半圈閉深循環(huán)基巖熱儲開采擾動分析及回灌方案研究

摘 要：聊城東熱田奧陶系熱儲為山東省基巖熱儲勘探開發(fā)優(yōu)選區(qū)，本文通過分析區(qū)內蓋儲源通等地熱特征建立了區(qū)域半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲模型，分析認為其半圈閉深循環(huán)賦存特征在提升熱水礦化度及微量元素的同時，導致了儲層封閉性較強、開采擾動大、難以可持續(xù)利用等問題?；趨^(qū)內觀測井多年實測數(shù)據建立了開采降深經驗公式，采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對區(qū)內熱儲開采擾動性進行評價，認為區(qū)內基巖熱儲開采導致了水位下降、水量減少、儲層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響，對水質的擾動性及地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、串層水源污染等開采次生問題較少；結合區(qū)內回灌試驗，探討了適宜本地的開采回灌方案：集中開采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡，區(qū)內基巖熱儲回灌井宜設置在開采井周邊300-500 m 范圍內，尾水溫度以35-40℃為宜。本次研究為區(qū)內基巖熱儲的可持續(xù)利用提供了理論依據。

關鍵詞：基巖熱儲；深循環(huán)；半構造圈閉；開采擾動；采灌均衡

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0126-09

奧陶系裂隙- 巖溶熱儲及寒武系巖溶- 裂隙熱儲為山東省內最重要的基巖熱儲，省內埋藏深度范圍500～4000m，差異較大，目前對其調查研究和開發(fā)利用的程度仍相對較低[1]。聊城地區(qū)能源類礦產相對貧乏，地熱資源較為豐富，東部基巖熱儲水量較大，巖溶裂隙發(fā)育，可回灌性好，層間熱水經深循環(huán)加熱溫度較高，水- 巖作用充分，礦化度及微量元素高，醫(yī)療保健效果好，為良好的地熱儲層[2]，該區(qū)域具有迫切的新型能源替代需求及良好的清潔能源升級基礎。地熱能為可再生資源，受補給速度及開采量等因素影響，地熱水的可再生性需依托于合理的開采回灌方案來實現(xiàn)[2]，同時在開采過程中有可能產生地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、儲層水量及壓力降低等問題。在以往研究中，張保健、馬曉東、王奎峰等對聊城東熱田、聊城西熱田水化學特征及地熱賦存特征等進行了分析研究[2-8]，然而最近十年區(qū)內相關研究工作開展較少。最近，高中顯[1] 對山東省基巖熱儲進行了優(yōu)選研究，將聊考斷裂以東的聊城地區(qū)，即本文的研究對象聊城東熱田奧陶系基巖熱儲選定為I 類勘探開發(fā)優(yōu)先區(qū)，但未對該區(qū)具體特征進行分析。目前，研究區(qū)內地熱開采擾動評價較少且缺乏基巖熱儲回灌方案研究。從降低地熱開采不利影響的視角出發(fā)，本文對聊城東基巖熱儲賦存特征、開采擾動及開采回灌方案等進行深入研究，從而為區(qū)域地熱資源合理開發(fā)利用提供依據。

1 研究區(qū)概況

聊城東熱田位于華北板塊魯西隆起區(qū)魯中隆起泰山-濟南斷隆中的茌平潛凸起，展布方向為NNE，面積約為600 km2，以茌平斷裂、聊考斷裂、譚莊阿城鎮(zhèn)斷裂、齊廣斷裂為邊界同相鄰構造單元隔開，為圖1 中Ⅱ 3 a1 區(qū)域。熱田所在區(qū)域地層自上而下發(fā)育有第四系、新近系、石炭-二疊系、奧陶系、寒武系和新太古界泰山巖群；受聊考斷裂下盤上升剝蝕作用影響，古近系及中生界巖層缺失，靠近聊考斷裂的部分區(qū)域石炭- 二疊系巖層缺失；熱田主要熱儲層包含新近系館陶組及奧陶系馬家溝組[2-6]。本文以奧陶系基巖熱儲為研究對象，其水溫多在50～70 ℃，為低溫地熱資源中的溫熱水至熱水。

