岩溶热储合理采灌井距的热突破约束——以菏泽地热田为例

与煤炭、石油、天然气等传统化石能源相比,地热能具有资源储量大、分布广、可再生、开采条件好等优点。菏泽潜凸起地热田是山东省主要大型碳酸盐岩岩溶热储地热田之一,地热资源储量丰富。为保证地热资源可持续开发利用,本文基于郓城县武安府前小区、文昌苑社区岩溶热储地热采灌井全井段地温场长期动态监测,阐述了地温场变化规律及演化趋势,建立水-热耦合采灌对井数值模型,计算回灌工程合理采灌井距、合理采灌量,防止开采井运行期内发生热突破。结果表明,随着回灌年限的延长,回灌井周围热储温度逐年降低,回灌冷水影响范围逐渐扩大。将开采井热储温度降低1℃视为热突破,利用数值模型模拟预测,回灌低温冷水影响范围随采灌工程运行逐渐扩展并到达开采井附近。随着采灌量的增加或采灌井间距的减小,开采井周边的低温范围逐渐增大,产生热突破的时间逐渐缩短。热突破时间t与回灌量Q呈幂函数减小、与采灌井间距R呈指数函数增长。采灌量50 m^(3)/h,采灌井距大于350 m可保证对井系统运行100年不发生热突破;采灌量70 m^(3)/h、90 m^(3)/h、120 m^(3)/h、150 m^(3)/h、180 m^(3)/h时,100年不发生热突破的合理采灌井距分别为400 m、425 m、475 m、500 m、550 m。该结论为采灌井合理布局、地热资源可持续循环开发提供科学依据。

山东省德州市德城区地热采灌工程合理井距与热突破时间推算

山东省德州市砂岩热储开发时间早,供暖工程数量较多,但受社区面积和布局的影响,采灌井距远近不一,过近的采灌井距,势必会加速热突破的发生。为指导今后区内地热工程建设,利用《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》(DZ/T0330—2019)中合理井距公式,代入德城区地热地质参数,推导出该区合理井距经验公式。随着地热工程开采量增加,合理井距亦随之增加,当开采量为60 m 3/h时,合理井距不应低于181 m。根据计算,德城区51组采灌对井中,21组采灌对井将会发生热突破,且有8组采灌对井热突破时间不足10年,占比达到了19.6%。为保障采灌工程可持续运行,采灌井应及时调整布局。

地热储层岩体粗糙裂隙的热流耦合效应研究

为了解决地热开采涉及复杂的多物理场耦合问题,提高开采效率,本文针对开采过程中的渗流-传热问题以离散元软件3DEC构建岩体粗糙裂隙热-流耦合数值模型。考虑不同三维形貌特征的岩体裂隙,模拟水力开度为19.17μm在不同流速时的水-岩温度变化规律。结果表明:由于裂隙形貌的阻滞作用,粗糙面出水口温度下降较慢,出水口温度有所上升,模型达到稳态所需的时间随流速和对流换热系数的增大而减小。裂隙形貌对流体和岩体温度分布均有影响,粗糙裂隙面的冷锋形态和裂隙面的形貌密切相关。光滑裂隙热突破快于粗糙裂隙,增加裂隙面的粗糙度有助于延长热突破时间。粗糙裂隙面相对于光滑裂隙面的总热量提取率略有提升,流速和对流换热系数的增加显著提高总热量提取率。通过本文研究可以为地热能系统的设计提供重要参数和指导,能够提高地热能开发利用效率。

基于采灌均衡模拟的砂岩热储合理采灌井距计算方法

为实现地热能可持续开发利用的目标,需要明确不同采灌条件下合理的采灌井间距。为此,以鲁北馆陶组热储为研究对象,建立了层状热储开发的概念模型及数学模型,采用COMSOL Multiphysics多场耦合模拟软件建立了地热对井采灌井距计算器。通过参数拟合及模拟结果对比,验证了模型的准确性;进而以软件APP编译功能为基础,以普通用户使用为导向,简化相关参数输入,建立了地热采灌井距计算APP。为适应实际生产需求,计算了不同采灌量条件下对应的合理采灌井距。计算结果表明:鲁北地区馆陶组热储采灌量分别为40,60,80,100 m^(3)/h时,不发生热突破的合理采灌井距分别为290,330,360,390 m。研究表明:(1)在鲁北层状传导型砂岩热储地区,对概念模型进行简化处理后,数值模拟计算结果可靠,可以在该地区建立合理采灌井距计算APP;(2)水热数值模拟是合理采灌井距计算的有力手段,能够确定开采量、回灌量、回灌温度、采灌井距等地热开发利用工程的关键参数,有利于实现地热资源可持续开发利用。

