咸阳地区地热采灌井最佳井距分析

党书生，马致远，郑　磊

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)



咸阳地区地热采灌井最佳井距分析

党书生，马致远，郑磊

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

[摘要]采灌井合理井间距的确定是对井采灌，资源可持续利用的关键性问题[1]。采灌井间距过大，不利于发生水力联系，间距过小容易产生“热突破”[2]。对采灌井合理井间距的确定提供依据，以咸阳采灌区为例，在建立地下水流场和温度场耦合数学模型的基础上，借助Feflow软件以咸阳地区WH2为回灌井中心，开采井呈东西南北向排布的方式模拟。模拟分析表明：在采灌过程中地下水水位稳定时间随抽、灌水量的增加相应减少。水流连通的时间缩短，主要是由于抽、灌水共同作用下，地下水发生强迫对流作用加强，使天然流场的作用被忽略。在强迫对流作用的影响下，经过一定的时间形成新的渗流稳定场，当新的渗流稳定场形成之后，水流连通也将出现。以回灌使含水层下降2 ℃视为出现“热突破”现象，运行3 650天时，在防止抽灌井发生“热突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的间距的下限为400 m左右。结合水力联系影响下的合理井距上限500 m，得出的研究区采灌井间合理的井间距范围为400～500 m。

[关键词]温度场；热突破；采灌井；井间距

作为“中国地热城”，咸阳开发利用地热资源的历史可追溯到上世纪90年代。当时只是局部开采1 600～4 000 m深度新近系蓝田灞河组地下热水[3][4]。然而，20多年来，咸阳及其周边地区的地下热水开采量迅速增长，热储层水位漏斗不断扩大，地下热水资源呈明显衰减趋势。在此情况下，实施地下热水的人工回灌是实现地热资源可持续开发利用的关键性措施。

地热采灌井之间的地下水流场和温度场具有比较复杂的特征。王贵玲等以西安地区为例，建立了地热弃水回灌的三维数值模型，分析了回灌层位、回灌水量及回灌方案对热储层渗流场及温度场的影响[5]。王慧玲等通过建立三维耦合水热模型，考虑地下水地源热泵系统井群平行抽灌(即抽水井与回灌井平行布置) 以及交叉抽灌(即抽水井与回灌井交错布置) 2种调度运行模式，对系统运行后的含水层地下水流场及温度场进行了模拟分析，发现井群对两者都有很大影响[6]。在地下热水回灌过程中，合理布置采灌井间距是关键步骤，既要保持水力联系提高回灌效率，又不能产生“热突破”。本文以咸阳地热回灌试验为例，借助FEFLOW软件进行地下水流场和温度场的耦合模拟，探讨采灌井间距的最优化方法[7]。

1 研究区概况

研究区位于陕西省咸阳城区北部，地理坐标为东经108°41′～108°45′，北纬34°21′～34°24′，总面积26.5 km2，是进行回灌试验研究的主要工作区，也称回灌区。本文主要分析回灌二号井(WH2)附近的情况。该井位于陕西财经学院以东，南距文林路240 m，井口坐标为东经108°41′53.7″、北纬34°21′31.1″，地面高程420 m。

研究区与热储开采有关的地层从上到下依次为第四系秦川群(QP2～3q)、第四系下更新统三门组(QP1s)、新近系上新统张家坡组(N2z)、新近系上新统蓝田-灞河组(N2b+l)和新近系中新统高陵群(N1gl)。其中，第四系秦川群(QP2～3q)为热储盖层，蓝田-灞河组(N2b+l)热储层中巨厚泥岩、砂质泥岩等粘土岩的热传导能力弱，是良好的隔水层和隔热保温层。

2模拟区概念模型

2.1边界条件概化

本文研究选定的模拟范围为4 000 m×4 000 m的方形区域，其中布置5口井，1口回灌井(WH2)，4口采井呈东南西北向排布(如图1)。开采深度介于1 600 m与3 000 m之间。本文模型假设开采层位与回灌层位一致，且含水层均质、水平延展。天然状态下，地下水自西北流向东南，为简化分析，本次取矩形模拟范围的北边界和南边界为定水头边界，水位高程分别是410 m和390 m。

图1　采灌区各采灌井的平面图

2.2水文地质条件概化

在垂直方向上有4段地层具有不同的水文地质意义：1 830 m深度以上的地层可视为相对隔水层，主要属于三门组和张家坡组；1 830～2 243 m为承压含水层，属于蓝田灞河组及高陵群地层；2 243～3 000 m为相对隔水层，主要为下古近系始新-渐新统地层；3 000 m以下为隔水层。开采段1 830～2 243 m之间岩性大部分为粗砂、中粗砂，渗透性强。因此，取模型上边界深度为1 830 m、下边界深度为2 243 m，含水层组概化为均质、各向异性(水平方向各向同性)承压含水层。

