雄縣地熱田示蹤試驗的解釋及分析

1、雄縣地熱田示蹤試驗的解釋及分析龐菊梅 1，王樹芳 2，孫彩霞 3，高小榮 4，劉久榮 2(1. 首都師范大學，北京 100048；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；3. 陜西綠源地熱能源開發(fā)有限公司，咸陽 712000.；4. 中國石化集團新星石油公司，北京 100083)摘 要：雄縣地熱田在 2009-2010 年地熱回灌期間開展了示蹤試驗。示蹤試驗過程中沒有從生產(chǎn)井和觀測井群所取水樣中檢測到示蹤劑，但是基于生產(chǎn)井和回灌井之間流動通道的若干假設，對示蹤劑回收的濃度及峰值的出現(xiàn)時間進行 了模擬預測，對通道的流體流速進行了估計。并且運用水平裂隙介質(zhì)模型對由于長期地熱采暖尾水回

2、灌可能引起的熱 儲冷卻進行了預測，為回灌井和生產(chǎn)井的合理井間距的選擇，提供一定的依據(jù)。關鍵字：地熱回灌；示蹤試驗；熱儲冷卻；模擬預測中圖分類號：tk521文獻標識碼：a文章編號：1007-1903(2011)02-0012-06凸起和凹陷的分布呈批蓋式沉積，第四系松散層和新近系砂巖、礫巖和泥巖近乎水平，古近系砂巖、礫巖0 概述地熱能是一種清潔的綠色能源?；毓嗍潜ＷC地熱系統(tǒng)可持續(xù)開發(fā)利用的有效措施，示蹤試驗常與回灌 試驗一起進行，用來研究回灌井與生產(chǎn)井之間的水力 聯(lián)系、可能的導水通道，以及定量化研究地下水系統(tǒng) 中的流體流速問題。雄縣地區(qū)地熱資源的開發(fā)利用已 有三十多年的歷史，本次在回灌試驗的同時

3、實施了示 蹤試驗。本文對示蹤試驗進行分析，對示蹤劑回收的 濃度及峰值的出現(xiàn)時間進行了模擬分析，并且運用水 平裂隙介質(zhì)模型對長期回灌可能引起的熱儲冷卻進行 了預測，為回灌井和生產(chǎn)井的合理井間距的選擇，提 供一定的依據(jù)。和泥巖傾角平緩。下伏地層為白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、青白口系、薊縣系和長城系，以及太古界變質(zhì)巖 1。對雄縣范圍具有重要影響的斷裂構造主要有牛東 斷裂、大興斷裂、容城斷裂、牛南斷裂和雄縣西斷裂（圖1）。其中，前四者形成于燕山運動晚期，在喜馬拉 1 研究區(qū)地熱地質(zhì)條件概況河北省雄縣地熱田位于牛駝鎮(zhèn)地熱田的西南部，在華北平原的北部，全區(qū) 524km2 皆賦存地熱資源

4、。雄 縣區(qū)域地熱開發(fā)主要是新近系砂巖孔隙熱儲和基巖巖 溶裂隙熱儲。1.1 地質(zhì)條件概況雄縣及其周邊地區(qū)的地層包括新生界第四系、新 近系和古近系，古生界奧陶系和寒武系，中上元古界 青白口系和薊縣系以及古生界。其中新生界隨牛駝鎮(zhèn)圖 1 雄縣地區(qū)基巖地質(zhì)圖雅運動早期活動加劇，是長期活動性斷裂，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，推斷 ne 向斷裂由壓性轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿裕琻e 向 斷層為張性。其它斷裂一般規(guī)模較小，對第三系的沉 積不起控制作用 1。雄縣地熱田此次示蹤試驗開始于 2010年1月 26 日，是在回灌試驗進行了一段時間之后，熱儲系統(tǒng)達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下進行的。本次試驗中選取的地熱 井位于雄縣縣城北部地區(qū)，開采利

