馬 峰,高 俊,王貴玲,3,劉桂宏,余鳴瀟,趙志宏,劉金俠

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,石家莊 050061

2.自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050061

3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心,北京 100037

4.清華大學(xué)土木工程系,北京 100084

5.中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司,北京 100083

0 引言

地?zé)豳Y源是21世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源之一,可分為水熱型和干熱巖型[1-3]。雄安新區(qū)位于華北平原冀中坳陷中部,水熱型地?zé)豳Y源豐富,其也是我國(guó)中東部地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件最好的地區(qū)之一[4],包括牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽铩⑷莩堑責(zé)崽锎蟛糠謪^(qū)域以及高陽(yáng)地?zé)崽锉辈?。雄安地?zé)嵋灾小⑸显沤缢E縣系碳酸鹽巖為主體熱儲(chǔ),具有儲(chǔ)層厚度大、溫度高、滲透性好、水質(zhì)優(yōu)、埋藏淺、易回灌的特點(diǎn)[5-6]。經(jīng)過(guò)多年的地?zé)衢_(kāi)發(fā),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”[7],形成了政企合作、統(tǒng)一管理、集中回灌的“雄縣模式”[8]。其中,雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)利用條件好,而容城地?zé)崽锵鄬?duì)于東部牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锒?勘查程度較低。2017年以來(lái),中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局加大了對(duì)容城地?zé)崽锏目辈榱Χ?在容城凸起及周邊不同的構(gòu)造位置部署地?zé)峋?0余眼,最大探測(cè)深度達(dá)到4 000 m,揭露了薊縣系高于莊組熱儲(chǔ)層,并對(duì)其產(chǎn)能進(jìn)行了評(píng)價(jià)[9-10];2018年,在核心區(qū)鉆獲了容城地?zé)崽锂a(chǎn)能最大的地?zé)峋?單井供暖能力達(dá)到30萬(wàn)m2[11];2019年,在啟動(dòng)區(qū)鉆獲了水量112.8 m3/h、井口溫度71 ℃的高產(chǎn)能地?zé)峋?并揭露了太古宙變質(zhì)巖基底[4]。近年來(lái),對(duì)容城地?zé)崽锏难芯恳仓饾u增多,如:郭世炎等[12]對(duì)容城凸起地?zé)崽飪?chǔ)層屬性與資源潛力進(jìn)行了分析;馬峰等[4]對(duì)容城地?zé)崽餆醿?chǔ)空間結(jié)構(gòu)及資源潛力進(jìn)行了分析,認(rèn)為容城地?zé)崽锏責(zé)豳Y源賦存條件好,有利于地?zé)豳Y源的規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用。薊縣系霧迷山組是雄安新區(qū)目前開(kāi)發(fā)的主力熱儲(chǔ)層,其蓋層主要為新生界,其地層結(jié)構(gòu)松散,導(dǎo)熱性差,具有良好的保溫隔熱作用[10]。

