河間潛山地?zé)豳Y源開發(fā)方案數(shù)值模擬

丁 蕊 , 朱傳慶 *, 曹 倩, 方朝合,楊亞波 , 江曉雪

1)中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249;2)中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249;3)中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083

河間潛山位于冀中坳陷內(nèi), 具有豐富的地?zé)豳Y源(王鈞和周家平, 1991; 王貴玲和藺文靜, 2020)。河間地區(qū)地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)時(shí)間較早(周家平和王鈞, 1990), 初期多為直接利用, 之后重新利用廢棄油氣井或鉆探地?zé)峋_發(fā)地?zé)豳Y源, 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益, 但存在地?zé)崃黧w過度開采的問題。

地?zé)崃黧w的過度開采會(huì)導(dǎo)致熱儲(chǔ)壓力、溫度下降(段忠豐等, 2020), 生產(chǎn)率降低等問題?；毓嗍蔷S持熱儲(chǔ)溫度和熱儲(chǔ)壓力、避免環(huán)境污染的有效手段(Ungemach, 2003; 阮傳俠等, 2017a)?；毓噙^程中的采灌井距、開采量、回灌溫度等參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)造成回灌效果不明顯或熱儲(chǔ)壓力下降過快、熱突破等問題, 影響地?zé)豳Y源持續(xù)開發(fā)(劉志濤等, 2019;段忠豐等, 2020)。

水熱耦合模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測熱儲(chǔ)隨地?zé)豳Y源開發(fā)的動(dòng)態(tài)變化從而確定合理的地?zé)豳Y源開發(fā)的開采參數(shù)(O'Sullivan et al., 2001)。段忠豐等(2020)利用Petrasim-Tough2軟件針對(duì)東營凹陷東營城區(qū)地?zé)崽镞M(jìn)行了水熱耦合模擬, 在 100%回灌的前提下確定了一采兩灌的布井方式以及合理的開采參數(shù)。羅寧等(2021)計(jì)算了雄安新區(qū)及其周邊古潛山地?zé)豳Y源量, 對(duì)雄安新區(qū)容東安置區(qū)古潛山地?zé)豳Y源開采進(jìn)行了模擬?？讖埖?2020)利用OpenGeoSys軟件計(jì)算了雄縣地?zé)崽镩_采 50年后的溫度壓力變化,從經(jīng)濟(jì)和維持熱儲(chǔ)壓力兩方面對(duì)比了集中采灌和對(duì)井采灌, 選取了集中采灌為優(yōu)化開發(fā)方案。Wang et al.(2021)利用 COMSOL軟件研究了雄安新區(qū)地?zé)豳Y源開采40年后生產(chǎn)井溫度與生產(chǎn)參數(shù)的相關(guān)性。胡秋韻等(2020)利用COMSOL Multiphysics軟件模擬了雄安新區(qū)容城凸起地區(qū)不同采灌流量在100年開采年限后對(duì)儲(chǔ)層的影響。

為應(yīng)對(duì)河間潛山地?zé)豳Y源開發(fā)利用中的過度開采、資源利用水平低、浪費(fèi)嚴(yán)重的問題, 本文基于測井資料、巖石熱物性資料, 明確河間潛山地區(qū)地溫場特征并進(jìn)行地?zé)岬刭|(zhì)建模和水熱耦合模擬,選取合理的開采參數(shù)和采灌井網(wǎng), 計(jì)算動(dòng)態(tài)資源量,為后續(xù)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地?zé)岬刭|(zhì)特征

河間潛山帶位于冀中坳陷饒陽凹陷中東部(圖1a), 受其西側(cè)河間基底大斷層控制(葛許芳等,2003)。如圖1c所示, 河間潛山頂面埋深較淺, 是一個(gè)北東向展布、南東向傾向的貝殼狀半背斜, 抬升幅度相對(duì)較大, 潛山頂部地層相對(duì)復(fù)雜(吳濤等, 2017)。

