■　趙長(zhǎng)福

（山東第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院山東濟(jì)南250014）

基于抽水試驗(yàn)的地?zé)醿?chǔ)層水文地質(zhì)特性研究

■趙長(zhǎng)福

（山東第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院山東濟(jì)南250014）

本文分析了地?zé)醿?chǔ)層水文地質(zhì)的相關(guān)問(wèn)題，希望能夠?qū)ψx者提供一些借鑒和參考。

地?zé)崴奶卣骷ぐl(fā)

1　前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加大了對(duì)能源的需求。隨著能源供應(yīng)緊張局面的加劇，可再生能源成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。地?zé)豳Y源是一種清潔的能力，合理的開(kāi)發(fā)和利用能夠大大提升經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2　地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1含水巖體及地下水類型

地?zé)崴Y源形成的四個(gè)要素為熱儲(chǔ)層、熱儲(chǔ)體蓋層、熱流體通道及地?zé)嵩矗鶕?jù)含水巖體具有相近性質(zhì)和水力聯(lián)系的巖層組合，且組合后的含水巖組不存在明顯而穩(wěn)定的隔水層原則，在考慮含水層的巖性、結(jié)構(gòu)、水理性質(zhì)和地下水賦存條件下，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為碳酸鹽巖巖溶水含水巖體，基巖裂隙水含水巖體和松散巖類孔隙水含水巖體三種基本類型。由于松散巖類孔隙水零星分布于石阡河谷兩岸Ⅰ、Ⅱ級(jí)基座階地上，堆積2～5m的河卵石、砂及亞砂土，含微弱孔隙水，對(duì)供水意義不大，所以未對(duì)其開(kāi)展調(diào)查。

2.2地下水補(bǔ)徑排條件

地下熱水補(bǔ)給源主要為大氣降水，沿地表發(fā)育的落水洞以及溶蝕裂隙補(bǔ)給，地下熱水的徑流主要受石阡斷裂、背斜的控制，地下水沿?cái)嗔严蛏畈垦h(huán)運(yùn)移、徑流，受南北向、北東向斷裂構(gòu)造的影響、控制，以熱礦泉、地?zé)峋_(kāi)采的形式排泄。

3　地?zé)豳Y源分析

3.1熱源

某地區(qū)具有“五中心”（晚期花崗巖漿活動(dòng)中心、中基性巖漿上涌中心、鈾活化中心，晚期斷裂構(gòu)造活動(dòng)中心、晚期熱液活動(dòng)中心）特征，多期次強(qiáng)烈的構(gòu)造巖漿活動(dòng)形成多次熱液活動(dòng)，這些頻繁的地質(zhì)作用也為區(qū)內(nèi)的地?zé)豳Y源提供了大量的熱量補(bǔ)充。同時(shí)，該地區(qū)地殼成熟度高，具有二元結(jié)構(gòu)的富鈾層，鈾豐度高，豐富的放射性物質(zhì)的蛻變能提供大量的熱量，為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源形成提供持續(xù)不斷的熱源。

3.2熱儲(chǔ)層與熱通道

該地區(qū)構(gòu)造巖漿活動(dòng)頻繁，NNE、EW、NEE向斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。根據(jù)多年來(lái)在下莊地區(qū)的地質(zhì)工作成果：NEE向構(gòu)造與NNE向構(gòu)造為區(qū)內(nèi)含水控礦構(gòu)造，地下熱水大多儲(chǔ)存這些深大斷裂內(nèi)部，這些NEE向和NNE向的構(gòu)造成為區(qū)內(nèi)主要的熱水儲(chǔ)。同時(shí)，這些斷裂構(gòu)造構(gòu)成大氣降水下滲及地下熱水上升的通道，控制地下熱水的形成，入滲的大氣降水經(jīng)深部循環(huán)加熱形成地下熱水。地下熱水在一定深度后，沿著斷裂構(gòu)造上升，在地形切割劇烈地段，成為熱水集中涌出的有利地段。

3.3蓋層

該地區(qū)熱水主要儲(chǔ)存于斷裂構(gòu)造帶中，構(gòu)造帶圍巖主要為花崗巖，這類花崗巖巖體裂隙不發(fā)育，富水性差，為隔水層，能很好地起到隔水隔熱的作用。工作區(qū)內(nèi)的第四系松散覆蓋層也能起到一定的隔熱作用。同時(shí)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造大多表現(xiàn)為前期張開(kāi)、后期壓扭的特性，前期張開(kāi)很好地為熱水的存儲(chǔ)提供空間，后期由于構(gòu)造體系的復(fù)合和干擾，應(yīng)力作用的集中和強(qiáng)化，使構(gòu)造產(chǎn)生切割、拐彎和閉合等現(xiàn)象，將構(gòu)造帶內(nèi)的地下熱水分割成脈狀，連通性變差；壓扭的構(gòu)造特性也使得熱量不易于散發(fā)；起到了較好的隔水、隔熱作用。