5、用的熱儲均為薊縣 系霧迷山組巖溶裂隙熱儲。示蹤試驗期間，選取回灌1.2 地熱地質(zhì)條件概況雄縣地熱田被認為是一個有共同熱源的地質(zhì)綜合 體 2，關于地熱蓋層、導水通道和熱儲信息的簡單概 念模型描述如下：（1）熱儲蓋層 雄縣范圍內(nèi)第四紀地層構成了地熱系統(tǒng)的良好的蓋層。熱儲蓋層的平均厚度變化在 380 470m，巖 性主要以粘性土為主，夾有部分砂層，水交替條件比 較差。粘土具有較高的孔隙度，但是滲透率非常小 （10-1mdarcy）。粘土的熱導率為 1.7 2.3w/mk，小于 雄縣熱儲的平均熱導率 2。因此，熱導性和滲透性的 狀況不利于在第四系和更深的地層之間傳導熱能或形 成熱對流，從而第四系為深部

6、的砂巖和白云巖熱儲形 成了良好的熱儲蓋層。（2）熱儲 雄縣地熱田范圍內(nèi)普遍存在第三系熱儲。其中，在牛駝鎮(zhèn)凸起部分僅存在薊縣系熱儲，其埋藏深度在950m 1050m 之間，是雄縣地熱系統(tǒng)開發(fā)利用的主 要熱儲層。而在牛駝鎮(zhèn)凸起以東，雖然第三系下伏地 層為奧陶系和寒武系灰?guī)r，但因埋藏深度大于 5000m， 目前不具備開采條件 1。（3）導水通道 雄縣地熱系統(tǒng)基巖中的斷裂和次生斷裂構成了地熱水的主要導水通道。井 0902 周圍的另外 5 口生產(chǎn)井 0901、0801、0704、0703 和 0307 作為觀測井進行取樣分析，其具體位置如圖 2 所示。5 個觀測井距離回灌井的距離從 350m 到2km。

7、圖 2 示蹤試驗井位分布圖本次示蹤試驗選擇氟苯甲酸作為示蹤 劑，總共 22kg 的氟苯甲酸被一次性注入到回灌井中。示蹤劑的 檢測方法是氣相色譜質(zhì)譜技術 (gcms)，檢測的下限濃度為 40ng/l。注入示蹤劑之后，從觀測井中采集水樣，檢測示蹤劑隨時間的回收濃度?；毓嘣囼炗?2010 年 3 月 18 日 結 束，在此期間，沒有從生產(chǎn)井和觀測井群中檢測到示蹤劑。截止到 2010 年7月 30 日停止取樣時，在整個示蹤試驗的取樣 檢測分析期間，均沒有從生產(chǎn)井和觀測井群中檢測到 示蹤劑。2 示蹤試驗及示蹤劑回收的假設模擬這可能是因為回灌水體沒有流經(jīng)一些開放型的、示蹤試驗是回灌工程研究中很重要的方面之

8、一，通常與回灌試驗同時進行，來研究回灌井和生產(chǎn)井之 間的水力聯(lián)系、導水通道，定量化研究地下水系統(tǒng)中 的流體流速問題，并且預測回灌引起的開采井冷卻的 可能性。如果在示蹤試驗中，示蹤劑快速的、大量的 被檢測出來，則意味著快速的、強烈的熱突破發(fā)生的 可能性較大 3。直接聯(lián)系回灌井和生產(chǎn)井的流動通道，而是擴散、分散到了巖石基質(zhì)中或者是流到了沒有直接連通回灌井 和生產(chǎn)井的裂隙中。2.2 示蹤劑回收的模擬和解釋本文基于地熱系統(tǒng)中連通生產(chǎn)井和回灌井之間特 定流動通道的若干假設，對示蹤劑回收的濃度及出現(xiàn) 峰值的時間進行了模擬，對通道的流體流速和橫截面 積進行了估計。2.1 示蹤試驗概述(1) 示蹤劑運移的理論

9、基礎示蹤劑解釋模型的基本理論是溶質(zhì)在孔隙型 / 滲透 型介質(zhì)中的運移理論，包括溶質(zhì)的對流運移、分子擴 散和機械彌散運移理論。各種不同的溶質(zhì)運移模型被 用來對示蹤試驗進行分析解釋，圖 3 所示的簡單的一 維流動通道的示蹤劑運移模型在解釋地熱田示蹤試驗 時十分有效。該模型假設回灌井和生產(chǎn)井之間流動通 道內(nèi)的水流近似為一維流動（圖 3）。流動通道可能是 近乎垂直的斷裂帶的一部分，或者是水平夾層的一部 分。假設這些流動通道受斷裂邊界的控制，并且流場 為線性流。此外，流動通道可能是連通回灌井和生產(chǎn) 井之間的體積較大的通道，或者是連通回灌井和生產(chǎn) 井的多個通道，例如地熱井之間不同給水區(qū)的連通通 道 4。(