圖1 河間潛山構(gòu)造分布圖(a)、河間潛山地層柱狀圖(b)和河間潛山剖面圖(c)(改自李成海等, 2019)Fig. 1 Hejian buried hill structure distribution map (a), columnar strata section (b),and sectional drawing (c) (modified from LI et al., 2019)

研究區(qū)內(nèi)分布有多套儲(chǔ)蓋組合(圖1b), 本文主要研究新生界砂巖蓋層和霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)層。河間潛山霧迷山組熱儲(chǔ)層儲(chǔ)集條件以及儲(chǔ)集體連通性均較好, 潛山熱水與周緣山區(qū)有著較好的水力聯(lián)系, 有一定水源補(bǔ)給。河間潛山的蓋層厚度適中, 分布相對(duì)均勻, 并且熱導(dǎo)率較低, 阻熱能力好, 能夠有效地防止熱量的散失。合理的儲(chǔ)蓋組合以及適中的蓋層厚度有效的保存熱儲(chǔ)溫度, 有利于勘探開發(fā)。

1.2 地溫梯度和大地?zé)崃?/h3>

基于研究區(qū)域鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算地溫梯度(圖2a), 河間潛山地溫梯度范圍為29.8～44.5 ℃/km, 平均值為 40.7 ℃/km, 其大多數(shù)區(qū)域的地溫梯度超過41.5 ℃/km, 為地溫梯度高異常區(qū), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冀中坳陷平均地溫梯度33.5 ℃/km(常健等, 2016)。大地?zé)崃魈卣鲗?duì)于區(qū)域地?zé)豳Y源成因以及開發(fā)利用潛力指導(dǎo)意義更大(Pollack et al., 1993)。河間潛山大地?zé)崃髦?圖2b)介于 64.8～80.6 mW/m2之間, 平均值為73.4 mW/m2。

圖2 河間潛山地溫梯度(a)和大地?zé)崃?b)分布圖Fig. 2 Hejian buried hill gradient distribution map (a) and heat flow distribution map (b)

1.3 地?zé)岢梢驒C(jī)制

河間潛山的主要熱源是地幔熱流(左銀輝等,2013)。冀中坳陷現(xiàn)今的地幔熱流占地表熱流的55%,熱流比值為0.83(蔣林等, 2013), 地幔對(duì)地表的熱流貢獻(xiàn)較大, 為典型的“冷殼熱?！苯Y(jié)構(gòu)。河間潛山主要發(fā)育花崗片麻巖類巖石, 其次為角閃片巖、花崗巖、角閃巖等。河間城區(qū)所在區(qū)域下部的基巖是太古界、下元古界變質(zhì)巖, 其放射性物質(zhì)生成的熱量為河間潛山次要熱源(李成海等, 2019)。

河間潛山的霧迷山組熱儲(chǔ)層巖性以白云巖為主, 是良好的熱水儲(chǔ)層, 潛山區(qū)域霧迷山組孔、洞、縫發(fā)育較好, 有較好的滲透率, 富水性較好, 地下水主要來源為大氣降水(孫杉等, 1982; 趙利杰等,2012)。

研究區(qū)內(nèi)河間斷層以及河間西斷層均為良好的導(dǎo)熱導(dǎo)水?dāng)嗔? 共同構(gòu)成了良好的流體通道, 為河間潛山提供了良好的流體條件。冀中坳陷內(nèi)的潛山地下水基本上為一環(huán)狀動(dòng)力帶, 地下水橫向上由太行山、燕山到河間潛山, 縱向上沿?cái)嗔延缮畈肯蛏线\(yùn)移, 共同為河間潛山區(qū)域帶來熱源(周瑞良,1987; 鄒華耀等, 2001)。

2 數(shù)值模擬及建模方法

2.1 水熱耦合模擬理論方法

本次對(duì)于河間潛山的開發(fā)優(yōu)化模擬采用水熱耦合模擬方法, 將儲(chǔ)層視為多孔介質(zhì), 其中的地?zé)崃黧w流動(dòng)符合達(dá)西定律(Gelet and Loret, 2012; Wang et al., 2021)。將儲(chǔ)層性質(zhì)、流體流動(dòng)、熱量傳導(dǎo)、地下水流動(dòng)等適度理想化, 同時(shí)忽略溫度以及壓力對(duì)于模擬結(jié)果的細(xì)微影響。

