沉积盆地砂岩热储回灌试验研究——以山东禹城市为例

禹城市为东营组热储地热资源开采利用集中区,因地热资源集中开采及地热尾水的直接外排,造成了水化学污染、热污染及热储层压力下降等一系列地质环境问题。本次在禹城市地热资源开发利用现状调查的基础上,在禹城市栖庭水岸开展地热回灌试验研究,回灌模式为自然同层对井回灌。根据本次回灌试验取得的数据,对回灌量与回灌压力关系、回灌对热储层水质影响、回灌对热储层温度影响规律进行了分析研究并根据拟合回灌量与水位升幅关系曲线计算了最大回灌量。分析结果表明:回灌量随压力的增大而增大,单位回灌量随回灌压力的增大呈减小趋势;回灌井因灌入了矿化度比其自身地热水矿化度高的水源,所以回灌后采集的回灌井地热水矿化度比回灌试验之前高,但因采灌井开采热储层属于同层热储,故回灌对热储层水质影响小;本次试验采灌井间距较大,故回灌对热储层温度无影响;计算确定该回灌井最大回灌量为70 m~3/h。本次回灌试验研究为禹城市地热资源可持续开发利用提供了依据。     

关中盆地沣西地区地热对井采灌开发模式的数值模拟

热储回灌是地热资源可持续利用、避免环境污染的有效措施。在进行地热开发之前科学合理的规划采灌井井位布局,有利于延长地热井的使用年限。关中盆地是新生代拉张性断陷盆地,地热资源开采利用历史悠久。沣西地区位于关中盆地腹地,地下5000m深度范围内有5个含水热储层,自上而下分别为第四系下更新统三门组(600~960m)、新近系上新统张家坡组(960~1920m)、新近系上新统蓝田-灞河组(1920~2900m)、新近系中新统高陵群(2900~3800m)和古近系渐新统白鹿塬组(3800~5000m)。本文依据水文地质、地球物理等资料,建立了研究区三维地质模型,采用有限元模拟软件FEFLOW对目前开采最多的蓝田-灞河组热储层在不同对井采灌开发模式下同层采灌时渗流场及温度场的变化进行了模拟计算。结果表明:1)以30年为系统设计寿命,为确保抽水井和回灌井有水力联系又不发生明显的热突破,抽、灌井井间距以500~600m为宜;2)采灌对井的布置以抽水井位于天然径流流场的上游方向、回灌井位于天然径流流场的下游方向为佳;3)如果设计合理,采灌过程中回灌尾水温度对抽水井出水温度的影响可以得到有效控制;4)恰当实施地热尾水回灌,同时按照实际需求调节抽水井与回灌井的采灌量,可实现地热资源的可持续开采利用。上述结果为合理开发利用研究区地热资源提供了依据。     

采暖尾水回灌对砂岩热储温度的影响——以鲁北地区为例

为保证地热资源可持续开发利用,深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是地热领域的重大关切。本文根据全井段测温结果,对砂岩热储不同采灌工程地温场变化特征进行了分析。研究表明：随着回灌年度的增加,冷水范围越来越大,热量对回灌井有效补给路径变长,回灌井热储段温度曲线波动幅度越小;当采灌井距较小、底部温度相对较低时,回灌冷水会对开采井造成影响,致使开采井热储温度降低;在回灌初期热对流在热量恢复中占主导作用,随着回灌年数的增加,冷水范围越来越大,热对流对温度场恢复的作用逐渐减弱,周边和相邻隔水层热传导在温度恢复中的作用越来越显著,温度恢复越来越慢,因此,在规模化回灌条件下,热突破是必然的。     

采暖尾水回灌对砂岩热储地温场的影响 ——以鲁北地区为例

为保证地热资源可持续开发利用,深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是地热领域的重大关切。本文根据全井段测温结果,对砂岩热储不同采灌工程地温场变化特征进行了分析。研究表明：随着回灌年度的增加,冷水范围越来越大,热量对回灌井有效补给路径变长,回灌井热储段温度曲线波动幅度越小;当采灌井距较小、底部温度相对较低时,回灌冷水会对开采井造成影响,致使开采井热储温度降低;在回灌初期热对流在热量恢复中占主导作用,随着回灌年数的增加,冷水范围越来越大,热对流对温度场恢复的作用逐渐减弱,周边和相邻隔水层热传导在温度恢复中的作用越来越显著,温度恢复越来越慢,因此,在规模化回灌条件下,热突破是必然的。     

