集中式砂岩型热储地热资源开采井网优化与实践

摘要

近年来人们对中深层砂岩型地热资源开发越来越重视，集中开采逐步成为常态。在集中式砂岩型地热井井群部署过程中，井距、井网不仅决定地热井多年后温度和水位变化，也影响着地热项目的寿命及经济性。文章以冀东曹妃甸新城2.3×10⁶ m²地热供暖项目为例，研究了集中式砂岩型地热开采井网优化。在研究区地热勘查的基础上，利用采灌试验确定地热井开采量为100 m³/h、回灌量为80 m³/h。采用数值建模优化地热采灌井井距为450 m，地热采灌井井网按交错式排状部署。采用多井先导试验验证地热井开采量、回灌量的合理性，并制定地热井采灌运维制度，实现100%自然回灌。利用井群多年采灌生产数据建模，预测热储渗流场水位与温度变化。为规模化地热资源开发提供技术支持。

关键词

集中式地热井井群; 中深层地热资源; 砂岩型热储; 井网优化; 数值模拟

0 引言

目前，地热资源开发利用已在世界范围内兴起，中国作为中低温地热资源丰富的国家^［1］，地热直接利用处于世界前列。中深层砂岩型地热资源过去以零散开发为主，近年来由于其经济效益的优势，受到社会更为广泛的关注，特别是在双碳背景下，中深层砂岩地热资源利用发展迅速，开发方式逐步由零散向集中式过渡。在生产实践中地热开采井井距小易发生热突破，井距大不利于集中开发，经济效益低。

朱家玲等^［2］以天津滨海新区塘沽地区（533 km²）馆陶组孔隙性地层为研究重点，利用数值模拟方法对地热井井距对孔隙型热储温度场及压力场的影响进行研究，基于井间距的模拟计算，并综合考虑对井回灌压力补偿作用和温度场的影响，建议孔隙型热储地热采灌井的间距不宜小于500 m。张红波^［3］以东营凹陷中央隆起带地热田东营组和馆陶组下段热储为例，建立了地热资源可循环利用井网模式评价方法，通过井网模式评价，确定合理的采灌井距约为800 m。许多学者^［4-8］以浅层地下水为例，利用数值模拟方法，研究了采灌井井距、井网部署、热突破、温度场等内容。

对井回灌试验的开采井与回灌井井距宜大于2倍的开采影响半径^［9］。回灌井设计要求，井位布置应避免开采井和回灌井的井距过近，防止出现热突破^［10］。地热供暖工程一般需要靠近居民聚集区，地面空间相对小，地热采灌井需要以丛式井方式布置，这样要求井底间距不能太大。所以，地热资源开采井网优化是一项非常重要的工作，关系到整个地热供暖工程的成败。

本文以冀东曹妃甸2.3×10⁶ m²地热供暖项目为实例（见图1），从资源勘查、采灌试验、井网优化、生产实践、模型预测等方面，详细阐述集中式中深层砂岩型地热开采井网优化与实践的过程，为未来规模化地热资源开采提供参考与借鉴。

图1  研究区交通位置

Fig.1  Traffic location of the study area

1 模型理论与方法

建立水文地质概念模型、数学模型、三维水热耦合数值模型^［11］。地下水流数学模型可表示如下：

水流运动控制方程采用连续性方程一般形式：

$${\mu }_s\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial q_i}{\partial x_i}=\mathrm{0}$$

（1）

式中：${\mu }_s$——储水率，（m^-1）；$h$——水头，m；t——时间，d；$x_i$——$i$方向距离；$q_i$——$i$方向流速。

根据达西定律，$q_i$可写作：

$$q_i=-k_{ij}{f}_{\mu }\left(\frac{\partial h}{\partial x_i}+\frac{\rho -{\rho }_{\mathrm{0}}}{{\rho }_{\mathrm{0}}}{e}^j\right)$$

（2）

式中：$k_{ij}$——渗透系数，m/d；，$f_{\mu }$——粘滞性方程；$e^j$——方向向量；$\rho$——流体密度，kg/m³；${\rho }_{\mathrm{0}}$——参考温度条件下（15 ^oC）流体密度，kg/m³。

密度与温度有关，其线性模型为：

$$\frac{\rho -{\rho }_{\mathrm{0}}}{{\rho }_{\mathrm{0}}}=-\beta \frac{T-T_{\mathrm{0}}}{T_{\mathrm{0}}}$$

（3）

式中：$\beta$——热膨胀系数，通常取10^{-4 o}C^-1。

热量传输满足能量守恒，其控制方程可表示为：

$$C\frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \left(\lambda \nabla T\right)-C{q}_i\nabla T$$

