在假设的基础上得出的,但是可以为更好的分析示踪试验提供参考.

为了对进一步地热回灌实施过程中回灌流量以及回灌井和生产井之间合理井间距的选择提供一定的依据,运用水平裂隙介质模型对长期回灌可能引起的热储冷却进行了分析预测.基于热传递理论,分析了在辐射流的条件下裂隙岩石地热系统由于回灌所引起的温度干扰的快慢.它们适合于简化的模型,但是表达了所讨论问题的主要方面,可以为今后回灌工程的设计和管理提供有用的资料.

在今后实施回灌工程时,需要进一步开展回灌试验和示踪试验,对回灌的长期效果进行研究,保证地热资源的可持续开发利用.

[1]刘久荣,王树芳.2005.河北省雄县地热资源评价报告[R].北京:北京市地质工程勘察院.11～12pp.

[2]蔡洪涛,马敬业,张德忠等,河北省牛驼镇地热田勘察报告[R],河北省地质局第三水文地质工程地质大队.张家口:河北省地矿局.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.