科學(xué)規(guī)范地開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源,可發(fā)揮地?zé)崆鍧嵞茉吹陌踩?、穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)。采灌均衡是將提取完熱量的尾水回灌到熱儲(chǔ)層,實(shí)現(xiàn)取熱不耗水,這是保持熱儲(chǔ)壓力、延長(zhǎng)地?zé)崽飰勖?、防止環(huán)境破壞及實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的有效模式[7,13-15]。地?zé)崃黧w數(shù)值模擬普遍用于地?zé)崃黧w資源的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、未來(lái)生產(chǎn)能力的評(píng)價(jià)及地下熱儲(chǔ)中熱水系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究等,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[13-20]。大多數(shù)研究地?zé)峄毓嘞到y(tǒng)性質(zhì)的解析方法都基于理想化的假設(shè),比如含水層是水平的、均質(zhì)的、各向同性的和等厚的等條件,在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性。在現(xiàn)實(shí)的對(duì)井開(kāi)采系統(tǒng)中,回灌和開(kāi)采層可能位于熱儲(chǔ)層不同的深度,且具有不同的垂向和水平滲透性能。因此,采用數(shù)值方法解決這些問(wèn)題具有很大的優(yōu)勢(shì)[21-22]。如:彭展翔[22]利用TOUGH2.0軟件建立天津霧迷山組熱儲(chǔ)的溫度場(chǎng)數(shù)值模型,研究不同采灌條件下熱儲(chǔ)層溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì),并對(duì)采灌方案進(jìn)行了優(yōu)化;田光輝[23]利用GMS和TOUGH2.0軟件平臺(tái)分別對(duì)天津市溫泉度假村砂巖孔隙型熱儲(chǔ)和基巖巖溶裂隙型熱儲(chǔ)的可采量進(jìn)行了評(píng)價(jià);劉東林等[24]采用TOUGH2.0軟件平臺(tái)評(píng)價(jià)天津東麗湖地區(qū)霧迷山組地?zé)豳Y源可開(kāi)采潛力,計(jì)算得出了東麗湖地區(qū)霧迷山組可新增開(kāi)采量;阮傳俠[25]建立了天津地區(qū)霧迷山組地質(zhì)模型和三維數(shù)值模型,對(duì)其壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算和預(yù)測(cè)分析;陳建兵等[26]建立了地?zé)峄毓嗑臏囟葓?chǎng)和滲流場(chǎng)的三維數(shù)值模型,預(yù)測(cè)西安市三橋地區(qū)回灌井成井后井內(nèi)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的變化;宋美鈺等[27]利用TOUGH2.0 數(shù)值模擬軟件建立了地?zé)崃黧w的數(shù)值模型,對(duì)天津地區(qū)霧迷山組熱儲(chǔ)壓力場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè),分析得出地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用可采熱流體資源量與實(shí)際開(kāi)采量的關(guān)系不大,而與回灌量有更為直接的聯(lián)系;王寬[28]采用TOUGH2.0 數(shù)值模擬軟件,根據(jù)研究區(qū)對(duì)井在預(yù)設(shè)情景下運(yùn)轉(zhuǎn)30 a的模擬結(jié)果,對(duì)河南省延津縣新近系下部熱儲(chǔ)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,數(shù)值模擬在淺層地?zé)崮芎透蔁釒r研究中得到了很好運(yùn)用;馮波等[29]對(duì)U型地?zé)峋┡瘽摿M(jìn)行了數(shù)值模擬,認(rèn)為U型井式閉循環(huán)地?zé)嵯到y(tǒng)水平井段長(zhǎng)度為400～500 m,循環(huán)流速設(shè)置為80 m3/h,溫度為20 ℃左右時(shí),可實(shí)現(xiàn)地?zé)崮芸沙掷m(xù)開(kāi)采;馬子涵等[30]建立了澳大利亞庫(kù)珀盆地三維分區(qū)均質(zhì)滲透率模型和非均質(zhì)滲透率模型,分別進(jìn)行了熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及采熱性能變化的研究。

目前雄安地區(qū)已開(kāi)展了大量的數(shù)值模擬研究工作。例如:王樹(shù)芳等[31]開(kāi)展了牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锘毓嗯c示蹤試驗(yàn)研究,建立了水平裂隙型介質(zhì)模型,模擬結(jié)果顯示,400 m 以?xún)?nèi)的井間距可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)采井溫度快速下降,而 1 500 m 的井間距比較安全;劉久榮等[32]通過(guò)回灌試驗(yàn)與數(shù)值模型,提出了雄縣牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镒顑?yōu)開(kāi)發(fā)利用模式為集中開(kāi)采和集中回灌模式;龐菊梅[33]利用FEFLOW(finite element subsurface FLOW system)軟件對(duì)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锬喜康貐^(qū)進(jìn)行水-熱耦合數(shù)值模擬,結(jié)果顯示,在現(xiàn)有的開(kāi)采和回灌條件下,地?zé)崽镬F迷山組儲(chǔ)層開(kāi)采井的地下水位呈下降趨勢(shì),10 a內(nèi)地下水位下降約為 15 m,且在地?zé)崴_(kāi)采的中心區(qū)域出現(xiàn)地下水位降落漏斗;胡秋韻等[34]通過(guò)分析容城凸起地?zé)豳Y源成藏模式,基于COMSOL軟件模擬了不同采灌量對(duì)可采地?zé)豳Y源量的影響,通過(guò)在各開(kāi)采區(qū)內(nèi)合理布置開(kāi)采和回灌井,評(píng)價(jià)了容東地區(qū)采灌均衡條件下的地?zé)豳Y源量。

雄安地區(qū)地?zé)豳Y源的規(guī)?；?、可持續(xù)開(kāi)發(fā)需要制定科學(xué)合理的采灌方案。本文基于COMSOL Multiphysics軟件,建立了容城地?zé)崽锏貐^(qū)整個(gè)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地質(zhì)模型和數(shù)值模型,對(duì)單井開(kāi)采模式下薊縣系熱儲(chǔ)未來(lái)50 a內(nèi)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè);并針對(duì)下降趨勢(shì)制定了回灌方案,分析不同井間距對(duì)熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響程度,以期為雄安地區(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 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)概況

