深层地下热水回收率的确定

深层地下热水回收率的确定

自30年来，中国在探测和开发1000m以上的深层地震深度方面取得了很大进展。据孙冰统计,鄂尔多斯盆地等15个主要盆地的总储层热量达40.18×1018kJ,以总储层热量的1%计算可开采热能相当于137.1亿t标准煤。2006年正式实施的《中华人民共和国可再生能源法》已将地热能纳入可再生能源范畴,加上地热又是“清洁”能源,这些优势促使全国出现了地热资源开发利用的热潮。目前,地热资源评价的主要行业规范是1985年发布的《地热资源评价方法》(DZ40-85),在地热田勘探方面主要依据1989年发布的《地热资源地质勘查规范》(GB11615-89)。根据这些法规,地热资源是一种地质矿产资源,储藏在热储层(系指含有能被开发利用的热流体的岩石或岩层)中,其资源存在规模可用储量。按照《地热资源评价方法》(DZ40-85)中被广泛使用的热储法,地热田的地热资源量计算公式为:QR=CrAd(tr-tj)(1)式中:QR为地热资源量(kJ);tj为基准温度(℃);tr为热储层温度(℃);A为地热田面积(m2);d为热储层的厚度(m);Cr为热储层的平均体积比热容[(kJ/(m3·℃)]。平均体积比热容的计算方法为:Cr=ρcCc(1-φ)+ρwCwφ(2)式中:ρc、ρw分别为热储层岩石和水的密度(kg/m3);Cc、Cw分别为热储层岩石和水的比热容[kJ/(kg·℃)];φ为热储层的孔隙度。由式(1)计算的地热资源量含义是:把热储层中岩石和地下水的温度一起降低到基准温度时,热储层所释放出来的总热量。显然,在人类现有的经济技术条件下,不可能把热储层中所有岩石和地下水的温度都降低到基准温度,因此式(1)得到的地热资源量并非都能够加以利用。为此,《地热资源评价方法》(DZ40-85)引出了回收率的概念,即可开采地热资源量采用回收率进行计算:Qwh=REQR(3)式中:Qwh为可开采地热资源量(kJ);RE为回收率。回收率的确定与热储层性质和回灌方式有关。《地热资源评价方法》(DZ40-85)给出了回收率的参考值,如当大型沉积盆地的新生代砂岩孔隙度大于20%时,规定回收率取25%。可开采地热资源量是判断地热田地热资源可利用规模的基础,因此,回收率的确定是地热资源评价的一个关键步骤。然而,《地热资源评价方法》(DZ40-85)只规定了回收率的取值,没有说明取值的依据,且只按照热储层的类型进行取值,并没有考虑地热的具体开采方式和回灌方式。经过20多年的沿用,这一规定是否还有效,回收率具体该如何确定,值得认真研究。1地下水开采量过大,影响深回收率的取值需要首先确定地热的实际开采具有哪些约束条件,这不仅与客观的自然环境有关,而且还与地热田的开发利用方式有关。对于深层中低温地热资源,现有技术均是把热储层的高温地下水开采出来,通过热交换利用其能量,然后以一定的比例把冷却后的地下水回灌到热储层中。笔者认为深层地热资源回收率的约束条件主要包括以下几个方面:(1)开采井水位控制条件热储层能量的利用是通过开采地下水间接实现的,这种被开采的深层地下热水兼有能源属性和水资源属性,兼有热力学特征和水动力学特征。在回灌不足的条件下,不仅地下水的热储量被消耗,地下水的体积储量也被消耗,导致同时作为含水层的热储层的水动力学响应,形成地下水位降落漏斗。深层地下水循环条件差,被消耗的体积储量很难恢复,地下水位持续下降的直接后果就是开采井本身的水位存在长期下降趋势,并有可能超越吸水泵的适宜安装深度。因此,深层地下热水的开采规模应确保在地热田利用年限内开采井的水位不至于降低到允许的深度。