江曉雪，朱傳慶,*，丁 蕊，謝 芳，邱楠生

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

隨著世界能源供需的日益緊張，傳統(tǒng)化石能源面臨著資源短缺和高碳排放的問題，新能源的開發(fā)利用已成為當(dāng)今科技發(fā)展的重中之重。干熱巖作為地?zé)豳Y源的重要組成部分，具有溫度高、資源量大、熱連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今地?zé)豳Y源研究的熱點(diǎn)與前沿。前人研究表明，中國(guó)大陸3～10 km深處干熱巖資源總計(jì)為20.9×106EJ，相當(dāng)于714.9×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤，廣泛分布于藏南、滇西、川西、東南沿海、渤海灣等地區(qū)[1-2]。

位于渤海灣盆地腹地的京津冀地區(qū)是我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)中心，也是冬季霧霾的高發(fā)區(qū)，減排需求迫切，合理開發(fā)利用地?zé)豳Y源已成為重要的發(fā)展方向。目前，河北雄安新區(qū)水熱型地?zé)豳Y源已經(jīng)在大規(guī)模供熱制冷方面得到廣泛應(yīng)用，且雄安地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目被列入國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)全球推廣項(xiàng)目，證明該地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用的可行性與廣闊前景。近年來，除水熱型地?zé)豳Y源外，該地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了豐富的干熱巖資源[2-3]。前人對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行了干熱巖資源評(píng)價(jià)，山東省3～10 km深度內(nèi)干熱巖資源總量約為2.63×1023J[4]；河北省馬頭營(yíng)地區(qū)干熱巖資源總量約為5.00×1019J[5-6]；華北地區(qū)的干熱巖資源潛力約為1.00×1024J[7]。渤海灣盆地不同地區(qū)均進(jìn)行了不同程度的資源估算，但估算方法多為熱儲(chǔ)體積法[8-9]。該方法的主要缺點(diǎn)是在開發(fā)過程中沒有考慮儲(chǔ)層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，忽略了相同熱源下不同滲透率和壓裂后的供液量對(duì)儲(chǔ)層開發(fā)潛力的影響。許多學(xué)者提出利用數(shù)值模擬方法分析熱儲(chǔ)層開采效率的影響因素，從而優(yōu)化干熱巖系統(tǒng)開采方案并進(jìn)行資源量估算。M.D.Aliyu等[10]利用數(shù)值模擬建立干熱巖儲(chǔ)層熱?水?力學(xué)模型，分析不同開采因素對(duì)開采效率的影響；Wang Zhuting等[11]通過研究不同開采模擬方案對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)開采效率的影響，并提出合理開采方案。劉漢青[12]、岳高凡[13]等利用數(shù)值模擬方法對(duì)青海共和盆地干熱巖開采過程中溫度、壓力的變化進(jìn)行研究，并提出了合理的開采方案。雷宏武等[14]利用熱?水動(dòng)力耦合方法對(duì)松遼盆地增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)溫度變化進(jìn)行模擬，并估算出熱提取效率。前人學(xué)者對(duì)共和盆地、松遼盆地等地區(qū)的干熱巖開采數(shù)值模擬已較為成熟，而渤海灣地區(qū)干熱巖開采模擬研究程度較低。因此，筆者基于地?zé)岬刭|(zhì)條件圈定出渤海灣盆地干熱巖的有利區(qū)域，利用數(shù)值模擬方法建立傳熱滲流模型，研究不同開采因素如注采井間距、注水速率、布井方式等對(duì)開采效率的影響，進(jìn)一步優(yōu)化開采方案，并在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上估算干熱巖可采資源量。該方法一定程度上規(guī)避了熱儲(chǔ)體積法的缺點(diǎn)，提出更為準(zhǔn)確的資源評(píng)估結(jié)果，以期為后續(xù)干熱巖的實(shí)際開采工程提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及有利區(qū)圈定

