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基于水—热—化耦合数值模拟的地热田开发方案优化设计——以河北雄安新区岩溶热储为例

刘健 曹强 任小庆 卢星辰 刘一茗 杨宝林

刘健, 曹强, 任小庆, 卢星辰, 刘一茗, 杨宝林. 基于水—热—化耦合数值模拟的地热田开发方案优化设计——以河北雄安新区岩溶热储为例[J]. 石油实验地质, 2025, 47(2): 406-416. doi: 10.11781/sysydz2025020406
引用本文: 刘健, 曹强, 任小庆, 卢星辰, 刘一茗, 杨宝林. 基于水—热—化耦合数值模拟的地热田开发方案优化设计——以河北雄安新区岩溶热储为例[J]. 石油实验地质, 2025, 47(2): 406-416. doi: 10.11781/sysydz2025020406
LIU Jian, CAO Qiang, REN Xiaoqing, LU Xingchen, LIU Yiming, YANG Baolin. Optimization design of geothermal field development schemes based on hydraulic, thermal and chemical coupled numerical simulation: a case study of karst thermal reservoir in Xiong'an New Area, Hebei Province[J]. PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT, 2025, 47(2): 406-416. doi: 10.11781/sysydz2025020406
Citation: LIU Jian, CAO Qiang, REN Xiaoqing, LU Xingchen, LIU Yiming, YANG Baolin. Optimization design of geothermal field development schemes based on hydraulic, thermal and chemical coupled numerical simulation: a case study of karst thermal reservoir in Xiong'an New Area, Hebei Province[J]. PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT, 2025, 47(2): 406-416. doi: 10.11781/sysydz2025020406

基于水—热—化耦合数值模拟的地热田开发方案优化设计——以河北雄安新区岩溶热储为例

doi: 10.11781/sysydz2025020406
基金项目: 

中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室开放基金 TR-2022-09

详细信息
    作者简介:

    刘健(1987—),男,博士生,从事地热资源勘探开发、资源与环境工程研究。E-mail:liujian.xxsy@sinopec.com

    通讯作者:

    曹强(1983—),男,博士,副教授,从事油气成藏动力学、低渗—致密砂岩油气充注机理、超压及断裂控藏机理、油气及地热资源评价研究。E-mail: qcao@cug.edu.cn

  • 中图分类号: TE132.1

Optimization design of geothermal field development schemes based on hydraulic, thermal and chemical coupled numerical simulation: a case study of karst thermal reservoir in Xiong'an New Area, Hebei Province

  • 摘要: 为优化河北雄安新区岩溶热储的地热资源开发方案,在构建三维地质模型的基础上,对地热田开采状态进行水—热—化多场耦合数值模拟。通过敏感性分析,探讨开采时间、采灌流量、井距、回灌温度和回灌率等关键参数对地热田开发效果的影响。结果表明,地热井开采时间延长会导致温度下降和热突破现象,在现有开发场景下,100年开采周期内雄县及容城地区部分地热井温度下降可达4 ℃。减少开采流量或增加井距能有效延缓热突破,延长地热田寿命。在雄县地区,建议井距保持在500~600 m。回灌温度对地热田整体温度场影响不大,但降低回灌温度可提高热利用率。回灌率对地下水位影响显著,100%回灌率能维持地下水位稳定,而90%回灌率会导致地下水位持续下降。总之,合理调整开采周期、采灌流量、井距和回灌策略,可以有效延长地热田的使用寿命,并提高资源利用效率。

     

  • 地热资源作为一种极具竞争力的清洁和可再生能源,具有资源量大、能源利用效率高、持续稳定、绿色低碳等诸多优点。大规模开发利用地热资源是应对全球气候变化和能源结构调整,助力实现“双碳”目标的重要举措[1-2]。河北雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷中部,是我国岩溶热储开发利用条件最好的地区之一,平面上分为容城、高阳和雄县3个地热田,地热田面积达新区面积80%以上,具有资源储量大、热储埋藏深度适中、温度高、水质优、易回灌的特点。雄安新区地热资源开发利用,力图打造地热利用的“雄安模式”,是新区“创新驱动发展新引擎”的重要组成部分,具备地热资源开发规模化、能源利用数字化、地热利用可持续性、开发技术先进性、空间配置优化性、地热开发经济性和运行管理科学性等七大特征,致力于打造地热利用全球样板。

