董月霞，黃紅祥，任路，李洪達(dá)，杜志強(qiáng)，鄂俊杰，王琦，張曉明

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司咨詢中心，北京 100724；2.中國(guó)石油冀東油田公司，河北唐山 063004）

0 引言

地?zé)崮苁且环N綠色、低碳、可循環(huán)利用的清潔能源，具有儲(chǔ)量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[1-4]。中國(guó)地?zé)豳Y源十分豐富[5-9]，供暖市場(chǎng)潛力巨大，國(guó)家《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[2]明確“十三五”期間中國(guó)將新增地?zé)崮芄┡娣e11×108m2。截至2015年全國(guó)地?zé)崮芄┡娣e僅為3.92×108m2，其中以地源熱泵開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮芄┡癁橹鱗10-11]，中深層水熱型地?zé)崮芄┡形葱纬梢?guī)模。河北省平原地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)采用“只采不補(bǔ)”的方式，造成地下水位持續(xù)下降，嚴(yán)重影響了地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用[12]。雄縣地區(qū)開(kāi)采薊縣系霧迷山組大型巖溶熱儲(chǔ)供暖，2004—2012年年均水位下降5 m。近年來(lái)水熱型地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)逐步由粗放式的“亂采亂排”轉(zhuǎn)變?yōu)椴晒嗑獾摹叭岵蝗∷钡目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)模式[3]。巖溶裂隙熱儲(chǔ)回灌技術(shù)在華北雄安地區(qū)得到了規(guī)模應(yīng)用，而砂巖孔隙型熱儲(chǔ)國(guó)內(nèi)尚無(wú)規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3,13]，規(guī)?；┡狈Τ晒Π咐?。采灌均衡的地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)將是未來(lái)京津冀地區(qū)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用攻關(guān)的主要目標(biāo)[3,14]。筆者利用多年油氣勘探獲得的地質(zhì)資料與技術(shù)積累，結(jié)合當(dāng)?shù)毓┡袌?chǎng)需求，優(yōu)選高尚堡—柳贊熱田開(kāi)展砂巖孔隙型熱儲(chǔ)地?zé)嵋?guī)模供暖試驗(yàn)，探索地?zé)崽镔Y源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)目標(biāo)選區(qū)、孔隙型砂巖熱儲(chǔ)模擬與評(píng)價(jià)、砂巖熱儲(chǔ)同層采灌均衡技術(shù)、分散式采灌開(kāi)采方案優(yōu)化等大型砂巖熱儲(chǔ)供暖開(kāi)發(fā)利用配套技術(shù)，為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南堡凹陷地理位置上位于華北平原北部，構(gòu)造上位于渤海灣裂谷盆地中北部，北依燕山臺(tái)褶帶南緣，是在華北地臺(tái)基底上經(jīng)中生代、新生代裂陷作用形成的北斷南超單斷脊?fàn)畎枷?，面積約2 000 km2。南堡凹陷及周邊地區(qū)可劃分為拾場(chǎng)次凹、林雀次凹和曹妃甸次凹等 3個(gè)次凹和柏各莊凸起、馬頭營(yíng)凸起和老王莊凸起等3個(gè)凸起（見(jiàn)圖1）。燕山運(yùn)動(dòng)晚期—喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期，在中國(guó)東部由北西向擠壓變?yōu)楸蔽飨蚶瓘垬?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景下，南堡凹陷及周邊地區(qū)構(gòu)造變形受郯廬走滑斷裂帶、張家口—蓬萊走滑斷裂帶多重影響，多期地質(zhì)活動(dòng)形成一系列北東向斷裂，為地?zé)醾鲗?dǎo)起到良好的溝通作用，南堡凹陷第三系發(fā)育良好沉積蓋層為地?zé)崽锏男纬商峁┝吮憷麠l件[5,15-16]。