(2)开采井水温控制条件深层地下热水开发利用的另一个重要结果,是改变了储层的热力学条件。首先,冷却水的回灌将直接导致局部地区的热储层温度降低,随着冷却范围扩大到开采井,造成开采井水温降低;其次,区域深层地下水降落漏斗的形成,也可能在大范围内诱发浅层低温地下水的下渗补给,对热储层有冷却作用。这种冷却效应随着开采规模的增大而加强。对于抽-灌相结合的地热开采方式所引起的热储层冷却效应,Drijver等也进行过类似的分析。因此,深层地下热水的开采规模应确保在地热田可利用年限内开采井的水温不至于降低到允许的温度。(3)地质环境保护条件显然,大规模、大范围、长期的地下热水开发,将导致地质环境的宏观变化,如果这种变化有害,就可能发展为地质灾害。例如,天津市长期开采深层地下热水对其地面沉降的发展有一定贡献。另外,为了综合保护深层和浅层地下水资源,地下热水的开采也应有一定的限制。对于地面沉降防治和地下水资源保护,现有措施一般是规定区域地下水的允许降深。这种区域地下水位的限制可转化为开采井水位的附加控制指标。再者,由于回灌而引发的地质问题也不容忽视,特别是诱发地震灾害。针对上述3个约束条件,对深层地热资源评价中回收率的确定应以开采井的允许水位和允许水温作为约束指标,即在地热田可利用年限内开采井的水位深度小于允许深度,开采井的水温高于允许温度。地热田的可利用年限也与开发利用方式有关,《地热资源地质勘查规范》(GB11615-89)规定中低温地热田的资源评价年限是100a。从人类技术发展的周期看,这个年限显得偏大。2评价地层模型在明确了回收率的约束条件之后,就可以根据地下水动力学原理和热储层的热传导迁移原理选择适当的计算方法进行评价。其基本思路是建立地热田的水文地质和地热地质模型,考虑预期的开发利用方式,预测在不同开采规模及回灌率条件下在可利用年限内开采井的水位及水温的发展趋势,以达到约束指标的临界开采规模作为可开采资源量的评价基础。考虑勘探程度和数据资料收集情况,既可用解析法进行评价,也可用数值模拟法进行评价。周训等针对深层地下热水系统的特点建立了同时描述地下热水水流和热量运移的三维非稳定数学模型,并将其应用到天津市地下热水资源评价的实践当中,取得了满意的结果。2.1热储层总放热量的计算所谓最大可能回收率,是指相对封闭的地热田在最大程度发挥技术能力的条件下开采而不破坏地热田基本性质的开采规模所对应的回收率。所谓不破坏地热田基本性质,表现为:①热储层保持承压含水层状态;②热储层的温度不低于地热田的临界温度,按照现有规范定义,中低温地热田的温度应高于40℃。假设在最大程度发挥技术能力的条件下,通过开采地下水把热储层的平均水头降低到其顶板高度,通过一定程度的回灌把热储层的平均温度降低到临界温度,开采的地下水经放热后温度可降低到基准温度,则可开采的地热资源量Qwh为:Qwh=Qgw+Qgc(4)式中:Qgw为地下水的总放热量(kJ);Qgc为热储层固体的总放热量(kJ)。地下水的总放热量采用储存体积Vcw和弹性释放体积Vgw计算,其计算公式为:Qgw=ρwCw(tr-tj)Vgw+ρwCw(tr-t0)(Vcw-Vgw)(5)Vgw=Aμe(hr-h0),Vcw=Adφ(6)式中:μe是热储层的贮水系数(无量纲);hr和h0分别为热储层顶板深度和初始测压水位面深度(m);t0为地热田的临界温度(℃)。式(5)隐含的意义为:热储层地下水被消耗的贮存量(弹性释放)冷却到基准温度tj,而剩余的部分冷却到地热田的临界温度t0。