地热水对井回灌渗流场理论研究.pdf

第3 3 卷第3 期中国矿业大学学报 V o ／．8 3N o ．3 2 0 0 4 年5 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a y2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 30 2 4 5 0 4 地热水对井回灌渗流场理论研究 何满潮。3 ，刘斌2 ，姚磊华3 ，徐能雄3 】．中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ， 2 ．北京振冲工程股份有限公司，北京1 0 0 0 2 4 ；3 ．中国地质大学工程技术学院．北京1 0 0 0 8 3 摘要回灌试验表明随回灌时问的推移，回灌能力避渐下降．在对第三系热储进行回灌过程中． 热储的物理、化学阻塞使得渗透性下降．定量分析对井回灌过程中回灌井周围渗流场变化，渗透 系数呈指数衰减，建立对井回灌渗流场数学模型，描述回灌压力、回灌流量随回灌时闱的变化，以 及回灌井周围热储中水头随回灌时间和距回灌井距离的变化，并采用离散化方法进行求解．分别 模拟渗透系数变化与不变时渗流场的情况，计算结果表明渗透系数衰减不利于回灌，是影响回灌 能力的重要因素． 关键词地热；对井回灌} 渗流场模型 中图分类号T K5 2 9 文献标识码A S t u d yo nT h e o r yo fS e e p a g eF i e l dA r o u n d G e o t h e r m a lP r o d u c t i o n R e i n f e c t i o nD o u b l e t sW e l l s H EM a n ～e h a 0 1 “，L I UB i n 2 ，Y A OL e i - h u a 3 ，X UN e n gx i o n 9 3 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c s ，A r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e l l i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a E 2 ．B e l l i n gV i b r o f l o t a t i o aE n g i n e e r i n gC o ．L i d tB e l l i n g1 0 0 0 2 4 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，B e i j i n g 】0 0 0 8 3 ．C h i n a A b s t r a c t G e o t h e r m a lr e i n j e c t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tr e i n j e e t i o na b i l i t yd e c l i n e sw i t ht i m e ．I n t h ep r o c e s so fw a t e rr e i n j e c t i o n ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lb l o c k i n gi nt h eT e r t i a r yg e o t h e r m a lr e s e r v o i r l e a dt o ad e c l i n eo fp e r m e a b i l i t y ．T h ep e r m e a b i l k yc o e f f i c i e n to ft h es e e p a g ef i e l dc h a n g e si nt h e e x p o n e n ta t t e n u a t i o n ．Am a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es e e p a g ef i e l dw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h e g e o t h e r m a lr e i n j e c t i o np r o c e s sa n da d i s c r e t em e t h o dw a sa d o p t e dt os o l v et h em o d e l ．