劉志明，梁繼運，劉春雷

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

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地?zé)峄毓鄺l件下流體可采量評價方法

劉志明，梁繼運，劉春雷

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

[摘要]通過嘗試運用回灌條件下單井開采權(quán)益保護半徑的方法和熱突破公式計算回灌條件下流體可開采量，形成了回灌條件下流體可開采量評價體系。并進行了實例計算，結(jié)果表明，隨著回灌溫度的增大，越不易于發(fā)生熱突破，其流體可開采量也迅速增大。

[關(guān)鍵詞]地?zé)?；回灌；流體；可開采量；單井開采權(quán)益保護半徑；熱突破；評價；方法

地?zé)豳Y源是指能夠經(jīng)濟地被人類利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分，目前可利用的地?zé)豳Y源主要包括：天然出露的溫泉、通過熱泵技術(shù)開采利用的淺層地?zé)崮堋⑼ㄟ^人工鉆井直接利用的地?zé)崃黧w以及干熱巖體中的地?zé)豳Y源[1]。目前，由于市場化盲目開發(fā)利用地?zé)豳Y源，引發(fā)諸多環(huán)境問題。如熱儲壓力下降，開成壓力降落漏斗等。因而，為了地?zé)豳Y源的可持開發(fā)利用，地?zé)峄毓鄤菰诒匦小?/p>

《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》[1]中明確提出了單井開采權(quán)益保護半徑的概念和計算方法。筆者在此基礎(chǔ)上，提出了回灌條件下計算單井(將開采井和與之配套的回灌井看作一個單井)開采權(quán)益保護半徑的方法[2]。Gringarten和Sauty[3]提出了熱突破公式。本文嘗試運用回灌條件下單井開采權(quán)益保護半徑的方法和熱突破公式計算回灌條件下流體可開采量，形成回灌條件下流體可開采量評價體系。

1評價公式與適用條件

1.1未回灌條件下流體可開采量計算公式

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》[1]，對于盆地型地?zé)崽?，按單井允許開采量開采100 a，消耗15%左右地?zé)醿α?，采用下式估算地?zé)峋畬醿Φ挠绊懓霃剑暺錇閱尉_采權(quán)益保護半徑。

(1)

式中：Q為地?zé)峋a(chǎn)量(m3/d)；f為水熱容與熱儲熱容的比值，f=ρwCw/(φρwCw+(1-φ)ρrCr)；ρw為水密度(kg/m3)；Cw為水比熱(J/kg·℃)；ρr為熱儲巖石密度(kg/m3)；Cr為熱儲巖石比熱(J/kg·℃)；φ為熱儲孔隙度；H為熱儲層厚度(m)；R1為地?zé)峋_采對熱儲的影響半徑(m)。

因此，其流體可開采量計算公式如下。

(2)

式中：Q允3為未回灌條件下流體可開采量(m3/d)。

1.2回灌條件下流體可開采量計算公式

(1)采用熱突破公式的計算公式

根據(jù)Gringartent和Sauty[3]，在隔水隔熱均一等厚的熱儲層中，熱量只靠對流方式傳遞時，對井系統(tǒng)的熱突破公式為：

(3)

式中：t為熱突破時間(d)；R2為兩井間距(m)。

當(dāng)t取100 a，36 500 d時，(3)式可變換成以下形式。

(4)

那么，回灌條件下流體可開采量可按下式計算。

(5)

式中：Q允2為采用熱突破公式計算的回灌條件下流體可開采量(m3/d)。

(2)采用地?zé)峄毓鄺l件下單井開采權(quán)益保護半徑的計算公式

根據(jù)文獻[2]，滿足假設(shè)條件：(1)除了抽取和回灌的熱量外，系統(tǒng)與外界沒有能量交換；(2)開采100 a，消耗15%左右地?zé)醿α浚?3)回灌未發(fā)生熱突破且抽水井井口溫度與熱儲層回灌前溫度一致。采用下式估算回灌條件下地?zé)峋畬醿Φ挠绊懓霃健?/p>

(6)

式中：α=(T2-T0)/(T1-T0)；β為回灌率，β=Q回/Q抽；T2為回灌水溫度(℃)；T1為熱儲回灌前溫度(℃)，T0為基準(zhǔn)溫度(℃)，一般取恒溫層溫度或多年平均氣溫；Q回為回灌量(m3/d)；Q抽為抽水量(m3/d)；R3為回灌條件下地?zé)峋畬醿Φ挠绊懓霃?m)。

那么，回灌條件下流體可開采量可用以下公式計算。

(7)

式中：Q允1為采用單井開采權(quán)益保護半徑計算的回灌條件下流體可開采量(m3/d)。

根據(jù)回灌未發(fā)生熱突破這個條件可知R2≤R3，則αβ≤0.55，這是(6)式和(7)式計算的充分必要條件。

這樣，當(dāng)αβ≤0.55時，流體可開采量取Q允1，否則，流體可開采量取Q允2，就形成了回灌條件下流體可開采量評價體系。

2評價實例

2.1研究區(qū)概況

華北平原是地?zé)豳Y源豐富的區(qū)域，從總體上看，屬于傳導(dǎo)為主的大地?zé)崃髯饔脵C制下形成的以中、低溫?zé)崴蜑橹鞯牡責(zé)豳Y源區(qū)[4]。主要的熱儲層為：新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組，古近系含水巖組，下古生界及中、上元古界巖溶含水巖組[4、5、6]。地?zé)豳Y源已廣泛應(yīng)用于地?zé)峁┡?、地?zé)岱N植、地?zé)狃B(yǎng)殖、地?zé)嵯丛〖隘燄B(yǎng)、輕工業(yè)及農(nóng)副業(yè)加工等各個領(lǐng)域[7]。