鲁北地区砂岩热储地热尾水回灌地温场变化特征分析

本文通过对德州水文家园砂岩热储地热回灌井全井段温度监测,在深度上分为5个区段论述了地温场的变化特征,重点对热储温度恢复的热量来源进行了分析。研究结果表明,在规模化生产性回灌时,低温地热尾水回灌会使得回灌井周边热储温度明显降低,并且恢复速率特别缓慢;通过定性分析和定量计算,认为大地传导热流和顶部地层传导热流在热储温度恢复中的作用极其微弱,而外围同层相对高温地层传导的热量和地热水流动带来的热量是其温度恢复的主要热量来源。基于该研究结果,在规模化回灌条件下,发生热突破是必然的,因此深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是非常有必要的。     

砂岩热储回灌对储层影响评价——以鲁西北坳陷地热区为例

地热流体经供暖利用后尾水温度降低,经过滤、排气处理后的尾水中仍含有不同粒径的悬浮物、气体,因此回灌不可避免的会对储层造成负面影响,如堵塞储层导致回灌量衰减、热储温度降低甚至产生热突破等,这严重阻碍了地热回灌的长期可持续运行。评价回灌对储层的影响,对下一步全面推进、科学回灌及合理可持续开发利用、保护地热资源具有重要意义。本文以近几年鲁西北坳陷区开展的馆陶组热储回灌试验为基础,设立了一套评价指标,即用回灌前、后水质的变化率评价回灌对热储流体的影响,温度的变化率评价回灌对热储温度的影响,单位涌水量变化率、渗透系数的比值和单位回灌量比值评价回灌堵塞程度并确定了分级标准。评价结果表明,回灌不会改变储层流体的化学类型;回灌堵塞主要发生在回灌井周围,相比回灌前,回灌后回灌井的单位涌水量降低14.3%～59.0%、渗透系数为原来的41%～86%,末期单位回灌量为初期回灌量的51%～92%,回灌堵塞程度为轻度到严重。采灌井距180～500m,历经一个供暖季回灌对热储温度的影响较小,但回灌导致回灌井周边热储温度明显降低,历经一个非回灌期224d,从35. 7℃恢复到40. 53℃,恢复速率为0. 036～0. 022℃/d,还需658d才能恢复到原热储温度(55℃)。本区热储水位仍呈下降趋势,但回灌可延缓热储水位的下降速度。     

集中采灌条件下碳酸盐岩热储群井示踪试验

地热回灌是实现地热资源可持续开发的有力措施,在世界各国已获得广泛应用,在地热资源的保护、减少资源浪费、延长地热井寿命以及减少环境污染等方面具有重要意义.天津是我国开展地热回灌比较成熟的地区之一,截至2019年底,天津市基岩裂隙型热储回灌率已达79.61％.大规模集中采灌条件下热储层渗流场的变化以及是否会影响热储温度已成为热储系统研究的前沿课题.本文以天津市东丽湖地区为例,选取1,5-萘磺酸钠作为示踪剂,在2018～2019年供暖期集中采灌期间开展了群井示踪试验,结果显示,供暖期内地热井开采量(或回灌量)、水温没有明显变化,水位除受正常采灌影响外没有明显变化,热储系统基本处于稳定状态;试验中示踪剂回收率极低,开采井和回灌井之间水力联系较差,有限的优势通道中的最大流速为448.42 m/d,优势通道的方向主要集中于北东向,与区内主要控热断裂沧东断裂及其次生断裂的发育方向一致;在现状开发利用模式下,不会造成该热储层温度的显著变化.这些认识对于指导北方古潜山碳酸盐岩热储的科学开发利用具有一定的现实意义.     

