孫彭光(中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司新能源研究院，北京 100083)

河北省大名地?zé)崽镂挥诓澈吵练e盆地中臨清坳陷，三級(jí)構(gòu)造單元館陶斷凸、邱縣斷凹、臨漳斷凸和元村集斷凹的交界處。根據(jù)物探、鉆探資料，區(qū)域上褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，地層整體呈北東向，通過地震勘查大名縣區(qū)域西部斷層發(fā)育為滄州-大名深斷裂，南部斷層發(fā)育為臨漳-魏縣隱伏大斷裂。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層資料、鉆孔揭露情況，地層發(fā)育較全，由下至上依次為下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系及新生界第三系、第四系。第四系底界埋深400～600m，明化鎮(zhèn)組底界埋深1000～1300m，館陶組底界埋深1400～1800m左右。

大名地?zé)崽锩娣e約為255km2，地溫梯度一般在3.3～3.7℃/100m，明化鎮(zhèn)組埋深在450～1100m,水溫約32℃；館陶組埋深在700～1700m，水溫52～56℃，水量60～80m3/h，水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Na型水,礦化度約1.8g/L。新近系館陶組是大名縣最重要的熱水儲(chǔ)層。目前，大名中心城區(qū)目前有55口私人地?zé)峋?，供暖取水層均為館陶組砂巖，井網(wǎng)雜亂無章，無統(tǒng)一科學(xué)規(guī)劃部署，大部分井間距布局不合理(間距小于200m)，采水相互干擾。為此,筆者根據(jù)大名地?zé)崽镳^陶組的構(gòu)造形態(tài)和儲(chǔ)層分布規(guī)律，建立了地質(zhì)概念模型，并利用地質(zhì)概念模型對(duì)地?zé)崽镩_發(fā)常用3種井網(wǎng)“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

1 地質(zhì)概念模型

圖1 地質(zhì)概念模型

根據(jù)大名地?zé)崽镳^陶組的構(gòu)造形態(tài)和儲(chǔ)層分布規(guī)律，建立地?zé)崽锏刭|(zhì)概念模型，如圖1所示。模型熱儲(chǔ)層平均厚度為550m，熱儲(chǔ)孔隙度為22%，彈性釋水系數(shù)為12.5×10-4，熱儲(chǔ)層滲透率為1263mD，地?zé)峋畯綖?41.3mm，地?zé)岵販囟忍荻葹?.94℃/100m，平均地層壓力為17.0MPa。研究區(qū)蓋層為明化鎮(zhèn)組及第四系，明化鎮(zhèn)組下部主要為淺棕紅色泥巖夾棕黃色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及灰綠色粉砂巖，第四系平原組以松散黃色泥砂巖為主，其滲透性較差、熱導(dǎo)率較低，是良好的隔水隔熱頂板。館陶組熱儲(chǔ)層的底板為為十幾米到幾十米厚的砂礫巖，具有良好的分隔作用。

建模采用Schlumberger的Petrel建模軟件,將明化鎮(zhèn)組至第四系作為蓋層，館陶組熱儲(chǔ)層作為模擬層，模型范圍內(nèi)館陶組頂面埋深在700～900m，熱儲(chǔ)厚度在500～700m。進(jìn)行儲(chǔ)層三維建模時(shí),在三維構(gòu)造背景上對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行三維網(wǎng)格化,將實(shí)際的地質(zhì)體按X、Y、Z方向劃分成序列網(wǎng)格。在地?zé)崽飳?shí)際地質(zhì)情況下,平面上網(wǎng)格設(shè)置為200m×200m,縱向上則以館陶組單砂體為模擬單元，Z方向網(wǎng)格設(shè)計(jì)為50m，在計(jì)算精度高的區(qū)域進(jìn)行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)為100749個(gè)。