1.1 地質(zhì)背景

渤海灣盆地位于華北東部，是華北克拉通破壞背景下形成的中新生代伸展裂谷盆地，面積約15×104km2[15]，包括遼河、渤中、濟(jì)陽、黃驊、冀中、臨清坳陷和內(nèi)黃、埕寧、滄縣、邢衡等隆起(圖1a)[16]。該區(qū)經(jīng)歷了中新世?古生代穩(wěn)定沉積階段、中生代隆升褶皺階段、古近紀(jì)斷陷發(fā)育階段和新近紀(jì)?第四紀(jì)區(qū)域坳陷4個(gè)構(gòu)造演化階段[17]。渤海灣盆地沉積厚度適中，一般在2～5 km，冀中坳陷沉積厚度較大，一般大于3 km；濟(jì)陽坳陷、遼河坳陷相對(duì)較低，多小于3 km(圖1b)[18]。盆地地層發(fā)育較齊全，從老至新主要發(fā)育有太古界泰山群變質(zhì)巖系、中元古界薊縣系和長(zhǎng)城系、新元古界青白口系和震旦系、下古生界寒武系和奧陶系、上古生界石炭系和二疊系、中生界侏羅系和白堊系、新生界古近系和第四系。其中新生、中生界和上古生界以碎屑巖沉積為主，古生界下部及元古界以碳酸鹽巖為主[11]。大量鉆井資料表明，渤海灣盆地基底構(gòu)造復(fù)雜，為太古界地層，不同地區(qū)巖性有一定差別?；诖蟮仉姶艤y(cè)深資料分析，渤海灣盆地存在高電阻率體，其視電阻率范圍在250～15 848 Ω·m，推斷為燕山期花崗巖[19]。渤海灣盆地多期構(gòu)造發(fā)育、沉積厚度適中、花崗巖致密，為研究區(qū)形成干熱巖地?zé)豳Y源奠定了基礎(chǔ)。

圖1 渤海灣盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨俺练e層厚度[16,18]Fig.1 Location and structural units and thickness of sedimentary layers in the Bohai Bay Basin[16,18]

1.2 地溫場(chǎng)特征及有利區(qū)圈定

由渤海灣盆地不同深度溫度分布(圖2)顯示，濟(jì)陽坳陷、黃驊坳陷、埕寧隆起以及冀中坳陷部分地區(qū)地溫較高，臨清坳陷、內(nèi)黃隆起地溫相對(duì)較低。渤海灣盆地3 000 m深度地層溫度介于75～150℃，平均溫度為105℃。5 000 m深度時(shí)地層溫度介于125～225℃，平均溫度為175℃。溫度高值區(qū)在埕寧隆起、冀中坳陷東南部、黃驊坳陷西南部以及濟(jì)陽坳陷西部，地層溫度普遍可達(dá)180℃，符合干熱巖的溫度界限。當(dāng)埋深大于7 000 m時(shí)，地層溫度主要集中在175～250℃?？傮w而言，深部較高的溫度為干熱巖資源形成提供了基礎(chǔ)條件，深部高溫可能是板塊碰撞和新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的[18]。

圖2 渤海灣盆地不同深度溫度及大地?zé)崃鞣植?據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.2 Distributions of temperatures at different depths and terrestrial heat flow in the Bohai Bay Basin (modified from Reference [18])

基于渤海灣盆地71個(gè)實(shí)測(cè)熱流值數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)分析(圖3)，表明研究區(qū)熱流分布在44～85 mW/m2，平均為64.6 mW/m2，高于中國(guó)大陸平均熱流(61 mW/m2)，具有較高的熱背景[20-21]。

圖3 渤海灣盆地大地?zé)崃黝l率分布[20]Fig.3 Histogram showing the frequency distribution of terrestrial heat flow in the Bohai Bay Basin[20]

根據(jù)上述地溫場(chǎng)分布特征，結(jié)合研究區(qū)巖性、巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率、基底埋藏深度等資料，圈定了埕寧隆起、冀中坳陷、黃驊坳陷、濟(jì)陽坳陷等地區(qū)適合進(jìn)行干熱巖的開發(fā)與利用 (圖2b)，為后續(xù)有利區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)量估算提供了可靠的估算范圍[21-23]。

2 干熱巖開采數(shù)值模擬分析

前人在地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)工作中廣泛應(yīng)用的“熱儲(chǔ)體積法”不能準(zhǔn)確判定采收率，且該方法忽略開采過程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素[24]。為了解決這個(gè)問題，本次研究依據(jù)地?zé)嵯到y(tǒng)中多個(gè)實(shí)測(cè)屬性參數(shù)建立地質(zhì)開采模型，從而彌補(bǔ)靜態(tài)估算法的不足，準(zhǔn)確地進(jìn)行干熱巖資源估算以及開發(fā)前景預(yù)測(cè)。