雄安新区容城地热田碳酸盐岩热储采灌数值模拟

采灌均衡是水热型地热资源可持续开发利用的有效模式。为了模拟不同采灌情景下热储的温度与压力响应,为地热资源可持续开发提供理论支撑,本文采用数值模拟技术建立了雄安新区容城地热田蓟县系碳酸盐岩热储的数学模型。首先利用COMSOL软件对300 km²区域内已有地热井的开采数据进行了数值模拟,模拟结果与监测数据吻合较好。然后在此基础上,对单井开采模式下蓟县系热储未来50 a内温度场和压力场变化趋势进行了预测;并针对热储水位下降趋势制定了回灌方案,分析了不同井间距对热储温度场和压力场的影响程度。结果表明：无回灌开采模式下,在40 a左右,水位埋深降低至150 m,每年水位下降约1.13 m;采用“一采一灌”方案的对井系统,在井间距分别为600、800和1 000 m 3种情况下,增大井间距虽然减少了布置的对井数量,但是延长了热突破时间,增加了开采量,从而可以开采更多的热量。在实际工程中应通过数值模拟方法优化对井间距,保证开采量的增加同时延长热突破时间,以开采更多的热量。     

雄安新区容城凸起区地热可采资源量动态预测

雄安新区地热资源丰富,其中容城凸起区是雄安新区地热资源赋存条件最好的地区之一。通过分析容城凸起区地质构造背景、地热形成机理,建立了容城凸起区热储的地质模型和数学模型。基于COMSOL Multiphysics软件,对区域内主要热储层的地热资源开采进行了数值模拟,计算结果与监测数据拟合较好。在此基础上,通过在各开采区内合理布置开采和回灌井,评价容城东部地区采灌均衡条件下的地热资源量。本研究模拟了不同采灌量(100 m~3/h、150 m~3/h和200 m~3/h)对可采地热资源量的影响,结果表明:当开采量为100 m~3/h满足评价标准:①10年地下水位下降小于5 m;②单井地下水位不低于150 m;③开采井100年水温下降2℃时,年可开采热量8.53×10~(14)J/a,可供暖面积240.9万m~2。模型中开采井、回灌井分区布置,不仅可以避免热突破,且在对于渗透性良好的储层地热尾水可快速补给至开采区,能有效维持热储压力。本文初步摸清了雄安新区容城东部片区可开采地热资源量,为今后整个雄安新区地热资源合理开发利用提供了重要的依据。     

江苏海安滨海新区砂岩热储回灌试验研究

地热回灌是实现地热资源循环开发利用的重要途径。为提高江苏海安滨海新区地热资源利用率,减缓储层压力下降,减少地热尾水排放引起的环境污染,促进地热资源循环开发利用,在该区开展砂岩热储同层对井回灌试验,分析影响回灌的主要因素,结果该区易于回灌与热储层孔隙度大、渗透率高具有良好的对应,回灌切实可行,为研究区地热资源的可持续开发利用提供依据。     

基于等效渗流通道模型的地热尾水回灌理论模型

深层地热能是一种清洁环保的可再生能源,尾水回灌是深层地热可持续开发利用的重要保证,但目前国内地热尾水回灌还处在起步阶段,地热尾水回灌方案优化设计的理论模型尚不成熟。文章结合示踪试验,提出了基于等效渗流通道模型的热储参数反演与开采井热突破预测的完整理论框架。应用多孔介质溶质运移理论,修正了等效渗流通道中的溶质浓度解析解,并联合移动渐近线法提出了热储参数反演理论模型;推导了等效渗流通道中的对流传热解析模型,可对开采井中的水温变化进行预测。依托山东省德州市平原县魏庄社区地热对井示踪试验,应用该理论框架进行了示踪试验反演及开采井热突破预测,并对影响开采井热突破的主要因素进行了敏感性分析。     