2.2 水熱耦合模型建立

2.2.1 霧迷山組儲(chǔ)層溫度及埋深

基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程, 根據(jù)霧迷山組埋深(圖3a)及收集到的巖石熱物性數(shù)據(jù), 可以得到霧迷山組熱儲(chǔ)層溫度(圖3b)。河間潛山霧迷山組頂面整體溫度較高, 溫度范圍為85～133 ℃, 以中部的東北方向以及西南方向?yàn)轫斆鏈囟鹊膬蓚€(gè)高點(diǎn), 向四周逐漸降低。綜合考慮熱儲(chǔ)層頂面溫度以及頂面埋深,與導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂的距離等因素, 在研究區(qū)內(nèi)選定地?zé)豳Y源開發(fā)利用有利區(qū)。

圖3 河間潛山霧迷山組頂面埋深(a)及頂面溫度(b)分布圖Fig. 3 Hejian buried hilltop surface burial depth of (a) and surface burial temperature (b) of Jxw distribution map

2.2.2 模型參數(shù)與邊界條件

模型中涉及的蓋層及熱儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)如表1所示。

表1 蓋層及熱儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of cap rock and thermal reservoir

模型中壓力梯度值近似設(shè)置為0.01 MPa/m, 模型底部設(shè)置恒定熱流值73.4 mW/m2, 熱儲(chǔ)層埋深以及溫度根據(jù)圖4、圖5進(jìn)行設(shè)置, 其余邊界設(shè)置遵循實(shí)際并進(jìn)行合理的理想化處理。

圖4 河間潛山霧迷山組地層模型Fig. 4 Hejian buried hill stratum model of Jxw

圖5 河間潛山采灌井井距為500 m (a)及900 m (b)下儲(chǔ)層溫度的時(shí)間響應(yīng)Fig. 5 Time response of reservoir temperature at 500 m (a) and 900 m (b) well spacing of mining and irrigation wells in Hejian buried hill

2.2.3 水熱耦合模型

利用COMSOL Multiphysics軟件的內(nèi)置幾何處理器建立了含注采井的三維霧迷山組白云巖儲(chǔ)層模型, 如圖4所示。

3 模擬結(jié)果及討論

3.1 生產(chǎn)井與回灌井距離

冀中坳陷及其周緣地區(qū)砂巖熱儲(chǔ)層地?zé)峋_采量一般為 55～70 L/s(張紅波, 2017; 段忠豐等,2020; 羅寧等, 2021), 白云巖具有更高的孔隙度和滲透率, 故可以適當(dāng)設(shè)置更高的開采流量, 結(jié)合該區(qū)域已有地?zé)峋膶?shí)際數(shù)據(jù), 在模擬中設(shè)置基礎(chǔ)開采量為50 L/s?；毓鄿囟仍O(shè)置為40 ℃。

生產(chǎn)井和回灌井的井距是影響地?zé)豳Y源開發(fā)的一個(gè)重要因素(張杰和謝經(jīng)軒, 2021)。研究區(qū)域的地?zé)豳Y源是水熱型地?zé)豳Y源, 在井中循環(huán)的地下水充當(dāng)生產(chǎn)井與回灌井之間的熱介質(zhì), 井距過大時(shí)會(huì)造成地下水在生產(chǎn)井和回灌井之間的流動(dòng)受阻, 回灌效果不明顯; 井距過小時(shí)又會(huì)過早造成熱突破現(xiàn)象, 生產(chǎn)井溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速降低(曲占慶等,2017; 戴明剛等, 2019)。綜合現(xiàn)有生產(chǎn)資料設(shè)置井距, 分別為400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m。

對(duì)比不同生產(chǎn)參數(shù)對(duì)水熱型地?zé)嵘a(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的影響時(shí), 引入生產(chǎn)率這一概念:

其中ΔZ為生產(chǎn)率, 單位為W;M為生產(chǎn)流量,單位為L/s;Cw為地下水的比熱容, 單位為J/(kg·℃);ρw為地下水的密度, 單位為 kg/m3;Tp為生產(chǎn)溫度,單位為℃;Tinj為回灌溫度, 單位為℃。

河間潛山井距為500 m時(shí), 40年冷鋒面推至生產(chǎn)井(圖5a); 而井距為900 m時(shí), 100年冷鋒面未推至生產(chǎn)井(圖5b)。地?zé)豳Y源開發(fā)對(duì)于儲(chǔ)層溫度的影響隨著時(shí)間的增大范圍逐步擴(kuò)大, 井距過小時(shí)會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生熱突破。

分析結(jié)果(圖6), 井距小于 800 m 時(shí), 均在

100年之前發(fā)生熱突破。井距大于等于800 m時(shí), 到100年時(shí)未發(fā)生熱突破現(xiàn)象。理論上只要年數(shù)足夠長, 均可發(fā)生熱突破現(xiàn)象, 而發(fā)生熱突破現(xiàn)象之前的生產(chǎn)井溫度曲線為一個(gè)先增大后減小的過程。前期溫度上升可能是由于深層地下熱水受到回灌水流的影響而向上流動(dòng), 造成生產(chǎn)井溫度增大; 后期生產(chǎn)井溫度隨著時(shí)間的推移而減小, 可能是由于地層熱量被提取過多, 地下熱水無法及時(shí)取得熱量, 地?zé)嵘a(chǎn)以及回灌對(duì)于周邊地層溫度影響的范圍隨時(shí)間推遲逐漸增大。

圖6 河間潛山不同井距下生產(chǎn)溫度與生產(chǎn)率Fig. 6 Production temperature and productivity under different well spacing in Hejian buried hill

3.2 生產(chǎn)參數(shù)

除生產(chǎn)井和回灌井井距之外, 開采流量和回灌溫度也是地?zé)豳Y源生產(chǎn)中的重要影響因素。保持井距為 800 m, 開采量分別設(shè)置為 50 L/s、60 L/s、70 L/s, 回灌溫度分別設(shè)置為35 ℃、40 ℃、45 ℃。分析結(jié)果(圖7), 開采量相較于回灌液溫度對(duì)于生產(chǎn)井溫度的影響更大, 更大的開采量會(huì)使得生產(chǎn)井溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高, 而后快速降低, 同時(shí)使熱突破提前, 回灌溫度為次要因素, 更低的回灌溫度會(huì)使得儲(chǔ)層溫度下降幅度升高。在800 m井距下,綜合生產(chǎn)溫度以及生產(chǎn)率, 得到模擬區(qū)域最適宜的生產(chǎn)流量為60 L/s, 回灌溫度為35 ℃。由模擬結(jié)果進(jìn)行地?zé)峥砷_采資源量的動(dòng)態(tài)預(yù)測, 模擬區(qū)域總可開采量為6.32×1016J, 每年可采量為6.32×1014J。采用加權(quán)平均法, 研究區(qū)域熱負(fù)荷指標(biāo)為46 W/m2,算得可供暖面積為1.22×106m2。

圖7 河間潛山不同開采量與回灌液溫度(a)對(duì)生產(chǎn)率(b)影響Fig. 7 Influence of different production mass flow rate and temperature of recharging fluid (a) on productivity (b)in Hejian buried hill

3.3 雙采雙灌

隨著地?zé)衢_發(fā)利用的逐步規(guī)?；? 地?zé)峋當(dāng)?shù)量增多, 形成群井采灌模式, 這些群井開采的不同對(duì)井之間可能存在相互作用。但中深層地?zé)豳Y源開采的過程中, 回灌井的流量實(shí)際上也是受限制的, 其上限流量與生產(chǎn)井的非常接近(阮傳俠等, 2017b;曹瑛倬等, 2021)。所以此次研究中模擬兩個(gè)生產(chǎn)井和兩個(gè)回灌井的采灌井網(wǎng), 設(shè)置不同的相對(duì)位置,如圖8a、b所示。同側(cè)井距經(jīng)過模擬之后選擇700 m為最佳井距, 開采流量60 L/s, 回灌溫度35 ℃, 得到的河間潛山模擬區(qū)域生產(chǎn)井溫度以及生產(chǎn)率如圖8c、d所示。

