Artificial tracers for geothermal reservoir studies

Safe disposal of thermally spent geothermal brines that contain environmentally hazardous constituents is commonly obtained by reinjection. The reinjection process also serves to maintain reservoir pressure, enhance thermal recovery, and eliminate possible compactional subsidence. To avoid premature thermal breakthrough of reinjected fluids, tracer tests are employed for detection and evaluation of preferential path networks. In this paper some promising tracers that have not received much attention in geothermal reservoir studies are discussed, and a comprehensive tabulation of field sites of artificial tracer utilization is presented. Chemical and transport processes responsible for tracer retention by the formation of reservoir solids, as well as available tracer detection techniques, are emphasized.     

Finite element methods for geothermal reservoir simulation

Two finite element algorithms suitable for long term simulation of geothermal reservoirs are presented. Both methods use a diagonal mass matrix and a Newton iteration scheme. The first scheme solves the 2N unsymmetric algebraic equations resulting from the finite element discretization of the equations governing the flow of heat and mass in porous media by using a banded equation solver. The second method, suitable for problems in which the transmissibility terms are small compared to the accumulation terms, reduces the set of N equations for the Newton corrections to a symmetric system. Comparison with finite difference schemes indicates that the proposed algorithms are competitive with existing methods.     

砂岩孔隙热储地温场水化学场特征及地热水富集机理——鲁北馆陶组热储典型案例

鲁北平原不同构造单元,具有不同温度、矿化度、特殊化学成分、富水性的地热资源。其中馆陶组热储是区内资源最丰富、开采利用程度最高、规模最大,为最具经济开采价值的热储。正确认识其地温场、水化学场特征及地热水富集机理,成为目前人们最为关心的问题。本文根据对馆陶组热储盖层地温梯度、热储温度变化特征的分析,结合地质构造条件,揭示了地温场温度受断裂构造影响,高温区主要分布在武城-高唐-陵县、宁津-庆云、沾化-孤岛、高青-博兴等凸起区与断裂交汇部位。区内馆陶组地热水化学类型以Cl-Na为主,其次为Cl·SO_4-Na及SO_4·Cl-Na型,矿化度4.07～18.52g/L,pH值7.14～8.1,地热水中含有大量人体健康所需的微量元素。分析认为,区内馆陶组地热水成因为大气降水,蒙脱石向绿泥石转变是地热水中贫钾、贫镁原因,馆陶组热储地热水总体流向为西南流向东北,在各县市城区地热水由四周向城区漏斗中心运移。本文根据地热钻探揭露馆陶组底砾岩深度、厚度及地热井水位、单井涌水量等大量数据的分析,揭示了鲁北平原馆陶组地热水古沉积相环境,并划分出两个大的古河道带:即临清—武城—德州—陵县一线古河道带和沾化—河口—仙河一线古河道带。前者后期受南部高唐凸起和东部埕子口-宁津潜断隆控制,在德州—陵县一带形成了范围较大、岩性颗粒较粗、厚度较大的冲洪积扇区;后者主要受西北部刁口潜凸起、义和庄潜凸起与南部无棣潜凸起控制,在河口—孤岛—仙河一带形成了较大范围岩性颗粒较粗、厚度较大的冲洪积扇区。在下游受陈庄凸起、青坨凸起影响,将古河道带分叉为两部分,南部古河道带分布在利津—东营一带。地热水富水规律与古河道带一致,富水区主要分布在两个古河道带区域,单井涌水量一般大于85m~3/h,且距古河道带越近,含水层砂砾岩埋藏越深,颗粒越粗,富水条件越好;反之,富水条件越差。在古河道带冲洪积扇部位富水条件最好。     

贵州苗匡热矿水地热区水化学特征及热储条件分析

贵州苗匡热矿水地热区大地构造位于江南复合造山黔南坳陷铜仁复式褶皱变形带,区域构造为红石古断裂带与苗匡断裂交汇锐角区,区内出露的地层有前南华系板溪群、南华系、震旦系、寒武系;热矿水水化学类型为HCO_3-Na型,含高氟、锶、锂、偏硅酸;弱碱性水;呈带状中低温热储;区域大地热流供给热量;地下热矿水补给为构造破碎带深远程补给;区域性红石活动断裂带具有导热导水储水性,热矿水被温差、压力差等驱动循环运移至断裂破碎带富集,苗匡次级断裂带在该热储起到连通传导作用;热矿水井口温度45℃,出水量560 m~3/d。研究结果可对该区热矿水勘查开发及利用提供参考和借鉴。     