4　地?zé)醿?chǔ)層水文地質(zhì)研究

4.1影響半徑R的確定

有一個(gè)觀測(cè)孔的承壓完整井的影響半徑依據(jù)下式計(jì)算:

所以影響半徑R=886137m。

式中:Sw為抽水井內(nèi)水位下降值(m);S1為觀測(cè)孔內(nèi)水位下降值(m);rw為抽水井的半徑(m);r1為抽水井至觀測(cè)孔的距離(m)。

4.2單孔完整井滲透系數(shù)

式中:Q為井的出水量(m3/d);M為含水層厚度(m);R為影響半徑(m),其余符號(hào)同前。

4.3有一個(gè)觀測(cè)孔單井抽水試驗(yàn)時(shí),有一個(gè)觀測(cè)孔的承壓水完整井的滲透系數(shù)依據(jù)下式計(jì)算:

式中個(gè)符號(hào)的意義同前。

從本次抽水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)以90.16m/h進(jìn)行抽水時(shí),該井的滲透系數(shù)在0.75m/d左右,影響半徑大約為600m到886m左右,其距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩口井之間的距離(237m),這就表明新鑿熱水井和原熱水井有一定的水力聯(lián)系,這就為該井作為地?zé)崴毓嗑於嘶A(chǔ)。此外,以往的經(jīng)驗(yàn)表明該地區(qū)熱儲(chǔ)層地?zé)崴淖畲笥绊懓霃娇蛇_(dá)115km左右,該數(shù)據(jù)與本次計(jì)算的影響半徑有較大的差距,這主要因?yàn)檫@一數(shù)據(jù)是建立在大量地?zé)崴M(jìn)行長(zhǎng)期生產(chǎn)的基礎(chǔ)上而得的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于新鑿地?zé)崴?由于其所處地層含水量相對(duì)較為豐富,加之該地?zé)醿?chǔ)層滲透性相對(duì)較好,因此根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算的影響半徑比經(jīng)驗(yàn)得到的影響半徑小,隨著開(kāi)采年限的增加如果開(kāi)采量長(zhǎng)期大于補(bǔ)給水量,那么該井的影響半徑將會(huì)逐漸增大,最終達(dá)到115km甚至超過(guò)115km。為了達(dá)到可持續(xù)利用地?zé)崴哪康?建議對(duì)該井及周圍距離較近的地?zé)崴鲞M(jìn)一步的調(diào)查,研究該井的合理開(kāi)采量的同時(shí)也要弄清該井與其他井的關(guān)系,這樣有助于對(duì)該井及周圍其他井的合理開(kāi)發(fā)利用。

5　熱儲(chǔ)層的激發(fā)

深部高溫巖體中原生裂隙極不發(fā)育，因此在完成鉆井之后，需要通過(guò)水力壓裂等方法對(duì)熱儲(chǔ)層進(jìn)行激發(fā)，以提高其滲透性和連通性，保證EGS開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

5.1激發(fā)方法

目前，熱儲(chǔ)層的激發(fā)方法主要包括水力壓裂法、化學(xué)激發(fā)法和熱激發(fā)法，其中最為常用的是水力壓裂法。水力壓裂法最早被應(yīng)用于1974年的美國(guó)芬頓山干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)中，隨后，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都將這種方法應(yīng)用于EGS熱儲(chǔ)層激發(fā)中。通過(guò)注入井將低溫高壓的水打入目標(biāo)層位，改變目標(biāo)層位巖石的應(yīng)力狀態(tài)，大大改善巖石的滲透率及連通情況，從而使注入井與生產(chǎn)井之間相互連通，形成連通注入井與生產(chǎn)井的熱儲(chǔ)層。然而，并不是水力壓裂得到的熱儲(chǔ)層都是理想的，水流在熱儲(chǔ)層中循環(huán)測(cè)試時(shí)存在水流阻力和水流短路等現(xiàn)象，都是熱儲(chǔ)層激發(fā)效果不佳的表現(xiàn)。針對(duì)儲(chǔ)層的水流短路、水流阻力等壓裂效果不明顯的情況，在水力壓裂的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)，包括在注入水中加入一定濃度的重鹵水、使用黏性凝膠或在裂隙中布置支撐劑等，能夠使得水力壓裂的效果更加理想。