T h es e e p a g e f i e l d so fKb e i n gv a r i a b l ea n dc o n s t a l l tw e r es i m u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea t t e n u a t i o no f p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti su n f a v o r a b l et ow a t e rr e i n j e c t i o n ．P e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti st h ei m p o r t a n t f a c t o rt ow a t e rr e i n j e c t i o na b i l i t y ． K e yw o r d s g e o t h e r m a l ；g e o t h e r m a ld o u b l e t s ；m o d e lo fs e e p a g ef i e l d 地热开发利用过程中所遇到的主要问题是热 储温度和压力随开采量和时间的增加而降低n ] ，同 时地热尾水的排放对环境造成热污染I ⋯．目前认为 回灌可以有效地解决地热开发利用所带来的诸多 问题啪．因此地热回灌开采在全球范围内推广应 用啪，开采地热能的对井数量正迅速增加，相应的 有关热储回灌方面的研究也在世界各地展开阻“． 本文以天津地热对井回灌为例，介绍地热水对井回 灌渗流场模型的建立及应用． 1 基本概况 天津地区地下蕴藏着较丰富的中低温地热资 牧稿日期t2 0 0 3 0 4 ～2 2 基金项目国家自然科学创新集体基金项目 5 0 2 2 1 4 0 2 作者简介何满潮 1 。5 6 ，男，河南省灵宝市人，中国矿业大学教授，碍；国地质大学特聘教授，博士生导师。从事岩土工程方面的研究． 万方数据 2 4 6 中国矿业大学学报 第3 3 卷 源．天津地热的开发始于2 0 世纪7 0 年代，由于大 规模的地热开采，引起地下水位的显著下降．为了 维持地热资源的可持续开采，于9 0 年代中期开始 进行对井回灌． 1 9 9 5 年天津市开始进行回灌试验．以开采井 采暖尾水向回灌井中注水，灌水通道为泵管与井管 间的环形空问．回灌试验的回灌井与开采井都位于 第三系地层内，试验共历时7 9d ，期间有效的回灌 试验有三次．第一次回灌近1 1d ，总灌量为 1 23 3 2m 3 ，平均灌量为4 6 ．9m 3 ／h ，随回灌时间的 推移，灌压逐渐增大，而灌量逐渐减小，由最初的 7 8 ．8m 3 ／h 降至3 0 ．1m 3 ／h ．在第二次回灌之前有 2h 的回扬．第二次回灌7d 多，总灌量为79 3 1 m 3 ， 平均灌量为4 5 ．2 6m 3 ／h ，同样在回灌过程中灌压 逐渐增大，而灌量逐渐减小．第三次回灌3d ，为迭 加泵压回灌．回灌试验表明随回灌时间的推移，回 灌能力逐渐下降． 2 回灌过程中回灌井周围渗流场分析 地热回灌注水过程中，由于受地下水温度及异 层回灌时不同热储水质变化的影响，回灌井周围会 产生物理阻塞和化学阻塞踟，从而使得回灌井周围 渗流场始终处于动态变化之中．其阻塞原因有； I 回灌水从回灌井向热储层运动，由于水的 运动促使周围岩石碎屑不停地运动，岩石碎屑很容 易堆积在回灌井滤水管孔处堵塞滤水管．当大量的 岩石碎屑在热储层中运动时，也会引起热储层的物 理堵塞； 2 回灌用水为开采井热交换处理后的尾水， 由于温度的改变使水中的化学成分发生变化，在冷 水和热水或热储层接触处生成一些新的物质，导致 热储层的化学堵寒，同时回灌水中的某些溶解物质 也能使含水介质发生水岩作用，产生阻塞； 3 当采用异层回灌时，由于回灌水流经不同 的热储层，其水质存在差异，当回灌水和热水或热 储层接触时也会生成新的物质，导致热储层的化学 堵塞． 上述原因都会导致局部热储层的阻塞和渗透 性的降低．因此在回灌井周围产生了一个渗透性降 低的地带．