王先超

山東泰山資源勘查有限公司 山東 濟(jì)南 250104

地?zé)豳Y源作為一種可再生能源，與化石能源相比，具有強(qiáng)大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境優(yōu)勢(shì)，與風(fēng)能和太陽(yáng)能等相比，其可利用系數(shù)高、連續(xù)穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)利用方便，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的資源之一[1-3]；地?zé)豳Y源還具有儲(chǔ)量大、分布廣和開(kāi)發(fā)利用安全、高效的特點(diǎn)[4]。合理可持續(xù)開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源有助于我國(guó)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。雄安新區(qū)建設(shè)綠色智慧生態(tài)城市歸功于豐富的地?zé)豳Y源以及良好的開(kāi)采條件[5]。雄安新區(qū)尤其是牛駝鎮(zhèn)凸起具有多年的地?zé)衢_(kāi)發(fā)歷史[6-8]，雄縣地?zé)岬睦靡殉梢?guī)模化，是我國(guó)第一個(gè)用地?zé)崽娲济汗┡摹盁o(wú)煙城”[9]，形成了政企合作、統(tǒng)一管理、集中回灌的“雄縣模式”[7]。

雄安新區(qū)范圍內(nèi)高陽(yáng)凸起區(qū)目前地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的主要是館陶組砂巖熱儲(chǔ)水熱型地?zé)豳Y源[10]，回灌對(duì)于水熱型地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)有著非常重要的作用。首先它可以保持維持熱儲(chǔ)壓力不下降，其次可以防止熱水對(duì)地表及淺層地下水體產(chǎn)生污染[11]。但是，地?zé)峄毓嗉夹g(shù)復(fù)雜難操作，需要考慮多方面的因素影響。地?zé)崽锏膲勖才c回灌過(guò)程息息相關(guān)。為此，需要采用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬熱儲(chǔ)的溫度與壓力在不同采灌情景下的響應(yīng)。利用數(shù)值模擬研究地下熱儲(chǔ)中熱水系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，已成為地?zé)崃黧w開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)的重要技術(shù)方法[12-16]。雄安地區(qū)地?zé)豳Y源的規(guī)模開(kāi)發(fā)需要制定科學(xué)合理的采灌方案，是保障地?zé)豳Y源可持續(xù)利用的有效途徑。本文建立雄安新區(qū)高陽(yáng)低凸起區(qū)館陶組熱儲(chǔ)水-熱數(shù)值模型，根據(jù)現(xiàn)狀開(kāi)釆現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)井方案，一個(gè)群井方案，分析不同采灌方案對(duì)熱儲(chǔ)層溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響程度，為雄安地區(qū)地?zé)豳Y源合理開(kāi)發(fā)、可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)特征

1.1 地?zé)岬刭|(zhì)概況

雄安新區(qū)安新縣中南部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上為高陽(yáng)臺(tái)凸的一部分，也屬于高陽(yáng)地?zé)崽?。安新縣有華北最大的淡水湖泊白洋淀，地表水、地下水資源均豐富[10]（劉偉坡等，2013），為開(kāi)發(fā)地?zé)崽峁┝肆己玫臈l件。安新主體位于高陽(yáng)低凸起和-保定凹陷，北部一部分位于牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起和徐水凹陷[8,17]（圖1）。

1.2 地?zé)醿?chǔ)層

本區(qū)熱儲(chǔ)類(lèi)型分為兩種類(lèi)型：孔隙型熱儲(chǔ)（第三系熱儲(chǔ)）和深循環(huán)構(gòu)造裂隙型熱儲(chǔ)（基巖熱儲(chǔ)），前者是以熱傳導(dǎo)為主的，在大地?zé)崃骺刂谱饔孟滦纬傻?，后者是在熱傳?dǎo)與熱對(duì)流共同作用下形成的。目前4000m以淺新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組孔隙熱儲(chǔ)與基巖熱儲(chǔ)為可開(kāi)采熱儲(chǔ)層[18]。

1.3 成藏模式

該地區(qū)沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源成藏模式如圖2所示，淺部地層的熱來(lái)源于上地幔生熱與基巖的放射性衰變，主要是通過(guò)傳導(dǎo)的方式，上部的沉積蓋層可以起到保溫的作用，平原區(qū)的熱對(duì)流導(dǎo)水導(dǎo)熱通道傳輸，起到額外補(bǔ)充熱量的作用，熱儲(chǔ)層形成于高孔隙度和高滲透性含水層處[5]。