2.3源汇项

采灌模拟的源项为回灌井WH2，汇项为抽水井WR1，WR2， WR7 和WR9。WH2井为咸阳二号回灌井，井深2 700 m，地面高程422 m，热储温度95.4 ℃，回灌时间为10年，即3650 d。从平均意义上进行简化，模型取热储初始温度为100 ℃，地层常温带温度取15 ℃。

表1　模型参数表

注：表1中，有效孔隙度来源于压水实验，总孔隙度等其它参数来源与采灌井的勘察报告。

3数学模型

本次研究使用FEFLOW软件。首先采用FEFLOW对研究区的抽灌井影响下的地下水流场进行模拟计算[8]，在此基础上模拟温度场。对于非均质、各向异性承压含水层，FEFLOW基于有限元法模拟三维非稳定流及其热运移[9]，控制方程如下：

(1)

(2)

式中：Vxx、Vyy、Vzz为平均实际渗流速度的空间坐标分量，m/s，利用Darcy定律和有效孔隙度算出； H为水头，m； Cs、Cf为多孔介质、流体的比热容，J/m3﹒℃；λ为热弥散系数，J/(m/d﹒℃)；T为温度，℃；t为时间，s； W为含水层厚度，m；μs为贮水率, m-1。

4模拟结果及分析

假设抽灌水运行一个周期为一年，可分两期：一期供暖为4个月(11月15日至3月15日)，其余为间歇期(3月16日至11月14日)。如果按采灌井30 a的寿命计算, 实际抽灌井运行时间为10 a。

4.1水流连通的模拟分析

不同井距条件下，模拟灌水井水头随时间的变化曲线。灌水井水头在系统运行初期上升后，在1天左右后会下降。在井距大于500 m时，随着时间的延长，水头变化幅度明显下降，这种变化幅度的下降受抽水井的影响所致，即在500 m范围以内采灌井之间发生了较为明显的水力联系，可认为500 m为合理井间距的上限。

如果模拟不同抽水量作用下地下水位的变幅，随着抽水量的变化，地下水位的稳定时间有所变化，且随着抽、灌水量的增加，地下水位受抽、灌井的影响显著变化，而稳定时间也相应减少，说明出现水流连通的时间缩短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水发生强迫对流作用加强，使天然流场的作用被忽略。在强迫对流作用的影响下，经过一定的时间形成新的渗流稳定场，当新的渗流稳定场形成之后，水流连通也将出现。

图2为抽、灌水井距为400 m时，WR1抽水井的地下水位变化图，由图2知，在抽水量为3 000 m3/d时，地下水形成新的稳定流场的时间大约为抽、灌水运行到430 h左右，而当抽水量为5 000 m3/d时，地下热水渗流场的稳定时间降低到190 h左右，除此外，其他3口抽水井也表现出类似的特点，说明随着抽水量的增加，水流连通产生的时间降低，在己知回灌量条件下，可模拟不同布井间距时地下水的水位变幅、稳定时间及温度场变化情况，从而确定出抽水井、灌水井的布井间距。

图2　不同水量作用下抽水井水头随时间变化曲线图

4.2水流场和温度场的耦合模拟分析

表2为不同抽灌量作用下，抽灌井之间平均水力坡度和渗透速度计算结果。由表2可知，抽灌井的抽灌量越大，抽灌井之间的水力坡度和渗透流速越大。研究表明，采能系统运行过程中，抽灌井附近的热传递方式以对流传热为主，而对流传热强弱主要取决于地下水流速的大小。因此，抽灌量越大，抽、灌区地下水流速越快，单位时间内对流传热量越大，抽水井温度变化就越快。

表2　不同水量作用下抽灌井间平均流速计算表

为了更好地刻画温度在含水层中的影响范围，假设回灌使含水层下降2 ℃的区域即为回灌所影响的区域，即出现“热突破”现象。从图3中可见井距分别为200 m、300 m、350 m、400 m、500 m、600 m等6种不同井距条件下抽水井温度的变化，抽、灌井之间的距离越大，抽水井发生“热突破”所需时间越长，抽水温度变化幅度越小。假设抽、灌井设计运行年限最低为10 a(3 650 d)。从图3中可以看出，在运行3 650 d时，在防止抽灌井发生热突破的前提下，抽水井距灌水井合理的间距的下限为400 m左右。结合水力联系影响下的合理井距上限500 m的分析结果，得出的采灌区条件下采灌井间合理的井间距范围为400～500 m。