河北平原层状热储回灌热影响半径研究

在计算回灌条件下地热采灌井合理间距和地热流体可开采量时,回灌井的热影响半径是非常重要的参数之一。地热资源评价方法及估算规程中给出的两种计算方法,其假设条件是热储层温度均匀下降且未考虑外围的热量补给,同实际情况是不符的,数值模型法计算相对复杂需要专门的软件协助计算。本文改进了规范中的计算方法,提出了热量平衡法用于计算回灌井的热影响半径。以衡水市安平县馆陶组热储为例,回灌100年后,热影响半径为276.86 m,接近于数值模型法计算结果,为热突破法和开采权益保护半径法计算值的23%~71%。其原理是回灌水逐年向热储中扩散,低温回灌水同砂层进行热交换,热交换后回灌水温度逐渐增高。数据显示热储温度在回灌井处最低,以回灌井为中心向外围逐渐增高,随着回灌水的深入,其温度逐渐增高,同时由于来自深部高温的热传导,回灌水温度最终接近热储层温度,此时的冷锋面距回灌井的距离可认为是回灌水的热影响半径。本文通过对回灌热影响半径计算方法的研究,试图解决回灌条件下地热流体可开采量计算中的存在关键问题,以期为地热集中开采区采灌布局和可持续开发利用提供依据。

浅析地热回灌水温度对允许可开采量的影响——以运城市盐湖区地热回灌为例

文章通过分析运城市盐湖区地热回灌试验,对比采暖期与非采暖期的试验数据,探讨了地热回灌技术对地热可采量计算和评价的影响,发现地热回灌水温度严重影响地热允许可开采量的评价结果,为地热可持续发展提供数据基础。

碳酸盐岩热储抽灌井光纤测温及地温变化研究

碳酸盐岩热储层具有地热资源丰富、开采条件好、单井涌水量大等特点,是中深层地热资源开发利用的主要热储层之一。在地热长期开采、尾水回灌过程中,既要保持抽灌井之间的水力联系,又要避免热突破的发生,对抽灌井热储层温度长期监测和热源分析计算,是地热资源可持续开发利用的重要课题。文章介绍了抽灌井分布式光纤测温技术,监测了碳酸盐岩热储抽水回灌对地温的影响,根据监测数据分析、计算了热储温度恢复的热源及热量。研究结果表明:受抽灌井间距较小和碳酸盐岩热储优势通道的影响,供暖后第6天,抽水井热储温度明显下降,平均降幅1.6℃,抽灌井产生了热突破;因长期大量低温尾水回灌,第二个供暖季之前回灌井热储温度未能恢复到初始温度,抽水井温度基本恢复;经分析计算,储层热量恢复的主要来源为地热水对流聚热,其次为高温储层、地热水传导聚热。基于该研究结果,在大规模回灌条件下,回灌井温度降低,抽灌井发生热突破是必然的发展趋势,深入开展抽灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破,对促进地热资源可持续开发利用是非常必要的。

水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析

通过介绍中深层水热型地热系统在建筑供暖中的设计和应用,总结了地热系统、换热系统、水源热泵系统中影响地热资源利用、系统效能及可持续性的主要因素,并结合实际项目案例对先后两期工程的设计和应用进行数据对比,分析其中问题并提出解决措施,从地热能利用率、系统综合制热系数、单位地热水量供热能力3个指标对水热型地热系统进行综合评价,并提出应考虑满负荷运行和部分负荷运行时按不同原则进行设计。