2 雄安新區(qū)高陽(yáng)低凸區(qū)熱儲(chǔ)數(shù)值模型描述

對(duì)于大區(qū)域熱儲(chǔ)層數(shù)值模擬，為提高計(jì)算速度，對(duì)研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層及地?zé)崃黧w做如下概化：（1）非穩(wěn)定流、不可壓、三維流動(dòng)；（2）均質(zhì)各向同性；（3）流體自然對(duì)流滿(mǎn)足達(dá)西定律；（4）水與飽和多孔介質(zhì)層處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)[19-20]。

2.1 3D模型建立

整個(gè)高陽(yáng)地?zé)崽镌u(píng)價(jià)面積為727.15 km2，建模時(shí)，邊界條件根據(jù)該區(qū)構(gòu)造特征和水文地質(zhì)條件進(jìn)行確定，補(bǔ)給、排泄邊界均作已知流量邊界處理，流量隨時(shí)間變化，變化情況參考現(xiàn)有動(dòng)態(tài)資料。通過(guò)不斷調(diào)整邊界流量，直到區(qū)域水位規(guī)律基本符號(hào)實(shí)際情況，也就確定了相應(yīng)的邊界流量。隔水邊界為模型的頂部和底部水流邊界，定熱流量邊界為模型頂部熱量邊界。水平方向上，研究區(qū)模型范圍以高陽(yáng)低凸起區(qū)為邊界；西部為保定斷裂；北部為牛南斷裂；東部和南部為雄安新區(qū)邊界。根據(jù)多年氣象及有關(guān)地?zé)岬刭|(zhì)資料確定初始條件，確定恒溫帶深度為25m，恒溫帶溫度為14.5℃，安新縣霧迷山組地溫梯度為3.7℃/100m。根據(jù)研究區(qū)地溫梯度及恒溫層的溫度以及水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果，計(jì)算得到初始溫度和壓力并且一并賦值給模型相應(yīng)的各個(gè)單元格。模型初始?jí)毫?chǎng)見(jiàn)圖3。

2.2 模型結(jié)果驗(yàn)證

2.2.1 溫度擬合

本研究采用試估-校正法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。研究區(qū)溫度垂直分布基本上是隨深度增加而增加,館陶組溫度分布50℃～70℃左右（圖4），對(duì)比圖5研究區(qū)主要地?zé)峋疁胤植紙D，模型分析結(jié)果與地?zé)峋壳伴_(kāi)采溫度基本一致。

2.2.2 水位擬合

研究區(qū)內(nèi)有一口監(jiān)測(cè)井，位于研究區(qū)中北部的D32井，D32井在2019年1月15日至1月21日期間進(jìn)行過(guò)一次抽水試驗(yàn)，歷時(shí)158 h。結(jié)果顯示，計(jì)算值與觀測(cè)值很接近，模擬期、驗(yàn)證期內(nèi)模擬數(shù)位與觀測(cè)水位曲線基本擬合（圖6）。所建數(shù)值模型能夠代表真實(shí)的地?zé)嵯到y(tǒng)，可以對(duì)未來(lái)熱儲(chǔ)層壓力變化進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3 地下熱水回灌模擬研究

3.1 回灌方案

采灌模式根據(jù)回灌井分布方式主要分為兩種，一種為分散采灌，第二種為外圍集中采灌，本文分別對(duì)兩種模式進(jìn)行模擬，分析對(duì)比評(píng)估兩種模式的效果以及熱儲(chǔ)的響應(yīng)。

3.1.1 對(duì)井方案

對(duì)井采灌是當(dāng)前水熱型開(kāi)采最常用的布局模式。根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)井采灌最優(yōu)布局的研究[17]，采灌井距有一個(gè)邊界距離，當(dāng)采灌井距大于400m的時(shí)候，溫度變化對(duì)井距變化不敏感，當(dāng)大于這個(gè)距離的時(shí)候，注入的冷水在給定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)開(kāi)采井溫度影響不大。因此將對(duì)井井間距設(shè)置為400m，回灌井位于開(kāi)采井下游(圖7)。

3.1.2 群井方案

對(duì)丼方案由于布置的井?dāng)?shù)最偏少，導(dǎo)致可開(kāi)采熱量受到限制，現(xiàn)提出圖10所示的群井布置方案。根據(jù)雄安新區(qū)地下水穩(wěn)定同位素分析，地下水的運(yùn)動(dòng)方向是由西部和北部向東南運(yùn)移，為了減少集中回灌給開(kāi)采井帶來(lái)的熱突破風(fēng)險(xiǎn)，擬計(jì)劃在安置區(qū)東北方向集中布置回灌井，在西南方向集中布置開(kāi)采井（圖8）。開(kāi)釆井維持現(xiàn)狀開(kāi)采，將各井的回灌流量與開(kāi)采井相同，回灌水的溫度為45°C，回灌井采暖期回灌。