由于干熱巖自身物性特征導(dǎo)致資源開發(fā)往往需要通過人工壓裂的方式進(jìn)行人工造儲(chǔ)，即增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，EGS)。EGS通常是由注射井和開采井以及連通不同井的裂縫系統(tǒng)組成，在鉆井與后期的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)中均需要很高的成本，在埋深大、密度高、低孔滲和更高溫度的儲(chǔ)層鉆井更為甚之，因此，在施工前需要先設(shè)計(jì)好完善高效的開采方案，盡可能提高開采效率，保證經(jīng)濟(jì)效益[25]。

開采效率主要取決于開采液的溫度以及注采速率，還需考慮開發(fā)年限即熱突破問題，過早地發(fā)生熱突破會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層破壞、開發(fā)中斷以及大量經(jīng)濟(jì)損失[26]。熱突破年限主要受到布井距離、注水速率、注水溫度等因素影響。因此，為了獲取更高效率的開采方案，可利用數(shù)值模擬方法控制上述不同開采條件、影響因素，確定研究區(qū)最有利干熱巖開采的工程設(shè)計(jì)參數(shù)，從而得到最優(yōu)開發(fā)方案并估算可采資源量[10,27]。

本次利用COMSOL Multiphysic對(duì)干熱巖資源開采模型進(jìn)行數(shù)值模擬，COMSOL Multiphysic是一款以有限元為基礎(chǔ)，通過偏微分方程(單場(chǎng))或者偏微分方程組(多場(chǎng))來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真模擬軟件[28]。軟件中預(yù)設(shè)的滲流?傳熱控制方程可用于儲(chǔ)層水?熱耦合模擬，其準(zhǔn)確性以及可靠性可由先前的儲(chǔ)層模擬廣泛證明[29]。

2.1 熱儲(chǔ)模型

熱儲(chǔ)模型的建立過程如下：(1) 通過調(diào)研不同國(guó)家干熱巖開采項(xiàng)目中熱儲(chǔ)層垂直與水平壓裂范圍，確定出熱儲(chǔ)開發(fā)范圍，將熱儲(chǔ)層厚度定為300 m，熱儲(chǔ)層規(guī)模定為2 km×2 km[30]，滿足有效熱交換面積大于等于2×106m2的開采標(biāo)準(zhǔn)。(2) 根據(jù)研究區(qū)地層分布、深部地溫場(chǎng)特征，設(shè)定熱儲(chǔ)層頂部埋深為5 000 m。(3) 定義熱儲(chǔ)層壓裂系統(tǒng)性質(zhì)，前人通常采用裂隙介質(zhì)滲透性升尺度轉(zhuǎn)換的方法，即人工壓裂增加滲透性使注射井與開采井之間發(fā)生水力聯(lián)系這一復(fù)雜系統(tǒng)用等效滲透層的形式在地質(zhì)模型體現(xiàn)，本次研究沿用這一方法，將熱儲(chǔ)層壓裂系統(tǒng)簡(jiǎn)化為等效滲透層[31-32]。

本次對(duì)干熱巖開采模擬研究主要包括3個(gè)方面：當(dāng)注采速率一定時(shí)，研究不同井間距對(duì)開采井水溫度的影響；當(dāng)井間距一定時(shí)，研究不同注采速率對(duì)開采效率的影響；不同的布井方式(“一采一注”“兩采兩注”)對(duì)開采效率的影響。通過對(duì)比模型溫度變化以及開采井水溫度變化，來確定不同開采設(shè)計(jì)對(duì)干熱巖開采效率影響大小，從而優(yōu)化開采模型，進(jìn)而計(jì)算出可采干熱巖資源量。根據(jù)上述資料結(jié)合實(shí)際的研究思路建立開采模型，如圖4所示。