    热储工程数值模拟是地热研究中行之有效的手段,在实际工程中也得到了广泛应用。自20世纪90年代开始,应用计算机模拟技术于地热资源开采的规划和管理已经成为工业化标准流程之一。针对京津冀地区地热资源开发,前人开展了大量热储工程数值模拟工作,周训等[3]对天津市基岩热储进行了三维非稳定场数值模拟,有效地对规划的水源地三种开采方案的开采动态进行预测;宋美钰等[4]针对天津地区蓟县系雾迷山组热储开展数值模拟研究,成功实现了热储压力场变化趋势预测;李俊峰等[5]通过对天津市雾迷山组热储层地下水位动态规律的分析,预测了在不同开采量下未来水位的变化规律。然而,目前针对京津冀地区岩溶热储的数值模拟研究多局限于温度场—渗流场耦合模拟,缺乏水化学场影响研究。

    热储中流体与岩石之间的化学反应在岩溶热储开采中往往起着重要作用。热储开采过程中流体会与周围岩石产生化学反应,引起岩石中矿物的溶解或沉积,使热储层孔隙结构的孔隙度和渗透率产生动态变化,对地下流体流动与热量传输过程造成影响。因此将地球化学反应与流体和热量传输进行耦合模拟,是当前热储模型研究的热点之一。国外学者KIRYUKHIN等[6]利用TOUGH/TOUGH React系列软件,针对日本9个水热型地热田建立了传热—流动—化学(Thermal-Hydraulic-Chemical,THC)耦合模型,该模型参数的设定基于地热田关于二级矿物分布、深层地热流体组分等实测数据,通过Na-K和SiO2地热温度计进行模型的验证与标定,揭示了流体矿物组分随孔隙度、渗透率和流速的变化规律,强调了THC模型在理解地热系统中反应性化学传输过程的重要性。PANDEY等[7-8]通过三维水—热—化耦合数值模拟,讨论了地热抽采中化学反应和流体注入温度、浓度对裂隙渗透性的影响。陈继良等[9]阐述了在多孔介质热流动模型中耦合液—岩化学反应的方法,初步建立了针对增强型地热系统的THC多场耦合数值模型,并对五井布局增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)的长期运行过程进行了模拟分析,结果显示岩石与流体间的化学反应导致裂隙区域孔隙度和渗透率增加,从而显著改变热储的导流能力,增大循环流量,提高EGS的热开采效率。截至目前,尽管THC耦合数值模拟在实际热储工程中已经得到验证,但是国际上针对大型岩溶热储在大规模采灌条件下的THC的响应研究仍然较少。

    本文选取研究程度相对较高的雄安新区岩溶热储作为研究对象,在三维地质模型建立的基础上,开展水—热—化多场耦合数学模拟,通过改变开采时间、开采与回灌流量、井距、回灌温度和回灌率等关键参数,分析其对地热田开发效果的影响,从而为优化雄安新区岩溶热储地热资源开发方案提供科学依据。

    雄安新区位于冀中坳陷中部,地质构造上属于华北克拉通的一部分(图 1)[10]。岩石圈的减薄、破碎以及地幔物质的上涌,使得该区域具有较高的现今地温场背景,大地热流平均值约为89.58 mW/m2,区内局部地区地表热流值甚至高达100 mW/m2[11-19]。区内大地热流和地温梯度的分布都具有凸起轴部高、向凸起边缘逐渐降低的特点。

    图  1  河北雄安新区区域地质概况据参考文献[10]修改。
    Figure  1.  Geological map of Xiong'an New Area, Hebei Province