圖1 南堡凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐峙c地?zé)岙惓Х植紙D

1.1 區(qū)域熱背景

地?zé)岙惓б话愠霈F(xiàn)在各大板塊的邊緣，熱源與板塊擴(kuò)張或消亡有明顯關(guān)系，不同的構(gòu)造演化造成了不同類型沉積盆地地?zé)岜尘暗牟町怺17-18]。渤海灣盆地屬于西太平洋弧后裂谷盆地[19-20]，地幔物質(zhì)上涌[21]，深部熱巖漿、熱液沿大斷裂噴溢至地表淺處，引起高熱流值，裂谷邊界斷層附近高熱流異常更明顯。渤海灣盆地處于中國(guó)東部地殼厚度較薄的上地幔隆起區(qū)，整體為一個(gè)復(fù)雜的大地?zé)崽?。南堡凹陷新生代以?lái)經(jīng)歷了 4期裂陷演化，每一期裂陷均伴隨著巖漿熱事件[12-13]，盡管新近紀(jì)末期熱活動(dòng)結(jié)束，但仍保留前期存留下來(lái)的較高的熱背景[22]。南堡凹陷現(xiàn)今大地?zé)崃髦禐?93.8～100.1 mW/m2，與河北雄縣（大地?zé)崃髦?113.9 mW/m2）、天津大港（大地?zé)崃髦?105.9 mW/m2）基本相當(dāng)。馬頭營(yíng)凸起大地?zé)崃髦迪鄬?duì)較高，為148.9 mW/m2[23-24]。熱流分布呈現(xiàn)“凸起高、凹陷低”的特征。凹陷區(qū)高尚堡—柳贊、南堡等熱田館陶組水溫大部分低于90 ℃，屬于中低溫?zé)崽?；靠近凹陷邊界斷裂的柏各莊、馬頭營(yíng)凸起地區(qū)館陶組發(fā)現(xiàn)了高于100 ℃的中高溫?zé)崽铩?/p>

1.2 地層特征

南堡凹陷為發(fā)育在中古生界基底之上的第三系沉積湖盆，沉積充填主要為前第三系（古生界、中生界）、古近系沙河街組和東營(yíng)組，以及新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，第三系最大沉積厚度8 000 m。新近紀(jì)以來(lái)渤海灣盆地拗陷成統(tǒng)一盆地，本區(qū)新近系的沉積特征與渤海灣盆地其他地區(qū)基本類似，館陶組由周邊凸起向凹陷內(nèi)部逐漸變厚，其中林雀次凹至曹妃甸次凹厚度最大。館陶組以辮狀河沉積為主，主要為辮狀河道沉積和河道間沉積，含砂率在 60%～70%，館陶組平均厚度300～900 m，館陶組累計(jì)熱儲(chǔ)厚度120～300 m。巖性由灰白色塊狀砂巖、砂礫巖、基性火山巖夾薄層灰色、雜色泥巖組成[5]（見(jiàn)圖2）。

圖2 高尚堡—柳贊熱田綜合柱狀圖

2 地溫場(chǎng)分布特征及影響因素

2.1 地溫場(chǎng)分布特征

沉積盆地型地?zé)豳Y源大部分屬于中低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源[8]。南堡凹陷特殊的地理位置及第三紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷的熱事件決定了其特殊的地溫場(chǎng)背景。與凹陷凸凹相間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，地溫場(chǎng)變化呈現(xiàn)出“高低相間、帶狀分布”[25-27]的特征，高地溫及高地溫梯度區(qū)與基底隆起和凸起區(qū)相吻合[28]。高地溫場(chǎng)延伸方向與主要構(gòu)造帶走向和深大斷裂走向基本一致，以近東西向和北東向?yàn)橹??；鶐r隆起區(qū)地溫梯度相對(duì)較高，鉆探證實(shí)新生界蓋層底部地溫梯度大于5.0 ℃/100 m，最高可達(dá)8.3 ℃/100 m；凹陷區(qū)新生界蓋層底部地溫梯度相對(duì)偏低，地溫梯度一般在3.0～4.0 ℃/100 m。按地溫梯度大于3.0 ℃/100 m的標(biāo)準(zhǔn)，南堡凹陷及周邊地區(qū)共發(fā)育5個(gè)地?zé)岙惓Вㄒ?jiàn)圖3、表1），疊合面積約2 160 km2。

