陳建兵，張 斌

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710068)

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西安三橋地區(qū)地熱回灌井數值模擬研究

陳建兵，張 斌

(陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710068)

西安市三橋地區(qū)地熱回灌井模擬區(qū)面積約25.99 km2，地面平均標高約400 m。為預測該地區(qū)回灌井成井后在回灌條件下井區(qū)溫度場和滲流場的變化，分析地熱回灌井周圍的地熱資源情況，為合理開發(fā)利用模擬區(qū)地下熱水資源提供依據，建立地熱回灌井的溫度場和滲流場的三維數值模型，通過對初始溫度場和初始滲流場進行確定，在不開采情況下模擬了回灌水溫43℃和18℃以及回灌量50 m3/h和80 m3/h四種情況下連續(xù)回灌的情況，通過模擬計算，得到第五年末的滲流場和溫度場。從第五年末的模擬結果來看，目的層的地熱回灌在四種不同的回灌條件下，對同一熱儲層的影響局限于0.8 km范圍之內，實施回灌五年后，目的層的地熱回灌對同一熱儲層的影響局限于0.8 km范圍之內，回灌目的層的滲流場的變化是顯著的。本次預測屬單井回灌模擬，受實際開采條件限制，其預測結果雖可能與實際情況有所出入，但可對未來進一步完善多井開采與回灌模擬預測提供寶貴經驗。為合理開發(fā)利用模擬區(qū)地下熱水資源提供依據。

地熱回灌井；溫度場；滲流場；數值模擬

西安市三橋地區(qū)地熱回灌井模擬區(qū)面積約25.99 km2，地面平均標高約400 m。為了預測該地區(qū)回灌井成井后在回灌條件下井區(qū)溫度場和滲流場的變化，合理開發(fā)利用模擬區(qū)地下熱水資源提供依據，建立了該地區(qū)地下熱水運移的三維非穩(wěn)定流數值模型來模擬回灌目的層(即藍田灞河組熱儲層)。該模型比較充分的考慮了水的密度隨溫度變化，水、巖之間的熱交換等與淺層常溫地下水不同的特點，能夠計算深層熱水系統(tǒng)水溫、水位在時間和空間上的變化。

1 初始溫度場和初始滲流場確定

1.1 初始溫度場的確定

回灌井目的區(qū)地熱井的測溫數據都是在非穩(wěn)定狀態(tài)下測得的，這些資料無一例外的不同程度的歪曲了地溫場溫度。為此只能利用比較可靠的、較穩(wěn)定的、較長時間抽放水試驗測得的井口水溫為基礎，求出平均地溫梯度(式1)

(1)

式中：實測溫度采用井口最大抽水量情況下的井口水溫，實測深度采用開采段中點深度代替實測深度，水溫損耗采用《西安地熱普查報告》資料0.377 ℃/100m，求出模擬區(qū)內地熱井平均地溫梯度的近似值(見表1)。

表1 模擬區(qū)內地熱井平均地溫梯度

利用式2計算得到各個地熱井在不同深度的溫度數據(見表2)，通過克里格查分得到模擬區(qū)地溫場(見圖1)。

圖1 藍田灞河組-1 700 m處初始溫度場

A深度溫度=平均地溫梯度×(A-20)/100+15

(2)

表2 模擬區(qū)內地熱井不同深度溫度 ℃

1.2 初始滲流場的確定

模擬區(qū)熱儲層水位測量數據少，此次模擬通過對各個地熱井靜水位的克里格差分基礎上得到初始滲流場(見圖2)。

圖2 藍田灞河組-1 700 m處初始滲流場

2 概念模型

根據模擬區(qū)的熱儲層結構，藍田灞河組頂板以上概化為一層，藍田灞河組概化為一層，考慮高陵群對目的層的影響，將高陵群概化為一層。各個地熱井井深按實際深度輸入，回灌井井深按揭穿藍田灞河組熱儲層計算，定為2 680 m。模型的四周邊界定為隔水隔熱邊界，底邊界定為定溫度邊界，模擬來自深部的大地熱流。

3 數學模型

3.1 滲流場場控制方程

對于溫度高且變化大的地下熱水，水的密度不是常數，與密度變化相依賴的地下水流的水量守恒方程可表示為：

(3)

1)滲流速度符合達西定律；

2)密度ρ是水的壓力P、溫度T及礦化度S的函數，即ρ=ρ(P，T，S)；

3)礦化度S不隨時間變化；

依照上述假設，方程(3)可以做下列推導：

(4)

引進比彈性給水度Ss：

(5)

就得到壓力場控制方程：

(6)

其中Ki代表滲透率張量，[m2]。

3.2 溫度場控制方程

地下熱水系中的能量守恒方程可表示為

(7)

式中：h為水的內能，[JM-1] ；D為熱擴散系數，[JL-1T-1oC-1] ；hQ為源匯的熱能，[JM-1] ；T為水的溫度，[℃] ；ks為水巖之間的熱交換系數，[JL-3T-1oC-1] ；