雄安新區(qū)位于渤海灣盆地冀中坳陷北部,冀中坳陷內(nèi)部凹凸相間的構(gòu)造格局和斷裂分布為熱量的傳導(dǎo)提供了有利條件[35-38]。研究區(qū)的凹陷區(qū)有巨厚的低熱導(dǎo)率沉積層,而凸起區(qū)碳酸鹽巖的高熱導(dǎo)率地層為熱流的側(cè)向運(yùn)移提供了有利條件[39],從而導(dǎo)致了熱量向凸起區(qū)聚集,并在區(qū)內(nèi)形成了容城地?zé)崽?、牛駝?zhèn)地?zé)崽锖透哧?yáng)地?zé)崽?本次研究的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槿莩堑責(zé)崽?圖1)。

F1. 太行山山前斷裂;F2. 大興斷裂;F3. 容城斷裂;F4. 牛東斷裂;F5. 南苑--通州斷裂;F6. 大興斷裂;F7. 燕山山前斷裂。據(jù)文獻(xiàn)[38]修改。

容城地?zé)崽镏饕貙影ㄐ律绲谒南?、新近?中元古界薊縣系、長(zhǎng)城系和太古宇。薊縣系由鐵嶺組、洪水莊組、霧迷山組、楊莊組和高于莊組組成,其中霧迷山組為薊縣系目前開(kāi)發(fā)的主力熱儲(chǔ),在整個(gè)容城區(qū)域均有分布(圖2)。新生界是碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的主要蓋層,其中第四系厚度為340～420 m,新近系明化鎮(zhèn)組厚度為400～500 m,新近系明化鎮(zhèn)組底界埋深在755～1 000 m之間。薊縣系厚度變化較大,為400～2 500 m,最大埋藏深度超過(guò)3 500 m。

圖2 雄安新區(qū)容城地?zé)崽镬F迷山組熱儲(chǔ)埋深等值線(xiàn)

2 容城地?zé)崽飻?shù)值模型

2.1 數(shù)值模擬方法

一般的數(shù)值模擬方法應(yīng)用地?zé)峋?jiǎn)化模型。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的地?zé)峋Y(jié)構(gòu),其長(zhǎng)度與半徑之比可達(dá) 104以上,這是熱儲(chǔ)建模中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的數(shù)值問(wèn)題。為了克服這一數(shù)值難題,Al-Khoury等[40-41]和Saeid等[42]提出了一種用一維線(xiàn)單元模擬地?zé)峋袀鳠徇^(guò)程的偽三維井筒模型。本文進(jìn)一步擴(kuò)展了此模型,引入一維線(xiàn)單元對(duì)該三維井筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,考慮沿井筒軸向的滲流傳熱過(guò)程,井筒內(nèi)流體與蓋層的熱交換通過(guò)等效換熱系數(shù)來(lái)近似考慮[34,43](圖3),其他主要假設(shè)條件[44]包括:1)儲(chǔ)層處于完全飽和狀態(tài),且不考慮儲(chǔ)層內(nèi)氣液相變過(guò)程;2)蓋層處于完全干燥狀態(tài),且不考慮不同儲(chǔ)層之間的水力聯(lián)系;3)井筒內(nèi)流體沿軸向流動(dòng),且同一深度流速沿徑向處處相等;4)考慮井筒內(nèi)流體性質(zhì)如密度、黏度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等與溫度的相關(guān)性,但不考慮井筒內(nèi)氣液相變過(guò)程。

r1. 井徑;r0. 套管后井徑;r2. 灌漿后井徑;Δr. 井徑差;T0. 井壁溫度;T1. 套管井壁溫度;T2. 灌漿井壁溫度;Text.外部溫度;h. 深度。

本次建模采用成熟的地質(zhì)體多場(chǎng)耦合有限元計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics。COMSOL為一款通用的工程仿真軟件平臺(tái),通過(guò)在一個(gè)模塊中添加其余模塊的因變量,實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間的任意耦合。其優(yōu)勢(shì)在于用戶(hù)可以耦合多個(gè)物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng),并提供強(qiáng)大的開(kāi)放接口供用戶(hù)修改控制方程。