聊城地區(qū)自西向東發(fā)育有臨清斷裂、冠縣斷裂、堂邑斷裂、聊考斷裂、茌平斷裂等一系列走向NE 及NNE 向的正斷層，整體控制了聊城地區(qū)各構造單元的展布方位。重力場Δg 值大小隨構造單元的凹凸性不同而變化。聊城區(qū)內重力場Δg 值整體取值范圍在（-30～0）×10 － 5 m/s2，其中聊城東熱田位于區(qū)內相對隆起區(qū)，其重力場Δg值（-18～0）×10 － 5 m/s2，為區(qū)內相對高值，在平面上表現(xiàn)為沿NNE 向展布橢圓帶狀的重力高異常帶[3-8]。

2 資料與方法

聊城市單官屯地熱井（LD1）位于聊考斷裂帶東側開發(fā)區(qū)單官屯，井深1 035 m，其中0～140 m 為第四系，140～800 m 為新近系，800～897 m 為石炭- 二疊系，897～1035 m 為奧陶系，奧陶系未見底，開采使用897 m 以深的奧陶系灰?guī)r熱儲地下熱水，非開采層位置布設石油套管，隔絕了其他含水層的水力聯(lián)系。該井為聊城東基巖熱儲水質觀測井，每年12 月份進行地熱水采樣后送至山東省物化探勘查院巖礦測試中心進行水質化驗分析， 分析儀器包括PHS-3C 型pH 計、ICS-1100 離子色譜儀、AvioTM200電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀等。本文基于LD1 井自2011—2020 年間對區(qū)內基巖熱儲的實測數(shù)據，結合相鄰區(qū)域平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水、聊城西熱田圈閉型及非圈閉型砂巖孔隙熱儲水及地溫梯度等研究資料[2-12]，采用對比分析法對區(qū)內源儲蓋通等熱儲賦存特征進行了分析，建立了區(qū)內半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲模型；采用變異系數(shù)法、綜合指數(shù)法等方法對區(qū)內基巖熱儲水質開采擾動性進行了綜合評價，消除了絕對值、量綱及單位等不統(tǒng)一因素對多因子評價系統(tǒng)帶來的影響，減少了主觀人為因素及開采擾動分級界線不明確因素帶來的誤差[1]。

聊古1 井（LD2）地處聊城市東郊軍王屯東首，位于聊考斷裂帶東側奧陶系古潛山隆起處，井深2 337.72 m，距LD1 井2 km。與LD1 井觀測層位相同，均為奧陶系灰?guī)r含水層[2，9]，井口位置安裝SZW-1A 型數(shù)字溫度計及LN-3 型數(shù)字水位儀，其觀測精度高，運行穩(wěn)定，對井口水溫及井內水位等測項進行常年監(jiān)測同記錄，資料連續(xù)性較好[10]。本文收集了聊古1 井2011—2020 年周邊基巖熱儲開采量的統(tǒng)計數(shù)據及水溫、水位測量信息，結合區(qū)內實際情況，對基巖熱儲在多年開采狀態(tài)下水位及水溫的動態(tài)變化進行了分析，建立了區(qū)域基巖熱儲開采降深經驗公式，分析了區(qū)內各類開采次生問題發(fā)生的可能性。

山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站于2014—2015 年在聊城東熱田區(qū)域開展了奧陶系灰?guī)r地熱尾水回灌試驗。選取聊考斷裂帶東側昌華造紙機械廠地熱井（LD3）井為開采井，并在其周邊施工了回灌井（LD4），井間距350 m，其開采及回灌層位均為奧陶系灰?guī)r，LD3 井距LD2 井4.65km。為減少區(qū)內基巖熱儲開采給環(huán)境帶來的不利影響，提升區(qū)內深層地熱利用率及地熱井使用壽命，本文基于在該試驗中實測獲取的數(shù)據，結合馮超臣、劉雪玲、林黎、阮傳俠、唐朝、武佳鑫、程萬慶、李成嵩等人對回灌方案及回灌井工藝等的研究[13-20]，對適宜本地的開采回灌方案進行了探討，為聊城市打造地熱能綜合開發(fā)利用示范基地提供了理論依據。