圖3 南堡凹陷及周邊地區(qū)地溫梯度等值線與地?zé)岙惓／B合圖

表1 南堡凹陷及周邊地區(qū)地?zé)岙惓?shù)表

高尚堡—柳贊熱田位于拾場(chǎng)次凹與馬頭營(yíng)基巖隆起區(qū)之間、緊鄰凹陷二級(jí)斷裂高柳斷層，地溫梯度為3.5～4.0 ℃/100 m。地?zé)豳Y源優(yōu)越、儲(chǔ)量大，對(duì)應(yīng)地面區(qū)域?yàn)椴苠樾鲁牵嵝枨蠹?、用熱量大?/p>

2.2 地溫場(chǎng)影響因素

受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂活動(dòng)、巖漿活動(dòng)、地層特征、地下水運(yùn)動(dòng)、巖性等因素影響[24,29]，南堡凹陷地溫場(chǎng)分布主要與區(qū)域熱背景、裂陷期斷裂、蓋層巖性及厚度等因素密切相關(guān)。

2.2.1 區(qū)域熱背景

中國(guó)東部中新生代盆地的形成演化過(guò)程與巖石圈減薄決定了中國(guó)東部地?zé)崽锏膮^(qū)域熱背景[24,30-31]。渤海灣裂谷系是西太平洋弧后裂谷盆地的一個(gè)典型，渤海灣盆地雖然經(jīng)歷了中、新生代復(fù)雜的構(gòu)造-熱演化過(guò)程，但地球物理資料顯示其莫霍面至今保持相對(duì)平坦，地殼厚度平均在34～36 km[32-34]。南堡凹陷同裂陷期巖漿熱活動(dòng)痕跡證實(shí)其屬于內(nèi)裂谷盆地的演化模式，巖石圈減薄[12-13,27,30]，控制了地溫場(chǎng)的分布。裂谷初期地殼減薄，地幔物質(zhì)上涌，深部熱能沿著深大斷裂噴溢地表或帶到地表淺處，導(dǎo)致地表高熱流值，裂谷區(qū)邊界斷層附近熱流值呈現(xiàn)高異常。裂谷后期巖漿上涌減弱、消失，盆地地表熱流值逐漸降低，但仍保留前期殘留下來(lái)的較高的熱背景[27,30]，使盆地現(xiàn)今地表熱流值仍較高[21-22,24,30]。渤海灣盆地平均熱流值為（64.4±8.1）mW/m2[28]，高于中國(guó)大陸平均熱流值（60 mW/m2）。東部的濟(jì)陽(yáng)、渤中和遼河坳陷熱流值相對(duì)較高，為60～80 mW/m2，向西熱流值逐漸降低，中部的黃驊坳陷熱流值主要為60～70 mW/m2，西部的冀中和臨清坳陷熱流值偏低，為55～65 mW/m2[20,35]。盆地內(nèi)在凸凹相間的構(gòu)造格局下，因基巖熱導(dǎo)率高于沉積蓋層，凹陷內(nèi)潛山低隆起及凸起區(qū)呈現(xiàn)地?zé)岣弋惓36]。

2.2.2 裂陷期斷裂

深大斷裂是深部熱能上傳到地表淺處的關(guān)鍵路徑之一，裂陷期發(fā)育的邊界斷裂或凹陷內(nèi)二級(jí)斷裂是深層熱能向淺部運(yùn)移的主要通道。由于斷裂的通道作用有利于熱的傳導(dǎo)和對(duì)流，使地溫增高，地?zé)岙惓С３０l(fā)育在裂陷期斷層附近，在凹陷區(qū)低地溫梯度背景下形成局部地?zé)岣弋惓А?/p>

2.2.3 蓋層巖性及厚度

新生界覆蓋于基巖之上，砂、泥巖熱導(dǎo)率低于基巖熱導(dǎo)率[37]，其厚度越大，阻止地?zé)嵯蛏蟼鲗?dǎo)的能力就越強(qiáng)，因此淺部地?zé)岣弋惓е饕植荚诘谌瞪w層相對(duì)較薄的區(qū)域[38-40]，蓋層地溫梯度的大小與基巖頂面埋深有關(guān)。

2.3 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ?/h3>

高尚堡—柳贊熱田位于南堡凹陷拾場(chǎng)次凹，地?zé)岣弋惓а囟?jí)斷裂高柳斷層兩側(cè)分布。其上覆第三系厚度為4 000～4 800 m。主力熱儲(chǔ)館陶組上覆第四系及新近系明化鎮(zhèn)組地層厚度為1 800～2 200 m。

