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。     

采暖尾水回灌对砂岩热储温度的影响——以鲁北地区为例

为保证地热资源可持续开发利用,深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是地热领域的重大关切。本文根据全井段测温结果,对砂岩热储不同采灌工程地温场变化特征进行了分析。研究表明：随着回灌年度的增加,冷水范围越来越大,热量对回灌井有效补给路径变长,回灌井热储段温度曲线波动幅度越小;当采灌井距较小、底部温度相对较低时,回灌冷水会对开采井造成影响,致使开采井热储温度降低;在回灌初期热对流在热量恢复中占主导作用,随着回灌年数的增加,冷水范围越来越大,热对流对温度场恢复的作用逐渐减弱,周边和相邻隔水层热传导在温度恢复中的作用越来越显著,温度恢复越来越慢,因此,在规模化回灌条件下,热突破是必然的。     

采暖尾水回灌对砂岩热储地温场的影响 ——以鲁北地区为例

为保证地热资源可持续开发利用,深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是地热领域的重大关切。本文根据全井段测温结果,对砂岩热储不同采灌工程地温场变化特征进行了分析。研究表明：随着回灌年度的增加,冷水范围越来越大,热量对回灌井有效补给路径变长,回灌井热储段温度曲线波动幅度越小;当采灌井距较小、底部温度相对较低时,回灌冷水会对开采井造成影响,致使开采井热储温度降低;在回灌初期热对流在热量恢复中占主导作用,随着回灌年数的增加,冷水范围越来越大,热对流对温度场恢复的作用逐渐减弱,周边和相邻隔水层热传导在温度恢复中的作用越来越显著,温度恢复越来越慢,因此,在规模化回灌条件下,热突破是必然的。     

近三十年天津市地热大规模开发热储动态特征研究

天津是我国较早大规模开发深层地热的地区之一,经过30多年的持续开采回灌,对深部热储特征有无影响,是否引起了资源枯竭、水质恶化以及热储温度下降等环境问题,一直是社会关注的焦点。本文系统收集了1992年以来天津市地热开发过程中的不同热储层热水开发利用量、回灌量、水位、水质、水温等近30年的时间序列监测资料,通过垂向及横向对比,对地热持续开发30年来天津市不同地区不同热储层的热水动态特征进行了分析。结果表明,天津市各热储层地热流体的主要化学组分基本稳定,多年来无明显变化,地热采灌系统尾水回灌不会从根本上改变地热流体的原始化学特征,但深大断裂作为热流通道引起的顶托补给,会对上层热储水质造成一定的影响;随着近年来天津市回灌工作力度不断加大,大部分热储水位下降幅度减缓或出现回升,热储的温度没有明显的升高或降低的趋势,但回灌井热储段经过非供暖期的恢复无法达到最初的温度,呈逐年下降趋势。未来持续采灌条件下,回灌井筒的“冷堆积”及采灌井的优化调配应是重点关注的问题。     

砂岩热储回灌对储层影响评价——以鲁西北坳陷地热区为例

地热流体经供暖利用后尾水温度降低,经过滤、排气处理后的尾水中仍含有不同粒径的悬浮物、气体,因此回灌不可避免的会对储层造成负面影响,如堵塞储层导致回灌量衰减、热储温度降低甚至产生热突破等,这严重阻碍了地热回灌的长期可持续运行。评价回灌对储层的影响,对下一步全面推进、科学回灌及合理可持续开发利用、保护地热资源具有重要意义。本文以近几年鲁西北坳陷区开展的馆陶组热储回灌试验为基础,设立了一套评价指标,即用回灌前、后水质的变化率评价回灌对热储流体的影响,温度的变化率评价回灌对热储温度的影响,单位涌水量变化率、渗透系数的比值和单位回灌量比值评价回灌堵塞程度并确定了分级标准。评价结果表明,回灌不会改变储层流体的化学类型;回灌堵塞主要发生在回灌井周围,相比回灌前,回灌后回灌井的单位涌水量降低14.3%～59.0%、渗透系数为原来的41%～86%,末期单位回灌量为初期回灌量的51%～92%,回灌堵塞程度为轻度到严重。采灌井距180～500m,历经一个供暖季回灌对热储温度的影响较小,但回灌导致回灌井周边热储温度明显降低,历经一个非回灌期224d,从35. 7℃恢复到40. 53℃,恢复速率为0. 036～0. 022℃/d,还需658d才能恢复到原热储温度(55℃)。本区热储水位仍呈下降趋势,但回灌可延缓热储水位的下降速度。     

