抽水試驗(yàn)方法和成井工藝類型對熱儲層水文地質(zhì)參數(shù)的影響

周群道，康鳳新，劉志濤，楊建華

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 德州 250372；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250100)

1 研究背景

熱儲層水文地質(zhì)參數(shù)對地?zé)豳Y源量計(jì)算、地?zé)峋侠砭啻_定、地?zé)嵛菜毓鄺l件研究等有十分重要的影響。目前地?zé)岬刭|(zhì)勘查中，水文地質(zhì)參數(shù)多由穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求得，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用的裘布依理論模型，J.Kozeny在砂槽中進(jìn)行井流模擬試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)水位降低非常小時(shí)，井中水位才與井壁水位基本一致。當(dāng)井中水位降低較大時(shí)，井中水位明顯地低于井壁水位，這種現(xiàn)象稱為水躍。

地?zé)峋樗囼?yàn)初期，井筒水位受水溫影響明顯，此現(xiàn)象稱為井筒效應(yīng)。受條件所限，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，多以抽水主孔(單孔抽水)資料求參，主孔從井筒頂部采水，水躍現(xiàn)象和井筒效應(yīng)對水文地質(zhì)參數(shù)造成了較大影響。非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用泰斯理論模型，多以觀測孔資料求參，觀測孔從井筒底部降水，能有效消除水躍現(xiàn)象和井筒效應(yīng)，水文地質(zhì)參數(shù)相對準(zhǔn)確。不同成井工藝類型對水文地質(zhì)參數(shù)的影響明顯，同等開采量下，大口徑填礫井的降深遠(yuǎn)小于裸眼井。

以往關(guān)于單個(gè)試驗(yàn)方法[1-3]或某種成井工藝[4]求取水文地質(zhì)參數(shù)的研究較多，綜合對比分析多種求參方法和成井工藝類型的研究較少。該文以山東省平原縣回灌試驗(yàn)為例，利用多種試驗(yàn)方法、求參方法和不同的成井工藝，討論對水文地質(zhì)參數(shù)的影響，對地?zé)豳Y源的勘查、評價(jià)以及回灌優(yōu)化提供參考。

2 研究區(qū)域概況

平原縣位于山東省西北部、德州市中部，在大地構(gòu)造上屬于華北板塊(Ⅰ)、華北坳陷區(qū)(Ⅱ)濟(jì)陽坳陷(Ⅲ)惠民潛斷陷(Ⅳ)、臨邑潛凹陷(Ⅴ)(圖1)。區(qū)內(nèi)分布較厚的沉積地層，熱儲為巖性孔隙型砂巖，為半成巖狀態(tài)，呈層狀展布?；茁癫剌^深，其經(jīng)濟(jì)型熱儲為新近紀(jì)館陶組熱儲，館陶組熱儲廣泛分布于研究區(qū)內(nèi)，為河流相沉積，厚度200～600m，與下伏東營組呈不整合接觸。下部巖性為灰白色、灰色厚層狀礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖夾灰綠色粉砂巖、棕紅色泥巖及砂質(zhì)泥巖，底部普遍發(fā)育含石英、燧石的砂礫巖。上部巖性為灰白色、淺灰色細(xì)、中砂巖及棕紅色、灰綠色泥巖與細(xì)砂巖互層夾粉砂巖。巖性為一套灰白色礫狀砂巖、細(xì)礫巖、灰綠色細(xì)砂巖和棕紅色泥巖。鉆遇地層0～266.00m為第四紀(jì)平原組，266.00～958.20m為新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組，958.20～1393.30m為新近紀(jì)館陶組，1393.30～1610.38m為古近紀(jì)東營組，未揭穿(圖2)。

1—試驗(yàn)地點(diǎn)；2—二級單元界線；3—三級單元界線；4—四級單元界線；5—五級單元界線；6—斷層及推測斷層；7—不整合界線；8—單元代號；9—凹陷區(qū)；10—隆起區(qū)圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡圖

1—細(xì)砂巖；2—弱透水層；3—中砂巖；4—砂礫巖；5—底礫巖；6—凝灰?guī)r；7—砂礫巖；8—泥質(zhì)砂巖圖2 研究區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

3 試驗(yàn)井基本情況

3.1 試驗(yàn)井位置

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省德州市平原縣，兩眼地?zé)峋闹本€距離為231.7m，兩眼井的取水層位為新近紀(jì)館陶組。

3.2 成井工藝

回灌井采用大口徑填礫的成井工藝，開采井為裸眼繞絲成井工藝(圖3)。大口徑填礫工藝井開孔孔徑為φ445mm，濾水管徑為φ178mm，填礫厚度133.5mm，填礫粒徑2～4mm[5-9]；裸眼繞絲工藝井開孔孔徑φ241.3mm，濾水管徑為φ139mm，未填礫[10-11]。

a—大口徑填礫工藝；b—裸眼繞絲工藝圖3 成井工藝類型

3.3 取水工藝

兩眼井濾水段的繞絲間距為0.75mm，大口徑填礫井濾水管長度為135.53m，裸眼繞絲井濾水管長度為115.32m(表1、表2)。

4 抽水試驗(yàn)

4.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

完井后對回灌井、開采井分別做單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，共2組，每組分3個(gè)降深完成。每個(gè)降深單獨(dú)計(jì)時(shí)進(jìn)行，各降深之間沒有水位恢復(fù)，連續(xù)進(jìn)行。為便于比較分析和成圖，將后面降深的持續(xù)時(shí)間與前降深的持續(xù)時(shí)間相加，形成總的歷時(shí)曲線(圖4)。

表1 裸眼繞絲井取水工藝 單位：m

表2 大口徑填礫井取水工藝 單位：m

a—回灌井；b—開采井圖4 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)歷時(shí)曲線

回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)降深的試驗(yàn)，分別為S1=5.55m，S2=10.80m，S3=13.65m，對應(yīng)的單位涌水量分別為Q1=72m3/h，Q2=94m3/h，Q3=102m3/h。開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)降深的試驗(yàn)，分別為S1=7.60m，S2=18.60m，S3=29.92m，對應(yīng)的單位涌水量分別為Q1=28.5m3/h。Q2=61.00m3/h，Q3=90.00m3/h。

4.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)結(jié)束后，水文恢復(fù)至初始狀態(tài)，進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)兩組。第一組非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)以回灌井為抽水主孔、開采井為觀測孔，1130.7～1393.3m，巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層，含水層厚度為135.53m，抽水井井徑為177.8mm，穩(wěn)定流量為84.25m3/h，抽水歷時(shí)8850min。抽水井的靜水位為30.69m，觀測井的靜水位為31.81m。抽水井的降深范圍為4.27～7.74m，降深穩(wěn)定在7.47m左右。觀測井的降深范圍為0.005～1.01m，降深穩(wěn)定在1.01m(圖5)。

a—回灌井為主孔抽水；b—開采井為主孔抽水圖5 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)歷時(shí)曲線

第二組非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)以開采井為抽水主孔、回灌井為觀測孔試驗(yàn)開采層段為1127～1460m，巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層，含水層厚度為115.32m，抽水井井徑為139.7mm，開采量為72.8m3/h抽水歷時(shí)1710min。抽水井的靜水位為31.81m，觀測井的靜水位為30.69m。抽水井的降深范圍為0.49～15.37m，降深穩(wěn)定在15.37m左右。觀測井的降深范圍為0.005～0.98m，降深穩(wěn)定在0.98m(圖5)。

5 水文地質(zhì)參數(shù)

5.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)

穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用公式法和配線法對水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算(表3、表4)。

表3 回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法結(jié)果

(1)公式法：采用公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)[12-17]：

(1)

(2)