3 聊城東熱田基巖熱儲賦存特征

3.1 蓋層分析

研究區(qū)奧陶系熱儲上覆由第四系、新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組及石炭- 二疊系所組成的巨厚蓋層，厚度達750～1300 m。其中第四系厚約140～300 m，由粘土、粉砂質粘土及粉細砂互層組成，其熱導率較低，隔水性好；新近紀明化鎮(zhèn)組厚約500～750 m，由粘土巖、泥巖、粉砂巖互層夾中細砂巖組成，巖層呈半固結狀，熱導率較低；館陶組厚約40～200 m，由十數(shù)層粉細砂巖同粘土巖互層組成，為區(qū)內主要熱儲層之一；石炭- 二疊系厚約100～200 m，由泥巖、砂巖、灰?guī)r互層夾薄煤層及鋁土層組成，泥巖、薄煤層及鋁土層隔水性好、熱導率較低[2-6， 21]。奧陶系以上雖有明化鎮(zhèn)組、館陶組等含水層，但區(qū)內新近系均為砂泥互層，數(shù)十米至數(shù)百米的隔水層阻隔了含水層間的水力聯(lián)系[2-6]，對奧陶系基巖熱儲而言，其上部巖層共同組成了巨厚隔水保溫蓋層。區(qū)內斷層及熱儲層被蓋層完全覆蓋，阻隔了區(qū)內基巖熱儲垂向的大氣降水或地表徑流補給，延長了儲層熱水補給路徑及時間，為水熱形式的掩埋型地熱田，屬隱伏地熱系統(tǒng)[2]。

3.2 傳熱導水通道

茌平斷裂、聊考斷裂、譚莊阿城鎮(zhèn)斷裂、齊廣斷裂等正斷層分別控制了研究區(qū)的東西南北邊界，為該區(qū)傳熱導水通道[3-6]。發(fā)育于新生代的聊考斷裂在橫向上表現(xiàn)為臨清坳陷及魯中隆起的分界線，在縱向上表現(xiàn)為被第四系完全掩蓋的隱伏深大斷裂，其斷層最大落差可達7 500m，下古生界侵蝕面相對落差達700 m，斷層兩側地層（Q+N）厚度相差500～1 000 m [2-6，22]，為該區(qū)溝通深部熱源的主要控熱構造及地下水深循環(huán)的主要通道，十六世紀以來，聊考斷裂帶周邊發(fā)生6 次5 級以上地震，為活動較為頻繁的新構造活動帶[4]，斷層發(fā)育位置垂向連通性好，傳熱方式以熱對流為主，且地下水熱容量遠高于巖體，為區(qū)內地熱異常的核心部位[23]。

3.3 熱源及地溫場特征分析

地殼深部熱源、巖漿熱液活動及放射性元素蛻變是區(qū)內基巖熱儲的重要熱源。研究區(qū)位于莫霍面相對隆起區(qū)，加強了區(qū)內熱傳導作用。聊考深大斷層溝通了地殼深部熱源，在深循環(huán)過程中加強了熱對流作用，二者共同作用于奧陶系含水層，以熱對流方式為主，在巨厚隔水保溫蓋層作用下，將熱量保存于裂隙巖溶發(fā)育的區(qū)段中，形成了區(qū)內奧陶系馬家溝組基巖熱儲。

區(qū)域深部熱源在向上傳導熱的過程中，受巖性及熱導率等影響，使熱流在上部重新分配，形成了局部熱異常[2]。如表2 所示，橫向對比聊城東熱田各地層基本皆高于聊城西熱田?？v向分析各地層巖性、導熱性、蓋層及儲層主要熱傳遞方式可知，熱導率排序為奧陶系＞石炭- 二疊系＞新近系＞第四系，各巖層地溫梯度排序則與之相反[2-8]，而以熱對流方式為主的裂隙- 巖溶基巖熱儲的地溫梯度則低于以熱傳導方式為主的蓋層。

綜上分析，聊城地區(qū)地溫梯度在平面上表現(xiàn)出高低相間的條帶狀展布特征[5-8]，與區(qū)域凸凹相間的構造格架一致。其中凸起區(qū)域相較于凹陷區(qū)域地溫梯度高，在縱向上則表現(xiàn)地溫梯度出隨地層熱導率降低而升高，以及熱儲層地溫梯度低于上覆蓋層的特征。研究區(qū)奧陶系相對較小的地溫梯度使得儲層內部水溫及水巖反應皆較為均勻，區(qū)內基巖熱儲井井口水溫相差不大，更適宜進行開采利用。

3.4 水源及水化學特征分析

區(qū)內基巖熱儲自東南方平陰山區(qū)裸露的寒武- 奧陶系基巖獲得大氣降水水源補給，經層間深循環(huán)升溫，在聊考斷裂處受西部對盤新生界粘土隔水層阻隔上涌，匯聚于巨厚蓋層下的奧陶系頂部巖溶裂隙之中[3，9]。其東側通過東阿地區(qū)基巖同平陰地區(qū)基巖相連，西側以聊考斷裂帶為界同聊城西熱田構造圈閉型及非圈閉型砂巖孔隙熱儲毗鄰。構造圈閉型熱儲由阻水的蓋層、熱儲層底部巖層、阻水或弱透水的斷裂共同形成，離子及元素極為富集，但因封閉性強、砂巖回灌難度大，使其可持續(xù)利用難度較高。為直觀分析區(qū)內基巖熱儲水賦存環(huán)境及水化學特征，本文依據實測資料同以往研究匯總形成了聊城東熱田基巖熱儲及周邊熱田水化學特征對比表格（表3）[2-12]。