在構(gòu)造網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，模擬砂體在空間上的三維分布。儲(chǔ)層巖性主要包括砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等。建模只考慮砂巖、泥巖2種骨架，砂體主要發(fā)育分流河道、河口壩等微相,而泛濫平原、河道間等沉積微相則以泥巖沉積為主,館陶組中部砂體分布穩(wěn)定性和連續(xù)性好。巖相控制約束建模使得地?zé)崽锟紫抖群蜐B透率較高的地方主要與沉積微相中的分流河道、灘壩和灘砂等沉積微相對(duì)應(yīng),能夠真實(shí)地反映各小層砂體連通及演化特征，模擬的結(jié)果符合地質(zhì)規(guī)律和地質(zhì)研究成果，如圖2～圖5所示。

圖4 滲透率模型 圖5 溫度場(chǎng)模型

2 井網(wǎng)模擬

模擬應(yīng)用OpenGeoSys軟件。OpenGeoSys軟件是由德國亥姆霍茲研究院開發(fā)的水熱耦合數(shù)值模型，其基本原理是面向?qū)ο蟮挠邢拊椒ǎ軌蚰M多孔和斷裂介質(zhì)中的單個(gè)或耦合的熱學(xué)-水力學(xué)-力學(xué)-化學(xué)過程，在地?zé)犷I(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的潛力。影響砂巖熱儲(chǔ)層開發(fā)的因素很多，主要是流體流動(dòng)、儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件等。水熱型地?zé)崽镩_發(fā)中耦合問題的主要變量是壓力傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)和流動(dòng)流體3個(gè)變量。

針對(duì)大名地?zé)崽镳^陶組的地質(zhì)特征和開發(fā)特點(diǎn)，重點(diǎn)模擬溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化。研究中模型的基本控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

表1 大名地?zé)崽餆醿?chǔ)層參數(shù)

式中，φ為巖石孔隙度,%；ρf為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為流動(dòng)速度，m/s；qf為生產(chǎn)/注入井的流量,m3/s；ρr為巖石密度，kg/m3；cr為巖石的比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，K；λr為巖石熱導(dǎo)率，W/(m·K)；qh為生產(chǎn)/注入井的熱量，W/m3；σ為柯西應(yīng)力張量。

方程(1)為多孔介質(zhì)中熱流體滲流方程，方程(2)為熱傳導(dǎo)方程，可模擬計(jì)算溫度場(chǎng)的變化,方程(3)為巖石力學(xué)變形平衡方程。

方程(1)通過熱對(duì)流項(xiàng)ρfcfufs·T耦合到方程(2)中得到：

(4)

同時(shí)，溫度場(chǎng)的變化反過來影響地?zé)崃黧w性質(zhì)，如流體密度ρf和粘性μ：

ρf=f1(T)

(5)

μ=f2(T)

(6)

流動(dòng)速度u是由多孔介質(zhì)的變形速率us和流體流動(dòng)與多孔介質(zhì)之間的相對(duì)速度ufs組成：

u=us+ufs

(7)

(8)

式中，k為滲透率，mD;g為重力加速度，9.8m/s2，p為流體壓力，Pa；z為深度，m。

根據(jù)巖石-流體耦合理論中的孔隙介質(zhì)力學(xué)，考慮巖石應(yīng)變速率，將方程(1)中的熱流體流動(dòng)速度u耦合到方程(3)中并擴(kuò)展變形得：

(9)

基于有限元方法進(jìn)行空間離散化計(jì)算，基于有限差分方法進(jìn)行時(shí)間離散化，運(yùn)用牛頓迭代法求解每個(gè)時(shí)間步長的非線性和水熱耦合模型的計(jì)算。地?zé)崽餆醿?chǔ)層模擬參數(shù)表如表1所示。