3.2 回灌模擬結(jié)果分析

3.2.1 對(duì)井方案Ⅰ

研究區(qū)開(kāi)采模式采用“一采一灌”進(jìn)行，利用尾水進(jìn)行回灌，保持現(xiàn)有地?zé)峋_(kāi)采格局和強(qiáng)度，開(kāi)采井全年開(kāi)采，在非采暖期用于生活熱水的采量很少，僅為采暖期總采量的5-10% ；回灌井在每年11月中旬至第二年3月中旬的供暖期進(jìn)行回灌，在其余時(shí)間即停暖期回灌井停灌。

在模型邊界條件和參數(shù)等配置好的基礎(chǔ)上，根據(jù)方案Ⅰ建立預(yù)測(cè)模型，運(yùn)行得到研究區(qū)100年后預(yù)測(cè)的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)如圖9，10所示，熱儲(chǔ)壓力漏斗中心在大規(guī)模集中開(kāi)采的影響下不斷擴(kuò)大，同時(shí)，由于在西部和北部開(kāi)采規(guī)模較大，漏斗中心向西北發(fā)展。而在研究區(qū)范圍內(nèi)及其附近地區(qū)，由于回灌井對(duì)熱儲(chǔ)層壓力的支撐作用，水位相對(duì)增加，下降速率也相對(duì)緩慢。

地?zé)峋患皽囟入S時(shí)間變化曲線如圖11、12所示。在方案Ⅰ采灌條件下，根據(jù)預(yù)測(cè)模型得到水流場(chǎng)與驗(yàn)證模型中現(xiàn)狀開(kāi)采水流場(chǎng)差別不大，井底壓力下降0.18MPa, 相當(dāng)于水位下降18m，全區(qū)水位年降幅在2-3m左右。根據(jù)預(yù)測(cè)模型得到溫度場(chǎng)與驗(yàn)證模型中現(xiàn)狀開(kāi)采溫流場(chǎng)對(duì)比可知，在方案Ⅰ采灌條件下開(kāi)采前60年，溫度場(chǎng)變化不大，60年之后溫度降低明顯。監(jiān)測(cè)井井底溫度下降12℃，全區(qū)溫度年降幅在0.15℃左右。

3.2.2 對(duì)井方案Ⅱ

方案Ⅱ中，為了進(jìn)一步分析熱儲(chǔ)層壓力變化趨勢(shì)受回灌的影響，開(kāi)釆井維持現(xiàn)狀開(kāi)采，調(diào)整回灌量大小，回灌量與開(kāi)采量比例相同，回灌水的溫度為45°C，回灌井采暖期回灌。

根據(jù)方案Ⅱ建立預(yù)測(cè)模型，運(yùn)行得到研究區(qū)地?zé)峋蛔兓€和溫度變化曲線如圖11、12所示。依據(jù)預(yù)測(cè)模型得到的水流場(chǎng)與現(xiàn)狀開(kāi)采水流場(chǎng)比較可知，在方案Ⅱ采灌條件下壓力下降趨勢(shì)有了進(jìn)一步的改善，井底壓力下降0.14MPa，相當(dāng)于水位下降13.66m，全區(qū)水位年降幅在1.5m左右。依據(jù)預(yù)測(cè)模型得到溫度場(chǎng)與現(xiàn)狀開(kāi)采溫流場(chǎng)對(duì)比可知，由于回灌溫度較開(kāi)采方案Ⅰ低，溫度下降明顯，井底溫度下降14℃，全區(qū)水位年降幅在0.15℃左右。

3.2.3 群井方案

根據(jù)方案Ⅲ建立預(yù)測(cè)模型，運(yùn)行得到研究區(qū)100年后地?zé)峋蛔兓€和溫度變化曲線如圖11、12所示。在集中采灌模式下，熱儲(chǔ)壓力在城區(qū)大部基本不變。在水流場(chǎng)作用下，回灌區(qū)注入的回灌水向城區(qū)集中開(kāi)采區(qū)運(yùn)動(dòng)，有效地維持了熱儲(chǔ)壓力。從回灌區(qū)到開(kāi)采區(qū)，壓力由上升逐漸過(guò)度到下降，在其中間地區(qū)形成了壓力穩(wěn)定帶。壓力下降的區(qū)域位于開(kāi)采區(qū)；而東北部熱儲(chǔ)壓力受到回灌的影響有所上升。從圖11可以看到，與對(duì)井布并方案相比，開(kāi)采溫度下降相對(duì)緩慢，但是，由于采灌井間距太遠(yuǎn)，集中回灌對(duì)穩(wěn)定和恢復(fù)熱儲(chǔ)壓力的效果明顯減弱了。