如表3 所示，聊城東熱田同聊城西熱田以聊考斷裂為分界線，位置毗鄰，但其水源補給及流動方向不同，聊城東熱田基巖熱儲水源來自于東南方向大氣降水[4-5]，而聊城西熱田水源則來自于西北方向大氣降水[7-8]。聊城東熱田奧陶系、寒武系巖層同聊城西熱田相鄰的皆為砂泥互層的古- 新近系巖層，層內發(fā)育了若干數(shù)十至上百米厚的泥巖隔水層，聊城東熱田基巖熱儲同聊城西熱田圈閉型熱儲水化學特征相差較高，主要水化學類型不同，且區(qū)內基巖熱儲井水溫及靜水位一般皆高于聊城西熱田圈閉型熱儲井。若聊考斷裂帶東西兩側熱儲該相鄰段導水性較強，在彼此熱水混合情況下其化學特征、水溫、靜水位等應較為相近。結合以往研究，本文認為聊城東熱田奧陶系熱儲與聊考斷裂西側聊城西熱田泥巖層毗鄰，該段隔水層不僅隔絕了斷層兩側熱儲相鄰段在橫向上的直接水力聯(lián)系，而且同聊城東熱田奧陶系熱儲上部的隔水層一致，在相當程度上阻隔了垂向不同含水層間的水力聯(lián)系，使得沿聊考斷裂帶上涌的水源在向兩側透水后無法垂向影響該相鄰段的熱儲。構造圈閉型熱儲的形成特征之一是需要有阻水或弱透水的斷層邊界，因此，以聊考斷裂帶為邊界而形成的聊城西熱田圈閉型砂巖熱儲側面印證了區(qū)內該熱儲相鄰段的聊考斷裂帶兩側水力聯(lián)系較弱。

相較于靠近補給區(qū)的平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水，區(qū)內基巖熱儲中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、F-、HSiO3-、HBO2、Sr2+、Li+ 及礦化度等含量均明顯增加，水化學類型由HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg 轉變?yōu)镃l·SO4-Na·Ca，由淡水、微咸水轉變?yōu)橄趟Ｔ?2 項排序中，區(qū)內基巖熱儲水有19 項高于平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水，反映了在同一補給源中隨著路徑的增加，地下熱水的水化學環(huán)境更加封閉、可更新能力減弱、徑流速度變慢、濃縮作用增強、水- 巖作用更為充分，其地下水流動系統(tǒng)由循環(huán)型轉為封閉型。其他指標表明，PH 值范圍為6.80～8.20，為偏中性至弱堿性水，在該范圍內的地下水中，HCO3- 相較于CO32- 占優(yōu)勢，且隨Ca2+ 的增加而減少。因此，HCO3- 含量隨著補給路徑的增加而減少，I －在碳酸鹽巖中的含量小于砂巖，且含量較小[2]。

區(qū)內基巖熱儲西側受聊考斷裂對盤粘土隔水層阻隔，上部為巨厚隔水蓋層，下部巖層溶蝕率及巖溶發(fā)育程度逐漸降低為弱溶蝕帶并最終漸變?yōu)楦羲畬覽9]，東部補給水源則在長距離補給路途中受多條斷層弱化作用，其補給時間長、徑流慢、更新能力弱。層間水流在聊考斷裂處循環(huán)深度較大，最大循環(huán)深度可達2 050 m 左右，水流在層間補給及深循環(huán)過程中不斷被加熱，溫度較高[2-6]，有利于水- 巖作用的充分反應。表3 中有11 項排序為①＜③＜②＜④，在整體排序中占最大優(yōu)勢，表明研究區(qū)基巖熱儲封閉狀態(tài)僅次于圈閉型熱儲，高于非圈閉型熱儲。結合構造圈閉型熱儲概念分析，本文認為區(qū)內基巖熱儲為半構造圈閉型熱儲，其氟、鍶已達命名礦水濃度，為氟·鍶型醫(yī)療熱礦水[3-4]，總硬度為2 036.33～2 596.51 mg/L，礦化度為5 049.23～7 404.41 mg/L，為極硬咸水。雖礦化度及部分微量元素低于相鄰構造圈閉型熱儲，但考慮水源補給同回灌可行性，其可持續(xù)利用程度高于構造圈閉型熱儲。