河南兰考县馆陶组砂岩热储回灌对采热过程的影响分析

依托河南兰考县馆陶组砂岩热储资料,基于简化的多孔隙率模型,采用COMSOL有限元多场耦合数值模拟软件,在考虑基岩和盖层热补偿与渗流对地热储层传热过程影响的情况下,建立了含断层地热储层的渗流—传热耦合模型。采用周期“一采一灌”对井注采模式,对不同井间距与不同渗透率地层的地热井长期运行过程进行模拟,研究采热过程的热突破现象发生规律。研究结果表明,相较于采热井,回灌井的井底温度在10年内急剧下降,与回灌水温(20℃)快速靠近,热补偿对回灌井的井底温度提升幅度也迅速降低;最终,回灌井井底温度逐渐与回灌水温重合。采热井底温度与井间距具有很强的相关性,随着井间距的增加,采热井底温度降低幅度减小,但随着时间增加而增大;在兰考县进行地热资源开发利用时,井间距不应小于500 m,这样既可以保证在运行寿命期间不产生热突破,又可以保证回灌水利用最大化。

冷热负荷失衡条件下采能区地温场的模拟研究

以北京某地下水源热泵空调系统为例,利用地下水、热耦合数值模型技术,对冷、热负荷严重不平衡条件下地下水抽灌场地温度场的年内和年际变化进行了定量模拟预测研究,并对系统长期运行的可行性进行了论证。研究结果表明:抽水井和回灌井之间的距离相对较大,抽灌井之间的"热突破"程度较低;由于空调系统的供暖负荷显著大于制冷负荷,抽灌区温度场将呈逐年下降趋势;抽灌场地是一个开放的系统,不断与外界发生能量交换。随着热泵空调系统的长期运行,抽灌区的温度下降速率越来越小,地温场渐趋稳定;由于热泵系统的年内冷、热负荷存在严重失衡,进而对热泵系统的运行效率将产生一定影响。

基于等效渗流通道模型的地热尾水回灌理论模型

深层地热能是一种清洁环保的可再生能源,尾水回灌是深层地热可持续开发利用的重要保证,但目前国内地热尾水回灌还处在起步阶段,地热尾水回灌方案优化设计的理论模型尚不成熟。文章结合示踪试验,提出了基于等效渗流通道模型的热储参数反演与开采井热突破预测的完整理论框架。应用多孔介质溶质运移理论,修正了等效渗流通道中的溶质浓度解析解,并联合移动渐近线法提出了热储参数反演理论模型;推导了等效渗流通道中的对流传热解析模型,可对开采井中的水温变化进行预测。依托山东省德州市平原县魏庄社区地热对井示踪试验,应用该理论框架进行了示踪试验反演及开采井热突破预测,并对影响开采井热突破的主要因素进行了敏感性分析。

地热外围回灌优化开发方案的研究

根据地质构造特征和地热资源评价,针对目前在资源开采阶段补建回灌井所面临的问题(包括断裂构造对热储层发育、地热流体径流补给通道等因素的影响以及地理位置的限定),提出了在中心采区外围实施回灌的新思路。结合不同采灌模式,对压力场和温度场的变化特征及影响程度分别进行分析。从分析结果可知,外围回灌将会较好的控制中心采区水位下降速率,延长热突破时间,最大限度地挖掘热储潜力,还可解决在中心采区补建回灌井空间位置不足的问题。

地热回灌条件下流体可采量评价方法

通过尝试运用回灌条件下单井开采权益保护半径的方法和热突破公式计算回灌条件下流体可开采量,形成了回灌条件下流体可开采量评价体系。并进行了实例计算,结果表明,随着回灌温度的增大,越不易于发生热突破,其流体可开采量也迅速增大。

献县地热田碳酸盐岩热储示踪试验与模拟

地热回灌过程中开采井热突破预测等理论模型方面的研究尚不完善。本文在献县地热田开展了对井回灌示踪试验,并运用Comsol Multiphysics建模软件进行了参数反演,应用该理论框架进行了示踪试验数据的定量解释及开采井热突破预测。结果表明,示踪剂回收率偏低,为0.0225%,采灌井存在1条优势通道,通道长度约为513.7m,总体表现为采灌井之间的水力联系较差。本文应用模型进行了参数反分析,计算得到拟合优度R2=0.7907>0.6,说明此优化结果与测量值有较强的相关性,拟合程度好。连续开采100a,不会发生热突破现象。