该地带成圆柱状包在回灌井外面，渗透 系数比原来的渗透系数显著变小，而且不是常数． 在时问上表现为，随回灌时间的推移，同一位置处 的阻塞程度越来越大，渗透系数值越小．在空间上 表现为，随着距井轴的距离而变化，距井轴越近，阻 塞程度越大，渗透系数值越小，如图1 所示． 溺 删 古水层 h 图1 画灌井周国阻塞模式圈 F i g ．1T h eb l o c k i n gi ng e o t h e r m a lr e s e r v o i r a r o u n dr e i n j e c t i o nw e l l 一旦滤水管或其周围热储层发生堵塞，在相同 的回灌压力下，回灌量会随时间的推移而不断衰 减，致使回灌效率降低．这时采用回扬的措施可以 在短时间内消除或缓解不利于回灌进行的堵塞问 题，这也正是回扬的意义之所在．回扬的目的是疏 通回灌水的运移通道，提高回灌效率． 通过上述对回灌过程的分析可知，在距井轴某 一距离处，随回灌时间的推移，物理堵塞和化学堵 塞越来越严重，致使渗透系数K 不断减小，为时间 t 的函数，可表示为K ， f ． 本次研究中，将回灌试验的原始观测数据进行 T h e i s 公式反演计算，求得导水系数，进一步求得回 灌过程中不同时刻的渗透系数．将计算得到的渗透 系数进行回归，求得回灌过程中渗透系数K 随时 间的衰减曲线，如图2 所示，图中的点为求得的渗 透系数值． 1 1 4 1 0 3 9 2 8 0 6 9 5 8 4 7 3 5 2 4 1 3 2 图2 孔隙型热储回篷的渗透系数衰减曲线 F i g ．2A t t e n u a t i o nc u r v eo fp e r e m e a b i l l t yc o e f f i c i e n t i nt h er e i n j e e t i o ni np o r o u sm e d i u m 图2 中的渗透系数衰减曲线的衰减方程为K 一0 ．0 6 7 e “ ””，它定量地验证了上述对回灌过程 所进行的分析，从而可推导出一般的渗透系数衰减 方程为K K 。e ～，式中K 。为渗透系数初始值， 为渗透系数衰减系数． 在回灌过程中，当回灌井周围渗流场的渗透系 数衰减到某一值时，回灌能力变得很弱，在此情况 下进行回灌不经济，因此要考虑进行回扬．回扬时 间的确定可参考渗透系数衰减曲线． 万方数据 第3 期 何满潮等地热水对井回灌渗流场理论研究 3 对井回灌渗流场模型 地热回灌过程中，由于回灌井周围渗流场的动 态变化，使得在渗流场内运动的地下热水流速随时 间改变，此时的水流运动为非稳定流踟．因此建立 回灌渗流场模型时要考虑时间对水流运动的影响． 3 ．1 对井回灌渗流场模型 对井回灌指一口井进行开采，同时与之具有水 力联系的另一口井进行回灌．由于这种情况下开采 井与回躇井有水力联系，因此开采井抽水使回灌井 的水头降低，更有利于回灌，模型如图3 所示． r ⋯一’、 一一蓬。 争～一权}粤二二r 一 J 辜歼州 乎“酵一 } J 图3 对井回灌模型 F i g ．3 T h eg e o t h e r m a ld o u b l e t sw e l l sm o d e l 当抽水井与回灌井之间的距离较小时，彼此间 的井内压力和流量都要发生干扰．这种干扰表现为 当抽水井抽水时，回灌井的流量要比它单独工作时 的流量要大，此时回灌井的灌压要叠加上抽水井由 降深在回灌井处所引起的灌压．如欲使回灌井的流 量保持不变，则在干扰的情况下，回灌井的水位上 升将减小，也就是说干扰时回灌井的水位上升小于 同样流量未发生干扰时的水位上升．干扰程度除受 含水层性质、补给、排泄条件等天然因素影响外，还 受井的数量、井间距及其在平面上的位置、井的结 构等因素的影响．因为承压含水层和水平流动的半 承压含水层中水的流动方程是线性的，可以直接应 用叠加原理． 地下水回灌是抽水的逆过程，对于同一含水层 而言，地热回灌和抽水只是水的运动方向不同，物 理条件有所区别，并无实质性的区别．因此，适用于 抽水的理论公式对于回灌同样适用，基于此建立起 地下水对并回灌渗流场的数学模型． 当采用对井回灌时。设平面上有观测孔P ，回 灌井和抽水井分别为Ⅳ。和Ⅳ，，流量分别Q 。和 Q 。，P 距Ⅳ。和Ⅳ。的距离分别为r 。和m 根据叠 加原理一般情况下观测孔处的水头H 为 H 糕采锵b “，[ _ 志] d r 一 瓢采警b “。卜焉l d t ㈤ 由对井回灌可以推广至多井抽灌的情况．