天津地热资源现状与可持续性开发利用问题

天津地区地热资源十分丰富，至2005年底，已有地热井269眼，年开采量2564万m^3。但地热资源利用率最高为62．4％，地热尾水回灌率不到8％，是一种粗放的开发利用模式。笔者从实现地热资源可持续开发利用角度出发，针对天津地区不同热储层的特征，在阐述天津地热资源开发利用现状的基础上，针对所存在的缺乏统一规划、地热利用率低和回灌量少等问题，针对不同的开采类型区制订了相应的保护措施及保护目标，提出了分区管理、总量控制、强度控制、利用方式控制和优化配置的保护原则，为有限、宝贵的地热水可持续开发利用提供技术保证；并提出地热资源必须走回灌开发道路，增加回灌井，提高回灌率是实现地热资源可持续开发利用的重要保障。     

层状热储地热井权益保护半径计算探讨

为保证地热资源的可持续开采,防止地热尾水回灌时发生热突破现象,文章系统整理了地热井权益保护半径的计算方法。通过理论推导,发现开采井权益保护半径的计算方法有3个不足之处: (1)公式中参数f定义为水比热与热储岩石比热的比值,存在缺陷; (2)热储回收率取值0.15,较为片面,不能代表不同岩性热储回收率的取值; (3)计算时间固定为36 500 d,较为片面,不适用于地热井间歇开采期。针对上述问题,该文重新给定了参数f的定义,并将热储回收率和开采时间以变量符号替代,可根据不同热储层和具体开采时间加以确定。通过研究不同回灌井权益保护半径计算方法的适用条件,提出应根据(β^-1-α)与3λ的大小关系选择不同的计算公式。对开采井和回灌井权益保护半径计算公式进行对比,发现开采井权益保护半径恒大于回灌井权益保护半径,并以德城区水文家园开采系统和回灌系统为例进行计算,验证了理论推导的结果。     

采灌条件下中低温热储温度场动态特征初探

中国四大直辖市之一的天津具有较高地温场背景,地热开采历史长、规模大,回灌式循环开采发展势头喜人。由连续开采多年的地热井井口稳定流温监测数据证实:各储层地热流体温度并没有因长期开采而出现明显变化;而由同一眼基岩回灌井、停灌前后不同时段进行的井温测试结果表明:以比热储温度低得多的原水进行回灌,虽然井管内同一井段不同时期井温有0.1～0.76℃/a的微弱降幅,但主要取水层段在一个停灌周期内的井温则呈逐月恢复势态,数据显示停灌期间回灌井区域基岩热储温度回升迅速,并在下一个回灌期来临之前即可逐渐回复至前年同期的热储原始温度水平。     

近三十年天津市地热大规模开发热储动态特征研究

天津是我国较早大规模开发深层地热的地区之一,经过30多年的持续开采回灌,对深部热储特征有无影响,是否引起了资源枯竭、水质恶化以及热储温度下降等环境问题,一直是社会关注的焦点。本文系统收集了1992年以来天津市地热开发过程中的不同热储层热水开发利用量、回灌量、水位、水质、水温等近30年的时间序列监测资料,通过垂向及横向对比,对地热持续开发30年来天津市不同地区不同热储层的热水动态特征进行了分析。结果表明,天津市各热储层地热流体的主要化学组分基本稳定,多年来无明显变化,地热采灌系统尾水回灌不会从根本上改变地热流体的原始化学特征,但深大断裂作为热流通道引起的顶托补给,会对上层热储水质造成一定的影响;随着近年来天津市回灌工作力度不断加大,大部分热储水位下降幅度减缓或出现回升,热储的温度没有明显的升高或降低的趋势,但回灌井热储段经过非供暖期的恢复无法达到最初的温度,呈逐年下降趋势。未来持续采灌条件下,回灌井筒的“冷堆积”及采灌井的优化调配应是重点关注的问题。     