孤岛油田馆陶组热储地热资源开发利用分析

孤岛油田蕴藏丰富的中、低温地热资源,对其进行合理的开发利用,对推进该区新、旧热能转换,促进地方经济发展具有重要意义.在总结以往勘探成果的基础上,查明了孤岛油田为大地热流高值异常区,平均值为72.62 mW/m2.重点研究馆陶组热储地热地质条件,查明了馆陶组下段热储厚度为106~145 m,平均孔隙度约为30%,热储温度为75.5~82℃,单位降深涌水量为3.71~10.55 m3/(h·m),是地热资源开发的有利目标热储.采用热储法估算区内馆陶组下段热储中蕴藏的地热资源量为3.745×1018 J,折合标准煤量1.28亿t,地热水储存量约为60.87×108 m3;采用开采强度法估算的该区地热水允许开采量约为253万m3/a,可支持供暖面积约100万m2.     

天津地区孔隙型热储层地热流体回灌影响因素探讨

文章通过对孔隙型热储层地热流体回灌试验中回灌量与液柱压力、流体温度相互关系等方面分析和探讨,认为其主要影响因素为热储层物质结构、水文地质特征、回灌水温度、成井工艺、回灌与开采井间的距离、回灌方式等条件。     

北京市朝阳区平房地区热储层研究

蓟县系雾迷山组是北京地区地热田的主要取水层位。平房乡位于北京市区东部,属于天竺地热田范围,经地热勘查显示,该地区主要热储层为蓟县系雾迷山组、杨庄组,长城系高于庄组。本文基于平房地区及周边已有地热井资料,对该地区热储层蓟县系雾迷山组、蓟县系杨庄组及长城系高于庄组有了新的认识。结论显示:平房地区主要储层为蓟县系雾迷山组、杨庄组和长城系高于庄组,其中蓟县系雾迷山组揭露较浅,剩余热储层含水性好,具备开采价值,地热资源丰富。     

岩溶热储井间连通性的示踪研究

岩溶热储储层的不均匀性强,采灌井之间的连通性不易确定。示踪技术可以将运移参数量化,有效刻画储层流体的特征,研究回灌井和开采井之间的水力联系,包括导水通道,流体流速等信息,对长期回灌可能引起的开采井的冷却进行预测,是岩溶热储井间连通性研究十分有效的技术。本文以华北牛驼镇地热田雄县地区为例,针对蓟县系雾迷山组岩溶热储,采用荧光素钠示踪剂,进行了1口井注入,10口井观测的群井示踪试验。采用裂隙介质溶质运移模型,对示踪试验数据进行了解释,得到优势通道的长度、渗透流速、纵向弥散度、回收率等储层性质,获得了试验区内采灌井之间的连通特征。对调整采灌井布局提出了建议。     

Optimal experimental design for reservoir property estimates in geothermal exploration

During geothermal reservoir development, drilling deep boreholes turns out to be extremely expensive and risky. Thus, it is of great importance to work out the details of suitable borehole locations in advance. Here, given a set of existing boreholes, we demonstrate how a sophisticated numerical technique called optimal experimental design helps to find a location of an additional exploratory borehole that reduces risk and, ultimately, saves cost. More precisely, the approach minimizes the uncertainty when deducing the effective permeability of a buried reservoir layer from a temperature profile measured in this exploratory borehole. In this paper, we (1) outline the mathematical formulation in terms of an optimization problem, (2) describe the numerical implementation involving various software components, and (3) apply the method to a 3D numerical simulation model representing a real geothermal reservoir in northern Italy. Our results show that optimal experimental design is conceptually and computationally feasible for industrial-scale applications. For the particular reservoir and the estimation of permeability from temperature, the optimal location of the additional borehole coincides with regions of high flow rates and large deviations from the mean temperature of the reservoir layer in question. Finally, the presentation shows that, methodologically, the optimization method can be generalized from estimating permeability to finding any other reservoir properties.     

雄安牛驼镇地热田岩溶热储层地热深井井身结构优化设计

雄安新区牛驼镇地热田主要储层为岩溶热储型,地层破碎、裂隙发育,钻进时多失返性漏失。以往的开发主要集中于1800m以浅,岩溶热储段长为300-500m,裸眼段较短,钻进施工较简单。为了加强对深部地热资源的探测,满足雄安新区规划建设的需求,开展了深部地热资源调查工作,主要目的层为雾迷山组和高于庄组,其存在的难点主要有岩溶热储层裸眼段长、地层破碎、长段漏失、上部地层稳定性差等。本文根据深部热储勘探井施工过程中钻遇问题及难点分析,对岩溶热储层深井钻进关键技术进行总结,提出了优化建议,具有一定的参考意义。     