10、2) 示蹤劑回收的模擬和解釋本文示蹤劑回收的模擬基于兩個假設：首先，假設示蹤試驗期間示蹤劑的回收濃度值低于檢測下限，即 40ng/l。這樣，最大可能回收的示蹤劑質(zhì)量大約為7.710-3 kg，占總的示蹤劑投入量的比例為 0.035%，該比例非常的小，可以忽略不計。另一個假設是，示蹤劑回收的速度都非常慢，只在試驗進行的最后一天（即第 52 天），回收濃度達到檢測下限 40ng/l。 根據(jù)其他大量地熱田示蹤試驗的經(jīng)驗 5，并結合區(qū)域地熱地質(zhì)條件， 本文取縱向彌散度的值分別為 0.05x, 0.1x, 0.15x（x 是流動通道的長度）進行了模擬計 算。取流動通道的長度為 350m（回灌井和生產(chǎn)井之

11、間 的直線距離）。流體的密度值為 983kg/m3。計算結果如 表1 和圖4 所示。表1 基于不同的縱向彌散度由示蹤劑回收模擬模型得出的參數(shù)值從圖 4 可以看出，不同的縱向彌散度得出不同的示蹤劑回收濃度的峰值。當流動通道的縱向彌散度是 回灌井和生產(chǎn)井之間距離的 0.05 倍時，示蹤劑回收濃 度的峰值出現(xiàn)的最早。縱向彌散度值越大，峰值出現(xiàn)圖 3 連通回灌井和生產(chǎn)井的斷裂帶的簡單模型此一維流模型中，假設回灌井的回灌量為定流量 q， 生產(chǎn)井的出水量為定流量 q。斷裂帶的寬度或者夾層 的厚度用 b 表示，h 表示斷裂帶內(nèi)流動通道的高度或者 夾層內(nèi)的流動通道的寬度。則流道的橫截面積可表示 為 a=hb。

12、根據(jù)示蹤試驗解釋所得 a、 的值，可以估 計得到 h 和 b 的值，但是應該對該地區(qū)流道的平均孔 隙度以及 h 和 b 的比率進行假定。結合流體方程和溶 質(zhì)運移的質(zhì)量守恒方程，如果在模型中忽略分子擴散 作用，假設在 t=0 時刻，瞬時投入質(zhì)量為 m（kg) 的示 蹤劑，則示蹤劑濃度的求解值為 4：的時間越晚。由表 1，在不同的縱向彌散度的情況下，流體的平均流速值不大，回灌水沿裂隙和溶隙的運動速度緩慢。(1)q, u其中，d 是彌散系數(shù) (m2/s)；c 是流動通道中示蹤劑的濃度值 (kg/m3)；x 是流動通道的長度 (m)；u 是通道中流 體的平均流動速度 (m/s)；a 是流動通道的平均斷

13、面面時間 ( 天 )圖 4 示蹤劑回收濃度值在 2000 天內(nèi)的模擬計算結果，基于縱向彌散度分別為 17.5m，35m，52.5m 的情況，圖中顯示 了從長期來看，示蹤劑濃度的變化情況積 (m2)； 是流動通道的孔隙度； 是流動通道的縱l向彌散系數(shù) (m)。示 蹤 劑 濃 度( g/ l )參數(shù)情景 1情景 2情景 3縱向彌散度 , l (m)流速 u (m/s)a (m2)17.52.4310-51800351.6910-5259052.51.3310-53290注入井值得注意的是，以上模擬計算的結果對應的是最為悲觀的情景，可以想象實際濃度值的增加會比上面 的分析結果要慢的多。因此，回灌井和

14、其周圍生產(chǎn)井 的直接聯(lián)系通道甚至比表 1 所示的結果還要弱。這些 信息盡管是基于假設得出的，但可以為今后回灌工程 的設計提供研究基礎，為進一步的示蹤試驗的實施提 供參考。q ，t=t0ry圖 5 用來估計冷鋒面在薄的、非滲透性巖石中水平斷裂帶 中熱傳遞速度的示意圖3 基于水平裂隙型介質(zhì)模型的熱儲冷 卻分析(2) 生產(chǎn)井溫度變化及冷鋒面?zhèn)鞑サ念A測為了比較回灌流量、斷裂帶數(shù)目對溫度場傳播的 影響，用求解公式 (2) 計算了不同開采量情況下熱儲溫地熱回灌最受關注的問題是熱儲的冷卻，特別是長期回灌對熱儲溫度的影響。在示蹤試驗的解釋和假 設模擬中，估計求算了裂隙的橫截面積和孔隙度的乘 積，但是由于缺乏裂