圖4 干熱巖開采模型Fig.4 Model of geothermal exploitation for hot dry rock

2.2 物理場(chǎng)、參數(shù)及邊界條件確定

在模擬干熱巖開采計(jì)算過程中，為了提高模擬結(jié)果的穩(wěn)定性，做出如下假設(shè)：

(1) 干熱巖儲(chǔ)層是一種理想的多孔介質(zhì)層；

(2)地層中的流體流動(dòng)符合達(dá)西定律[27]；

(3)忽略流體損失率，假定多孔介質(zhì)與注入流體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[30]；

(4)巖石中的熱傳遞遵循傅里葉定律；

(5) 將熱儲(chǔ)模型中側(cè)面邊界作為隔水、隔熱邊界，將儲(chǔ)層頂?shù)装遄鳛楦羲畬?dǎo)熱邊界[33]。

考慮以上假設(shè)，本次模擬遵循達(dá)西定律與多孔介質(zhì)傳熱原理，方程如下。

定義多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)狀態(tài)的達(dá)西定律表明，速度(v)場(chǎng)與流體壓力梯度呈線性關(guān)系。達(dá)西定律公式[10]如下：

多孔介質(zhì)傳熱控制方程[34]為：

根據(jù)全國(guó)5 000 m深溫度分布圖結(jié)合Jiang Guangzheng等[18]實(shí)測(cè)井溫?cái)?shù)據(jù)，增加模型在該深度初始條件，即約束溫度200℃，并用下式定義研究區(qū)塊不同埋深地層溫度[35]。

結(jié)合龔育齡[36]對(duì)渤海灣盆地內(nèi)主要構(gòu)造單元的地溫梯度研究，將研究區(qū)平均地溫梯度定為0.036 2℃/m。

表1總結(jié)出模擬過程中設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，其中孔隙率、滲透率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)的取值主要參考前人對(duì)EGS中人工壓裂和儲(chǔ)層物性的研究成果。

表1 主要的物理參數(shù)取值Table 1 Values of primary physical parameters

2.3 模擬過程與結(jié)果分析

2.3.1 參考案例

為探究熱儲(chǔ)層內(nèi)溫度隨著開采時(shí)間的變化，本次研究根據(jù)上述資料與物理參數(shù)，建立了井間距300 m，注采速率100 m3/h的“一采一注”開采模型進(jìn)行100 a的計(jì)算。結(jié)果如圖5、圖6所示，展示了隨時(shí)間變化的熱儲(chǔ)層切面溫度分布和空間熱儲(chǔ)溫度分布。從圖中可知，隨著注射井注入冷水，形成以注射井為中心向四周擴(kuò)散的低溫區(qū)，運(yùn)行開采時(shí)間越久，水平與垂直方向上溫度影響范圍越大。當(dāng)運(yùn)行至50 a時(shí)，低溫區(qū)的擴(kuò)散逐漸開始擾動(dòng)開采井區(qū)域溫度，從而影響采出井開采效率。在干熱巖地?zé)豳Y源開采過程中，不同的井間距，注采速率以及布井方式均對(duì)熱儲(chǔ)層內(nèi)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開采有較大影響，因此，下文將上述因素對(duì)干熱巖資源開采效率的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究。

圖5 “一采一注”熱儲(chǔ)層切面溫度分布(井間距300 m，注采速率100 m3/h)Fig.5 Sections showing the temperature distribution of geothermal reservoirs exploited using one reinjection well and one production well (well spacing: 300 m,reinjection and production rates: 100 m3/h)

圖6 熱儲(chǔ)層溫度的時(shí)空演化Fig.6 Spatial and temporal evolution of geothermal reservoir temperature