    受控于区域构造及沉积演化过程,雄安新区碳酸盐岩岩溶型储层广泛发育,新生界直接覆盖在中—上元古界、寒武系和奥陶系碳酸盐岩之上[20-21],是我国乃至世界上大型优质岩溶储层发育地区之一,也是研究区地热开发的主力储层。雄安新区岩溶热储地热水主要接受西部太行山和北部燕山地下水的侧向径流补给,经过深循环加热之后赋存于基岩热储中(强迫对流),81Kr定年显示地下水年龄为760 Kyr[22-24]。岩溶热储地热水的同位素值和砂岩热储地热水以及浅部地下冷水的同位素值差别显著,氧同位素值相差2‰~3‰,表明岩溶热储流体动力系统相对独立于砂岩热储[25]。此外,地热水温度、钻孔温度梯度和盖层热流均随地表水头的变化呈现出相同的空间趋势,揭示了横向补给地下水与上升地下水的混合作用(混合对流)。冀中坳陷深井系统测温结果显示,该区域地温场结构极为特殊,第四系和新近系盖层的地温梯度在23.3~49.6 ℃/km之间,呈传导型地温场特点;古生界或中、上元古界碳酸盐岩岩溶热储的地温梯度平均仅为2 ℃/km,呈强对流传热特征,且空间差异极大,即冀中坳陷属于对流—传导复合型地热系统[14, 25-27]。雄安新区大型岩溶地热储的形成主要受以下几个因素控制:(1)华北克拉通破坏过程中,上地幔隆起形成裂谷盆地,构造及热活动强烈,减薄的岩石圈使得地下深部的热能够很好地传递到上部地层中。盆地深部碳酸盐岩地层的隆起,为地下深部热能向上传递和聚集提供了条件。(2)基底岩性、上覆盖层的发育以及地下水的深循环,对地热异常区的形成具有一定的控制作用。(3)基底大断裂的发育,是地下热能向上传导的良好通道。牛驼镇地热田区内断裂构造发育,根据地质资料记载,牛东断裂为区内深大断裂,且沿着断裂带存在岩浆的多期次侵入或喷发,为深部控热构造研究提供了有利条件[28]

    本文技术路线为收集资料→三维地质建模→温度场、水流场、水化学场→三维水—热—化耦合模型→雄安新区热储工程数值模拟→数据的可视化。首先,收集、整理研究区的各类地质、地球物理和钻探资料;采用Petrel软件,建立雄安新区雾迷山组三维地热地质模型;利用现有的实测钻井测温、岩石热物性和大地热流分布数据,初步构建雄安新区三维地温场模拟,为数值模拟提供温度场分布的初始条件;利用现有水文地质资料,构建雄安新区三维地下水流场分布模型,为数值模拟提供水位、压力场以及流速场等初始条件,确定模型边界条件的侧向补给量;基于水化学与同位素采样分析结果,确定化学初始条件(图 2)。基于开源数值模拟平台OpenGeoSys(OGS)[29],建立雄安新区三维热储水—热—化耦合数学模型。

    图  2  技术路线
    Figure  2.  Technical route

    三维地质建模是将钻井、地质、测井和各种解释结果综合在一起生成三维定量模型,以反映地质体空间几何形态以及属性分布。三维地质建模首先需要在已有地质研究成果、钻孔、测井资料等的基础上,查明地层结构、分层、厚度、岩性以及储层物性参数等。研究区为重要油区和地热开发区,石油钻井和地热井资料相对丰富,本研究共收集研究区37口钻井资料,通过插值法由坐标数据、分层数据建立雾迷山组顶板、底板层面模型,利用测井资料将储层物性参数赋值,实现属性的空间分布插值。由于钻井位置分布比较集中,部分研究区缺乏钻井资料,根据经过研究区的三条地质剖面及已有研究区基岩埋深等值线图,添加了24个控制井点。本次建模采用斯伦贝谢技术服务公司开发的Petrel软件,采用离散光滑插值算法(Discrete Smooth Interpolation,DSI),在模型生成的全过程中,DSI用一系列空间坐标点来模拟地质体,这些坐标点代表了空间实体物理特性,相连节点的空间信息和属性信息被转化为线形约束。首先导入断层及构造平面数据文件,实施质量控制,为构造建模提供基础数据,在Petrel软件中实现构造建模包括建立断层模型(Fault Modeling)、三维网格化(Pillar Gridding)、地质层格架建模(Make Horizon)、地层结构建模(Make Zone)和层细剖分模型(Make Layering),图 3所示为研究区三维构造模型。