鲁北地区砂岩热储地热尾水回灌地温场变化特征分析

本文通过对德州水文家园砂岩热储地热回灌井全井段温度监测,在深度上分为5个区段论述了地温场的变化特征,重点对热储温度恢复的热量来源进行了分析。研究结果表明,在规模化生产性回灌时,低温地热尾水回灌会使得回灌井周边热储温度明显降低,并且恢复速率特别缓慢;通过定性分析和定量计算,认为大地传导热流和顶部地层传导热流在热储温度恢复中的作用极其微弱,而外围同层相对高温地层传导的热量和地热水流动带来的热量是其温度恢复的主要热量来源。基于该研究结果,在规模化回灌条件下,发生热突破是必然的,因此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非常有必要的。     

超深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理

超深层孔隙型地下热水回灌难的问题已成为制约关中盆地地下热水可持续开发利用的瓶颈.本文以超深层孔隙型地热流体为载体,以热储原水-回灌尾水-热储介质-堵塞垢物之间水岩作用下矿物组分溶解沉淀规律为基础,以咸阳回灌1号井为例,应用室内堵塞实验模拟及水文地球化学模拟耦合方法,展开超深层孔隙型地热尾水回灌堵塞机理研究.结果表明:造成堵塞的主要因素有物理、化学、气体、微生物等,其中物理堵塞形式主要为颗粒运移和悬浮物堵塞,颗粒运移受回灌流速和储层物性影响明显,温度、压力是悬浮物堵塞的主控因素,而粘土膨胀影响甚微;化学堵塞程度随温度升高而加剧,主要化学沉淀为碳酸盐垢,且在回灌初期-中期达到沉淀量最大值;气体堵塞在回灌初期影响较大,之后随温度升高而减小;微生物堵塞的主要细菌类型为腐生菌,其堵塞程度与环境开放程度有关.     

胶东典型花岗岩热储地下热水水化学特征及热储研究

招远地热田位于胶东隆起区,元古代蚀变花岗岩分布广泛,地下热水微量元素丰富。为查明地下热水微量组分的赋存条件、花岗岩热储环境与地热资源量,利用地下热水水化学分析、热储分析及有效能源换算法,建立Gibbs模型,进行PHREEQC模拟并开展热储估算。研究结果显示：（1）地下热水水化学类型为Cl—Na型,与海水水化学类型一致,地下热水溶解性固体总量（TDS）介于1359.7~5302.0 mg/L,锶、溴、偏硅酸等微量组分的质量浓度分别达26.20,7.50,88.00 mg/L,均超过国家医疗热矿水水质标准;（2）地热田东北方向的玲珑花岗岩中锶的质量分数较高,介于334~1 805 mg/kg,是地下热水中锶的一个重要来源;（3）热储温度在107~215 °C之间,硅-焓图解法分析冷水混入比例为33.6%~58.9%。结果显示：40~60 °C的总可用能源19.73 TJ/a,总热能达5479.57 MW·h,吨油当量471.16 toe;>60 °C的总可用能源301.57 TJ/a,总热能达83771.53 MW·h,吨油当量为7203.06 toe。综合分析认为研究区地热资源丰富,地下热水微量组分来源于花岗岩热储层的溶滤作用,富集过程受热储环境的影响,研究结果有助于完善地下热水水-岩相互作用理论。     

开采状态下河北平原孔隙热储地热水资源的构成——以辛集集中开采区为例

地热水属于承压水,其储存量包括容积储存量和弹性储存量两部分,当水位处于含水层顶板以上时,已开采出的地热水只能是弹性储存量。在河北平原区进行区域地热资源评价时,地热水可开采量按照开采系数法、解析法等不同方法计算,与弹性储存量存在巨大差距。为研究地热水开采资源的构成并更加准确评价集中开采区地热水的可开采量,采用地下水均衡法对辛集集中开采区地热水开采资源量进行了计算,结果显示: 侧向补给量为126×10⁴ m³,占开采资源量的60.9%; 越流补给量为19.7×10⁴ m³,占开采资源量的9.55%; 弹性释水量为33.1×10⁴ m³,占开采资源量的16.1%; 弱透水层压密释水量为27.4×10⁴ m³,占开采资源量的13.3%。研究结果说明,集中开采区地热水的开采资源量不仅仅来自于热储层的弹性释水量,还包括侧向补给量、越流补给量和弱透水层的压密释水量。研究成果对于科学合理地开发地热资源、更好地遏制和缓解地热水开采引发的地质环境问题具有一定意义。     