2.3.2 井間距的影響

本節(jié)探討了固定注采速率情況下，隨著時(shí)間變化，不同井間距對(duì)開采溫度的影響特征。當(dāng)注采速率保持100 m3/h不變，注射井與開采井之間的距離從200 m漸變至600 m時(shí)，分析熱儲(chǔ)層溫度分布、開采井水溫度變化特征。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，繪制出不同井間距方案的開采井水溫度隨時(shí)間變化曲線和儲(chǔ)層溫度變化圖。如圖7所示，井間距越大，開采井水溫度下降速度越慢，且運(yùn)行至100 a時(shí)溫度越高。當(dāng)注射井與開采井之間距離為600 m時(shí)，開采井水溫度隨時(shí)間變化幅度較小，100 a運(yùn)行時(shí)間井水溫度僅下降約10℃；然而當(dāng)井間距為200 m時(shí)，開采井水溫度在模擬運(yùn)行至50 a時(shí)已經(jīng)下降到130℃以下，溫度下降速度非常快。圖8中熱儲(chǔ)層溫度分布進(jìn)一步證實(shí)，井間距越大熱儲(chǔ)層溫度下降速度越慢，開采井溫度越高。結(jié)合干熱巖實(shí)際開采工程可知，雖然維持開采井的高溫需要較大的井間距，但井間距的增大需要更大的注采壓力，使經(jīng)濟(jì)成本增加，不利于實(shí)際開發(fā)。結(jié)合前人研究時(shí)開采井水溫度下降幅度不超過10%的設(shè)定，優(yōu)化方案選擇在井間距最小的條件下保證開采期為50 a，開采井溫度下降不超過160℃(考慮到熱損失)，下降溫度超過160℃即視為“熱突破”[37-38]。

圖7 不同井間距下模型開采井水溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curves of time-varying water temperature of production wells under different well spacings

圖8 不同井間距下模型熱儲(chǔ)溫度隨時(shí)間變化特征 (注采速率=100 m3/h)Fig.8 Time-varying geothermal reservoir temperature under different well spacings (reinjection and production rates: 100 m3/h)

2.3.3 注采速率的影響

注采速率是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層溫度和干熱巖的開采壽命具有控制作用。這是由于相同開采時(shí)間內(nèi)，不同注采速率導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)熱水流速變化大，從而影響儲(chǔ)層熱量的提取。通常，注采速率越大，開采熱量越大。但當(dāng)注采速率過大時(shí)，干熱巖開采系統(tǒng)容易過早發(fā)生熱突破問題，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本次研究在井間距一定時(shí)，對(duì)不同注采速率(100 m3/h到180 m3/h)下開采溫度變化進(jìn)行分析。結(jié)果如圖9所示，隨著開采時(shí)間的推移，不同注采速率方案下開采井水溫度下降曲線具有不同的下降速率。如注采速率為160 m3/h時(shí)，開采井水溫度在100 a時(shí)大約為136℃，而注采速率為100 m3/h時(shí)，開采井水溫度在100 a時(shí)下降至145℃。圖中整體趨勢(shì)也能表明，相同井間距，注采速率越大，其開采井水溫度下降越快，開采壽命越短，開采運(yùn)行結(jié)束時(shí)溫度越低；開采速率越低，開采井水溫度下降速率越慢，開采壽命越長(zhǎng)，開采模擬結(jié)束時(shí)開采井水溫度越高。但結(jié)合開采利用率和實(shí)際情況，不能為了追求開采壽命將注采速率一味減小，應(yīng)找到符合開采年限即50 a且最大注采速率的開采方案，以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 不同注采速率下開采井水溫度隨時(shí)間變化曲線 (井間距=350 m)Fig.9 Curves of time-varying water temperature of the production well under different production rates (well spacing: 350 m)

2.3.4 布井方式

目前，實(shí)際開采工作中也存在“兩采兩注”的布井開發(fā)模式，為探究不同布井方式下開采井水溫度、效率是否受影響，本次通過建立井間距400 m、注采速率100 m3/h方案下的“兩采兩注”開采模型進(jìn)行時(shí)間尺度100 a的模擬計(jì)算，并觀察其儲(chǔ)層溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖10所示。在相同的布井范圍、注水溫度以及開采速率的情況下，兩種布井方式呈現(xiàn)出的溫度變化趨勢(shì)相同，但開采溫度和溫度下降速率有所差異。圖11顯示，“一采一注”布井方式比“兩采兩注”布井方式下的開采井水溫度更高。通過對(duì)相同條件下不同布井方式的曲線對(duì)比，“兩采兩注”方式比“一采一注”方式下開采井水溫度降低速率快，這是由于兩口注水井形成的低溫區(qū)范圍更大，從而導(dǎo)致降溫速率的加快。

圖10 “兩采兩注”方式下熱儲(chǔ)層切面溫度分布(井間距=400 m，注采速率=100 m3/h)Fig.10 Sections showing the temperature distribution of geothermal reservoirs exploited using two reinjection wells and two production wells(well spacing: 400 m；reinjection and production rates: 100 m3/h)

