河间潜山地热资源开发方案数值模拟

丁 蕊 , 朱传庆 *, 曹 倩, 方朝合,杨亚波 , 江晓雪

1)中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249;2)中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;3)中国石油勘探开发研究院, 北京 100083

河间潜山位于冀中坳陷内, 具有丰富的地热资源(王钧和周家平, 1991; 王贵玲和蔺文静, 2020)。河间地区地热资源的勘探和开发时间较早(周家平和王钧, 1990), 初期多为直接利用, 之后重新利用废弃油气井或钻探地热井开发地热资源, 取得了较好的经济效益, 但存在地热流体过度开采的问题。

地热流体的过度开采会导致热储压力、温度下降(段忠丰等, 2020), 生产率降低等问题。回灌是维持热储温度和热储压力、避免环境污染的有效手段(Ungemach, 2003; 阮传侠等, 2017a)。回灌过程中的采灌井距、开采量、回灌温度等参数设置不合理会造成回灌效果不明显或热储压力下降过快、热突破等问题, 影响地热资源持续开发(刘志涛等, 2019;段忠丰等, 2020)。

水热耦合模拟可以准确预测热储随地热资源开发的动态变化从而确定合理的地热资源开发的开采参数(O"Sullivan et al., 2001)。段忠丰等(2020)利用Petrasim-Tough2软件针对东营凹陷东营城区地热田进行了水热耦合模拟, 在 100%回灌的前提下确定了一采两灌的布井方式以及合理的开采参数。罗宁等(2021)计算了雄安新区及其周边古潜山地热资源量, 对雄安新区容东安置区古潜山地热资源开采进行了模拟。孔彦龙等(2020)利用OpenGeoSys软件计算了雄县地热田开采 50年后的温度压力变化,从经济和维持热储压力两方面对比了集中采灌和对井采灌, 选取了集中采灌为优化开发方案。Wang et al.(2021)利用 COMSOL软件研究了雄安新区地热资源开采40年后生产井温度与生产参数的相关性。胡秋韵等(2020)利用COMSOL Multiphysics软件模拟了雄安新区容城凸起地区不同采灌流量在100年开采年限后对储层的影响。

为应对河间潜山地热资源开发利用中的过度开采、资源利用水平低、浪费严重的问题, 本文基于测井资料、岩石热物性资料, 明确河间潜山地区地温场特征并进行地热地质建模和水热耦合模拟,选取合理的开采参数和采灌井网, 计算动态资源量,为后续地热资源的可持续开发利用提供依据。

1.1 地热地质特征

河间潜山带位于冀中坳陷饶阳凹陷中东部(图1a), 受其西侧河间基底大断层控制(葛许芳等,2003)。如图1c所示, 河间潜山顶面埋深较浅, 是一个北东向展布、南东向倾向的贝壳状半背斜, 抬升幅度相对较大, 潜山顶部地层相对复杂(吴涛等, 2017)。

图1 河间潜山构造分布图(a)、河间潜山地层柱状图(b)和河间潜山剖面图(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)

研究区内分布有多套储盖组合(图1b), 本文主要研究新生界砂岩盖层和雾迷山组白云岩热储层。河间潜山雾迷山组热储层储集条件以及储集体连通性均较好, 潜山热水与周缘山区有着较好的水力联系, 有一定水源补给。河间潜山的盖层厚度适中, 分布相对均匀, 并且热导率较低, 阻热能力好, 能够有效地防止热量的散失。合理的储盖组合以及适中的盖层厚度有效的保存热储温度, 有利于勘探开发。

1.2 地温梯度和大地热流

基于研究区域钻孔测温数据计算地温梯度(图2a), 河间潜山地温梯度范围为29.8～44.5 ℃/km, 平均值为 40.7 ℃/km, 其大多数区域的地温梯度超过41.5 ℃/km, 为地温梯度高异常区, 远远高于冀中坳陷平均地温梯度33.5 ℃/km(常健等, 2016)。大地热流特征对于区域地热资源成因以及开发利用潜力指导意义更大(Pollack et al., 1993)。河间潜山大地热流值(图2b)介于 64.8～80.6 mW/m2之间, 平均值为73.4 mW/m2。

图2 河间潜山地温梯度(a)和大地热流(b)分布图Fig. 2 Hejian buried hill gradient distribution map (a) and heat flow distribution map (b)

1.3 地热成因机制

河间潜山的主要热源是地幔热流(左银辉等,2013)。冀中坳陷现今的地幔热流占地表热流的55%,热流比值为0.83(蒋林等, 2013), 地幔对地表的热流贡献较大, 为典型的“冷壳热幔”结构。河间潜山主要发育花岗片麻岩类岩石, 其次为角闪片岩、花岗岩、角闪岩等。河间城区所在区域下部的基岩是太古界、下元古界变质岩, 其放射性物质生成的热量为河间潜山次要热源(李成海等, 2019)。