圖6 “一采一灌”壓力場(chǎng)模擬

圖7 “一采一灌”溫度場(chǎng)模擬

圖8 “二采一灌”壓力場(chǎng)模擬

圖9 “二采一灌”溫度場(chǎng)模擬

圖10 “三采二灌”壓力場(chǎng)模擬

圖11 “三采二灌”溫度場(chǎng)模擬

假設(shè)地下供水半徑無限大，地?zé)峋克疁?6℃，回灌井回灌溫度20℃，熱儲(chǔ)層厚度為550m，地?zé)峋畲笏唤瞪?0m，單井穩(wěn)定涌水量100m3/h，回灌量100m3/h，一個(gè)供暖周期內(nèi)供暖120d，剩余時(shí)間恢復(fù)水位和地層熱量，計(jì)算當(dāng)供暖時(shí)間為30年時(shí)不同采灌井距間的冷鋒推進(jìn)前緣位置。利用大名地?zé)崽锏刭|(zhì)概念模型對(duì)常用3種井網(wǎng)模擬，3種井網(wǎng)(“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的模擬結(jié)果如圖6～圖11所示。當(dāng)井網(wǎng)為“一采一灌”時(shí)，200m采灌井距溫度場(chǎng)沿回灌井向開采井舌進(jìn)，方向性明顯，冷鋒前緣快速到達(dá)開采井。當(dāng)井網(wǎng)為“二采一灌”時(shí)，600m井距時(shí)井底壓力下降明顯，開采井供液能力不足。當(dāng)井網(wǎng)為“三采二灌”時(shí)，400m井距溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)均保持穩(wěn)定，參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于600m井距。

地?zé)峋谒疁睾偷貙訅毫﹄S時(shí)間變化關(guān)系如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可以看出，200m采灌井距時(shí)，回灌水過快地到達(dá)開采井，30年項(xiàng)目周期內(nèi)冷鋒前緣已經(jīng)到達(dá)地?zé)峋?，回灌井向開采井方向的熱突破明顯，引起熱儲(chǔ)冷卻，熱儲(chǔ)巖石溫度降低，將造成地?zé)嵘a(chǎn)井水溫?cái)嘌率降南陆?，開采井喪失供暖能力；當(dāng)采灌井距大于200m，30年供暖周期內(nèi)冷鋒前緣不會(huì)到達(dá)地?zé)峋?；?dāng)采灌井距為600m，開采井壓降漏斗半徑大，熱儲(chǔ)壓力下降，造成局部補(bǔ)給與開采失去平衡，熱儲(chǔ)壓力會(huì)持續(xù)降低，使地?zé)崽锏纳a(chǎn)能力降低，甚至喪失生產(chǎn)能力和引起地面沉降。

綜合壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)2個(gè)方面對(duì)地?zé)衢_發(fā)的影響，當(dāng)單井穩(wěn)定涌水量100m3/h，回灌水溫20℃，回灌量100m3/h時(shí)，最佳采灌井距為400m。

3 結(jié)論

1)根據(jù)大名地?zé)崽锏臉?gòu)造形態(tài)和儲(chǔ)層分布規(guī)律，建立了地?zé)崽镳^陶組概念地質(zhì)模型、構(gòu)造模型、屬性(孔隙度和滲透率)模型和溫度場(chǎng)模型。從儲(chǔ)層物性的三維空間展布看，孔隙度和滲透率較高的部位與河床亞相對(duì)應(yīng)，符合地質(zhì)規(guī)律和地質(zhì)研究成果。

圖12 溫度變化曲線圖 13 地層壓力變化曲線

2)采用OpnGeoSys軟件對(duì)常用3種井網(wǎng)(“一采一灌”、“二采一灌”和“三采二灌”)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并計(jì)算了供暖時(shí)間30年時(shí)不同采灌井距間的冷鋒推進(jìn)前緣位置和地?zé)峋谒疁刈兓P(guān)系。該方法可以提高井網(wǎng)部署的科學(xué)性及準(zhǔn)確性，在地?zé)犷I(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的潛力。

3)以開采井水溫水量保持穩(wěn)定為標(biāo)準(zhǔn)，確定最佳采灌井距為400m。

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