陳瑞軍，王繼革，賈 志，田光輝

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

地下深處地熱流體受重力場、地溫場及地質條件等多重因素的制約，存在對流循環(huán)［1～2］，與冷水不同，較為復雜。天津地區(qū)地熱深井井深多大于1000m，受地溫的影響，井中的水頭高度不能表征儲層動力場，必須進行校正。以往多采用直線中值法進行修正［1～3］，這些方法僅適合井筒中從液面至取水段中點的壓力校正。由于各個井儲層深度不同，這些方法還不能滿足對流體區(qū)域動力場的分析要求。對此，天津市國土局下達了《天津地區(qū)中低溫地熱資源動態(tài)監(jiān)測技術標準》(2005年)，其中要求，各熱儲埋深需要根據熱儲層埋藏條件，確定統(tǒng)一計算深度。但依這一標準，分析流體動力場時，仍然存在著市區(qū)南部水位比北部高，這既不符合地下流體由東北向西南徑流的規(guī)律［4］，也不符合流體化學類型與溶解性總固體(TDS)分布規(guī)律［5］。本文研究、討論地溫場中的壓力性質及其空間特征，在此基礎上，探索流體深部循環(huán)的規(guī)律，旨在為流體動力場的分析提供幫助，尋求觀測數據校正的方法。

1 數據處理方法

1.1 流體空間、勢壓

流體空間指相對獨立、空間各點壓力穩(wěn)定、具有一定幾何形狀的靜水流體系統(tǒng)。

勢壓(EP)是指在流體空間中，一定高度的空間點(Z0)承受的來自上方水柱的壓強換為密度為1kg/L的水柱高度與該點的高度相加，即:

式中:ρ(x)——x 深處流體密度(1kg/L)。

勢壓表征在Z0高度點的壓力，具有定高性質，通過它可以對比流體空間中某一高度面上不同點的壓力，判斷流體質點在此面上的流向。

1.2 熱動力壓(熱動力增量)

取兩個水桶，底部以無限長管聯通，底部M、N兩點置于同一水平面上，當注水且液面穩(wěn)定時，兩點壓強相等，底部壓力梯度為零(圖1)，后關閉開關。關閉開關后，對一水桶進行加熱，水桶液面上升，因水桶內水的質量不變，底部M點壓強不變，當打開開關時，另一個水桶液面高度也不變，兩水桶間的水力梯度亦不變，實現了穩(wěn)態(tài)平衡。當水桶中形成穩(wěn)定溫度梯度(k)后，可見B點高出A點，且相差為H。

圖1 實驗示意圖Fig.1 Sketch illustration of experiment

在水桶中，任意一點x上的溫度Tx=TM－Khx(K為溫度梯度)，而溫度與密度(ρ)又是函數關系，則水桶質量m=。設冷水的密度為1kg/L，則有:

上式表明:①熱水桶x點壓力增量等于底部hx高度水桶對M點壓力減量，將這增量－h(huán)2定義成熱動力增量(pr)；②M、N兩點壓力不變，等于冷水桶液面高，向上則是因熱膨脹而壓力增高，對于一個厚層的熱儲來講，儲層底部受重力單一場制約，向上則由重力場與熱動力場共同作用。

熱動力永遠抵消著底層重力場的水力坡度，當熱動力等于兩水桶間底層壓力差時，上部的流體將反向流動，其觀測水位埋深必小于冷水柱。由1式變換:

式(3)中Z0+h2是冷水柱的總高度。據此，勢壓與熱動力的關系是:流體空間中某一點的勢壓減該處空間冷水柱總高度等于該點熱動力壓。

1.3 井中液面增溫現象、線性溫度校正

多年地熱觀測證實，地熱井液面溫度比同一深度的地層溫度一般高9～28℃，這就是井中液面增溫現象。對此目前研究的很少，本文對此進行直線校正，修正值(ΔTx)為:

式中:a、b——液面溫度、初始地層溫度(℃)；

c、d——儲層深度(m)、計算點深度(m)；

x——計算點深度(m)。

經校正后x點的溫度(Tx)由下式確定:

式中:T0——液面深度地溫(℃)；

K——地溫梯度(℃ /m)。

1.4 密度與溫度的關系式及相關校正

對5～300℃(每隔5℃一個密度數值)59個水密度值與溫度進行線性回歸，得下式:

ρ(t)為密度與溫度的擬合函數(s=0.00014069，r=0.99999876)；a、b、c、d、e 分別為 － 2.994748 ×10－11、1.6747203 × 10－8、 － 5.5004462 × 10－6、－7.6806348×10－6和1.0002232。在不考慮流體壓縮的條件下，通過該函數計算值與實測值比較，誤差僅為0.01%～0.02%。如果考慮水的壓縮系數隨溫度變化較小，其ρ(t)近似為:

上式中4.74×10－6為水的壓縮系數［1］。如果區(qū)域內不同層、不同點間流體TDS相差大于1g/L時(因為TDS差1g/L，1000m就會差1m水柱壓力，如天津地區(qū)霧迷山組南部與北部地熱流體TDS相差3g/L，其儲層埋深多在3000m以深，南部與北部水柱壓力因TDS變化相差為9m)，分析流體動力場，TDS是不能忽略的，其ρ(t)近似為:

1.5 計算過程與井間梯度勢壓修正

依地質條件、觀測數據特點及觀測井的情況，確定分析區(qū)最大深度井或儲層埋深最大的地點，以實現區(qū)內各空間點勢壓的對比及計算方向；確定各個井的積分限；因重力壓分布在儲層底部，代表深部流體的來源與方向，所以要積分到儲層底后再向最深井處積分，直積到最深井的儲層層底(圖2)。

在上述計算后可得到淺井至深井儲層底的勢壓，和深井到儲層底的勢壓，二者的大小不一致，借此可以判斷底層流體來源方向。但是，這兩個來源方向的壓力差并不是集中在這一點上的。從圖2b可以看出，C點向深點(t溫度)積分值等效于C點向淺點(t溫度)的積分值，兩井的壓力差，應該是右圖中“淺”與“深”之間的差值，在水力聯通的條件下這一差值將梯度分布。由于來自兩方向的總壓均為底層壓力，其數值應小于對應深的勢壓(如C點)，故用C點勢壓加一個直線修正值就達到了目的，其關系式:式中:EP梯度X——X點深度井間儲層底勢壓(m)；

EPX——X 深度勢壓(m)；

EP淺底－ EP深底——最深點處的勢壓差(m)；

圖2 積分分段(a)及井間壓力校正(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of credits segments(a)and interwell pressure correction(b)

S淺底－ S深底——兩井中儲層底界深度差(m)；

Sx——X點與淺井底層垂直距離(m)。

2 市區(qū)五井勢壓與熱動力壓計算及流場分析

天津市開發(fā)的霧迷山組熱儲層，主要分布于滄縣隆起上［7］。經多年地熱地質勘查，熱儲層頂界埋深為1000 ～3693m［8］，厚度為 2000m 左右［9］，屬靜水壓力系統(tǒng)。依此數據對 HD－09、HX－09、HD－11、XQ－07、DL－24等地熱井2006年9月的觀測數據進行整理、分析。

2.1 熱動力壓計算結果

一般在儲層層底靜水壓力相近時，熱動力越大，水位埋深越小。前述五井的熱動力壓的計算結果依其順序 為 111.20m、148.27m、127.16m、129.45m 和126.99m冷水柱高(密度為1000kg/m3)。這表明，在HD－09井中，熱動力壓最低，從而導致水位觀測值低、埋深較大；而HX－09井溫度最高，導致了該處水位觀測值高、埋深較小，形成反漏斗，在2007年，市區(qū)開采量增加，使得反漏斗南移至大寺一帶［3，6］。

2.2 勢壓的比較

4個井向HD－09井積分求壓，依前述順序結果是 4490.95m、4457.89m、4463.19m、4478.36m 和4477.47m，顯示出HD－09處霧迷山組儲層底部流體勢壓最高，存在向其余4井區(qū)底部補給的動力條件。