2.2 模型范圍

數(shù)值模型計(jì)算范圍水平方向上為容城地?zé)崽?面積約為300 km2;垂直方向上,根據(jù)巖性差異從上往下主要考慮第四系、新近系和薊縣系,根據(jù)容城已有地?zé)峋南嚓P(guān)鉆井資料,地?zé)峋钤? 700 m左右,模型深度設(shè)為2 000 m。第四系和新近系的底板埋深根據(jù)已有的鉆孔資料,利用surfer軟件插值后導(dǎo)入COMSOL軟件中,建立的容城地?zé)崽锏刭|(zhì)模型如圖4所示。

Q. 第四系;Nm. 明化鎮(zhèn)組;Jx. 薊縣系。

2.3 熱儲(chǔ)層參數(shù)

研究區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)層參數(shù)按照表1取值。

表1 模型參數(shù)取值列表

深部熱儲(chǔ)中的流體密度(ρf)、黏度(μ)、導(dǎo)熱系數(shù)(kf)和比熱容(Cp,f)隨溫度(T)變化情況按如下經(jīng)驗(yàn)公式[45-46]計(jì)算:

ρf=838.47+1.40T+0.003T2+3.72×10-7T3;

(1)

μ=1.38-0.02T+1.36×10-4T2-4.64×10-7T3+

8.90×10-10T4-9.08×10-13T5+3.85×10-16T6;

(2)

kf=-0.87+0.009T-1.58×10-5T2+7.98×10-9T3;

(3)

CP,f=12010.15+80.41T+0.31T2-5.38×10-4T3+

3.62×10-7T4。

(4)

2.4 網(wǎng)格剖分

在COMSOL Multiphysics中,綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率之間的平衡,地?zé)峋爸車(chē)鷧^(qū)域的網(wǎng)格精細(xì)化,最小單元尺寸5 m,邊界及斷裂面網(wǎng)格細(xì)化,模型共包含約26萬(wàn)個(gè)單元(圖5)。

圖5 雄安新區(qū)容城地?zé)崽锏刭|(zhì)模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.5 時(shí)間離散

由資料①可知,地?zé)峋辉诿磕?1月15日至翌年3月15日4個(gè)月供暖期內(nèi)處于開(kāi)采或回灌運(yùn)行狀態(tài),其余時(shí)間地?zé)峋幱谕＿\(yùn)狀態(tài),故地?zé)峋髁靠杀硎緸?/p>

(5)

式中:q為地?zé)峋髁?m3/h;n為開(kāi)采周期數(shù);t為運(yùn)行時(shí)間,月。

2.6 模型驗(yàn)證

1)水位埋深擬合

容城區(qū)目前有兩眼地?zé)峋乃槐O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分別是領(lǐng)秀城1井和領(lǐng)秀城2井。領(lǐng)秀城1井的水位監(jiān)測(cè)從2016-07-01—2017-10-30,領(lǐng)秀城2井的水位監(jiān)測(cè)則從2013-11-15—2017-10-30。通過(guò)調(diào)整模型的水文地質(zhì)參數(shù)和相關(guān)邊界條件,使模擬水位與實(shí)測(cè)水位基本吻合(圖6),可利用擬合得到的參數(shù)進(jìn)行容城區(qū)的采灌優(yōu)化設(shè)計(jì)。從水位分布云圖(圖7)可以看到,區(qū)內(nèi)因抽水而形成了漏斗,回灌則能有效地恢復(fù)儲(chǔ)層壓力。

a. 領(lǐng)秀城1井,2016-07-01—2017-10-30;b. 領(lǐng)秀城2井,2013-11-15—2017-10-30。

圖中黑色箭頭表示熱流運(yùn)移方向。

2)溫度擬合

根據(jù)鉆井資料(1)河北雄安新區(qū)管理委員會(huì)綜合執(zhí)法局.雄安新區(qū)地?zé)豳Y源保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃(2019--2025年),雄安新區(qū):河北雄安新區(qū)管理委員會(huì),2019.,利用surfer軟件進(jìn)行插值后得到的模型地溫梯度如圖8所示,基巖地溫梯度基本在1.5 ℃/hm左右。領(lǐng)秀城1井的監(jiān)測(cè)水溫為51 ℃,領(lǐng)秀城2井的監(jiān)測(cè)水溫為49 ℃。通過(guò)調(diào)整相關(guān)的熱物性參數(shù),使得計(jì)算得到的兩眼監(jiān)測(cè)井的溫度與實(shí)測(cè)溫度一致,從而確定熱儲(chǔ)層參數(shù),如表2所示。