图3　不同井距条件下抽水井温度变化关系曲线图

5结语

本文应用FEFLOW软件对研究区的地下水流场和温度场进行模拟分析表明：

在采灌过程中地下水水位稳定时间随抽、灌水量的增加相应减少。水流连通的时间缩短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水发生强迫对流作用加强，使天然流场的作用被忽略。在强迫对流作用的影响下，经过一定的时间形成新的渗流稳定场，当新的渗流稳定场形成之后，水流连通也将出现。以假设回灌使含水层下降2 ℃视为出现“热突破”现象，运行3 650 d时，在防止抽灌井发生“热突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的间距的下限为400 m左右。结合水力联系影响下的合理井距上限500 m的分析结果，得出研究区条件下采灌井间合理的井间距范围为400～500 m。此结论为今后该地区进行采灌和对研宄区地下水位地下水资源的有效管理提供一定的借鉴意义。

参考文献

[1]张远东，魏加华，汪集旸. 井对间距与含水层采能区温度场的演化关系[J〗.太阳能学报.2006, 27( 11) :1163- 1167.

[2]Nairen·Diao, Qinyun·Li, Zhaohong·Fang,. Heat transfer in ground heat exchangers with groundwater advection[J〗; International Journal of Thermal Sciences , 2004 , 43(12):1223-1211

[3]王润三,薛华峰,王凤林,等.西安─咸阳地热田异常地层压力初步研究[J〗.西北大学学报(自然科学版).1999,(4):1-5.

[4]王润三,薛华峰,王凤林,等.西安─咸阳地热田异常地层压力初步研究[J〗.西北大学学报(自然科学版).1999,(4):334-337.

[5]王贵玲,张发旺,刘志明.国内外地热能开发利用现状及前景分析[J].地球学报.2000,21(2):134-139.

[6]王慧玲,王峰,孙保卫,等.地源热泵系统抽灌模式对地下水流场和温度场的影响[J].水文地质工程地质.2009,36(5):133-137.

[7]孙继成,张旭昇,胡雅杰,等.基于GIS技术和FEFLOW的秦王川盆地南部地下水数值模拟[J].兰州大学学报(自然科学版).2010,46(5):31-38.

[8] 孙纳正.地下水流的数学模型和数值方法[M〗.北京：地质出版社.1981.

[9]周训，陈明佑，李慈君.深层地下热水运移的三维数值模拟.北京:地质出版社.2001.

An Optimization of the Distance between Geothermal Fluid

DANG Shu-sheng，MA Zhi-yuan，ZHENGLei

(Environmental Science and engineering School, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi)

Abstract:The confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells is the key problem for the realization of water extracting and injecting and the sustainable utilization of resources. The too huge distance among wells goes against the occurrence of hydraulic connection, while the too small distance easily causes “thermal breakthrough”. Aiming to provide supports for the confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells, the simulation was conducted by taking irrigation area of Xianyang as the example and the inverted well of WH2 in Xianyang as the center with the aid of Feflow software based on the establishment of groundwater flow field and temperature field coupling mathematical model, and the exploited well showed as EWSN configuration. The model analysis showed that: the stabilization time of groundwater level during the extracting and injecting process reduced accordingly along with the increasing pumping and injecting amount. The water connection time shortened mainly due to the increasing forced convection happened in the underground water under the combined action of pumping and irrigating, thus the function of natural flow field was neglected. Under the influence of forced convection, a new steady seepage field was formed followed by the appearance of hydraulic connection. Taking the declined 2℃ of aquifer caused by the recharge as the “thermal breakthrough” phenomenon, and operating for 3650 days, the optimum distance between pumping well and injecting well was about 400m under the premise of avoiding the happening of “thermal breakthrough” in pumping and injecting wells. Combined with the upper limit 500m of optimum distance under the influence of hydraulic connection, the optimum distance scope among fluid extracting and injecting wells was 400-500m in the research area.ld, it provides basis for the determination of reasonable well spacing by using Feflow.

Key words:Temperature Field；Thermal breakthrough；extracting and injecting Wells；Optimum distance

[收稿日期]2015-08-07

[作者简介]党书生(1989-)，男，陕西商南人，在读硕士研究生，主攻方向：水文学及水资源研究。

[中图分类号]P314.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0056-03