3.5 儲層及地熱模型分析

巨厚蓋層下的奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖為本文基巖熱儲目的層，該層富水性強，裂隙及巖溶發(fā)育，具有儲熱空間，構成巖帶狀兼層狀熱儲層。區(qū)內奧陶系頂板埋深750～1 300 m，厚800～1 000 m，地層為海相沉積，巖性以灰?guī)r及白云巖等碳酸鹽巖為主，含石膏夾層，膏鹽類含量較高。其上部為巖溶裂隙發(fā)育的古溶蝕帶，為主要含水層，向下溶蝕率及巖溶發(fā)育程度逐漸降低為弱溶蝕帶并最終漸變?yōu)楦羲畬覽2-6，9]。區(qū)內石炭- 二疊系、奧陶系、寒武系頂板埋深自東向西逐漸由深變淺，石炭- 二疊系不整合于上覆巖層，至臨近聊考斷裂處被剝蝕殆盡。此處奧陶系頂板直接不整合于上覆新近系巖層，形成了奧陶系古潛山構造，古潛山頂部相對隆起于周邊新近系巖層，其熱導率相對較大，熱流趨向于熱阻最小的方向移動，在奧頂處形成了區(qū)域熱異常的構造天窗[4]。

通過對研究區(qū)基巖熱儲深入分析可知，區(qū)內基巖熱儲為水熱形式的掩埋型地熱田，屬隱伏地熱系統(tǒng)，其賦存模式為在隔水層及斷層共同作用下的半圈閉型熱儲，為巖帶狀兼層狀熱儲層，巖性為碳酸鹽巖。水源自東南平陰山區(qū)裸露基巖處獲大氣降水補給，在水頭壓力作用下，經長時間、長距離層間補給至聊城東熱田，并在聊考斷裂處受西部對盤新生界粘土隔水層阻隔及斷層深循環(huán)熱對流作用。區(qū)內莫霍面相對隆起，水源在層間補給及深循環(huán)過程中在地殼深部熱源、巖漿熱液活動、放射性元素蛻變等區(qū)域熱源共同作用下，通過熱傳導及熱對流方式被不斷被加熱，溫度較高，水- 巖作用極為充分，礦化度及微量元素含量不斷升高。受熱導率及上覆巨厚保溫隔水蓋層影響，熱量及水流賦存于奧陶系頂部的巖溶裂隙之中，并在靠近聊考斷裂處形成了區(qū)域熱異常的構造天窗，在源儲蓋通共同作用下形成了區(qū)域半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲（圖3）。

4 開采擾動分析與評價

4.1 熱儲水位及水溫動態(tài)分析與評價

地熱開采過程中有可能產生諸多次生影響，本文依據區(qū)內基巖熱儲觀測井聊古1 井多年實測數(shù)據，對區(qū)域開采擾動性進行評價。

由表4 和圖4 可知，區(qū)內基巖熱儲自2011—2020 年累計開采量864.81 萬 m3，水位埋深由14.32 m 降至40.10m，累計降深達25.78 m，年平均降深約2.86 m，水位埋深變化較大。本文依據累計開采量與水位埋深建立了區(qū)域開采降深經驗公式：

Y=-3×10-8X3+9×10-5X2-0.0256X+17.344 （1）

式中：Y 為水位埋深（m）；X 為累計開采量（ 萬m3）。

圖4 中累計開采量同水位埋深相關系數(shù)R2=0.949，其正相關性極高，由表4 可知在逐年不停開采情況下，聊古1 井水位一直呈下降趨勢。這表明區(qū)內基巖熱儲水補給量低于開采量，為消耗型資源。儲層壓力及溫度隨水量逐年減少，降低了熱儲使用壽命。

綜上分析，區(qū)內基巖熱儲因處于半圈閉環(huán)境中，封閉性較高，水源補給量低于開采量，給區(qū)內基巖熱儲帶來了水位下降、水量減少、儲層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響。此外，區(qū)內基巖熱儲距地表距離較大，造成地表沉降的可能性較低。地熱井套管多依取水層位置布設，降低了開采串層污染問題。洗浴用途井較少，且尾水多排放至污水管道，減少了水污染、土壤板結、鹽堿化等問題。尾水溫度多為35-40℃，依據以往頒布的《污水排入城市下水道水質標準》（CJ 3082-1999）、《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》（GJ343-2010）、《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》（GB/T 31962-2015）中所規(guī)定的排放溫度限值（分別為35℃、35℃、40℃），區(qū)內熱儲排放導致的熱污染較少。