表2 研究區(qū)地層參數(shù)取值

圖8 研究區(qū)新生界地溫梯度

3 結(jié)果與討論

3.1 熱儲(chǔ)開(kāi)采與回灌數(shù)值模擬

為控制霧迷山組熱儲(chǔ)層地?zé)崴坏某掷m(xù)下降和地?zé)嵛菜欧盼廴?地?zé)峁┡菜仨毣毓?以保證采灌均衡。研究區(qū)采用“一采一灌”對(duì)井模式,目前已有11眼開(kāi)采井和11眼回灌井,擬部署9對(duì)對(duì)井。按照?qǐng)D9的井位分布設(shè)定,部署鉆孔的位置處也匹配1眼回灌井。井間距初步設(shè)計(jì)為600 m。開(kāi)采量和回灌量均設(shè)置為100 m3/h,區(qū)內(nèi)已有地?zé)峋牧髁扛鶕?jù)抽水試驗(yàn),按最大涌水量考慮,具體取值如表3所示。通過(guò)調(diào)整模型的水文地質(zhì)參數(shù)和相關(guān)邊界進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖10、11所示。圖10為模擬不同開(kāi)采年份的熱儲(chǔ)溫度分布。從圖10可以看出,隨著開(kāi)采年限的增加,回灌冷鋒面在地下滲流場(chǎng)的作用下逐漸向開(kāi)采井運(yùn)移,從而導(dǎo)致某些開(kāi)采井發(fā)生熱突破,開(kāi)采溫度逐漸降低。本模型以開(kāi)采井的平均溫度降低1 ℃作為熱突破的臨界值,不同開(kāi)采井的溫度變化曲線(xiàn)如圖11所示。圖11中曲線(xiàn)的振蕩幅度與時(shí)間周期有關(guān)。統(tǒng)計(jì)開(kāi)采井的熱突破時(shí)間可知:谷豐3井的熱突破時(shí)間最長(zhǎng),為25 a;谷豐2井的熱突破時(shí)間次之,為13 a,這是由于谷豐2井靠近回灌井,熱突破時(shí)間相對(duì)較短;領(lǐng)秀城1井的熱突破時(shí)間最短,約10 a左右,這是由于領(lǐng)秀城1井靠近回灌井領(lǐng)秀城4井,為避免快速發(fā)生熱突破可以采用減小采灌量的方法。

表3 研究區(qū)地?zé)峋髁咳≈盗斜?/p>

圖9 研究區(qū)已有井位分布

a. 領(lǐng)秀城1井;b. 領(lǐng)秀城2井;c. 谷豐2井;d. 谷豐3井。

3.2 無(wú)回灌情況下

在沒(méi)有回灌井的情況下,對(duì)研究區(qū)已有的11眼開(kāi)采井和擬部署的9眼開(kāi)采井進(jìn)行模擬。沒(méi)有回灌井的情況下開(kāi)采井溫度通常不會(huì)降低,但長(zhǎng)期的開(kāi)采勢(shì)必會(huì)造成熱儲(chǔ)水位的下降,我們以熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w開(kāi)采最大允許埋深值150 m為約束條件,用來(lái)計(jì)算研究區(qū)地?zé)豳Y源的最大開(kāi)采量。模擬期從2017年開(kāi)始,模擬周期50 a,計(jì)算結(jié)果如圖12所示,可以看到,在無(wú)回灌井開(kāi)采40 a的情況下,在地?zé)峋容^集中的區(qū)域水位埋深較大,并且因抽水形成的漏斗區(qū)域逐漸擴(kuò)大,相對(duì)孤立的地?zé)峋畡t會(huì)形成小范圍的抽水漏斗。通過(guò)監(jiān)測(cè)地?zé)峋乃宦裆钭兓?可以得到地?zé)峋乃蛔兓€(xiàn)(圖13)。從圖13可以看到,在40 a左右水位埋深降低至150 m,每年水位下降約1.13 m。

圖13 研究區(qū)開(kāi)采井水位變化曲線(xiàn)