高尚堡—柳贊熱田屬于沉積凹陷水熱型熱田，其熱成因模式可概括為正常大地增溫疊加放射性元素共同生熱[25,36]（見(jiàn)圖4）。垂向上，地下深部的熱能通過(guò)上覆沉積地層或深斷裂向上傳導(dǎo)，對(duì)地層進(jìn)行加熱，大氣降水經(jīng)過(guò)深循環(huán)吸取圍巖熱量并與圍巖發(fā)生水-巖相互作用，同位素組成、水化學(xué)成分發(fā)生改變，形成較高溫度的熱水。西南莊斷層、柏各莊斷層以及高柳斷層均為地下水運(yùn)移通道。側(cè)向上，馬頭營(yíng)凸起新近系熱儲(chǔ)直接覆蓋于太古宇花崗巖之上，花崗巖巖體內(nèi)放射性生熱作為附加熱源，形成高地溫異常帶[41]?；◢弾r中富含U、Th、K等放射性元素，放射性蛻變將質(zhì)量轉(zhuǎn)變成輻射能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成鄰近環(huán)境中的熱能[42]。這也是老爺廟—高尚堡—柳贊地?zé)岙惓?、馬頭營(yíng)地?zé)岙惓纬傻脑蛑弧?/p>

圖4 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ剑ㄆ拭嫖恢靡?jiàn)圖1）

3 熱儲(chǔ)特征

3.1 巖石學(xué)特征

油氣勘探中將館陶組分為 4段，供暖采水層選取館Ⅰ—館Ⅲ段，熱儲(chǔ)厚度大，連通性好。巖心觀察與薄片鑒定顯示，高尚堡—柳贊熱田館陶組采水層熱儲(chǔ)為辮狀河相沉積，主要發(fā)育礫質(zhì)河道沉積，巖性較粗，分選中—好，次棱—次圓狀，顆粒支撐，點(diǎn)接觸。巖石類型以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖。陸源碎屑顆粒中，石英含量為23%～32%，平均30%；長(zhǎng)石含量30%～35%，平均32%；巖屑含量33%～46%，平均41%。長(zhǎng)石、巖屑含量超過(guò) 70%，儲(chǔ)集層砂巖成分成熟度低。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)熱儲(chǔ)孔隙度為 28%～35%，平均 30%；滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，平均 1 500×10-3μm2，屬于高孔—特高孔、高滲—特高滲儲(chǔ)集層。自然產(chǎn)能條件下，米產(chǎn)液能力最高能達(dá)到100 m3/d以上。

館陶組主要發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、顆粒碎裂隙、鑄?？椎?，粒間孔是主要儲(chǔ)集空間，約占 70%。接觸-孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物含量 1%～3%，雜基泥含量不超過(guò) 1%，黏土含量不超過(guò) 1%；黏土礦物總含量2.0%～4.7%，其中高嶺石占 17%～25%，綠泥石占29%～54%，伊利石占 6%～16%，蒙皂石占 25%～36%。儲(chǔ)集層巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低。具有無(wú)—弱速敏、無(wú)酸敏、極強(qiáng)鹽敏、弱—極強(qiáng)水敏特征。

3.3 地?zé)崴瘜W(xué)性質(zhì)

新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組以中—細(xì)砂巖和砂礫巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)具有區(qū)域連續(xù)、穩(wěn)定分布的特性，受沉積特征影響，其同生水基本是礦化度較低的淡水。由于第三系與第四系之間的沉積間斷，該含水系統(tǒng)受淋濾水影響，地下水交替強(qiáng)烈，形成低礦化度、強(qiáng)交替的水化學(xué)特征，礦化度在1.1～2.8 g/L，德國(guó)度小于8.4，屬于極軟水—軟水，有利于地?zé)豳Y源的開(kāi)采及利用。館陶組水質(zhì)較好，無(wú)異臭、異味，Na+含量324.36～394.23 mg/L，HCO3-含量 502.28～608.54 mg/L，Cl-含量 99.25～152.22 mg/L，按照舒卡列夫分類法為HCO3·Cl-Na型水（見(jiàn)表2）。