4.2 水質擾動分析與評價

本文依據實測資料，采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對熱儲水質開采擾動性進行綜合評價。

4.2.1 變異系數(shù)分析法

熱儲水中各化學元素及參數(shù)存在含量、摩爾當量及量綱不同等情況，難以直觀進行評價，為消除該影響，本文引用變異系數(shù)對各評價因子在時間軸上的分散度進行評價。當變異系數(shù)較大時，表征該因子隨時間的變化較大，抗開采擾動性較低；當變異系數(shù)較小時，表征該因子隨時間的變化較小，抗開采擾動性較高。

如表5 所示，本文將主要陰陽離子、礦化度、總硬度、PH 等作為變異系數(shù)分析法的評價因子，分析其變異系數(shù)可知，SO42- ＜礦化度＜ PH ＜ Ca2+ ＜ Cl- ＜ HCO3- ＜總硬度＜ k++Na+ ＜ Mg2+，抗開采擾動性大小為：SO42- ＞礦化度＞ PH ＞ Ca2+ ＞ Cl- ＞ HCO3- ＞總硬度＞ k++Na+ ＞Mg2+。變異系數(shù)最大值為0.137，相對較小，且區(qū)內基巖熱儲多年開采過程中水化學類型未變，表明區(qū)內開采對水質的整體影響相對較小。

4.2.2 綜合指數(shù)分析法

為解決水質開采擾動評價分級界線不明確、主觀人為因素較多等問題，本文采用綜合指數(shù)法對水質開采擾動性進行評價[1]。計算公式如下所示：

式中：P 為綜合評價指數(shù)；N 為評價因子個數(shù)；Pi 為評價因子分值；Wi 為評價因子權重[1]。

本文將主要陰陽離子作為評價因子，以各因子歷年最大值折算為分值1，各因子同歷年最大值的比值為對應評分，以各因子歷年之和同礦化度歷年之和的比值確定各因子權重，抗開采擾動性分區(qū)閾值為：較大區(qū)P ≥ 0.9，中等區(qū)0.9 ＞ P ≥ 0.7，較小區(qū)P ＜ 0.7。在表6 中確定了各評價因子權重Wi 及歷年評價因子分值Pi，依據公式2 計算了歷年綜合評價指數(shù)P。依據抗開采擾動性分區(qū)閾值進行分析，2017 年P=0.879，為中等區(qū)，其余年份P＞ 0.9，為較大區(qū)。以上分析表明熱儲水質對開采的抗干擾性較大，受開采影響較小。

本文采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對區(qū)內各評價因子的抗擾動性同歷年綜合評價指數(shù)分別進行了評價，其結果相同，表明區(qū)內基巖熱儲水質在開采過程中受到的擾動性較小。

5 開采及回灌方案研究

本文基于區(qū)內基巖熱儲更新能力弱、開采擾動大等情況，設計了相應開采回灌方案：集中開采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡。其目的是通過集中開采發(fā)揮區(qū)域復合資源優(yōu)勢，通過梯度利用減少資源浪費，通過同層回灌延長儲層使用壽命，減少開采擾動不利影響，以達到采灌均衡狀態(tài)，實現(xiàn)地熱能的可持續(xù)利用。

如圖5 所示，區(qū)內某回灌井井深1608.81 m，0-300 m及300-840.55 m 分別下入管徑不同的石油套管，奧陶系取水段840.55-1608.81 m 為裸孔，井間距350 m，開采層位及回灌層位均為奧陶系熱儲，地熱水開采后經除砂器、過濾器處理后進行全封閉換熱冷卻至37-42℃，經排氣灌排氣后，尾水采用自然回灌方式，未使用加壓泵，該試驗累計回灌2424 h，試驗過程中回灌水量范圍在20-110m3/h 之間，累計回灌量為77029.60 m3，回灌率100%，回灌過程中開采井水溫始終維持在58-60℃之間，表明回灌尾水對開采井溫度影響極小，據周邊監(jiān)測井數(shù)據分析回灌抬升了基巖熱儲地下水水位。