3.3 有回灌情況下

在有回灌的情況下,采用“一采一灌”方案的對(duì)井系統(tǒng),即1眼開(kāi)采井匹配1眼回灌井,這樣熱儲(chǔ)水位由于回灌的作用,基本保持了壓力的平衡,唯一需要考慮的是在回灌條件下開(kāi)采井的熱突破問(wèn)題。我們以開(kāi)采井的熱突破為限制條件,用來(lái)計(jì)算研究區(qū)地?zé)豳Y源的最大開(kāi)采量。計(jì)算過(guò)程為,在已有開(kāi)采井和回灌井的基礎(chǔ)上(圖9),井間距分別考慮600、800和1 000 m 等3種情況,先按照?qǐng)D14所示的布井方案在研究區(qū)域按最大數(shù)量布置對(duì)井系統(tǒng);然后計(jì)算對(duì)井系統(tǒng)開(kāi)采井的熱突破時(shí)間,同時(shí)考慮在不同開(kāi)采量下的開(kāi)采溫度變化,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為50 a。計(jì)算結(jié)果如圖15所示。最大開(kāi)采量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 研究區(qū)不同井間距對(duì)井系統(tǒng)的最大開(kāi)采量計(jì)算

a. 井間距600 m;b. 井間距800 m;c. 井間距1 000 m。

a. 井間距600 m;b. 井間距800 m;c. 井間距1 000 m。

由表4可知:當(dāng)井間距為600 m時(shí),新區(qū)布井?dāng)?shù)量為138對(duì),隨著開(kāi)采量的增加(100、200到300 m3/h),熱突破時(shí)間從50 a降低到21 a,其中開(kāi)采量為300 m3/h時(shí),新區(qū)最大開(kāi)采量為5.166 4×107m3/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.765 7×107t;當(dāng)井間距為800 m時(shí),新區(qū)布井?dāng)?shù)量為80對(duì),隨著開(kāi)采量的增加(300、400到500 m3/h),熱突破時(shí)間從51 a降低到28 a,其中開(kāi)采量為500 m3/h時(shí),新區(qū)最大開(kāi)采量為5.257 4×107m3/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.796 8×107t;當(dāng)井間距為1 000 m時(shí),新區(qū)布井?dāng)?shù)量為50對(duì),隨著開(kāi)采量的增加(400、500到600 m3/h),熱突破時(shí)間從50 a降低到30 a,開(kāi)采量為600 m3/h時(shí),新區(qū)最大開(kāi)采量為5.348 3×107m3/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.827 8×107t。計(jì)算結(jié)果表明:增大對(duì)井間距雖然減少了可布置的井對(duì)數(shù)量,但是延長(zhǎng)了熱突破時(shí)間,增加了開(kāi)采量,導(dǎo)致能開(kāi)采更多的熱量。若以開(kāi)采溫度降低1 ℃為熱突破標(biāo)準(zhǔn),則在熱突破時(shí)間較長(zhǎng)的情況下能開(kāi)采更多的熱量。即在50 a 的開(kāi)采年限里,開(kāi)采溫度最終下降3和5 ℃ 的熱突破時(shí)間相差不多,最終開(kāi)采的熱量相差不大(圖11)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)COMSOL建立了容城地?zé)崽锶壕毓鄶?shù)值模型,根據(jù)已有的地質(zhì)資料和相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了識(shí)別和驗(yàn)證,溫度和水位擬合結(jié)果較好,說(shuō)明模型可以用于后續(xù)的計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有的采灌井布置方案,領(lǐng)秀城1井的熱突破時(shí)間最短,谷豐2井的熱突破時(shí)間較短,建議這兩眼井可以采用減小采灌量的方法,以延長(zhǎng)熱突破時(shí)間。

2)采灌均衡情況下,采用“一采一灌”方案的對(duì)井系統(tǒng),考慮井間距分別為600、800和1 000 m 等3種情況,增大對(duì)井間距。雖然可布置的對(duì)井?dāng)?shù)量減少了,但是其開(kāi)采量的增加及熱突破時(shí)間的變慢能開(kāi)采更多的熱量,若以開(kāi)采溫度降低1 ℃為熱突破標(biāo)準(zhǔn),在開(kāi)采量較小,熱突破時(shí)間較長(zhǎng)的情況下能開(kāi)采更多的熱量。在50 a的開(kāi)采年限里,開(kāi)采溫度最終下降3 ℃和5 ℃的熱突破時(shí)間相差不大,最終開(kāi)采的熱量相差不多。建議在實(shí)際工程中,通過(guò)數(shù)值模擬方法選擇適宜的對(duì)井間距,保證開(kāi)采量的增加及減慢熱突破時(shí)間,開(kāi)采更多的熱量。