圖11 不同布井方式下開采井水溫度隨時(shí)間變化曲線(井間距=400 m；2口井：一采一注；4口井：兩采兩注)Fig.11 Curves of time-varying water temperature of production wells under different well arrangement modes (well spacing: 400 m;two wells: one production well and one reinjection well;four well:two production wells and two reinjection wells)

橫向?qū)Ρ?，“兩采兩注”模式下開采溫度和降溫界限發(fā)生的年限均低于“一采一注”模式。開采效率除受到溫度影響外，注采速率也是很重要的考慮因素，為準(zhǔn)確對(duì)比兩種布井方式下哪種開采效率更高，本文引入“產(chǎn)熱功率”這一概念，公式[39-40]如下：

通過式(4)計(jì)算不同開發(fā)方案下的產(chǎn)熱功率，結(jié)果如圖12所示。雖然“兩采兩注”方案下開采溫度較低、溫度下降速率較快，但在總體符合開采要求的基礎(chǔ)上，“兩采兩注”布井模式所獲得的能源生產(chǎn)率相比“一采一注”布井模式更高，這是由于前者獲得的抽采量更多，轉(zhuǎn)化的熱量更多。

圖12 不同布井方式不同注采速率下的產(chǎn)熱功率(井間距=400 m)Fig.12 Heat production capacity under different well arrangement modes and different reinjection and production rates (well spacing:400 m)

2.3.5 開采方案確定

通過上述數(shù)值模擬結(jié)果，得出如下規(guī)律：

(1) 注采井間距與開采溫度成正比，與開采井水溫度下降速率成反比；注采速率與開采井開采壽命成反比。

(2) 其他開采因素不變，“兩采兩注”布井方案下可獲得更多的熱量，開采效率更高。

綜合以上規(guī)律，在保證干熱巖資源開采年限不少于50 a的情況下，考慮井間距最小、注采速率最大且開采溫度不低于160℃，提出合理的開采方案。“一采一注”布井方式下，選擇井間距350 m，注采速率120 m3/h，獲得開采井水平均溫度為173℃。如圖9所示，在開采年限達(dá)50 a時(shí)，開采井水溫度剛好下降至160℃左右，符合開采年限的同時(shí)井間距最小、開采量最大。通過計(jì)算，該方案下渤海灣盆地2 km×2 km范圍內(nèi)，干熱巖年開采資源量為5.87×1014J，相當(dāng)于2.01×104t標(biāo)準(zhǔn)煤；50 a總開采資源量為2.94×1016J，相當(dāng)于1.00×106t標(biāo)準(zhǔn)煤。在“兩采兩注”布井方式下，井間距選取400 m，注采速率90 m3/h，獲得開采井水平均溫度為172℃。此方案下干熱巖資源年開采量為8.74×1014J，相當(dāng)于2.99×104t標(biāo)準(zhǔn)煤；50 a總可采資源量為4.37×1016J，相當(dāng)于1.49×106t標(biāo)準(zhǔn)煤。結(jié)合上述優(yōu)化開采方案，渤海灣盆地面積約為15×104km2，若全盆均建立2 km×2 km范圍的EGS，“兩采兩注”布井方式下，全盆可采資源量為3.28×1019J/a，50 a總可采資源量為1.64×1020J。

3 干熱巖開發(fā)利用實(shí)例分析

針對(duì)華北地區(qū)能源消耗高、冬季霧霾嚴(yán)重等問題，可利用上述優(yōu)化方案下的可采干熱巖資源量為華北地區(qū)提供城市供暖。以干熱巖有利區(qū)內(nèi)的河北任丘市區(qū)為例，任丘地區(qū)居民供暖面積約1 333萬m2，其中熱負(fù)荷為100 W/m2。根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》規(guī)定[41]，地?zé)豳Y源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值采用與常規(guī)能源(燃料)類比的方法進(jìn)行換算。因此，根據(jù)地?zé)崃黧w可采量所采出的熱量計(jì)算地?zé)崽锏漠a(chǎn)能：