區(qū)內基巖熱儲水PH 為6.80-7.94、礦化度為5049.23-7404.41 mg/L、Mg2+ 含量為88.51-242.08 mg/L、HCO3- 當量濃度1.83-3.27 mmol/L，對混凝土呈微腐蝕性；SO42- 含量為1605.70-2335.20 mg/L，對混凝土呈弱- 中腐蝕性；Cl- 含量為1289.40-2410.09 mg/L，在干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土中鋼筋呈弱腐蝕性，因此在地熱井建設過程中應在在混凝土中加入抗腐蝕添加劑。常見的回灌堵塞原因包含氣相堵塞、懸浮物堵塞、化學堵塞及生物化學堵塞等[13，14]。全封閉的回灌方案及排氣灌的設置避免了氣相堵塞的可能；除砂器、過濾器可以有效的減少懸浮物堵塞；地熱水在開采回灌過程中因壓力溫度的變化易產生化學沉淀或結垢[14]，附著于管道之中或隨回灌尾水運移至井壁及儲層之中，基巖熱儲內巖溶裂隙發(fā)育，該結垢沉淀對其回灌影響較小，但在地熱井使用過程中需及時處理地熱水在井壁及管道中產生的化學結垢沉淀；以往在回灌水中多采用加入石灰提升PH 值或殺菌藥物等方式以減少鐵絲菌等生物化學堵塞的可能，但易造成水質污染，應采用超濾膜過濾除掉細菌[14]。

回灌過程中，在尾水同儲層原水混合界面位置形成了冷鋒面，冷鋒面隨尾水回灌向儲層內逐步推移。應合理設置回灌井同開采井間距離，以保證尾水在層間運移過程中有足夠的距離同時間吸收頂?shù)装寮皫r石骨架間的熱量，避免或延長因尾水回灌造成開采井處熱突破的產生[15]。由區(qū)內回灌試驗分析可知，當回灌尾水溫度37～42 ℃，井間距350 m 時回灌尾水對開采井溫度影響極小。根據已有研究，林黎[15] 和阮傳俠[16] 分別對天津地區(qū)同為裂隙巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖基巖熱儲霧迷山組自1997 年開始回灌以來的數(shù)據進行了分析，發(fā)現(xiàn)多年來持續(xù)保持的30 ℃回灌水溫未對區(qū)內開采井溫度造成影響。阮傳俠[16] 在對該區(qū)霧迷山組的一井間距400 m 的對井采灌系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)達到了采灌均衡狀態(tài)，有效降低了開采井的水位下降情況。唐朝[17] 采用ABAQUS 模擬軟件對高陽縣地熱回灌進行了研究，認為當井間距過大時會增加地面沉降的可能，綜合考慮可行性及經濟性問題后認為最佳井間距為440 m。武佳鑫[18] 采用FEFLOW 軟件對開封深層地熱儲層進行模擬時發(fā)現(xiàn)，當回灌率為100% 時，采灌井間距宜布設為400 m。綜上所述，回灌井井間距過小、尾水溫度較低易造成開采井冷突破的產生，間距過大則易不利于熱儲水位流場的恢復[19]，增加了地面沉降的可能，尾水溫度較高則會造成資源的浪費。因此，本文結合區(qū)內回灌試驗數(shù)據，綜合考慮地熱能充分利用及避免開采井冷積累等情況設置了區(qū)內基巖熱儲回灌參數(shù)，認為回灌水溫35～40 ℃，井間距300～500 m 較為適宜。

地熱井開采時，儲層水位自開采井位置向周圍升高為漏斗狀，使得水流由四周向開采井內運移，但受原有熱儲水流場的影響。當回灌井布設于開采井水源方位即熱儲水流場上游東南方向時，原有運移通道會加快回灌尾水流向開采井的時間，此時井間距宜為500 m，回灌溫度40℃。該方案在保障回灌尾水有足夠的時間同距離汲取頂?shù)装寮皫r石骨架熱量、避免開采井熱突破及地面沉降等次生問題產生的基礎上，最大程度的補給開采井。然而，當回灌井布設于開采井水源流向方位即地下水流場下游時，原有熱儲水流場則會削弱該回灌井對開采井的補給效果，此時井間距宜為300 m，回灌溫度35 ℃，在保障熱儲層水量及壓力的同時，最大程度的減少了地熱資源的浪費。在實際布設回灌井時，應綜合考慮場地布井條件及經濟可行性等因素[19]，對參數(shù)進行適當調整，以滿足區(qū)內不同場地的回灌需求。