15、隙通道數(shù)目以及來自每條裂隙的 示蹤劑回收數(shù)量比例的有效信息，很難非常準確的基 于示蹤試驗對熱儲冷卻的可能性進行模擬預測。本文為了進一步研究回灌井周圍地下水溫度場的 變化，運用水平裂隙型介質(zhì)熱運移模型對由于長期回 灌可能引起熱突破的發(fā)生時間進行分析預測，獲得了 一些半定量化的結果，為回灌工程設計中回灌流量以 及回灌井和生產(chǎn)井的合適井間距的選擇提供一定的依 據(jù)。（1）水平裂隙型介質(zhì) (n 個水平斷裂帶 ) 模型簡介 該模型描述了從一個井內(nèi)注入流體，流體沿著若干大規(guī)模的斷裂帶流動，每一個斷裂帶有一個小的統(tǒng) 一均勻的厚度值的情況。其中注入井位于中心位置。 為方便考慮，假設斷裂均為水平狀的，并且向各個方

16、 向無限延伸。巖石是不透水的，初始溫度為常數(shù) tr。 假設從時間 t = 0 開始向井內(nèi)注入流體，灌入的流體的 溫度為常數(shù) t0。假設作為流動通道的斷裂的數(shù)目為 n， 每個斷裂的平均流量為 q kg/s，則所求問題即為推導 出熱儲巖石的溫度場的變化情況 6。如圖5 所示，r 表示距離回灌井的輻射距離，y 表 示距離斷裂處 (y=0) 的垂直距離。另外， t 表示巖石 的熱擴散系數(shù)，輻射方向的熱傳導系數(shù)忽略不計。針 對本模型，溫度場的求解方法在方程 (2) 中給出 6，其 中 erf() 為誤差函數(shù)。度的變化情況。分別假設回灌井和生產(chǎn)井之間存在 1、3、5 條連通通道，對地熱井的出水溫度的長期變

17、化進行估算，這樣的估算和實際情況會有一定的差別，但還是 可以提供一些有用的依據(jù)。根據(jù)雄縣地熱田 2009 2010 年地熱回灌試驗的 實際情況，盛唐小區(qū)地熱采暖系統(tǒng)的熱量來自一個地熱對井系統(tǒng)，其中開采井深 1250m，回灌井深 1500m，兩井相距 350m。開發(fā)的熱儲為裂隙含水層，年平均開采和回灌量為約 15kg/s，即將開采出來的地熱水經(jīng)供暖 利用后全部回灌入同一含水系統(tǒng)中。本文選取研究區(qū) 地熱井所處熱儲系統(tǒng)內(nèi)巖石的平均孔隙度為 6%。通道長度取為示蹤試驗中回灌井和生產(chǎn)井的井間距 350m，熱儲地層中薄的斷裂帶流動通道的數(shù)目分別考慮 1,3,5三種不同的情況。其次，考慮年平均回灌量和生產(chǎn)量

18、 增加為 43kg/s 時，生產(chǎn)井的溫度變化情況。結果分別 如圖6 和圖7 所示。從圖 6 可以看出，如果熱儲地層中只有一個裂隙 帶作為流動通道，在回灌進行大約 35 年之后，生產(chǎn)井開采的地熱水的溫度將開始下降，在 100 年的時間內(nèi)，熱儲溫度將下降 1.25。若在回灌井和生產(chǎn)井之間可透水的裂隙帶的數(shù)目為 3 或者 5，如圖 6 所示，當回灌 流量為 15kg/s 時，在 100 年的使用年限之內(nèi)，地熱井 開采的地熱水溫度都不會降低。若年均回灌量和開采量增加到 43kg/s 時，則在一 條斷裂帶作為兩井之間直接通道的情況下，生產(chǎn)井的 水溫在開采 5 年之后將迅速下降，在 47 年之內(nèi)會下降10