河间潜山的雾迷山组热储层岩性以白云岩为主, 是良好的热水储层, 潜山区域雾迷山组孔、洞、缝发育较好, 有较好的渗透率, 富水性较好, 地下水主要来源为大气降水(孙杉等, 1982; 赵利杰等,2012)。

研究区内河间断层以及河间西断层均为良好的导热导水断裂, 共同构成了良好的流体通道, 为河间潜山提供了良好的流体条件。冀中坳陷内的潜山地下水基本上为一环状动力带, 地下水横向上由太行山、燕山到河间潜山, 纵向上沿断裂由深部向上运移, 共同为河间潜山区域带来热源(周瑞良,1987; 邹华耀等, 2001)。

2.1 水热耦合模拟理论方法

本次对于河间潜山的开发优化模拟采用水热耦合模拟方法, 将储层视为多孔介质, 其中的地热流体流动符合达西定律(Gelet and Loret, 2012; Wang et al., 2021)。将储层性质、流体流动、热量传导、地下水流动等适度理想化, 同时忽略温度以及压力对于模拟结果的细微影响。

2.2 水热耦合模型建立

2.2.1 雾迷山组储层温度及埋深

基于一维稳态热传导方程, 根据雾迷山组埋深(图3a)及收集到的岩石热物性数据, 可以得到雾迷山组热储层温度(图3b)。河间潜山雾迷山组顶面整体温度较高, 温度范围为85～133 ℃, 以中部的东北方向以及西南方向为顶面温度的两个高点, 向四周逐渐降低。综合考虑热储层顶面温度以及顶面埋深,与导水导热断裂的距离等因素, 在研究区内选定地热资源开发利用有利区。

图3 河间潜山雾迷山组顶面埋深(a)及顶面温度(b)分布图Fig. 3 Hejian buried hilltop surface burial depth of (a) and surface burial temperature (b) of Jxw distribution map

2.2.2 模型参数与边界条件

模型中涉及的盖层及热储层岩石物理性质如表1所示。

表1 盖层及热储层岩石物理性质Table 1 Physical properties of cap rock and thermal reservoir

模型中压力梯度值近似设置为0.01 MPa/m, 模型底部设置恒定热流值73.4 mW/m2, 热储层埋深以及温度根据图4、图5进行设置, 其余边界设置遵循实际并进行合理的理想化处理。

图4 河间潜山雾迷山组地层模型Fig. 4 Hejian buried hill stratum model of Jxw

图5 河间潜山采灌井井距为500 m (a)及900 m (b)下储层温度的时间响应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 水热耦合模型

利用COMSOL Multiphysics软件的内置几何处理器建立了含注采井的三维雾迷山组白云岩储层模型, 如图4所示。

3.1 生产井与回灌井距离

冀中坳陷及其周缘地区砂岩热储层地热井开采量一般为 55～70 L/s(张红波, 2017; 段忠丰等,2020; 罗宁等, 2021), 白云岩具有更高的孔隙度和渗透率, 故可以适当设置更高的开采流量, 结合该区域已有地热井的实际数据, 在模拟中设置基础开采量为50 L/s。回灌温度设置为40 ℃。

生产井和回灌井的井距是影响地热资源开发的一个重要因素(张杰和谢经轩, 2021)。研究区域的地热资源是水热型地热资源, 在井中循环的地下水充当生产井与回灌井之间的热介质, 井距过大时会造成地下水在生产井和回灌井之间的流动受阻, 回灌效果不明显; 井距过小时又会过早造成热突破现象, 生产井温度在短时间内迅速降低(曲占庆等,2017; 戴明刚等, 2019)。综合现有生产资料设置井距, 分别为400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m。

对比不同生产参数对水热型地热生产经济效益的影响时, 引入生产率这一概念:

其中ΔZ为生产率, 单位为W;M为生产流量,单位为L/s;Cw为地下水的比热容, 单位为J/(kg·℃);ρw为地下水的密度, 单位为 kg/m3;Tp为生产温度,单位为℃;Tinj为回灌温度, 单位为℃。

河间潜山井距为500 m时, 40年冷锋面推至生产井(图5a); 而井距为900 m时, 100年冷锋面未推至生产井(图5b)。地热资源开发对于储层温度的影响随着时间的增大范围逐步扩大, 井距过小时会在较短的时间内发生热突破。

分析结果(图6), 井距小于 800 m 时, 均在

100年之前发生热突破。井距大于等于800 m时, 到100年时未发生热突破现象。理论上只要年数足够长, 均可发生热突破现象, 而发生热突破现象之前的生产井温度曲线为一个先增大后减小的过程。前期温度上升可能是由于深层地下热水受到回灌水流的影响而向上流动, 造成生产井温度增大; 后期生产井温度随着时间的推移而减小, 可能是由于地层热量被提取过多, 地下热水无法及时取得热量, 地热生产以及回灌对于周边地层温度影响的范围随时间推迟逐渐增大。