影响岩溶热储采出温度的开采参数敏感性研究——以河南清丰地区为例

采出温度是影响地热能有效利用率的关键指标,采出温度越高,热储开发效果越好。岩溶热储作为一种重要的地热储层类型,其采出温度受到储层参数的影响。以河南清丰地热田奥陶系岩溶热储为例,通过建立热储地质模型并利用7口地热井资料,进行基于热流和井储耦合的数值模拟研究,探讨储层地质条件和回灌参数对采出温度的影响。研究结果发现,断层的存在加速了热储中低温区向生产井的扩散,导致热突破时间的提前。在开采后期,有断层情况下采出温度较高,且变化曲线斜率远高于无断层情况,表明断层有助于提高清丰地区热平衡时的采出温度,最终有利于增加采热量。目前,一般认为,注采井距越小采出温度越低。但是,当回灌速率高于50 kg/s时,随着开采时间的增加,采出温度呈现快速下降趋势,注采井距835 m下的采出温度甚至高于1 000 m的情况。最后,确定清丰地区特定场景下的最优回灌参数组合为：回灌温度20℃、回灌速率50 kg/s、注采井距835 m。本研究结果将为清丰地区或其他类似岩溶热储开发方案的制定提供有益指导。     

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。     

中低温热储及其井中热场

中低温地下热水有着广阔的开发利用前景。其成因及赋存规律的研究,是合理勘探、开发的基础。本文从地层、构造及水文地质条件入手根据地热传导原理,研究了传导型热领教的发育条件,划分了主要热储类型在此基础上,对井（孔）中热场及井液温度变化规律进行了分析,给出了井液温度分布曲线及井液温度变化与地层的对应关系。这一成果,对勘探开发地下热水有积极的意义。     

沉积盆地砂岩热储回灌试验研究——以山东禹城市为例

禹城市为东营组热储地热资源开采利用集中区,因地热资源集中开采及地热尾水的直接外排,造成了水化学污染、热污染及热储层压力下降等一系列地质环境问题。本次在禹城市地热资源开发利用现状调查的基础上,在禹城市栖庭水岸开展地热回灌试验研究,回灌模式为自然同层对井回灌。根据本次回灌试验取得的数据,对回灌量与回灌压力关系、回灌对热储层水质影响、回灌对热储层温度影响规律进行了分析研究并根据拟合回灌量与水位升幅关系曲线计算了最大回灌量。分析结果表明:回灌量随压力的增大而增大,单位回灌量随回灌压力的增大呈减小趋势;回灌井因灌入了矿化度比其自身地热水矿化度高的水源,所以回灌后采集的回灌井地热水矿化度比回灌试验之前高,但因采灌井开采热储层属于同层热储,故回灌对热储层水质影响小;本次试验采灌井间距较大,故回灌对热储层温度无影响;计算确定该回灌井最大回灌量为70 m~3/h。本次回灌试验研究为禹城市地热资源可持续开发利用提供了依据。     

地热回灌条件下单井开采权益保护半径的计算

根据假设条件：（1）除了抽取和回灌的热量外,系统与外界没有能量交换;（2）开采100年,消耗15%左右地热储量;（3）回灌未发生热突破且抽水井井口温度与热储层回灌前温度一致。推导出回灌条件下单井开采权益保护半径的计算公式。并以深泽县为例进行了计算,对比回灌条件下和无回灌条件下的单井开采权益保护半径和面积的计算结果。     

Seepage-heat transfer coupling process of low temperature return water injected into geothermal reservoir in carbonate rocks in Xian County,China