（4）

式中：$C$——等效体积比热容，MJ·m^-3·K^-1；$\lambda$——热传导系数，W·m^-1·K^-1。

等式左端代表热量随时间变化项，右端第一项为热传导控制下的热量传输、第二项为对流控制下的热量传输。

水流运动方程计算获得流速场，用于热量传递方程计算，进而获得三维温度空间分布及随时间演化过程。而温度场通过影响流体密度，引起密度流，反馈于水流运动过程。

2 研究区热储层特征

冀东曹妃甸地处华北平原北部，构造位置位于渤海湾含油气盆地黄骅坳陷北部南堡凹陷的高尚堡构造带。新生界新近系馆陶组热储在全区广泛分布，为河流相沉积砂岩，单砂体厚度大，连通性好，见图2。岩性为灰白色不等粒细砂岩、中砂岩、砾岩，呈不等厚互层。砂岩成分以石英为主、长石次之，含少量暗色矿物，次圆状，分选好，泥质胶结，疏松，属于孔隙型热储。

图2  研究区馆陶组地层对比

Fig.2  Stratigraphic correlation of Guantao Formation in the study area

通过测井解释及地震属性成果预测，热储顶板埋深1900~2100 m，底板埋深2100~2700 m，厚度120~300 m。储层平均孔隙度26%左右，平均渗透率630 md左右，属高孔高渗储层。本区恒温带深度为30 m，恒温层温度为13.5 ℃，地温梯度3.0~4.0 ℃/100 m，热储层温度70~110 ℃。地热水水化学类型为HCO₃·Cl-Na型，总矿化度为1.0~3.0 g/L。

通过对曹妃甸230×10⁴ m²地热供暖项目采水区11.7 km²范围内馆陶组热储资源勘查、评价^［12］，热能采出率按25%、热水可采率按20%计算^［13］，采水区可用地热资源量为9.4×10¹⁶ J，可用地热水量为1.17×10⁸ m³。项目年利用地热水量3.865×10⁶ m³，地热资源可以满足该项目30年用热需求。

利用附近报废油井高129×2井、高149×1井改造为地热井。抽水试验测试最大稳定开采量为97 m³/h，井口出水温度75 ℃。使用Aquifertest软件求参^［14］：热储层导水系数T=83.20 m²/d，渗透系数K=0.91 m/d，弹性释水系数S=9.75×10^-5，影响半径R=1274 m。

3 集中式地热开采模式设计与优化

3.1 地热井井距优化

根据资源勘查结果，结合采灌试验资料，基于FEFLOW软件对地热采灌井距优化。设置1口开采井与1口回灌井，开采井开采量为100 m³/h、回灌井回灌量为80 m³/h，井间距分别为300、400、500、600和700 m，一年中开井136 d，闭井229 d，进行周期30年的数值模拟，得到不同井间距下水头和温度变化趋势，见图3。

图3  运行30年开采井温度随井间距变化曲线

Fig.3  Variation curve of production well temperature with well spacing in 30 years of operation

进行为期30年的开采之后，当井间距为600~700 m时，储层温度下降幅度≯1 ℃；当井间距为500~600 m时，储层温度下降幅度≯2.5 ℃；当井间距为400~500 m时，储层温度下降幅度≯6.5 ℃；当井间距为300~400 m时，储层温度下降幅度≯11.5 ℃。当井距为450 m时，推测储层温度下降幅度≯4 ℃。

根据地热井抽水试验、采灌试验、井距优化对比，结合地热井钻井轨迹设计、地面钻井平台位置等因素，最后确定地热井井距为450 m。

3.2 井网结构设计

井群井网部署首先要确保井群地热流场压力平衡。根据热储层连通性、井组对应关系、单井采灌能力，使每一区块地下采灌量要达到平衡，整体井群地热流场压力平衡。其次，开采井和回灌井不互换，回灌井一旦确定下来，应长期坚持作为回灌井，不能轻易改变为开采井，因为经过试验该区域回灌后的地热尾水温度需要经过长时间热量交换后，温度才能逐渐恢复。

油井面积注水方式，根据采油井和注水井之间的相互位置及构成井网形状的不同，可分为四点法、五点法、七点法、九点法、歪七点法面积注水和正对式与交错式排状注水^［15］。增强地热系统中，井网布置方式有三点法、五点法、七点法和九点法等^［16］。结合研究区地热地质、地温场、地热井等特征，借鉴油井开发面积注水方式，本次研究井群井网部署采用开采井与回灌井交错排状分布。

地热井开采量100 m³/h、回灌量80 m³/h，地热开采井与回灌井数量比设计为4∶5，地热井井距450 m，根据地热供暖项目用热总需求量设计地热开采井16口、回灌井20口、备用井3口，共计39口，开采与回灌层位均为馆陶组热储。井位见图4。