表2 高尚堡—柳贊地?zé)崽镳^陶組地下水礦化度與離子濃度

4 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)應(yīng)以地?zé)岬刭|(zhì)勘查資料為依據(jù)，在綜合分析熱儲(chǔ)的空間分布、邊界條件和滲透特征，研究地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和運(yùn)移規(guī)律，研究地?zé)岬某梢?、熱傳?dǎo)方式、地溫場(chǎng)特征，并建立地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

4.1 三維地質(zhì)模型建立

三維地質(zhì)模型能夠直觀地表現(xiàn)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的空間分布形態(tài)以及它們之間的相互關(guān)系。本文以地球物理和鉆井資料為基礎(chǔ)，充分考慮研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造背景，明確研究區(qū)斷裂成因演化過(guò)程，重新梳理斷裂體系特征與斷裂組合形式，從而明確斷裂的平面和垂向組合關(guān)系。再根據(jù)解釋層面和斷層模型建立地層框架，從而建立時(shí)間域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

在充分描述構(gòu)造情況之后，對(duì)儲(chǔ)集層屬性分布進(jìn)行描述，構(gòu)建沉積相模型。本文采用確定性與隨機(jī)性“二元”建模+數(shù)據(jù)約束的建模方案，建立儲(chǔ)集層巖相模型。

4.2 地?zé)豳Y源量計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)熱儲(chǔ)介質(zhì)特征，采用傳統(tǒng)熱儲(chǔ)體積法對(duì)高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法計(jì)算某一地區(qū)巖體和水中所含全部熱量，即地?zé)崮艿姆e存量，其公式為：

熱水資源量的計(jì)算公式為：

計(jì)算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)如表3所示。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，館陶組砂巖孔隙型熱儲(chǔ)熱能采出率取 25%，熱水采出率取 20%。高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 4.70×108t，取采出率為 25%，則可采熱儲(chǔ)存量為 3.45×1018J；熱水資源量為231.6×108m3，可采熱水資源量為46.3×108m3（見(jiàn)表4）。

表3 計(jì)算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)

表4 高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲(chǔ)資源量統(tǒng)計(jì)表

5 曹妃甸地?zé)崮芄┡瘜?shí)踐

5.1 同層采灌均衡技術(shù)

采用采灌均衡技術(shù)開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源是一種“取熱不取水”的方式。同層采灌均衡技術(shù)將地下熱水采出進(jìn)行熱值萃取后再次回注到與開(kāi)采熱儲(chǔ)相同的熱儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)，在這個(gè)過(guò)程中地下水作為地?zé)崮艿妮d體，在不斷循環(huán)過(guò)程中反復(fù)使用。使用同層采灌均衡技術(shù)可以保證地下水系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定，保持開(kāi)采井中的壓力、水量，有利于地?zé)豳Y源的長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定開(kāi)發(fā)。目前，中國(guó)針對(duì)砂巖熱儲(chǔ)在遼河油田、陜西咸陽(yáng)等地進(jìn)行了一些技術(shù)探索，但目前尚無(wú)規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3]。主要制約因素有兩個(gè)方面，一方面是采灌工程問(wèn)題，包括：①回灌水中含有的顆粒碎屑成分堆積在濾水管孔處堵塞濾水管，引起熱儲(chǔ)物理堵塞；②回灌水中的有機(jī)物或溶解物等在回灌過(guò)程中易與地層水、巖石骨架、黏土礦物等發(fā)生作用，產(chǎn)生阻塞，無(wú)法實(shí)施長(zhǎng)期連續(xù)回灌，且距井軸越近，阻塞程度越大，滲透系數(shù)值越小，越難于回灌；③熱交換處理后的尾水因溫度改變使水化學(xué)成分發(fā)生變化，導(dǎo)致熱儲(chǔ)化學(xué)堵塞。實(shí)際供暖項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，為了降低建設(shè)成本，不但要解決砂巖熱儲(chǔ)采出水回灌的難題，還必須滿足無(wú)壓回灌的要求。另一方面是采灌方案的優(yōu)選問(wèn)題，包括：①地下地質(zhì)條件是否適合開(kāi)展同層同步采灌；②地下水系統(tǒng)、地溫場(chǎng)在局部采灌狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)變化及開(kāi)發(fā)可持續(xù)性。