結合區(qū)內回灌試驗，本文總結了適宜本區(qū)的回灌方式：對井設距、控溫自流、洗井過濾、阻垢降塞。即區(qū)內基巖熱儲回灌宜采用對井方案，使用全封閉式的同層尾水進行自然回灌，區(qū)內基巖熱儲回灌井宜設置在開采井周邊300～500 m 范圍，尾水溫度以35～40 ℃為宜。為避免地熱井堵塞，在鉆井時應配備固控設備清理固相，運用清水及壓風機氣舉聯(lián)合方式進行充分洗井[20]，在混凝土中加入抗腐蝕添加劑，選用抗結垢管材，在井上回灌系統(tǒng)中添加除砂器、過濾器、排氣灌等裝置，同時采用超濾方式并在尾水中添加阻垢劑，以最終達到區(qū)內采灌均衡狀態(tài)，實現(xiàn)地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用。

6 結論與展望

6.1 結論

（1）通過源儲蓋通地熱特征分析建立了聊城東熱田基巖熱儲地熱模型。熱儲水源自東南平陰山區(qū)裸露基巖處獲大氣降水補給，在水頭壓力作用下，經長時間、長距離層間補給至聊城東熱田，水流自補給途中受多條斷層弱化作用，并在聊考斷裂處受西部對盤隔水層阻隔上涌。區(qū)內莫霍面相對隆起，深大斷層溝通深部熱源，水源在層間補給及深循環(huán)過程中受熱傳導及熱對流共同作用不斷被加熱，水- 巖作用極為充分，熱水賦存于巨厚蓋層覆蓋下的奧陶系頂部巖溶裂隙處，形成了區(qū)域熱異常的構造天窗，為半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶型基巖熱儲，其半圈閉深循環(huán)賦存特征在提升熱水礦化度及微量元素的同時，導致了儲層封閉性較強、開采擾動大、難以可持續(xù)利用等問題。

（2）通過熱儲水位及水溫動態(tài)分析與評價，認為區(qū)內基巖熱儲開采造成水位下降、水量減少、儲層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響，建立了區(qū)域開采降深經驗公式：Y=-3×10-8X3+9×10-5X2-0.0256X+17.344。綜合分析表明，開采帶來的地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、串層水源污染等問題較少，通過變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法綜合分析認為區(qū)內基巖熱儲水質在開采過程中受到的擾動性較小。

（3）結合區(qū)內回灌試驗，建立了適宜本地的開采回灌方案：集中開采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡。在工藝優(yōu)化的基礎上，通過對回灌井采取對井設距、控溫自流、洗井過濾、阻垢降塞等方式提高其回灌效率，區(qū)內基巖熱儲回灌井宜設置在開采井周邊300～500 m 范圍內，尾水溫度以35～40 ℃為宜。

6.2 不足與展望

（1）以往文獻中對聊考斷層透水性的研究較少，本文依只分析了聊城東熱田基巖熱儲同聊城西熱田構造圈閉型熱儲相鄰段的隔水性，聊考斷裂斷距大，構造活動較為頻繁，在斷層其他位置處對斷層兩側的導水性特征仍需要進行深入細致的研究，以分析聊城區(qū)域不同地熱田間的深層聯(lián)系。

（2）以往研究認為聊城東熱田基巖熱儲及聊城西熱田熱儲的優(yōu)勢水源分別為40 年前及30 年前古水。本次研究受研究資料限制，無法對斷層兩側熱儲水進行同位素測年，后續(xù)應加強聊城區(qū)內不同地熱田熱儲水的同位素測年工作及研究。

（3）關于開采擾動與評價，由于資料限制，對溫度擾動分析研究較少，無法直觀分析溫度變化同區(qū)內以往地熱井回灌間的聯(lián)系。區(qū)內回灌井方案參數(shù)的優(yōu)化需要通過多組回灌試驗及回灌模擬進行對比論證，以選取較為適宜的參數(shù)。受資料限制，目前設置的參數(shù)是依據區(qū)內一個回灌試驗，參考其他區(qū)域回灌參數(shù)而設置的經驗值。因此，后續(xù)應通過區(qū)內基巖熱儲回灌試驗及回灌模擬加強溫度及水位擾動的分析，通過設置不同回灌井間距、方位、回灌尾水溫度等參數(shù)分析對周邊開采井的溫度以及水位影響，以不斷完善區(qū)內回灌方案及參數(shù)的設置，為區(qū)內熱儲可持續(xù)利用提供依據。

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基金項目：山東省物化探勘查院科技攻關項目“聊城市地熱資源調查研究”