雄安新区牛东断裂带碳酸盐岩热储探测及其对地热勘探的启示

雄安新区在暂不考虑开采砂岩热储地热资源的前提下,探明碳酸盐岩热储东部边界断裂牛东断裂带的分布位置与地热资源品质,对新区地热资源开发利用规划的编制与整体能源利用布局均有着重要意义。以雄安新区高铁片区第一口碳酸盐岩热储勘探井D09孔的探测数据为依据,结合地震剖面解释成果,分析了牛东断裂带内碳酸盐岩热储的空间展布特征、储集层物理性质与单井产能参数,并简述其对地热勘探的指导意义。探测结果表明,牛东断裂带的碳酸盐岩热储主要为蓟县系雾迷山组含硅质的白云岩,分布在断裂西侧基岩宽缓背斜顶部,层状稳定,厚约2000m,顶板埋深1000~1200m,井口水温约70℃,单井水量约102m3/h。D09孔揭示,在距风化壳顶部678m的地层内共发育122个裂隙带,累计厚度达251.20m,裂隙发育率37%,平均孔隙度9.26%,裂隙发育率与平均孔隙度明显比断裂带外地热井高出50%。D09孔与牛东断裂带周缘地热井的地层地温梯度、地热水水化学特征、储集层导水系数等对比分析表明,垂直断距达7000m的牛东断裂带是一条导水导热的盆内隐伏型深断裂,其限定了雄安新区碳酸盐岩热储含水系统的东部边界,构成了西侧牛驼镇凸起的导水通道与东侧霸县凹陷油气运移的阻隔屏障,控制了牛驼镇凸起面积达1000km2的整装地热田的形成。     

应用地热温标估算济南市平阴县大孙庄氡温泉热储温度

地热温标方法是确定地下深部热储温度的一种经济有效的手段,任何温标在使用前都要进行水-岩平衡判断。选取大孙庄氡温泉井6组不同时期的水化学组分分析数据,利用Na-K-Mg三角图解法及饱和指数法对矿物-流体的平衡状态进行判断,结果表明各水样水-岩之间尚未达到离子平衡状态,不适合用阳离子地热温标来估算热储温度,但可选择二氧化硅温标估算热储温度;玉髓与水反应在多数情况下要比石英与水反应更接近平衡,利用玉髓温标估算大孙庄氡温泉井的热储温度较为合理,估算大孙庄氡温泉井的热储平均温度为47.8℃。     

广东省丰良地热田高氟地热流体成因及热储温度评价

广东丰顺丰良地区出露的地热水温度高达96℃,热储层为裂隙发育的下侏罗统的英安斑岩,F^-含量较高。但关于其地热流体的补给来源、循环演化过程及热储温度研究较少。笔者等基于早期开展的勘探工作和补充采集、测试的地热水和气体数据,探讨了该地热系统的流体成因及热储温度。结果表明,丰良地区地热水存在2类,A类地热水温度普遍低于40℃,Ca²⁺含量高,Na⁺和K⁺含量低,以HCO^-₃—Ca²⁺型为主;B类地热水Na⁺含量高,Ca²⁺含量低,为HCO^-₃—Na⁺型。A类地下水可能受浅层地下水混入影响,但缺少直接证据。B类地下水由周边山区的大气降水补给,沿裂隙或者断裂系统进入英安斑岩储层,循环深度和水—岩相互作用时间分别可达5200～6300 m和22 ka;储层温度条件下铝硅酸盐矿物的溶解以及阳离子交换作用促进了富N₂、S...     

广东省丰良地热田高氟地热流体成因及热储温度评价

广东丰顺丰良地区出露的地热水温度高达96℃,热储层为裂隙发育的下侏罗统的英安斑岩,F-含量较高。但关于其地热流体的补给来源、循环演化过程及热储温度研究较少。本文基于早期开展的勘探工作和补充采集、测试的地热水和气体数据,探讨了该地热系统的流体成因及热储温度。结果表明,丰良地区地热水存在2类,A类地热水温度普遍低于40℃,Ca2+含量高,Na+和K+含量低,以HCO-3—Ca2+型为主;B类地热水Na+含量高,Ca2+含量低,为HCO-3—Na+型。A类地下水可能受浅层地下水混入影响,但缺少直接证据。B 类地下水由周边山区的大气降水补给,沿裂隙或者断裂系统进入英安斑岩储层,循环深度和水—岩相互作用时间分别可达5200~6300 m和22 ka;储层温度条件下铝硅酸盐矿物的溶解以及阳离子交换作用促进了富N2、SiO2、F-、Na+、Sr和Li的地热水的形成;深部地热水上升至地表过程中,受冷水混入（混入比例为10%~25%）及少量CO2脱气（蒸汽散失比例为0. 3%~0. 5%）的影响;F-含量受控于富氟副矿物萤石矿物的溶解,与温度和pH值成正比。基于校正了混合作用和CO2脱气作用的地温计组合方法,得到深部热储温度为138~143℃,与其南部的汤坑地热系统热储温度一致,二者有可能属于同一大的地热系统。