在此 定义回耀褫量为正，抽水流量为负，有一观测孔距 这些井的距离分别为‰m ⋯ ，则观测孔处的水 头为 日一去喜r { 揣 e x p [ ～4 T 茄”‘- r ] d 『’ 2 8 x p L ～J 严7 ， 2 ’ 式中H 为回灌井影响范围内，任一时刻任一点的 水位上升，m ；Q 为回灌井的流量，m 3 ／h ；T 为导水 系数， 一K M ，K 为渗透系数，m ／h ，M 为含水层 厚度，m ；t 为自回灌开始到计算时刻的时间，h m 为计算点到井的距离，1 2 1 ；5 为含水层的贮水系数． 3 ．2 模型的解 采用离散化方法对公式 z 进行求解．在回灌 过程中，因K 随t 变化，可以将的变化在出 f ，一 ￡一内保持不变，则 H 2 志蕃Q 釜t 茚与 e x p [ 一尚] d f 5 砉吝蕊只～，击e 砸一磊b 弛棚， 令y t f 。d y 一d f ，贝0 H 一砉喜彘I X I _ , - 号耐～移垆 骞吝彘盯‘1 扣c 一毒№一 r 吉唧c ～寿协 一 善荟哉瞅斗卜m 朋， 4 其中屯 0 ，‘一m 具体计算时，式 1 或 2 中渗透 系数采用前述所求得的渗透系数衰减方程表示． 4 对井回灌渗流场模型计算结果分析 对井回灌试验地热井位于第三系馆陶组热储 层中，该热储层不整合在下第三系地层之上，为河 流相碎屑岩沉积，呈粗，细一粗完整的沉积旋回，即 底部砂砾岩段，中部泥岩段和上部砂岩段口] ．回灌 过程中，由于回灌井的滤水管或者井孔周围热储层 的物理、化学堵塞，致使注水渗透系数逐渐减小，呈 衰减态势，服从衰减方程K o ．0 6 7 e “0 0 7 ‘． 计算时所采用的参数为井径～取0 ．1m ，储 水层厚度M 取7 6 m } 储水系数s 取0 ．0 0 74 5 3 ． 利用式 1 分别计算当渗透系数_ K 变化与不 变时回灌井与抽水井之间的剖面水头，回灌率为 6 0 ％ 将开采量的6 0 ％回灌进回灌井 ，所选取剖 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 面为从回灌井至开采井之间的连线．两次计算中除 采用不同的渗透系数外，所采用的回灌井和抽水井 的各参数均相同．回灌8 0h 时，所选取剖面的水头 计算结果如图4 所示，图中左侧为靠近回灌井一 侧． 1 5 逞5 霪一s 。1 5 ．2 5 01 7 13 4 2 5 1 36 8 48 5 5 臣离／m a 藩流场落透系数碴忱 l5 { 5 窭- 5 1 5 ．2 5 01 7 13 4 2 5 1 3 6 8 4 8 5 5 雎离／m b 藩流场藩疆景敷琊变 图4 对井回灌8 0h 时的削面水头 F i g ．4 T h ep r e s s u r eo fp r o f i l ed u r i n gr e i n j e c t i o n8 0 b 在实际的对井回灌过程中，回灌井与抽水井之 间连线的剖面水头如图3 所示．对比图3 与图4 可 知，利用所建立的对井圆灌渗流场数学模型计算出 的剖面水头与实际情况相符．对比图4 a ，b ，当回灌 井周围渗流场渗透系数衰减变化时，热水在热储中 运移速度慢，使得剖面水头值较大，表明渗透系数 衰减对回灌具有重要影响． 对井回灌时，回灌井与抽水井相互干扰，当回 灌井的流量保持不变时，回灌井的水位上升将减 小，即回灌井的水位上升小于同样流量未发生干扰 时的水位上升．在此选用相同的计算条件，即当回 灌1 0 0h ，灌量为6 0m 3 ／d 时，分别计算距回灌井 3 0 0m 处的对井回灌与单井回灌的水头一时间关系 曲线，计算结果如图5 所示． O8 o 7 06 05 0 ．4 o3 0 2 O l 0 单井回落 0 ．7 0 ．6 旦0 ．5 谢0 ．4 * 0 ．3 0 , 2 D ．I 63 2 4 8 6 4 8 0 9 6 l ，h ㈣取并回摧 图5 水头时间的关系曲线 F i g ．5 T h ec u r v e so fr e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ea n dt i m e 对比图5 a ，b 可知，相同条件下对井回灌时任 一时刻的水头较单井回灌时显著下降．表明抽水对 回灌干扰明显，抽水使回灌周围渗流场内的水头降 低，更有利于回灌．同时图5 b 反映出在设定条件 下，渗流内某一点在回灌过程中水头的变化趋势． 