19、 ；如果存在 3 條斷裂帶作為過水通道，熱儲溫度(2)斷裂帶將緩慢下降，100 年之內(nèi)會下降 1 ；若存在 5 條斷裂帶作為流動通道，在 100 年之內(nèi)熱儲溫度將保持穩(wěn)定（如 圖 7 所示）。的流動通道。在兩個基本假設的基礎上，對不同的縱向彌散度 情況下，示蹤劑回收濃度峰值出現(xiàn)的時間以及流體流 速進行了模擬，結果同樣表明回灌井與生產(chǎn)井之間聯(lián)系十分微弱，盡管這些信息是在假設的基礎上得出的，但是可以為更好的分析示蹤試驗提供參考。為了對進一步地熱回灌實施過程中回灌流量以及 回灌井和生產(chǎn)井之間合理井間距的選擇提供一定的依 據(jù)，運用水平裂隙介質(zhì)模型對長期回灌可能引起的熱 儲冷卻進行了分析預測。基于熱傳遞

20、理論，分析了在 輻射流的條件下裂隙巖石地熱系統(tǒng)由于回灌所引起的 溫度干擾的快慢。它們適合于簡化的模型，但是表達 了所討論問題的主要方面，可以為今后回灌工程的設 計和管理提供有用的資料。在今后實施回灌工程時，需要進一步開展回灌試 驗和示蹤試驗，對回灌的長期效果進行研究，保證地 熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用。時間( 年) 圖 6在 st0902 井回灌期間，st0901 井溫度冷卻的預測，基于回灌量為 15kg/s參考文獻1 劉久榮，王樹芳 .2005. 河北省雄縣地熱資源評價報告 r. 北京 : 北京市地質(zhì)工程勘察院 .11 12pp.2 蔡洪濤 , 馬敬業(yè) , 張德忠等 , 河北省牛駝鎮(zhèn)地熱田 勘察

21、報告 r，河北省地質(zhì)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大 隊 . 張家口：河北省地礦局 .1990:19 21pp.3 horne, r.n., modern well test analysis, a computer aided approach (2nd ed.). petroway, inc., usa, 1995:257p. 4axelsson, g., bj rnsson, g., and montalvo, f.,2005. quantitative interpretation of tracer test dataa. proceedings of the world geotherma

22、l congress 2005, antalya, turkey, 12 p.5lynn w.gelhar, claire welty and kenneth r.rehfeldt.1992. a critical review of data on field-scale dispersion in aquifersj. water resources research, 1992, 1955-1974pp. 6axelsson, g. 2010. the physics of geothermal resources and their management during utilizat

23、ion. unu-gtp, iceland, unpublished manuscript:156 161pp.時 間 (年 )圖 7 與圖 6 相同，但是回灌量為 43kg/s4 結論雄縣地熱田 20092010 年在地熱回灌期間開展了示蹤試驗，試驗期間沒有檢測到示蹤劑，表明回灌井 與其周圍所選的生產(chǎn)井群之間不存在直接的、開放型溫 度溫 度( )( )interpretation and analysis of tracer test in xiongxian geothermalfieldpang jumei1 wang shufang2 sun caixia 3 gao xiaorong

24、 4 liu jiurong2(1.capital normal university, beijing 100048; 2.hydrogeology and engineering geology team of beijing, beijing 100195;3.shaanxi green energy geothermal development co. ltd., xianyang 712000; 4.sinopec star petroleum co. ltd., beijing100083)abstract: a tracer test was conducted during t

25、he reinjection experiment in the xiongxian geothermal fieldfrom 2009 to 2010. no tracer was detected in the water samples collected from production and observation wells during the test. but based on careful assumptions of specific flow channels connecting the injection and production wells, the con

26、centration of tracer recovery, the peak time and the velocity of fluid flow in the flow- channel, the data of the tracer test are simulated. in addition, a horizontal fractured model was used to predict the possible cooling of the geothermal reservoir due to reinjection of tail water of the geotherm

27、al heating system, so as to choose the reasonable distance between reinjection and production wells safely.keywords: geothermal reinjection; tracer test; cooling of production wells; modeling and prediction（上接第 3 頁）discussion on the cause of wenchuan earthquake and the secondary disasterssong hongwei xia fan long wenhua yin xia(the institute of hydrogeology and environmental geology, cags, shijiazhuang 050803)abstract: at 2:28 p.m. on may 12, 2008, the great wenchuan earthquake happened，at wenchuan county，aba tibetan and qiang autonomous prefecture，sichuan prov