熱儲(chǔ)層激發(fā)的另一個(gè)方法是化學(xué)激發(fā)法，通過(guò)向井中注入酸性液體，使其在熱儲(chǔ)層中循環(huán)時(shí)溶解裂隙或注采井附近的礦物，從而改善熱儲(chǔ)層的裂隙連通情況、提高裂隙滲透率?；瘜W(xué)激發(fā)法最初應(yīng)用于石油和水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)中，主要用于增強(qiáng)井附近的注入或生產(chǎn)能力，以及解決地?zé)衢_(kāi)發(fā)后期生產(chǎn)井附近礦物沉淀引起的堵塞問(wèn)題，隨后被應(yīng)用于EGS熱儲(chǔ)層的激發(fā)中。1988年，在瑞典非那巴卡干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中，注入了2m的HCl-HF酸性溶液，結(jié)果證明化學(xué)激發(fā)是可行的。在法國(guó)蘇爾茨的EGS野外試驗(yàn)中，為了溶解井中的礦物沉淀和井附近裂隙中充填的礦物，在注入井和生產(chǎn)井中加入酸性溶液(如鹽酸HCl、常規(guī)泥酸HCl-HF、有機(jī)黏土酸HT)，結(jié)果經(jīng)過(guò)酸化處理的生產(chǎn)井生產(chǎn)效率增加了50%，而注入井則只有微弱的提高。

目前，由于化學(xué)激發(fā)法使用的刺激劑穿透性較差，只能改變注入井和生產(chǎn)井及其附近區(qū)域的滲透性，因而只有少數(shù)幾個(gè)場(chǎng)地試驗(yàn)用到過(guò)這種方法?？梢?jiàn)，尋找具有長(zhǎng)穿透性的化學(xué)刺激劑是化學(xué)激發(fā)法的關(guān)鍵。

熱激發(fā)法作為熱儲(chǔ)層激發(fā)的一個(gè)輔助方法，經(jīng)常與水力壓裂法、化學(xué)激發(fā)法聯(lián)合使用，它是在儲(chǔ)層的某些部位，利用特殊方法，使得這些部位的溫度驟變，從而使裂隙擴(kuò)張或者產(chǎn)生新的裂隙。關(guān)于熱激發(fā)法的相關(guān)研究證明，它在儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中起到了一定的作用。

5.2熱儲(chǔ)層激發(fā)效果評(píng)價(jià)

在固定的層位，EGS進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)的出力和壽命是與熱儲(chǔ)層的規(guī)模直接相關(guān)的，因此在熱儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中或者激發(fā)成功后，需要對(duì)熱儲(chǔ)層的激發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確保達(dá)到商業(yè)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。在熱儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中，由于流體的不斷注入，導(dǎo)致原有裂隙產(chǎn)生剪切破壞而引發(fā)微地震，因此微地震就成為研究?jī)?chǔ)層壓裂及裂隙連通情況的一種間接手段。通過(guò)布置井下監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)兩種地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，能夠?qū)λぐl(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的微震進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位，從而獲得各井之間的連通情況以及熱儲(chǔ)層的整體形態(tài)。示蹤技術(shù)是評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)層激發(fā)效果的更為直接的方法，通過(guò)分析示蹤試驗(yàn)獲得的示蹤曲線，能夠評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)層各井之間大致的連通情況。由于場(chǎng)地試驗(yàn)收集示蹤數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，不利于EGS的開(kāi)發(fā)，因而利用示蹤劑特征進(jìn)行數(shù)值模擬成為新的評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)層激發(fā)效果的方法。Pruess等利用示蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，估算了熱儲(chǔ)層的熱交換面積；Sanjuan等根據(jù)法國(guó)蘇爾茨場(chǎng)地示蹤劑試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析了井間水力連通情況。

必須指出的是，利用數(shù)值模擬手段得到的熱儲(chǔ)層的熱交換面積以及各井水力連通情況，需要與場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，這樣得到的結(jié)果才是相對(duì)可靠的。之所以運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)熱儲(chǔ)層激發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，是因?yàn)槠浜臅r(shí)少、成本低且結(jié)果相對(duì)可靠。

6　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)地?zé)醿?chǔ)層水文地質(zhì)特性分析，加強(qiáng)對(duì)地?zé)崮艿挠行Ъぐl(fā)，能夠提高綜合利用效率，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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P314[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-3-333-1