2.3 等高等勢壓、等勢面

相鄰井流體液面高度、地溫梯度的不同，可以導致壓力曲線相交，相交點稱為等高等勢壓點(圖3)。若某一深度兩井勢壓相等時，除代表這一深度上、下流體的流向相反外，也并不意味著在這一高度上，兩井間沒有流體的流入與流出，只能代表這兩點流體不交換，而流入流出則取決于某點(兩井中的一個)內、外的壓力差。既然流向相反，必然存在一個等勢面，也就是當流體向兩點之間流動時，其等勢面是下凹的，當由兩點之間向外流動時，等勢面是上凸的。等勢面的下凹，是流體通過其它途徑排泄的結果，如果在地質上不存在排泄通道，則是開采地下流體所致，從而形成勢壓降落漏斗；等勢面的上凸，是由地熱回灌或熱動力所引起，如果不存在地熱回灌，兩點間必然存在地熱正異常。經計算分析得知:在HD－09與DL－24、HD－11與HD－09、HX－09與HD－11井間，形成勢壓降落漏斗(圖4)，他們之間均有開采井分布；地熱流體自DL－24井向XQ－07、HD－09兩個方向補給(圖4剖面B)，表明該井處等勢面是上凸的，與東面的山嶺子地熱異常相關；在XQ－07與HX－09間形成的勢壓升高反漏斗，與王蘭莊地熱點相關。

圖3 勢壓曲線圖Fig.3 Overwhelm graph of potential pressures

2.4 補給源分析

2.4.1 地質－水熱動力屏障

受儲層產狀、勢壓、地熱異常等因素的綜合影響，地熱流體徑流受限(過流斷面變小)或完全阻礙，稱為“地質－水熱屏障”。從圖4A剖面看出，3200m深的熱流體自HD－09向王蘭莊地熱點(地熱異常［10］)徑流，而3200m以淺向相反的方向徑流，這是由于南部受王蘭莊地熱異常的影響，淺部流體勢壓增高，從而導致了流體向南徑流的過水斷面變小(注意斷面不是全層)，至HX－09井處，儲層變淺，又使斷面進一步變小，影響了流體自HD－09井向南徑流，構成了地質－水熱屏障。

圖4 地熱流體流線流向剖面圖Fig.4 Schematic representation showing the flow line and flow direction of geothermal fluid

2.4.2 霧迷山組儲層流體動力場與補、排方向

用5個井計算數據繪成儲層流體流向圖(圖4)。從剖面A中可以看出，在3200m以深地熱流體自北向南徑流，體現了地熱流體以深部徑流的特征規(guī)律。由于研究區(qū)西部的天津斷裂為阻水斷裂［8］，故用代表NE向4個井及ES向1個井計算3400m深勢壓數據，繪成勢壓等值線圖(圖5)以概略全貌。從圖中可以看出:DL－24井附近儲層流體或從淺部、或深部向其余4井儲層徑流；HD－09井附近地熱流體可以通過該熱儲層的下部，流向XQ－07井北部，雖然HX－09井附近的地質－水熱屏障限制了徑流。總之南部地熱流體主要來自于北部和東部，在HD－09井處，儲層下部勢壓高于DL－24井勢壓，向DL－24井儲層補給，然后在山嶺子地熱異常區(qū)加熱形成淺部高勢位，再流向其它地方。

2.5 深部流體動力場與流體TDS分布關系

一般，隨熱流的徑流，流體TDS呈上升規(guī)律。收集流體化學數據［8］并將它繪制到圖5中。結果顯示:1.8g/L、2.0g/L TDS等值線，在西部偏向北，在東部偏向南；2.0 g/L TDS等值線在西部基本與HX－09井地質－水熱屏障位置相當，分析是受地質－水熱屏障的影響，流體循環(huán)差，引起了TDS的升高，同樣東部2.0 g/L TDS等值線偏向南，是這沒有地質－水熱屏障，流體循環(huán)相對較好所致。表明這一特征與地熱流體動力場特征相關，計算結果能夠解譯流體TDS的分布，但值得注意的是HX－09井，儲層流體TDS相對低，可能是地溫較高，熱動力較強、且在地質－水熱屏障邊緣，接受來自DL－24井附近同層的低TDS流體的補給所致。

圖5 2006年霧迷山組熱儲層3400m深度流體溶解性總固體及勢壓等值線圖Fig.5 Contour map showing the fluid mineralization and overwhelm of the Jxw geothermal reservoir of 3400m deep in 2006

2.6 地溫場、流體動力場

地溫對儲層勢壓的影響是通過熱動力壓向上積累發(fā)生的。天津地區(qū)霧迷山組厚度巨大，達2000m以上，這為熱動力壓向上積累提供了條件。據上述剖面，選取5個井之中霧迷山組頂界最深的，即2700m深的溫度和勢壓數據，繪制成儲層溫度與勢壓等值線圖(圖6)。