圖8 河間潛山雙采雙灌方案一(a)及方案二(b)示意圖和其對(duì)生產(chǎn)溫度(c)、生產(chǎn)率(d)的影響Fig. 8 Schematic diagram of Scheme 1 (a) and Scheme 2 (b) of double mining and double irrigation in buried hill and its influence on production temperature(c) and productivity (d)

方案一相對(duì)于方案二而言, 可以更好地維持生產(chǎn)井溫度, 在河間潛山地區(qū)可以采取方案一進(jìn)行開采。采取方案一進(jìn)行開采, 生產(chǎn)井 a總可開采量為6.31×1016J, 每年可采量6.31×1014J, 可供暖面積為1.217×106m2; 生產(chǎn)井 b總可開采量為 6.32×1016J,每年可采量6.32×1014J, 可供暖面積為1.219×106m2。雙采雙灌與單采單灌的方案相比較, 單井可采資源量以及可供暖面積相差較小。

本次結(jié)果與羅寧等(2021)對(duì)雄安新區(qū)容東安置區(qū)古潛山、張紅波(2017)對(duì)于東營凹陷中央隆起帶、Kong et al.(2017)對(duì)于給定情境下的結(jié)果相比具有一定的差異, 反映了研究區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件、構(gòu)造條件以及地?zé)衢_發(fā)年限對(duì)于模擬結(jié)果的影響。此次模擬中所用的模型較為簡化, 未考慮除熱儲(chǔ)層之外地層的形狀以及厚度。建立更為精細(xì)可靠的模型需要進(jìn)行群井示蹤實(shí)驗(yàn), 以便進(jìn)一步厘清研究區(qū)域熱儲(chǔ)中存在的優(yōu)勢通道。區(qū)域內(nèi)地下水的流速較小,故適當(dāng)忽略其從橫向上對(duì)于地?zé)峄毓嗟挠绊?。群井采灌模擬時(shí)僅模擬了雙采雙灌的情況, 所得到的結(jié)果有一定的局限性, 但對(duì)河間潛山地?zé)豳Y源開發(fā)、其他地區(qū)可采地?zé)豳Y源量動(dòng)態(tài)預(yù)測、確定地?zé)豳Y源開采參數(shù)、進(jìn)行地?zé)豳Y源井網(wǎng)布置等仍具有一定指導(dǎo)意義。此外還需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱儲(chǔ)層敏感性分析和堵塞成因分析, 以預(yù)估熱儲(chǔ)回灌難度, 選擇更為合理的回灌技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)河間潛山地溫梯度為29.8 ～ 44.5 ℃/km之間,平均值為 40.7 ℃/km。大地?zé)崃髦到橛?4.8 ～ 80.6 mW/m2之間, 平均值為 73.4 mW/m2, 具有良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件、較高的地溫梯度以及大地?zé)崃? 擁有相對(duì)較好的水熱型地?zé)豳Y源, 開發(fā)潛力巨大。

(2)對(duì)河間潛山地?zé)豳Y源開采的采灌井井距、生產(chǎn)流量、回灌液溫度進(jìn)行水熱耦合模擬, 河間潛山合理開采井距為800 m, 開采流量60 L/s, 回灌溫度 35 ℃。模擬區(qū)域總可開采量為 6.32×1016J,每年可采量為 6.32×1014J, 可供暖面積為1.22×106m2。

(3)雙采雙灌井網(wǎng)模式下, 生產(chǎn)井和回灌井在同側(cè)的布井方式對(duì)于儲(chǔ)層溫度的影響較小, 可以延緩熱突破的時(shí)間。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 42172334), and National Key Research & Development Program of China (No. 2021YFA0716003).