4 討論：對(duì)井方案與群井方案局限性分析

方案預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比表1為三種方案熱儲(chǔ)層預(yù)測(cè)壓力和預(yù)測(cè)溫度，明顯地看出對(duì)井方案Ⅰ與群井方案的灌采比相當(dāng)，50%左右，對(duì)井方案Ⅱ的回灌率將近94%，三種方案的水位變化曲線和溫度變化曲線基本相同，熱流體壓力略有下降，但降幅不大。除了群井方案的流體壓力降大于前兩個(gè)開(kāi)采方案，對(duì)井方案Ⅰ和對(duì)井方案Ⅱ壓力下降幅度基本相同；群井方案與現(xiàn)狀開(kāi)采壓力下降幅度一致（圖11），這跟與集中回灌區(qū)與開(kāi)采井的距離有直接的關(guān)系。

表1 三種方案熱儲(chǔ)層預(yù)測(cè)壓力和預(yù)測(cè)溫度

溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化：由于該層三個(gè)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)回灌量都較大，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)期末三個(gè)開(kāi)采方案溫度都有變化，下降幅度基本以群井方案→對(duì)井方案Ⅰ→對(duì)井方案Ⅱ遞增。相對(duì)于群井方案，對(duì)井方案可以有效減少熱儲(chǔ)壓力的降低，但是熱儲(chǔ)溫度降低較大，很容易過(guò)早出現(xiàn)熱突破現(xiàn)象，群井方案有利于保持熱儲(chǔ)溫度，但是對(duì)于維持熱儲(chǔ)壓力效果不明顯。

5 結(jié)論與建議

（1）建立了高陽(yáng)地?zé)崽镄郯残聟^(qū)范圍內(nèi)熱儲(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)模型，該區(qū)地?zé)豳Y源是中低溫地?zé)豳Y源，大氣降水深循環(huán)傳熱形成，聚熱機(jī)理以傳導(dǎo)為主，局部有熱對(duì)流發(fā)生，由蓋層、熱儲(chǔ)層、熱水通道和熱源構(gòu)成，形成了一個(gè)完整的地?zé)嵯到y(tǒng)。

（2）建立的水-熱數(shù)值模擬模型，對(duì)于預(yù)測(cè)地?zé)崽飳?duì)開(kāi)采量的反應(yīng)的比較準(zhǔn)確的。根據(jù)現(xiàn)狀開(kāi)釆現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)井方案，一個(gè)群井方案。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，三種開(kāi)采方案的熱流體壓力動(dòng)態(tài)變化基本相同，略有下降，但降幅不大。動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)期末三個(gè)開(kāi)采方案溫度由于較大的回灌量都有變化，下降幅度基本以群井方案→對(duì)井方案Ⅰ→對(duì)井方案Ⅱ遞增。相對(duì)于群井方案，對(duì)井方案可以有效減少熱儲(chǔ)壓力的降低，但是熱儲(chǔ)溫度降低較大，很容易過(guò)早出現(xiàn)熱突破現(xiàn)象，群井方案有利于保持熱儲(chǔ)溫度，但是對(duì)于維持熱儲(chǔ)壓力效果不明顯。

（3）高陽(yáng)地?zé)崽镄郯残聟^(qū)范圍內(nèi)地?zé)豳Y源開(kāi)釆以水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)為主。在采灌均衡的條件下，結(jié)合區(qū)域規(guī)劃建設(shè)部署合理布設(shè)釆灌模式，在分散式釆灌的開(kāi)采布局下，應(yīng)重點(diǎn)考慮相鄰井的熱突破問(wèn)題；在集中釆灌布局下，應(yīng)重點(diǎn)考慮集中開(kāi)采區(qū)水位下降問(wèn)題。

（4）建議加強(qiáng)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用過(guò)程中對(duì)水量、水質(zhì)、水溫的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成年度評(píng)價(jià)機(jī)制和預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制，每年對(duì)區(qū)域地?zé)豳Y源條件以及可供暖面積進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合能源站布設(shè)和需求情況，形成長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，保障熱儲(chǔ)平衡。