Fracture seepage and heat transfer in the geothermal reservoir of carbonate rocks after the reinjection of low temperature geothermal return water is a complex coupling process,which is also the frontier of geothermal production and reinjection research. Based on the research of cascade comprehensive development of geothermal resources in Beijing-Tianjin-Hebei (Xian County),the carbonate geothermal reservoir of Wumishan formation in the geothermal field in Xian County is investigated. With the development of the discrete fracture network model and the coupling model of seepage and heat transfer,the numerical solution of seepage field and temperature field with known fracture network is reached using the finite element software COMSOL,and the coupling process of seepage flow and heat in carbonate rocks is revealed. The results show that the distribution of temperature field of fractured rocks in geothermal reservoir of carbonate rocks has strong non-uniformity and anisotropy. The fracture network is interpenetrated,which constitutes the dominant channel of water conduction,and along which the fissure water moves rapidly. Under the influence of convective heat transfer and conductive heat transfer,one of the main factors to be considered in the study of thermal breakthrough is to make the cold front move forward rapidly. When the reinjection and production process continues for a long time and the temperature of the geothermal reservoir on the pumping side drops to a low level,the temperature of bedrocks is still relatively high and continues to supply heat to the fissure water,so that the temperature of the thermal reservoir on the pumping side will not decrease rapidly to the water temperature at the inlet of reinjection,but will gradually decrease after a long period of time,showing an obvious long tail effect. The distribution of fractures will affect the process of seepage and heat transfer in carbonate reservoirs,which should be considered in the study of fluid thermal coupling in carbonate reservoirs.     

地热采灌对井回灌温度场的模拟研究

利用地下水流数值模拟软件Feflow求解地热采灌对井系统水热耦合模型,进行温度场模拟研究。结果表明：在现状回灌温度为39.6℃时,5年后该系统回灌温度场影响半径为64 m,当回灌温度降低到13.5℃时,回灌温度场影响半径为68 m。该系统回灌温度场随采暖周期呈周期性变化,停灌后温度有所回升,说明该系统回灌尾水温度(39.6℃)偏高,且采灌井距(850 m)偏大,不利于热储水位流场的恢复。在进行地热对井回灌时,应根据热储层特征和布井场地条件,选择合适的采灌井距和回灌温度。     

山东临沂地区古生代复合热储成矿模式研究

山东临沂地区地热资源丰富,前人对于临沂地区沂沭断裂带成热模式存在诸多争议。通过对研究区地热地质条件、地球物理特征和地热井数据进行综合研究,从地热产生的源、通、储、盖四要素进行分析,研究结果表明研究区地热成矿模式为古生代层状和带状复合热储地热成矿模式,断裂带为带状热储,断裂带周边稳定区域为层状热储。研究区热储为古生代砂岩,同时张性、张扭性断裂发育,导致热储为层状和带状的复合热储,较单一成因热储要复杂。对地热井数据归一化处理分析表明,盖层岩性及厚度对深部地热水温度存在较大影响,并且热储厚度对水温也存在影响,表现为表层有第四系覆盖的地热水温度,较无第四系覆盖的要高;盖层厚度越大,水温越高,热储厚度越大,水温也越高。这为进一步地热勘查与开采提供了理论指导。     

Clogging mechanism in the process of reinjection of used geothermal water: A simulation research on Xianyang No.2 reinjection well in a super-deep and porous geothermal reservoir

In the process of geothermal exploitation and utilization, the reinjection amount of used geothermal water in super-deep and porous reservoir is small and significantly decreases over time. This has been a worldwide problem, which greatly restricts the exploitation and utilization of geothermal resources. Based on a large amount of experiments and researches, the reinjection research on the tail water of Xianyang No. 2 well, which is carried out by combining the application of hydrogeochemical simulation, clogging mechanism research and the reinjection experiment, has achieved breakthrough results. The clogging mechanism and indoor simulation experiment results show: Factors affecting the tail water reinjection of Xianyang No. 2 well mainly include chemical clogging, suspended solids clogging, gas clogging, microbial clogging and composite clogging, yet the effect of particle migration on clogging has not been found; in the process of reinjection, chemical clogging was mainly caused by carbonates (mainly calcite), silicates (mainly chalcedony), and a small amount of iron minerals, and the clogging aggravated when the temperature rose; suspended solids clogging also aggravated when the temperature rose, which showed that particles formed by chemical reaction had a certain proportion in suspended solids.     