集中采灌条件下碳酸盐岩热储群井示踪试验

地热回灌是实现地热资源可持续开发的有力措施,在世界各国已获得广泛应用,在地热资源的保护、减少资源浪费、延长地热井寿命以及减少环境污染等方面具有重要意义。天津是我国开展地热回灌比较成熟的地区之一,截至2019年底,天津市基岩裂隙型热储回灌率已达79.61%。大规模集中采灌条件下热储层渗流场的变化以及是否会影响热储温度已成为热储系统研究的前沿课题。本文以天津市东丽湖地区为例,选取1,5-萘磺酸钠作为示踪剂,在2018~2019年供暖期集中采灌期间开展了群井示踪试验,结果显示,供暖期内地热井开采量(或回灌量)、水温没有明显变化,水位除受正常采灌影响外没有明显变化,热储系统基本处于稳定状态;试验中示踪剂回收率极低,开采井和回灌井之间水力联系较差,有限的优势通道中的最大流速为448.42m/d,优势通道的方向主要集中于北东向,与区内主要控热断裂沧东断裂及其次生断裂的发育方向一致;在现状开发利用模式下,不会造成该热储层温度的显著变化。这些认识对于指导北方古潜山碳酸盐岩热储的科学开发利用具有一定的现实意义。

咸阳地区地热采灌井最佳井距分析

采灌井合理井间距的确定是对井采灌,资源可持续利用的关键性问题[1]。采灌井间距过大,不利于发生水力联系,间距过小容易产生＂热突破＂[2]。对采灌井合理井间距的确定提供依据,以咸阳采灌区为例,在建立地下水流场和温度场耦合数学模型的基础上,借助Feflow软件以咸阳地区WH2为回灌井中心,开采井呈东西南北向排布的方式模拟。模拟分析表明：在采灌过程中地下水水位稳定时间随抽、灌水量的增加相应减少。水流连通的时间缩短,主要是由于抽、灌水共同作用下,地下水发生强迫对流作用加强,使天然流场的作用被忽略。在强迫对流作用的影响下,经过一定的时间形成新的渗流稳定场,当新的渗流稳定场形成之后,水流连通也将出现。以回灌使含水层下降2℃视为出现＂热突破＂现象,运行3 650天时,在防止抽灌井发生＂热突破＂的前提下,抽水井距灌水井合理的间距的下限为400 m左右。结合水力联系影响下的合理井距上限500 m,得出的研究区采灌井间合理的井间距范围为400~500 m。

注采井间裂缝对地热回灌的影响研究

天然裂缝和压裂诱导裂缝是地热储层主要的储集空间和流体渗流通道,是影响含裂缝热储资源可持续利用的关键因素。文章考虑渗流对地热储层传热过程的影响,建立了含裂缝地热储层的渗流-传热弱耦合模型,并结合"一采一灌"的对井注采模式,分析了裂缝的倾角、长度、宽度等特征参数对地热储层渗流场、温度场的影响。分析结果表明:裂缝的倾角、长度、宽度等特征参数对生产井热突破现象影响较大,裂缝的倾角越小,长度、宽度越大,生产井越容易产生热突破,且当裂缝处于注、采井连线上时,热突破的速度最快;当裂缝的各特征参数一定时,通过优化注、采井与裂缝之间的方位关系,可以延缓生产井的热突破进程。

北京市地下水地源热泵系统应用效果分析评价

统计分析了29个热泵项目的调研数据,对比相关规范要求,主要评价了地下水地源热泵系统的性能、节能性、回灌效果以及抽灌井之间的"热突破"程度。结果表明,北京市地下水地源热泵系统的性能一般,节能效果较好,抽灌井之间的"热突破"程度较低,回灌效果总体较好。

不同抽灌模式下地下水源热泵对含水层温度场影响分析

通过建立三维热湿耦合数值模型,对对井系统及井群系统不同布局方式及抽灌方式下地下含水层温度场变化情况。结果表明,抽-灌井方向与地下水流动方向一致时,热突破发生最慢,程度最弱;采用一抽二灌井群系统时,三口井位于同一直线的布局方式下,系统对地下含水层温度影响范围最大,但热突破程度最小;L型布置时,热突破程度较大,但温度场影响范围最小。

回灌条件下地热流体可开采量评价方法探讨

在地热资源评价体系中，目前缺乏统一的回灌条件下的地热流体可开采量的计算方法，本文在总结前人研究成果基础上，结合实例进行了计算，尝试对现有的回灌条件下地热流体可开采量的评价方法进行对比分析探讨。