    图  3  河北雄安新区三维构造模型
    Figure  3.  Three-dimensional structural model of Xiong'an New Area, Hebei Province

    针对相建模,首先对研究区主要沉积微相建立地质知识库,以提取基于目标的示性点算法中各沉积相类型对应的模拟参数。以模拟沉积相为约束,建立沉积相发育概率模型,明确热采区碳酸盐岩发育概率平面,最后建立储层岩相模型。三维物性建模采用相控条件下的序贯高斯模拟(Sequential Gaussian Simulation,SGS)算法,建立孔隙度、渗透率模型,图 45分别为热采区雾迷山组孔隙度和渗透率三维物性模型。序贯高斯模拟是建立在序贯模拟上的一个特殊情况,它是建立在顺序模拟、克里金正态得分转换原理基础上的,只要知道一个随机变量的均值和方差,就可以确定其分布,因此适用于一些分布区域较窄、取值稳定均一、少有奇异值出现的近似服从高斯分布的变量。

    图  4  河北雄安新区热采区雾迷山组孔隙度三维物性模型
    Figure  4.  Three-dimensional porosity model of Wumishan Formation in thermal extraction zone of Xiong'an New area, Hebei Province
    图  5  河北雄安新区热采区雾迷山组渗透率三维物性模型
    Figure  5.  Three-dimensional permeability model of Wumishan Formation in thermal extraction zone of Xiong'an New area, Hebei Province

    基于开源数值模拟软件OpenGeoSys(OGS),建立了雄安新区三维热储水—热—化耦合数学模型。应用OGS开展多场耦合模拟,需建立在大量数据基础之上。为将这些数据输入模型,需要对其格式进行标准化处理。为此OGS开发了自己的数据前处理可视化界面(OGS-Data Explorer),它有与常见地质软件(如ArcGis、GMS、Petrel、GOCAD等)的接口,能够处理ASCII、shape等格式文件,并将其直接转化为OGS所需要的BC、ST、MSH等文件格式。OGS输出的数据格式为VTK、VRML及OpenSG等格式,可以在Paraview等可视化软件中便捷地进行三维显示。

    OGS基于质量守恒和能量守恒定律,建立一系列状态方程(Equation of State,EOS)进行运算。基于达西连续介质的流体运移模型已经在OGS中予以实现,本文在此基础上,考虑高温作用下的地下水流动过程,需耦合能量守恒方程,实现传热—地下水流动运移的多场耦合。

    首先考虑描述多孔介质中流体运移过程,这里采用达西连续性方程作为控制方程:

    (Φρ1)t=(ρ1v1)+Q
    (1)

    式中:Φ为孔隙度,单位%;ρl为流体密度,单位kg/m3t为时间,单位s;Q为源汇项;υl为流体流速,单位m/s,可由达西定律予以描述:

    v1=Kμ(pρ1g)
    (2)

    式中:K为岩石渗透率,单位m2μ为岩石的流体粘滞系数,单位Pa·s;p为压强,单位Pa;g为重力加速度,取值9.8 m/s2

    在此基础上进一步考虑组分的反应和传输(例如:盐度)过程,我们采用组分的质量守恒方程予以描述:

    (Φci)t=(ρ1civ1)+(Deci)+Qi+ΦRn
    (3)

    式中:方程左边部分表示系统中第i个组分的质量变化率,右边项代表该化学组分对流、扩散作用、源汇项以及矿物组分的溶解和沉淀对系统中该组分质量变化的贡献;ci为第i个组分的浓度,单位mol/L;De为有效扩散系数,单位m2/s;Qi为源汇项;Rn为化学反应速率,单位mol/(L·s)。

    为了考虑高温作用下的传热过程,我们采用能量守恒方程作为控制方程,以描述非等温过程:

    (Ht)t=(ρ1h1v1)+(λT)+Qheat 
    (4)

    式中:t为时间,单位s;hl为液相的焓,单位J/kg;λ为热传导系数,单位W/(m·K);T为温度,单位℃;Qheat为热量的源汇项;Ht为系统中总的焓,包括流体和岩石两部分的贡献:

    Ht=Φρ1h1+(1Φ)ρRcpRT
    (5)

    式中:ρR为岩石密度,单位kg/m3cpR为岩石比热容,单位J/(kg·℃)。

    水—热—化耦合数值模拟采用Galerkin有限元法在空间上离散,用Euler差分法在时间上离散,基于全局隐式耦合算法以保证求解的稳定性,用Newton-Raphson方法处理耦合方程的非线性,提升非线性求解的效率,线性方程求解器SparseLU用于求解稀疏矩阵。模型的前后处理依托开源3D地质模拟分析软件Paraview。另外,针对优化算法,利用Matlab的最优化模块予以实现。

    建立了雄安新区天然状态数值模型,该模型包括三维温度场和水化学分布特征。通过一维稳态热传导方程计算,结合实际测量的地层温度、岩石热导率和岩石生热率数据,模拟不同深度地层的温度分布,为后续开采模拟提供基础数据。在将建立好的模型运用于预测之前,需对模型进行对比验证,以保证模型的正确性和准确性。本研究的模型结果通过拟合世纪城和太阳城两口地热井2014—2016年水位和温度的动态监测数据,以完成模型的验证和部分参数的率定。图 6表明模型结果较好地拟合了历史观测结果。

    图  6  河北雄安新区实测温度与计算模拟结果对比
    Figure  6.  Comparison between measured temperatures and simulation results in Xiong'an New Area, Hebei Province

    为了进一步优化采灌开采方案,通过分析模型中的关键参数,定量分析参数的不确定性对模型的影响,以获取采灌最优的参数组合。考虑进行如下五项关键参数的敏感性分析:开采时间、采灌流量、井距、回灌温度以及回灌率。

    3.2.1   开采时间

    图 7为系统运行100年后,在1 500 m深度热储温度分布模拟结果,其中蓝色区域为回灌井影响范围,可见100年后回灌井的影响范围明显扩大,但是回灌所造成的温度变化仅仅局限在回灌井周围,并未对整体储层的温度造成影响。然而,开采井在现有采灌情景下100年开采期内开采温度的变化曲线表明开采井的温度下降趋势明显,其中部分地热井下降温度达到4 ℃(图 8),这也意味着在100年的开采周期内,回灌井的回灌尾水运移到了开采井周围,对开采井的温度造成影响,即发生了热突破。从井底压力的变化曲线(图 9)可以发现,几乎所有的开采井在100年开采周期内,压力都在不断增加,表明随着开采过程,开采井的水位没有发生下降,反而在不断上升,暗示回灌井的压力对开采井进行了补充。

    图  7  河北雄安新区开采100年后1 500 m深度储层温度分布模拟
    Figure  7.  Temperature distribution simulation in deep reservoirs(1 500 m) after 100 years of extraction in Xiong'an New Area, Hebei Province
    图  8  河北雄安新区所有开采井在现有采灌情景下100年之后开采温度的变化模拟
    Figure  8.  Simulation of changes in extraction temperatures of all wells after 100 years under current extraction and recharge scenario in Xiong'an New Area, Hebei Province
    图  9  河北雄安新区所有开采井在现有采灌情景下100年之后开采井水位的变化模拟
    Figure  9.  Simulation of changes in water levels of all extraction wells after 100 years under current extraction and recharge scenario in Xiong'an New Area, Hebei Province
    3.2.2   采灌流量

    为进一步判断当前井身结构参数下最优的开采量,共设置3组模拟方案,对应供暖期开采流量分别设置为100、120、140 m3/h,模型总共模拟时间为100年。结果表明,初始时刻不同流量下开采井水温差异不明显;在100年的开采周期内,随着开采量/回灌量从100 m3/h增大到140 m3/h,开采井的水温降低速率增大;在第100年,140 m3/h流量下的开采井水温比100 m3/h流量下开采井的水温低2.0~2.5 ℃(图 10)。

    图  10  河北雄安新区盛唐2井在不同流量下100年开采周期内温度演变模拟
    Figure  10.  Simulation of temperature evolution in well Shengtang 2 at different flow rates over a 100-year extraction cycle in Xiong'an New Area, Hebei Province