為解決館陶組砂巖熱儲(chǔ)生產(chǎn)性回灌的難題，探索館陶組熱儲(chǔ)同層采灌的地質(zhì)和工程可行性，在研究區(qū)優(yōu)選了兩口廢棄油井改造成抽水井和回灌井開(kāi)展同層采灌試驗(yàn)。兩口井位于曹妃甸供暖項(xiàng)目西南約1 km處，兩口井井口相距約250 m，井底相距380 m，取水和回灌層位均為館陶組，埋深2 050～2 150 m。G129×2井作為主抽水井，套管內(nèi)徑 224.44 mm，射開(kāi)熱儲(chǔ) 6層91.6 m，抽水流量可穩(wěn)定在95 m3/h，井口溫度75 ℃，井底溫度 78 ℃。G149×1井作為回灌井，套管內(nèi)徑121.36 mm，射開(kāi)館陶組熱儲(chǔ)7層90.4 m（與G129×2井對(duì)應(yīng)層位）進(jìn)行階梯升排量回灌試驗(yàn)，最大回灌量80.08 m3/h，累計(jì)回灌量14 250 m3，井口壓力0.71 MPa（見(jiàn)圖5）。

圖5 G149×1井回灌試驗(yàn)流量、井口壓力與溫度曲線圖

為有效避免回灌水受空氣中氧氣影響，降低鐵質(zhì)、鈣質(zhì)鹽類氧化生成沉淀及鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、排硫桿菌、脫氮硫桿菌等而產(chǎn)生阻塞，在回灌過(guò)程中采用氮?dú)鈱⒊樗突毓嗑M(jìn)行密封，并在回灌系統(tǒng)中針對(duì)試驗(yàn)區(qū)儲(chǔ)集層特性增加了回灌過(guò)濾設(shè)備。回灌過(guò)程中周圍熱儲(chǔ)一旦發(fā)生堵塞，在相同的回灌壓力下，回灌量會(huì)隨時(shí)間的推移不斷衰減，回灌效率逐漸降低，甚至無(wú)法實(shí)施回灌。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需根據(jù)情況采用回?fù)P措施消除或緩解堵塞問(wèn)題。采灌實(shí)踐證明回灌量與滲透系數(shù)、壓差成正比，與過(guò)水通道長(zhǎng)度成反比。早期利用廢棄油井開(kāi)展“采灌試驗(yàn)”為后續(xù)集中規(guī)模供暖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。曹妃甸地?zé)峁┡?xiàng)目采用了同層采灌均衡技術(shù)，經(jīng)過(guò) 2018—2019年和 2019—2020年兩個(gè)采暖季運(yùn)行，有效地保持了動(dòng)液面的穩(wěn)定。圖6a是GR1-1井回灌曲線，回灌量穩(wěn)定在55～65 m3/h，動(dòng)水位穩(wěn)定在-60 m左右。圖6b是GR1-2井采水曲線，2019—2020年供暖季從2019年11月15日開(kāi)始至2020年3月24日結(jié)束，采水量穩(wěn)定在110～120 m3/h，溫度穩(wěn)定在80 ℃，動(dòng)水位穩(wěn)定在-80 m左右。同層采灌均衡技術(shù)的成功應(yīng)用可保持地下水位相對(duì)穩(wěn)定，保障項(xiàng)目持續(xù)運(yùn)行。

圖6 2019—2020年供暖季GR1-1井回灌曲線（a）和GR1-2井采水曲線（b）

5.2 布井方案

本文以曹妃甸地區(qū)井叢平臺(tái)分布出發(fā)，進(jìn)行井距200，300，400，500 m 情況下開(kāi)采井及回灌井的溫度變化數(shù)值模擬研究（見(jiàn)圖7）。

圖7 不同井叢在不同井間距情景下開(kāi)采井溫度變化趨勢(shì)

可以看出針對(duì)井叢1、2、3、5和6，當(dāng)井距為200 m時(shí)從第6年開(kāi)始開(kāi)采井溫度即開(kāi)始下降，第10年出現(xiàn)明顯的溫度下降趨勢(shì)；當(dāng)井距為300 m時(shí)，從第18年開(kāi)始出現(xiàn)溫度下降，25年之后出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)井距為400 m時(shí)，溫度基本保持不變，只有井叢4略有下降。因此，對(duì)于井叢1，2，3，5，6，合理的井距為不小于400 m，而對(duì)于井叢4，合理的井距為不小于450 m。最終，確定曹妃甸地?zé)峁┡こ痰木酁?50 m。