对井回灌渗流场模型同样也可用于解释和预测渗 流场内流量在回灌过程中的变化趋势． 5 结论 1 堵塞现象是回灌过程中回灌井周围渗流场 发生变化的主要原因．地热回灌过程中，由于受地 下水温度变化的影响，回灌井周围会产生物理阻塞 和化学阻塞，从而使得回灌井周围渗流场始终处于 动态变化之中，渗透系数逐渐减小，回灌能力不断 下降． 2 建立了对井回港渗流场模型，采用离散化 方法求得其解．该模型可解释和预测对井回灌过程 中水头与流量的变化趋势． 3 对井回灌渗流场模型的实例计算，表明渗 透系数衰减对回灌具有重要影响，不利于回灌；在 抽水干扰情况下，回灌井周围渗流场内水头降低， 更有利于回灌． 参考文献 [ 1 ]陈宗宇．天津市塘沾低温热储回灌的水岩相互作用 地球化学模拟D ] ．地球科学，1 9 9 8 ．2 3 5 5 1 4 5 1 8 ． [ 2 ]申建梅，陈宗字，张古彬．地热开发利用过程中的环 境效应及环境保护[ J ] ．地球学报，1 9 9 8 ，1 9 4 4 0 3 4 0 8 ． [ 3 ] B a k k eS ，V i kEA ，G r u e n e rH ，e ta 1 ．P r o d u c e dw a t e r r e i n j e c t i o n p w r i } e x p e r i e n c e sf r o mt h eu l af i e l d E J ] ． E n v i r o n r a e u t MS e i e n c eR e s e a r e h 、1 9 9 5 5 2 ￡4 4 7 4 5 8 ． [ 4 ] S t e f a n s s o nV ．G e o t h e r m a lr e i n j e c t i o ne x p e r i e n c e E J 3 ． G e o t h e r m i c s ，1 9 9 7 ，2 6 1 9 9 1 3 9 ． E s ] L iK ，H o m eRN ．A ne x p e r i m e n t a lm e t h o df o r e v a l u a t i n gw a t e ri n j e c t i o n i n t og e o t h e r m a lr e s e r v o i r s [ J ] ．T r a n s a c t i o n s G e o t h e r m a lR e s o u T c ∞C o u n c i l ， 2 0 0 0 2 4 6 0 5 6 1 0 ． [ 6 3 L iK 。N a s s o r iH ，H o m e RN ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo f w a t e ri n j e c t i o ni n t o g e o t h e r m a lr e s e r v o i r s [ J ] ． T r a n s a c t i o n s G e o t h e r m a lR e s o u r c e sC o u n c i l ，2 0 0 1 2 5 6 5 1 6 5 6 ． [ 7 ] 毕二平．地热水与回灌水混台的地球化学模拟口] ． 地球科学．1 9 9 8 ，2 3 6 6 3 1 6 3 4 ． [ 8 ] B a r m l nAA ，T s y p k l nGG ．M a t h e m a t i c a lm o d e | 。f w a t e ri n j e c t i o ni n t o8g e o t h e r m a ls t e a m s a t u r a t e d r e s e r v o i r [ J ] ．F l u i dD y n a m i c s 1 9 9 6 ，3 1 6 l8 7 4 8 7 9 ． [ 9 3W a n gK ，Z h uJA ．C o n c e p t u a lm o d e lo ft h eT i a n j i n g e o t h e r m a ls y s t e mb a s e d o ni s o t o p i c s t u d i e s [ 】] ． S c i e n e ei nC h i n a 。2 0 0 1 4 4 1 6 0 一1 6 4 ． 责任编辑王玉浚 万方数据