    不同流量对开采井压力的影响结果表明,同时增加开采与回灌流量,对整体热储的压力场和水位场影响不大,在盛唐2井,在100年的开采周期下,水位基本保持不变,甚至还有些许上升;在100年的开采周期后,在流量为140 m3/h的情形下,水位较其他流量情形更低,水头提升幅度减小(图 11)。总体上,三种情形的水位和压力差异不明显,这可以解释为在回灌流量也为140 m3/h的情形下,回灌井的压力平衡了开采井的压力/水位差,即当流量为140 m3/h时,只要满足100%回灌,水位就不会出现明显下降。

    图  11  河北雄安新区盛唐2井在不同流量下100年开采周期内井底压力演变
    Figure  11.  Well bottom pressure evolution in well Shengtang 2 at different flow rates over a 100-year extraction cycle in Xiong'an New Area, Hebei Province

    区别于单井抽水过程,对井采灌工程中回灌的低温水会向侧向和垂向运移,引起深部地热流体的显著热对流现象,在两井井底产生的压力梯度会使得深部地热流体优先向生产井运移。而当流量增加时,开采井温度降低更大,但是下降幅度并不明显,流量从100 m3/h提升到140 m3/h,所有开采井中,50年后温度下降最大达到2.5 ℃,从120 m3/h提升到140 m3/h,50年后温度下降最大为1.3 ℃,由此可以认为,在50年的开采周期内,140 m3/h的开采流量不会造成开采井温度的急剧下降,但部分井发生了热突破,因此当需要提升开采/回灌流量时,需要针对具体的井进行具体分析。

    3.2.3   井距

    设计开采井和回灌井的井间距分别为400~600 m,模拟改变对井井间距时在采灌条件下对热储开采层流场及温度场的影响,得到系统50年的运行过程中开采井井底温度及水头变化情况。

    图 12为针对不同的井距,在100年开发周期内,开采井温度的变化趋势。当井距为400 m时,从第10年开始,开采井温度即开始出现下降;当第30年之后,出现明显的温度下降趋势;当第50年时,温度下降达到2.5~3 ℃;当第100年时,温度下降达到4~5 ℃。当井距为500 m时,从第30年开始,出现温度下降;当第50年时,温度下降不到0.5 ℃;当第100年时,温度下降不到1 ℃。当井距为600 m时,温度基本保持不变。由此可见,欲保持100年开发不受明显热突破影响,安全井距至少设定在500~600 m为宜。

    图  12  河北雄安新区不同井距对开采井温度的影响
    Figure  12.  Influence of different well spacing on extraction well temperature in Xiong'an New Area, Hebei Province

    此外,随着回灌井和开采井井距增加,开采井的压力下降幅度越来越大,随着开采的持续进行,压力的降低在整体上呈现稳定(图 13)。

    图  13  河北雄安新区不同井距对开采井水位的影响
    Figure  13.  Influence of different well spacing on extraction well water levels in Xiong'an New Area, Hebei Province
    3.2.4   回灌温度

    为了模拟回灌温度对地热开采效率的影响,分析三组不同的回灌温度:10、20、30 ℃。在模拟过程中,同时保证开采和回灌流量保持不变。模拟不同回灌尾水温度时在采灌条件下对热储开采层流场及温度场的影响,得到系统运行50年过程中开采井井底温度及压力变化情况。

    然而,在当前优化的采灌量和回灌段井筒长度条件下,回灌冷水在50年运行期间并未到达生产井,开采温度并未受到回灌水温度的影响。当回灌温度由30 ℃降低到10 ℃时,50年后,绝大部分开采井的温度变化都在1~2 ℃范围内;即回灌水温每降低10 ℃,抽水井的温度降幅差值在0.5 ℃左右。因此,回灌温度的降低,对开采井温度的影响相对有限(图 14)。回灌温度由30 ℃降低到10 ℃,不会造成开采井的热突破。此外,随着回灌温度的降低,对开采井压力的变化影响很小,仅在几Pa之内,几乎可以忽略不计。以上结果说明,若对地热尾水继续进行梯级利用,尽量降低回灌地热尾水的温度,则可实现地热系统热水资源的高效利用。