图4  集中式砂岩地热井井群部署

Fig.4  Deployment of centralized sandstone geothermal well group

3.3 采灌生产实践与分析

在项目建设前期，首先建设了6口井的先导试验井。从钻井、完井、洗井、采灌试验、生产运行都投入大量研究工作，收到良好效果，为后期生产提供重要保证。如，钻井泥浆、固井方式、筛管类型、洗井方式等合理高效，确保地热井完井质量、防砂效果良好，开采量（100 m³/h）、回灌量（80 m³/h）都达到设计要求，并形成全链条可复制地热钻完井工艺技术。利用6口地热井开展生产性抽水试验、回灌试验，制定出合理的回扬周长、回扬量及运行维护制度，为整个地热工程长期稳定运行提供了保障，并形成合理的砂岩地热井采灌技术。

正式生产后，一直按照本文确定的井距、井网执行，并按照合理的采灌制度运行维护。到目前，地热开采井、回灌井4个供暖期运行平稳，开采量、回灌量、水温、水位等没有发生大的变化，连续4年实现100%同层自然回灌。

基于2018~2021年地热开采周期内水位和水温动态监测数据对数值模型进行校正。经过对模型各参数的调整，模拟得到的温度、水位数值和变化趋势与实际情况基本符合，拟合效果较好，见图5、图6。

图5  部分井温度拟合

Fig.5  Temperature fitting for some wells

图6  部分井水位拟合

Fig.6  Water level fitting for some wells

经过对模型拟合调整，确定了模型的参数，进而得到了2018~2021采灌3年（883 d）后研究区温度、水位的变化特征，见图7。

图7  模拟区温度场、流场分布

Fig.7  Distribution of temperature field and flow

field in simulation area

3.4 未来水热演化趋势分析

整理2021年以后每年度供暖采灌方案，得到了完整运行1年的各井采灌数据，将其重复扩展至30 年，作为预测模型的采灌方案。将模拟获得的2021年水头分布和温度场分布作为预测模型的初始水头和初始温度条件。

在给定开采方案下，通过数值模拟得到了在开采井和回灌井运行时以及所有井均关闭时的水头分布图，见图8。

图8  运行20年时不同工况水头分布

Fig.8  Water head distribution under different working conditions during 20 years of operation

由图8（a）可以看出，在供热期间，回灌井区域水头较高，开采井区域水头较低，这是由于灌入低温水之后，回灌井区域的水位升高，开采井区域由于大量开采，四周的流体无法迅速得到补给，形成小规模降落漏斗（最大范围约300 m）。由图8（b）可以看出，在停止供热期间，受回灌井与开采井之间水头差驱动，流体从水头高的区域流向水头低的区域，使得水位快速恢复至初始水位状态。

综上所述，地热工程运行多年以后，研究区热储地热流场始终保持动态平衡状态，供暖期形成小规模降落漏斗，而停止供暖又快速恢复至初始水位。

在上述开采条件下，模拟得到30年采灌条件下温度场随着时间的演化图。由图9（a）可以看出，在模型进行开采回灌第5年时，由于低温流体的回灌，回灌井区域热储层温度不断降低，随着注入流体不断向四周迁移，在热储层中形成同心圆型的低温区域，此时冷水影响范围半径约100 m。随着时间的增加，回灌井的回灌低温水影响范围不断增加，见图9（b）。在模型进行开采回灌第30年时，热储层的低温区域面积较第5年时有所增大，此时冷水影响范围约300 m。

图9  地热井不同运行时间热储层温度场分布

Fig.9  Temperature field distribution of thermal reservoir at different operation time of geothermal well

模型运行30年时，热储层中回灌井区域温度最高下降幅度为40 ℃，最低下降幅度为10 ℃，其中大部分区域下降温度为15 ℃左右。然而，开采井位置上的温度变化幅度<0.5 ℃。由此可知，回灌低温水在向开采井运动过程中，受对流热传导作用影响加热，到达开采井时温度基本与储层温度维持一致。

综上所述，地热工程运行30年时，热储层的低温区域面积逐年增大，此时冷水影响范围约300 m，且开采井位置上的热储温度变化幅度<0.5 ℃，没有发生热突破现象。

4 结论及建议

（1）模拟优化地热井井距为450 m是可行的，解决了冀东曹妃甸集中式砂岩型地热井井群部署中，地热采灌井井距小易发生热突破、井距大无法满足丛式井钻井轨迹要求的问题。

（2）本次研究井群井网部署采用交错式排状分布，即开采井与回灌井成交错排状分布，是一种简单、实用的井位部署方式。

（3）冀东曹妃甸地热供暖工程，连续4年实现100%同层自然回灌；供暖期形成小规模降落漏斗（最大范围约300 m），停止供暖又快速恢复至初始水位；运行第30年时，开采井位置上的热储温度变化幅度<0.5 ℃，没有发生热突破现象。在勘查、设计、试验、井网优化、生产运维、模拟预测方面得到了客观的认识，是一次成功的集中式中深层砂岩型地热开采井网优化与实践。可为未来规模化地热开发利用提供参考。

（4）建议日后对该地热工程地热采灌井开展长期动态监测及定期评价工作。