图6 河间潜山不同井距下生产温度与生产率Fig. 6 Production temperature and productivity under different well spacing in Hejian buried hill

3.2 生产参数

除生产井和回灌井井距之外, 开采流量和回灌温度也是地热资源生产中的重要影响因素。保持井距为 800 m, 开采量分别设置为 50 L/s、60 L/s、70 L/s, 回灌温度分别设置为35 ℃、40 ℃、45 ℃。分析结果(图7), 开采量相较于回灌液温度对于生产井温度的影响更大, 更大的开采量会使得生产井温度在短时间内迅速升高, 而后快速降低, 同时使热突破提前, 回灌温度为次要因素, 更低的回灌温度会使得储层温度下降幅度升高。在800 m井距下,综合生产温度以及生产率, 得到模拟区域最适宜的生产流量为60 L/s, 回灌温度为35 ℃。由模拟结果进行地热可开采资源量的动态预测, 模拟区域总可开采量为6.32×1016J, 每年可采量为6.32×1014J。采用加权平均法, 研究区域热负荷指标为46 W/m2,算得可供暖面积为1.22×106m2。

图7 河间潜山不同开采量与回灌液温度(a)对生产率(b)影响Fig. 7 Influence of different production mass flow rate and temperature of recharging fluid (a) on productivity (b)in Hejian buried hill

3.3 双采双灌

随着地热开发利用的逐步规模化, 地热井数量增多, 形成群井采灌模式, 这些群井开采的不同对井之间可能存在相互作用。但中深层地热资源开采的过程中, 回灌井的流量实际上也是受限制的, 其上限流量与生产井的非常接近(阮传侠等, 2017b;曹瑛倬等, 2021)。所以此次研究中模拟两个生产井和两个回灌井的采灌井网, 设置不同的相对位置,如图8a、b所示。同侧井距经过模拟之后选择700 m为最佳井距, 开采流量60 L/s, 回灌温度35 ℃, 得到的河间潜山模拟区域生产井温度以及生产率如图8c、d所示。

图8 河间潜山双采双灌方案一(a)及方案二(b)示意图和其对生产温度(c)、生产率(d)的影响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)

方案一相对于方案二而言, 可以更好地维持生产井温度, 在河间潜山地区可以采取方案一进行开采。采取方案一进行开采, 生产井 a总可开采量为6.31×1016J, 每年可采量6.31×1014J, 可供暖面积为1.217×106m2; 生产井 b总可开采量为 6.32×1016J,每年可采量6.32×1014J, 可供暖面积为1.219×106m2。双采双灌与单采单灌的方案相比较, 单井可采资源量以及可供暖面积相差较小。

本次结果与罗宁等(2021)对雄安新区容东安置区古潜山、张红波(2017)对于东营凹陷中央隆起带、Kong et al.(2017)对于给定情境下的结果相比具有一定的差异, 反映了研究区域地热地质条件、构造条件以及地热开发年限对于模拟结果的影响。此次模拟中所用的模型较为简化, 未考虑除热储层之外地层的形状以及厚度。建立更为精细可靠的模型需要进行群井示踪实验, 以便进一步厘清研究区域热储中存在的优势通道。区域内地下水的流速较小,故适当忽略其从横向上对于地热回灌的影响。群井采灌模拟时仅模拟了双采双灌的情况, 所得到的结果有一定的局限性, 但对河间潜山地热资源开发、其他地区可采地热资源量动态预测、确定地热资源开采参数、进行地热资源井网布置等仍具有一定指导意义。此外还需在此基础上进行热储层敏感性分析和堵塞成因分析, 以预估热储回灌难度, 选择更为合理的回灌技术。

(1)河间潜山地温梯度为29.8 ～ 44.5 ℃/km之间,平均值为 40.7 ℃/km。大地热流值介于64.8 ～ 80.6 mW/m2之间, 平均值为 73.4 mW/m2, 具有良好的地热地质条件、较高的地温梯度以及大地热流, 拥有相对较好的水热型地热资源, 开发潜力巨大。

(2)对河间潜山地热资源开采的采灌井井距、生产流量、回灌液温度进行水热耦合模拟, 河间潜山合理开采井距为800 m, 开采流量60 L/s, 回灌温度 35 ℃。模拟区域总可开采量为 6.32×1016J,每年可采量为 6.32×1014J, 可供暖面积为1.22×106m2。

(3)双采双灌井网模式下, 生产井和回灌井在同侧的布井方式对于储层温度的影响较小, 可以延缓热突破的时间。

Acknowledgements:

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