    图  14  河北雄安新区绿港地热井不同回灌水温度情景下开采井井底温度变化
    Figure  14.  Temperature changes at extraction well bottom under different recharge water temperature scenarios in Lügang geothermal well of Xiong'an New Area, Hebei Province
    3.2.5   不同回灌率

    将生产井开采量保持在120 m3/h不变,回灌井的回灌率设计为90%,模拟热储开采层流场及温度场的影响,得到系统运行100年过程中开采井井底温度及压力变化情况。结果表明,当回灌井回灌率为90%时,开采井井底的压力持续下降,在100年的开采周期内,开采井压力下降最高达到0.21 MPa,对应的水位下降约为21 m,平均每年下降0.2 m左右(图 15)。

    图  15  回灌率为90%时各开采井在100年开采周期内井底压力的演变
    Figure  15.  Well bottom pressure evolution in each extraction well over a 100-year extraction cycle with a 90% recharge rate

    开采井压力的持续下降,也意味着水头的持续下降,说明当回灌量小于开采量的时候,地下水无法得到及时补给,回灌井的压力无法平衡开采井的压力,而开采井水头持续下降,也势必影响地热开采效率。此外,如果回灌率降低为90%,开采井井底温度降低幅度略微减小,如世纪城1井在50年的开采周期后,回灌率90%情景相较于100%回灌率,开采井水温变化幅度差异小于0.1 ℃,在均不发生热突破的前提下,回灌率的变化对开采井的水温影响不大(图 16)。

    图  16  回灌率为90%和100%时河北雄安新区世纪城1井在50年开采周期内温度的演变
    Figure  16.  Temperature evolution in well Shijicheng 1 over a 50-year extraction cycle with 90% and 100% recharge rates in Xiong'an New Area, Hebei Province

    前人针对雄安新区岩溶热储开发方案,开展了大量的温度场—渗流场耦合数值模拟工作。王树芳等[30]通过牛驼镇地热田回灌与示踪试验,建立了岩溶热储二维水平裂隙型介质模型,模拟结果显示,400 m以内的井间距可能会导致开采井温度快速下降,而1 500 m的井间距比较安全。KONG等[31]建立了一个长10 km、宽5 km的二维地质模型,利用OpenGeoSys软件开展了雄县地热田对井采灌模式下的回灌井布局数值模拟研究,以经济学模型为依据,以回灌带来的开采水温下降与水位下降所产生的最小损失为目标函数,确定最优采灌井距和优化开采模式,得到的最佳井距为400 m。马峰等[32]在不考虑热岩溶热储层孔隙度和渗透率空间非均质性的情况下,建立了雄安新区容城地热田的三维地质模型,通过COMSOL软件开展了容城地热田群井回灌数值模拟,结果表明在采灌均衡情况下,采用“一采一灌”方案的对井系统,在50年的开采年限里,开采温度最终下降3 ℃和5 ℃的热突破时间和地热资源回收率均相差不大。

    在这些研究的基础上,通过收集研究区各类地质、地球物理、钻探资料,利用Petrel软件建立三维构造模型和三维相模型,采用相控条件下的序贯高斯模拟算法,建立三维孔隙度和渗透率模型。在此基础上,结合水文地质、水化学资料,建立雄安新区热储工程数值模型,开展水—热—化三场耦合数值模拟。总体上,本次研究成果与前人结果具有可对比性,考虑孔隙度、渗透率非均质性的水—热—化三场耦合数值模拟结果可行度更高。

    (1) 开采时间延长会导致开采井温度下降,在50年的开采周期场景下,雄县及容城地热井未发生热突破,而在100年开采周期场景下,部分地热井温度下降达4 ℃。

    (2) 在采灌均衡的前提下,减小开采流量,可以延缓热突破时间,延长地热田寿命,当流量为100 m3/h时,100年开采周期场景下,所有地热井均不会发生热突破。

    (3) 增加开采井与回灌井井距,同样可以延缓热突破时间,延长地热田寿命,在雄县热采区,安全的井距应保持在500~600 m。

    (4) 不同回灌温度对地热田整体温度场的影响较小,100年的开采周期情景下,温度差异在1 ℃以内,同时不同回灌温度对地热田整体压力的影响可以忽略不计,即回灌温度的降低对开采井温度的影响相对有限,但可以提高地热资源的热利用率。