圖6 2006年霧迷山組熱儲層2700m深度流體溫度與勢壓等值線圖Fig.6 Contour map showing the fluid temperature and overwhelm of the Jxw geothermal reservoir of 2700m deep in 2006

在圖6中，存在一個低勢壓區(qū)和一個高溫區(qū)，兩個區(qū)幾乎重疊。從圖5中可以看出，HD－09與XQ－07底層勢壓差僅為5.95m，底層水力坡度平緩。一般在平緩的坡度面上疊加熱勢場，在儲層頂部會形成一個熱動力壓異常。經計算，在2700m深處，HX－09井熱動力壓高于XQ－07井熱動力壓7.26m，

即HX－09井處熱勢壓應為455.43加上7.26m的值，而據觀測值計算結果的值為45.39m(圖6)，引起壓力的降低只有一種解釋，就是人為開采所致。圖6中，在4540等勢壓線所圈出的區(qū)域內，有30眼霧迷山組開采井，占研究區(qū)域內該儲層井數56.6%，這既說明勢壓的降低與開采相關，也說明由該種計算方法得到的數據，所圈定的勢壓降落漏斗與實際相吻合，比按原計算數據繪制出的圖更符合實際。

比較圖5、6中的勢壓值，不難看出，不同深度的勢壓離散不同，即圖5較大，圖6較小。經計算，圖5中5井的方差值為9.9795，圖6中5井的為8.8441。分析其原因，圖5是3400m深度勢壓等值線圖，可以近似代表儲層底層勢壓分布，一般底部勢壓主要受重力場控制，制約因素單一；圖6是2700m深度勢壓等值線圖，代表儲層上部勢壓分布，儲層上部勢壓，受重力場與熱動力場共同控制。由于開采降低了儲層壓力，本區(qū)也是地溫相對高的地區(qū)，熱動力壓制約了一部分上部的壓力降低。這表明用儲層上部勢壓來表征儲層底部是不行的，只有儲層底部勢壓，才能反映出真正的流體的來源方向。在天津市，一般開鑿地熱井，鉆進儲層200～300m即終孔，對此獲得的勢壓，也是上部的，依此繪制的勢壓等值線圖是不能表征流體動力場的，這一點應予以注意。

3 結論

(1)流體空間中某點勢壓，僅能表征該點處的壓力。通過空間中某一高度面上不同點的勢壓對比，可以判斷流體在該面上的流向，但不能判斷垂向流向?？臻g某點熱動力壓等于該點的勢壓減該處的空間冷水柱總高度，具有向上積累的特征，成為地熱回灌阻力的一部分；由于向上積累，逐漸抵消層底水力坡度，乃至上部水力坡度與下部方向不同，使流體運行方向與下部不同，從而形成對流場。

(2)熱動力壓源于某空間點下部的流體密度變化引起的壓力變小部分疊加到點上部產生的。因此，只要流體空間溫度場不變，這一壓力也不變，即熱動力的不變性。

(3)對市區(qū)及附近五個井熱動力計算結果為，HX－09井熱動力壓最大，為148.27m，這一數值揭示了其所在區(qū)域在2006年形成液面反漏斗的原因；對勢壓計算的結果為，HD－09井數值最大，存在霧迷山儲層底部流體自該井處向其它區(qū)域補給的動力條件。

(4)在流體空間中，存在等高等勢壓、等勢面，他們是勢壓降落漏斗、反漏斗的控制因素，這與地熱異常和地熱流體開采相關。

(5)HX－09井西部地質－地熱屏障限制了儲層底部流體向南補給。受這一屏障的影響，西部流體循環(huán)相對較差，引起了TDS升高。天津市區(qū)對霧迷山組熱儲開發(fā)，主要集中于儲層上部，影響了上部動力場，在2700m深勢壓繪制的等勢壓線圖中，低勢壓區(qū)與集中開采區(qū)分布一致，說明采用此數據處理方法更合理。

(6)在流體空間中，存在流體深、淺循環(huán)，上部與下部流向可不同，在地熱監(jiān)測中應加強這方面的觀測。

(7)霧迷山組是油氣成藏與地熱成儲主力層位，存在深部流體循環(huán)。天津靜海開鑿的JH－01、JH－08井均揭露了霧迷山組一、二段地層200～400m，單井出水量為100～180m3/h。這些表明該組下部是流體的儲滲空間，應逐步加大霧迷山組下段地熱資源的勘查工作。

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