式中：r為濾水管的半徑(m)，r開采井=0.06985m，r回灌井=0.0889m。

表4 開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法結(jié)果

(2)配線法：利用AquiferTest軟件，對穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的各個(gè)降深逐個(gè)求參(圖6～圖11)[18-20]。所求得的滲透系數(shù)分別為K1,K2和K3。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T1=8.93×102m2/d，滲透系數(shù)K1=6.0013m/d。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T2=8.48×102m2/d，滲透系數(shù)K2=5.56989m/d。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T3=7.95×102m2/d，滲透系數(shù)K3=5.3427m/d。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T1=1.98×102m2/d，滲透系數(shù)K1=1.435m/d。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T2=1.48×102m2/d，滲透系數(shù)K2=1.072m/d。

通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T3=1.18×102m2/d，滲透系數(shù)K2=1.377m/d。

圖6 回灌井涌水量72m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖7 回灌井涌水量94m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖8 回灌井涌水量102m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖10 開采井涌水量61m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

圖11 開采井涌水量90m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

5.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)

利用AquiferTest軟件，泰斯配線法計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，由于抽水主孔存在井筒效應(yīng)，利用觀測孔監(jiān)測資料求取試驗(yàn)參數(shù)(圖12、圖13)。

得出其導(dǎo)水系數(shù)(T回灌井)為9.72×102m2/d，滲透系數(shù)(K回灌井)為6.53m/d，彈性釋水系數(shù)(μ回灌井)為3.19×10-4。

得出其導(dǎo)水系數(shù)(T開采井)為6.94×102m2/d，滲透系數(shù)(K開采井)為5.02m/d，彈性釋水系數(shù)(μ開采井)為3.18×10-4。

圖12 開采井為觀測井泰斯配線法求參

圖13 回灌井為觀測井泰斯配線法求參

6 參數(shù)對比

6.1 穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

將開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S2與S32個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，即(K2+K3)/2，可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數(shù)，與非穩(wěn)定流72.8m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表5)。

表5 開采井穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

在同等開采量下，穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的14%。

將穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S1與S22個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，即(K1+K2)/2，可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數(shù)，與非穩(wěn)定流84.25m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表6)。

在同等開采量下，穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的31%。

表6 回灌井穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

6.2 穩(wěn)定流公式法與配線法求參比較

將開采井、回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的3個(gè)落程，分別采用公式法和配線法進(jìn)行求參比較(表7、表8)。

表7 開采井穩(wěn)定流公式法與配線法結(jié)果比較

表8 回灌井穩(wěn)定流公式法與配線法結(jié)果比較

6.3 穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

將開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S2與S32個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，即(K2+K3)/2，可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數(shù)，與非穩(wěn)定流72.8m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表9)。

表9 開采井穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

在同等開采量下，穩(wěn)定流配線法所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的25%。

將穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S1與S22個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，即(K1+K2)/2，可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數(shù)，與非穩(wěn)定流84.25m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表10)。

表10 回灌井穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

在同等開采量下，穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的89%。

7 結(jié)論

裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法所得滲透系數(shù)為0.68905m/d，非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)為5.02m/d，穩(wěn)定流公式法所得滲透系數(shù)僅為泰斯配線法所得滲透系數(shù)的14%；采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法所得滲透系數(shù)為1.9855m/d，非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)為6.39m/d，穩(wěn)定流公式法所得滲透系數(shù)僅為泰斯配線法所得滲透系數(shù)的31%。

裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)配線法所得滲透系數(shù)為1.2535m/d，為非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)的25%，采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)配線法所得滲透系數(shù)為5.7035m/d，非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)的89%。

從穩(wěn)定流的3個(gè)降深所得參數(shù)來分析，無論由什么方法、無論什么成井工藝，地?zé)峋疂B透系數(shù)隨著開采量的增加而減小。

隨著成井工藝的優(yōu)化，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)，朝著變大的方向接近非穩(wěn)定流所得參數(shù)，隨著成井工藝及質(zhì)量的變差，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)，朝著變小的方向遠(yuǎn)離非穩(wěn)定流所得參數(shù)。隨著成井工藝的優(yōu)化，非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)變大，同樣穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)也變大，說明井水的流動性增強(qiáng)。

穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中，配線法所得參數(shù)，基本上為公式法所得參數(shù)的2倍。配線法所得參數(shù)更接近非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所求的參數(shù)。