    (5) 不同回灌率对开采井的地下水位有明显影响,如在100%回灌的情景下,绝大部分开采井的地下水位没有出现下降;而在90%回灌率的情况下,所有开采井地下水位均出现持续下降,100年周期最高下降21 m,年均下降0.21 m。

    利益冲突声明/Conflict of Interests
    所有作者声明不存在利益冲突。
    作者贡献/Authors’Contributions
    任小庆、卢星辰参与方案设计;刘一茗、杨宝林完成模拟分析;刘健、曹强参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。
    The study was designed by REN Xiaoqing and LU Xingchen. The simulation and analysis were completed by LIU Yiming and YANG Baolin. The manuscript was drafted and revised by LIU Jian and CAO Qiang. All authors have read the last version of the paper and consented to its submission.
  • 图  1  河北雄安新区区域地质概况据参考文献[10]修改。

    Figure  1.  Geological map of Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  2  技术路线

    Figure  2.  Technical route

    图  3  河北雄安新区三维构造模型

    Figure  3.  Three-dimensional structural model of Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  4  河北雄安新区热采区雾迷山组孔隙度三维物性模型

    Figure  4.  Three-dimensional porosity model of Wumishan Formation in thermal extraction zone of Xiong'an New area, Hebei Province

    图  5  河北雄安新区热采区雾迷山组渗透率三维物性模型

    Figure  5.  Three-dimensional permeability model of Wumishan Formation in thermal extraction zone of Xiong'an New area, Hebei Province

    图  6  河北雄安新区实测温度与计算模拟结果对比

    Figure  6.  Comparison between measured temperatures and simulation results in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  7  河北雄安新区开采100年后1 500 m深度储层温度分布模拟

    Figure  7.  Temperature distribution simulation in deep reservoirs(1 500 m) after 100 years of extraction in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  8  河北雄安新区所有开采井在现有采灌情景下100年之后开采温度的变化模拟

    Figure  8.  Simulation of changes in extraction temperatures of all wells after 100 years under current extraction and recharge scenario in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  9  河北雄安新区所有开采井在现有采灌情景下100年之后开采井水位的变化模拟

    Figure  9.  Simulation of changes in water levels of all extraction wells after 100 years under current extraction and recharge scenario in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  10  河北雄安新区盛唐2井在不同流量下100年开采周期内温度演变模拟

    Figure  10.  Simulation of temperature evolution in well Shengtang 2 at different flow rates over a 100-year extraction cycle in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  11  河北雄安新区盛唐2井在不同流量下100年开采周期内井底压力演变

    Figure  11.  Well bottom pressure evolution in well Shengtang 2 at different flow rates over a 100-year extraction cycle in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  12  河北雄安新区不同井距对开采井温度的影响

    Figure  12.  Influence of different well spacing on extraction well temperature in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  13  河北雄安新区不同井距对开采井水位的影响

    Figure  13.  Influence of different well spacing on extraction well water levels in Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  14  河北雄安新区绿港地热井不同回灌水温度情景下开采井井底温度变化

    Figure  14.  Temperature changes at extraction well bottom under different recharge water temperature scenarios in Lügang geothermal well of Xiong'an New Area, Hebei Province

    图  15  回灌率为90%时各开采井在100年开采周期内井底压力的演变

    Figure  15.  Well bottom pressure evolution in each extraction well over a 100-year extraction cycle with a 90% recharge rate

    图  16  回灌率为90%和100%时河北雄安新区世纪城1井在50年开采周期内温度的演变

    Figure  16.  Temperature evolution in well Shijicheng 1 over a 50-year extraction cycle with 90% and 100% recharge rates in Xiong'an New Area, Hebei Province

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-01
  • 修回日期:  2025-02-01
  • 刊出日期:  2025-03-28

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