5.3 建設(shè)及運(yùn)行效果

新建7座鉆井平臺(tái)共鉆探地?zé)峋?0口，其中采水井16口，回灌井20口，備用井4口。采用篩管完井方式，館Ⅰ段—館Ⅲ段平均鉆遇熱儲(chǔ)厚度158 m，井口溫度78～82 ℃，井底溫度86～92 ℃，采水井平均水量96.0 m3/h，回灌井平均水量76.6 m3/h，動(dòng)水位75～92 m，靜水位32～45 m（與區(qū)域靜水位相當(dāng)）。采出水實(shí)現(xiàn)100%回灌，釆灌比1∶1.2。

供暖面積 230×104m2，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷為31.5 W/m2（見(jiàn)圖8），較燃煤鍋爐供暖平均熱負(fù)荷高出16.8%（本區(qū)燃煤供暖平均熱負(fù)荷26.2 W/m2），室內(nèi)溫度平均高出3～5 ℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 2018—2019年曹妃甸新城地?zé)峁┡療崃\(yùn)行曲線

項(xiàng)目運(yùn)行后年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6.06×104t，減排二氧化碳15.87×104t，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

南堡凹陷新近系館陶組廣泛發(fā)育沉積盆地水熱型地?zé)豳Y源，在基底古隆起及深大斷裂帶附近發(fā)育多個(gè)地?zé)岙惓Вǖ販靥荻却笥?.0 ℃/100 m）。高尚堡—柳贊熱田面積200 km2，地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.70×108t。具有資源豐度較高、埋深相對(duì)適中的特點(diǎn)，可開(kāi)展規(guī)模供暖開(kāi)發(fā)。

高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲(chǔ)巖性以砂巖、砂礫巖為主。厚度平均為 120～300 m，孔隙度為 28%～35%，滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，屬于高—特高孔、高—特高滲儲(chǔ)集層，具有儲(chǔ)集物性好、產(chǎn)水量高、井口水溫度高的特點(diǎn)?？刹捎猛瑢硬晒嗑饧夹g(shù)進(jìn)行“取熱不取水”方式持續(xù)開(kāi)發(fā)。

利用曹妃甸新城230×104m2地?zé)峁┡囼?yàn)項(xiàng)目，探索了熱田資源評(píng)價(jià)、熱儲(chǔ)分布預(yù)測(cè)、孔隙型砂巖熱儲(chǔ)同層采灌均衡及分散式布井方案優(yōu)化等地?zé)峁┡涮准夹g(shù)。試驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行兩個(gè)供暖季，運(yùn)行參數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)方案，年節(jié)約標(biāo)煤6.06×104t，減排二氧化碳 15.87×104t。證明京津冀地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)豳Y源具有廣闊的地?zé)峁┡熬啊?/p>

在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、防止大氣污染的背景下，地?zé)豳Y源以其“減排效益顯著、可持續(xù)利用”的優(yōu)勢(shì)成為新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)。特別是對(duì)于油氣田企業(yè)而言，油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累了大量的第一手資料，擁有雄厚的鉆采技術(shù)和工程建設(shè)實(shí)力，同層采灌均衡技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的突破為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)規(guī)模開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。

致謝：本文在研究和撰寫過(guò)程中得到了中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院閆家泓教授、中國(guó)石油遼河油田公司水文院姚艷華總地質(zhì)師、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孔彥龍博士的支持與幫助，在此一并表示感謝。

符號(hào)注釋：

A——計(jì)算區(qū)域地表面積，m2；Cr，Cw——巖石和水的比熱容，J/（kg·K）；d——熱儲(chǔ)厚度，m；Hw——水頭高度，m；Q——計(jì)算區(qū)域巖體和水中所含全部熱量，J；Tr——指定體積內(nèi)巖石和水的平均溫度，K；T0——基準(zhǔn)溫度，K；W——地下熱水資源量，m3；φ——巖石的孔隙度，%；μe——彈性釋水系數(shù)；ρr，ρw——巖石和水的密度，kg/m3。