山前岩溶热储聚热与富水机理：以济南北岩溶热储为例

岩溶热储是中国北方两大主力供暖热储之一。山前岩溶热储主要位于岩溶地下水流系统下游埋藏型岩溶分布区,属深循环、弱开放、径流滞缓的区域地下水流系统之排泄区。本文以济南北岩溶热储为例,基于地质构造、同位素和水文地球化学特征,揭示了地热水起源及其运移演化和富集机理：地热水一小部分来自于泰山北翼火成岩、变质岩分布区的大气降水入渗补给,大部分来源于寒武纪长清群和寒武纪—奥陶纪九龙群碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组分布区岩溶地下水的深循环径流补给;地热水主要循环富集于层间岩溶与断裂破碎带复合处、层间岩溶与岩体接触带复合处。根据地温场空间分布特征揭示的热源及其传递和聚集特征,提出了热储四元聚热机制：一元是大地热流毯状传导聚热、二元是凸起区高热导率分流聚热、三元是导热断裂或岩体接触带带状对流聚热、四元是地下水运移传导 对流聚热。在热储聚热与富水成因机理研究基础上,建立了基于水源、热源及热储赋存规律的岩溶热储地热田成矿模式,构建了如何寻找地热水富集区和热流聚集区的找矿模型,揭示了地热成矿规律,为地热资源探测找矿提供了依据。     

基于TOUGH2数值模拟软件的延津地区热储采灌研究

本文采用TOUGH2数值模拟软件,根据研究区对井在预设情景下运转30年的模拟结果,对河南省延津县下新近系热储层压力场、温度场进行模拟,在模型验证的基础上,对不同回灌率及不同采灌井间距工况进行模拟研究,结果显示:回灌井的回灌过程会使地下水水温降低,回灌时间越长水温降低幅度越大,影响范围也越大,根据模拟抽水井和回灌井不同间距条件下(55 m、150 m、250 m、300 m)温度场变化情况,建议区域下新近系地层地热回灌项目抽水井和回灌井间距应大于等于250m,以保证抽水井出水温度;而不同回灌率工况下分析化学场和压力场的模拟数据可以看出,回灌率越大,地热水水质、压力影响越大,基本呈线性关系。为区域地热资源回灌-开采提供示范和指导。     

河南兰考地区地热回灌影响因素分析及对策

地热回灌是保障地热资源可持续开发利用的关键环节之一。本文结合河南兰考地区热储层地质条件、水质特点、地热井井管材质,开展了室内腐蚀观察实验和PHREEQC地球化学模拟软件分析,从化学沉淀趋势、地热水腐蚀性和钻井成井工艺方面分析了回灌效果的影响因素,并从地热水水质处理、地热井井管材料选择、钻井与成井工艺优化、回灌温度、项目选址等方面提出提高回灌效果的建议。     

天津市地热资源开发利用特征及存在问题分析

天津地区的地热地质条件良好,蕴藏着丰富的地热资源。在地热资源的开发利用过程中,每年可产生可观的经济、社会和环境效益,但由于开发方式的不尽合理,带来诸多问题。文章阐述了天津开发利用地热资源的特征,分析了存在的问题。认为不同热储层间水力联系的存在和地热井间距的过小,造成开采层间相互影响较大;地热井布局不合理、开采层位相对集中、回灌程度不高导致局部热储层压力大幅度下降,持续的大幅度压力下降将引发吊泵和地面沉降;超标准排放地热尾水会造成资源浪费和热污染;采、灌井间距的过小和相对位置的不合理,存在冷突破风险。针对不同问题,给出了针对性解决问题的建议。     

一种地热能可再生资源量的新算法——以北京为例

北京地热资源勘查始于20世纪50年代中期。70年代初期,针对以往对地热资源的可再生性认识不足,不能真实反映地热资源中蕴含的可循环利用的热量,造成计算值偏小的情况。本文介绍了一种地热可再生资源量的新算法,计算每个热田的可再生资源量,从而重新估算北京市地热能的资源潜力。通过计算,采用对井抽灌方式且地热水100%回灌条件下抽灌井间距为300m时,10个地热田范围内地热能可提供的供暖面积为3.01亿m2;采用地热梯级利用(和热回收)结合其他辅助清洁能源调峰方式对建筑物进行供暖,全市热田面积内可供暖面积为8.60亿m2。对比传统地热可采资源量与本次研究采用的新算法,采用对井系统供暖可大大提高布井密度,使可供暖面积提高73倍。通过对地热能可再生资源量进行计算,对于推进全国范围内的地热发展,具有良好的推动作用。