关中盆地沣西地区地热对井采灌开发模式的数值模拟

热储回灌是地热资源可持续利用、避免环境污染的有效措施。在进行地热开发之前科学合理的规划采灌井井位布局,有利于延长地热井的使用年限。关中盆地是新生代拉张性断陷盆地,地热资源开采利用历史悠久。沣西地区位于关中盆地腹地,地下5000m深度范围内有5个含水热储层,自上而下分别为第四系下更新统三门组(600~960m)、新近系上新统张家坡组(960~1920m)、新近系上新统蓝田-灞河组(1920~2900m)、新近系中新统高陵群(2900~3800m)和古近系渐新统白鹿塬组(3800~5000m)。本文依据水文地质、地球物理等资料,建立了研究区三维地质模型,采用有限元模拟软件FEFLOW对目前开采最多的蓝田-灞河组热储层在不同对井采灌开发模式下同层采灌时渗流场及温度场的变化进行了模拟计算。结果表明:1)以30年为系统设计寿命,为确保抽水井和回灌井有水力联系又不发生明显的热突破,抽、灌井井间距以500~600m为宜;2)采灌对井的布置以抽水井位于天然径流流场的上游方向、回灌井位于天然径流流场的下游方向为佳;3)如果设计合理,采灌过程中回灌尾水温度对抽水井出水温度的影响可以得到有效控制;4)恰当实施地热尾水回灌,同时按照实际需求调节抽水井与回灌井的采灌量,可实现地热资源的可持续开采利用。上述结果为合理开发利用研究区地热资源提供了依据。     

二氧化碳羽流地热系统的碳封存经济分析

【研究目的】 二氧化碳羽流地热系统（CPGS）在取热的同时可实现CO₂地质封存，在碳达峰与碳中和背景下，CPGS碳封存的经济性是众多学者关注的要点。【研究方法】 以松辽盆地泉头组为例，采用数值模拟方法对比分析了注入压力、井间距与回注温度对热提取率的影响，在供暖情景下，计算了CPGS供暖效益与碳封存成本，并与常规水热型地热系统供暖效益进行了对比。【研究结果】 受携热介质转变与热突破影响，CPGS开采井温度呈现“降低-稳定-降低”的趋势，其中井间距对开采井温降影响显著，井间距越小开采井温降越明显；热提取率与回注压力呈现正相关性，与回注温度呈现负相关性，井间距对热提取率影响不显著；CPGS与常规水热型地热系统相比，采热量呈现“高-低-高”三个阶段，其中回注压力越小、回注温度与储层温度越接近，实现CPGS较水介质多采热能所需的时间越短。【结论】 仅考虑CO₂价格与取热效益，供暖收益抵消部分碳封存成本后，井间距对CO₂封存单位成本影响最为显著，井间距越小，CO₂封存单位成本降低越迅速，在注采井间距300 m条件下，持续开采30 a后CO₂封存单位成本可降至160元/t。     

Discussion on the calculation of the rights protection radius of the geothermal well for stratified thermal reservoir

In order to ensure the sustainable exploitation of geothermal resources and prevent the occurrence of thermal breakthrough during the process of geothermal water reinjection, the authors systematically summarized the calculation formulas of the rights protection radius of the geothermal well in this paper. Three shortcomings in the calculation method of the rights protection radius of the geothermal well were identified through theoretical derivation. (1) The parameter f, which is defined as the ratio of the specific heat of water to that of thermal reservoir rocks, is defective. (2) The value of the thermal reservoir recovery rate defined as 0.15 is relatively unilateral, which is not applicable for geothermal wells with different lithology. (3) The calculation time is fixed as 36 500 d, which is not appropriate for geothermal wells with interval development. Based on the problems above, the authors redefined the parameter f and used variables to replace the previous thermal reservoir recovery rate and exploitation time, which can be identified according to different thermal reservoirs and specific exploitation time. By comparison of the applicable conditions of different calculation formulas of the rights protection radius of the geothermal well, the authors proposed that different calaulation formuas should be chosen based on the relationship of the size between β^-1-α and 3λ. And by comparison of the rights protection radius calculation formulas for the mining well and the recharge well, it is found that the rights protection radius of the mining well is always bigger than that of the recharge well. Finally, Shuiwen residential area of Decheng district was taken as an example to verfity the theoretical results.