根據(jù)上述研究，“兩采兩注”優(yōu)化開采方案下的產(chǎn)能為3.38×104kW。

在此方案下，干熱巖開采系統(tǒng)單位時(shí)間可滿足的供熱面積約為3.38×105m2(熱負(fù)荷為100 W/m2)，若滿足河北任丘市的供熱需求，需建立面積約157.75 km2的干熱巖開采系統(tǒng)，小于任丘市干熱巖資源分布范圍，證明干熱巖資源開采供暖方案的可行性。

前人對(duì)華北地區(qū)干熱巖資源的估算廣泛采用“熱儲(chǔ)體積法”，該方法無法確定實(shí)際開采條件下的開采率以及地?zé)崽飪?nèi)部能量的補(bǔ)充。按照體積法計(jì)算渤海灣盆地內(nèi)埋深5 km、儲(chǔ)層厚度300 m的干熱巖資源量為2.63×1020J，若按40%的可采資源量計(jì)算則為1.05×1020J。本文根據(jù)實(shí)際地?zé)岬刭|(zhì)數(shù)據(jù)建立具體干熱巖開采模型，進(jìn)行時(shí)間尺度為100 a的計(jì)算，分析出干熱巖開采系統(tǒng)必要參數(shù)的影響規(guī)律及優(yōu)化開采方案，并計(jì)算得出50 a該熱儲(chǔ)層可采資源量約為1.64×1020J。此方法一定程度上彌補(bǔ)了熱儲(chǔ)體積法估算資源量的缺點(diǎn)，為研究區(qū)提供更為全面和準(zhǔn)確的干熱巖資源估算結(jié)果。

需要說明的是，本次研究中的地質(zhì)開采模型屬于極簡(jiǎn)化的概念模型，在設(shè)置初始條件時(shí)忽視了水頭損失、注入流體與多孔介質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)等因素。因此，該模型僅用于預(yù)測(cè)地?zé)嵯到y(tǒng)某一方面的響應(yīng)以及為資源潛力的評(píng)估提供參考，在實(shí)際開發(fā)過程中需要對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行詳細(xì)、復(fù)雜的細(xì)化工作。

4 結(jié)論

a.基于渤海灣盆地地溫場(chǎng)分布特征，圈定了埕寧隆起、冀中坳陷東南部、黃驊坳陷南部以及濟(jì)陽坳陷西部為干熱巖開采有利目標(biāo)區(qū)。

b.不同開采條件下干熱巖地質(zhì)模型的熱儲(chǔ)模擬結(jié)果表明：注采速率一定，開采井水溫度下降速率與井間距成反比；井間距一定，開采井水溫度下降速率與注采速率成正比；“兩采兩注”布井方式下干熱巖開采效率更高。

c.通過對(duì)影響規(guī)律分析，提出了研究區(qū)優(yōu)化開采方案。此方案下，研究區(qū)2 km×2 km范圍內(nèi)年可采資源量為8.74×1014J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.99×104t，50 a可采資源總量為4.37×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.49×106t。

d.在優(yōu)化開采方案下，河北任丘市干熱巖儲(chǔ)層范圍提供的熱量可覆蓋市區(qū)居民所需供暖需求，證明了該地區(qū)利用干熱巖資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)清潔能源供熱的可行性。

符號(hào)注釋：

A為生熱率，μW/m3；C為比熱容，J/(kg·℃)；Cpf為恒壓流體比熱容，J/(kg·℃)；Cw為地下水的比熱容，J/(kg·℃)；(ρ?C)eff為有效比熱容，J/(kg·℃)；g為重力加速度，m/s2；k為滲透率，m2；M為生產(chǎn)流量，kg/s；p為流體壓力，Pa；q為大地?zé)崃鳎琺W/m2；Qd為地?zé)崃黧w可采量，L/s；t為時(shí)間，s；T為溫度，℃；T0為模型頂面溫度，℃；Tw為地?zé)崃黧w溫度，℃；Tq為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；Tp為生產(chǎn)井提取水的溫度，℃；Tj為注水溫度，℃；?T為溫度梯度，℃/m；Wp為產(chǎn)熱功率，W；Wt為熱功率，kW；u為達(dá)西速度矢量，m/s；z為地層深度，m；μ為流體黏度，Pa·s；ρ為密度，kg/m3；ρf為水的密度，kg/m3；ρL為液體密度，kg/m3；λeff為有效熱導(dǎo)率，W/(m·K) ；? 為散度算子。