深澤縣位于華北平原中西部，河北省中南部。東接安平縣，西接無極縣，南與辛集市、晉州市相鄰，北與定州市、安國市相連。總面積296.38 km2。深澤縣主要熱儲層為新近系館陶組。館陶組頂板埋深924～1 300 m，底板埋深1 300～1 900 m。熱儲層厚度150～200 m。地層巖性上部為紫紅色泥巖，灰綠色砂質(zhì)泥巖與灰白色、淺灰色粉砂巖呈互層交互出現(xiàn)，下部以紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰白色含礫石粉砂巖為主，夾灰綠色薄層粉砂巖、含礫粗砂巖等。上部砂巖分選較好，磨圓中等，呈半膠結(jié)狀，下部砂礫巖膠結(jié)較致密，礫石粒徑大小不一，分選較差，磨圓差，呈次棱角狀，直徑一般為3～4 mm。地?zé)峋畣尉克? 800～2 208 m3/d，地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na、HCO3-Na、HCO3·Cl-Na型水，礦化度為689～974 mg/L，井口溫度60℃～63℃。全縣共有地?zé)峋?2眼，有10眼分布于縣城，均開采館陶組熱水。根據(jù)張德忠、王蘊玉[8]的研究，深澤縣屬于非地?zé)岙惓^(qū)的中低溫地?zé)豳Y源區(qū)。

2.2計算參數(shù)

巖石比熱和密度是根據(jù)巖性采用的經(jīng)驗值。巖石孔隙度采用的是實測值。熱儲層厚度、回灌前溫度采用的是平均值。基準(zhǔn)溫度取13℃?；毓嗦拾?00%回灌計算。具體計算參數(shù)和計算結(jié)果見表1和表2。

表1　研究區(qū)計算參數(shù)與計算結(jié)果一覽表(T2=25℃)

表2　研究區(qū)計算參數(shù)與計算結(jié)果一覽表(T2=40℃)

2.3計算結(jié)果分析

當(dāng)T2取25℃時，αβ=0.247<0.55，未發(fā)生熱突破，計算的回灌條件下的Q允1小于Q允2，大于未回灌條件下的Q允3，Q允1約是Q允2的0.6倍，Q允1約是Q允3的1.33倍，較為合理，因而回灌條件下流體可開采量可取Q允1值，為188 999.79 m3/d。也就是說回灌條件下的流體可開采量應(yīng)取采用單井開采權(quán)益保護半徑的計算值。

當(dāng)T2取40℃時，αβ=0.557>0.55，發(fā)生了熱突破，計算的回灌條件下的Q允1大于Q允2，且大于未回灌條件下的Q允3，Q允1約是Q允2的1.02倍，Q允1約是Q允3的2.26倍，因而回灌條件下流體可開采量取Q允1值不合理，應(yīng)取Q允2值，為316 082.12 m3/d，也就是說回灌條件下的流體可開采量應(yīng)取采用熱突破公式的計算值。

從表1、表2和前面的分析，可以看出當(dāng)回灌溫度增大時，不易發(fā)生熱突破，其流體可開采量迅速增大。采用熱突破公式計算的回灌條件下流體可開采量是不隨回灌溫度而變化的，因而，當(dāng)αβ≤0.55時，采用熱突破公式計算的回灌條件下流體可開采量是不合理的。

3結(jié)語

通過嘗試運用回灌條件下單井開采權(quán)益保護半徑的方法和熱突破公式計算回灌條件下流體可開采量，形成了回灌條件下流體可開采量評價體系，具體如下：

實例計算表明，隨著回灌溫度的增大，越不易于發(fā)生熱突破，其流體可開采量也迅速增大。

參考文獻

[1]GB/T11615-2010.地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范.2010.

[2]劉志明，王貴玲，藺文靜. 地?zé)峄毓鄺l件下單井開采權(quán)益保護半徑的計算. 地下水.2014，36(6)：72-75.

[3]Gringarten, A. C., Sauty, J. P.. A theoretical study of heat extraction from aquifers with uniform regional flow. J. Geophys. Res., 1975, 80: 4956-4962.

[4]陳墨香，等. 華北地?zé)? 北京：科學(xué)出版社.1988.

[5]陳墨香，汪集旸，等. 中國地?zé)豳Y源——形成特點和潛力評估. 北京：科學(xué)出版社.1994.

[6]陳望和. 河北地下水. 北京：地震出版社.1999.

[7]張國斌. 河北省地?zé)豳Y源分布特征、開發(fā)利用現(xiàn)狀、存在問題與建議. 中國煤田地質(zhì). 2006, 18(增刊)：25-27.

[8]張德忠，王蘊玉. 河北平原非地?zé)岙惓^(qū)地?zé)豳Y源. 地球?qū)W報.2000， 21(2)：151-154.

Assessment Method of Geothermal Fluid Exploitable Reserve under Condition of Reinjection

LIU Zhi-ming，LIANG Ji-yun，LIU Chun-lei

(Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS, Shijiazhuang 050061, Hebei)

Abstract:Under condition of geothermal reinjection, tried to use the method of the interests’ protection radius of single well and the formula of thermal breakthrough time to calculate geothermal fluid exploitable reserve, this paper formed the assessment system of it. And a case study was carried out, the results shown, along with the more increase of reinjection temperature, the thermal breakthrough was the more difficult to be occurred and the geothermal fluid exploitable reserve also increased rapidly.

Key words:Terrestrial heat；reinjection；fluid；exploitable reserve；the interests’ protection radius of single well；thermal breakthrough；assessment and method

[中圖分類號]P314.1

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)02-0061-03

[作者簡介]劉志明(1969-)，男，江西泰和人，研究員，博士研究生，主要從事地下水與地?zé)嵫芯俊?/p>

[收稿日期]2015-10-28