式(7)中等號右端第三項表示水與巖之間的熱交換系數，當Ts>T時，水被巖石加熱，反之，水的溫度降低。

由式(3)-(7)即構成了模擬區(qū)地下熱水運移的三維數學模型。

4 初始參數確定

根據以往的抽水試驗資料，藍田灞河組的滲透系數可以通過經驗公式(式8、9)經過多次迭代的方式得到。最終得到模擬區(qū)藍田灞河組滲透系數為0.012 m/h，高陵群滲透系數按藍田灞河滲透系數的1/3計算得0.004 m/h。

(8)

(9)

式中：K為代表滲透系數，LT-1；Q為水量，L3T-1；R為影響半徑，L；Sw為水位降深，L；rw為井有效半徑，L；

模擬區(qū)的藍田灞河組、高陵群的巖石熱物理性質采用《西安地熱普查報告》資料。(見表3)

表3 熱儲層巖石物理性質

5 回灌后水位、水量預測

在不開采情況下模擬了回灌水溫43℃和18℃以及回灌量50 m3/h和80 m3/h四種情況下連續(xù)回灌的情況，通過模擬計算，得到第五年末的滲流場和溫度場如圖3～圖6。

圖3 回灌水水溫43℃、回灌量50 m3/h第五年-1 700 m溫度場和滲流場(m)圖

從第五年末的模擬結果來看，目的層的地熱回灌在四種不同的回灌條件下，對同一熱儲層的影響局限于0.8 km范圍之內，實施回灌五年后，回灌目的層滲流場的變化是顯著的，以模擬區(qū)的四口地熱井井為例，在不開采情況下，按水量80 m3/h、水溫43℃連續(xù)回灌，第五年末，上天臺大酒店地熱井的水位抬升了約7 m，秦阿房宮地熱井水位抬升了約9 m，豐盛園地熱井水位抬升了約5.2 m，武警學院地熱井水位抬升了約0.5 m。

從第五年末的模擬結果可以看到，以水量50 m3/h回灌，水溫18℃的和水溫43℃的回灌結果相比，滲流場基本相似，溫度場差別較大，水溫18℃時的回灌中心的溫度要明顯低于水溫43℃時回灌中心的溫度。以水量80 m3/h回灌，不同回灌溫度下的回灌結果與上述條件下類似。

圖4 回灌水水溫18℃、回灌量50 m3/h第五年-1 700 m溫度場和滲流場(m)圖

圖5 回灌水水溫43℃、回灌量80 m3/h第五年-1 700 m溫度場和滲流場(m)圖

圖6 回灌水水溫18℃、回灌量80 m3/h第五年-1 700 m溫度場和滲流場(m)圖

同溫度，不同水量回灌條件下，以水溫43℃回灌，水量50 m3/h和水量80 m3/h的回灌結果相比，50 m3/h要比水量80 m3/h時的回灌中心區(qū)域附近水溫普遍高2℃～3℃，回灌中心區(qū)域附近水位則普遍低8～10 m。

6 結語

受資料限制，加之回灌采用同層回灌方式，本次回灌模擬預測只對水位、水溫的變化情況進行了預測，其水質變化不是主要問題。由于三維流模型對野外觀測數據要求較高，而實際的資料獲取又比較困難，加之模擬區(qū)網格剖分過粗，從而對結果的精度會有一定影響，因而這項研究工作僅僅是初步的，更深入細致的研究工作有待于今后繼續(xù)進行。本次預測由于屬單井回灌模擬，受實際開采條件限制，其預測結果可能與實際情況有所出入；今后有待進一步做深入研究，完善多井開采與回灌模擬預測。

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Geothermal recharge well numerical simulation research of the Sanqiao in Xi’an

CHEN Jian-bing ZHANG Bin

(Shanxi engineering investigation institute,Xi’an 710068,China)

the simulation area of Xi 'an Sanqiao area geothermal recharge well area is about 25.99 km2, The average elevation of ground is about 400 m.To predict the change of temperature field and seepage field under Recharge condition when recharge well is established, Analysis the geothermal resources around the geothermal injection Wells . Provide the basis to reasonable development and utilization of the underground hot water resources, Establish the three-dimensional numerical model of geothermal recharge well temperature field and seepage field, Based on the initial temperature field and seepage field are determined, Simulation irrigation water temperature in 43℃ and 18℃ and the recharge amount in 50 m3/h and 80 m3/h Under the condition of not mining, Through the simulation calculation, Get the seepage field and temperature field at the end of the fifth year. From the perspective of simulation results at the end of the fifth, Purpose of geothermal injection in four different injection conditions, the impact on the same heat reservoir limited to the range of 0.8 km, after five years implementation of injection, Purpose of geothermal injection the impact on the same heat reservoir limited to the range of 0.8 km. The change of seepage field is significant in recharge purpose layer. The forecast belong to Single well injection simulation, restricted by the actual mining conditions ,it may have some difference with the actual situation, but it provide valuable experience to improve the multiple well production and injection simulation prediction.

Geothermal recharge well；The temperature field；Seepage field；The numerical simulation

2016-12-15

陳建兵(1974-)，男，陜西扶風人，高級工程師，主要從事地熱資源和地質災害等方面勘察及研究工作。

P314.1

A

1004-1184(2017)02-0021-03