综合式(5)～(6)有:Qgw=ρwCw(t0-tj)·Aμe(hr-h0)+ρwCw(tr-t0)·Adφ(7)热储层固体的总放热量计算公式为:Qgc=ρcCc(tr-t0)·Ad(1-φ)(8)式(7)、(8)中的tr应取热储层开采前的温度。综合式(1)～(8),得到:式中:REm为最大可能回收率。式(9)表明封闭地热田的最大可能回收率可用一系列无量纲的参数表示,与地热田的面积无关。2.2热储层开采井的水位预测和模型评价针对开采井水位深度小于允许深度这一约束条件,可通过地下水动力学原理计算回收率。在储层条件和开采方式比较简单的条件下,可以考虑采用井流公式解析法,否则可采用数值模拟的方法。首先需要预测与不同开采量和回灌率对应的开采井水位动态,然后用控制指标确定地热田可利用年限内的回收率。例如,近似水平无限延伸的封闭热储层,采用对井抽-灌进行地热开发,开采井和回灌井的距离为L,开采强度为qw,回灌率为β,开采井半径为rw,则开采井水位预测可用Theis井流公式的叠加公式:式中:hw是开采井的水位降深(m);p为开采持续时间(地热田可利用年限)(a);T为热储层的导水系数(m2/d);W(u)是Theis井函数;μe为贮水系数。实际的地热田总是有限的,如果形状简单,则可用镜像映射原理,对无限储层公式进行修正,不妨表示为下式:式中:φ1和φ2是两个反映地热田边界性质的修正函数。取hw为允许的最大水位降深,根据式(11),则与回收率对应的开采强度为:设开采的地下水温度保持热储层温度tr,则回收率可近似确定为:式中:REh表示基于水位控制指标的回收率。式(13)表明REh与温度无关。当回灌率β>0时,在可利用年限内很难保证开采井的水温仍然为tr,因此实际的回收率仍然与热储层的温度和基准温度有关。另外,开采井的表皮效应和井损可能使实际降深显著大于上述理论结果,应通过井流试验进行识别。当地热田比较复杂时,应使用数值模拟的方法进行评价,开采井的水位也取决于开采强度(qw)、回灌率(β)、水文地质参数(T、μe)和成井参数等。需要特别注意的是,常规数值模型对井中水位的计算存在很大的误差,应进行校正。2.3开井水温预测深层热储层在长期回灌冷却水的情况下,开采井水温可出现持续下降的趋势。这时不仅地下水位存在长期变化,而且地下水的温度也存在长期变化,因此仅仅考虑水位控制指标计算回收率是不够的,还需要联合考虑开采井的水温控制指标。热储层系统中的热水运移和热交换过程非常复杂,是一个多因素的耦合系统。注水井和抽水井之间的热质迁移问题涉及对流、弥散、热传导等物理机制,目前还很难找到解析解。因此,开采井水温的预测通常需要采用数值模拟的方法。对于给定的开采强度和回灌率(回灌温度暂取基准温度tj),利用数值模型可以模拟出地热田可利用年限内开采井降深的动态曲线hw(τ)和开采井水温随时间的变化曲线tw(τ)。随着开采强度的增大,hw和tw逐渐靠近控制指标。如果hw增大到控制降深或tw降低到控制温度,则停止增加开采强度,此时的qw即为最大允许开采强度,用它计算回收率,所开采的地热资源量可用以下积分表示:Qwh=ρwCwqw∫[tw(τ)-tj]dτ(14)式中:τ为时间。将Qwh代入式(3)可求出基于联合控制指标的回收率RE。如果开采井的降温速率为常数,且降温速率与回灌流量成正比,则开采井水温的变化可简化为以下的线性经验公式:tw(τ)=tr-λβqwτ(15)式中:λ为冷却系数(℃/m3),是指回灌单位体积的冷却水所引起的开采井水温的下降值。这种线性模式可把式(14)简化为:3储层用水流量法某中低温地热田的封闭边界为正方形,边长8km;热储层岩性为砂岩,孔隙度φ=0.25,厚度d=200m,导水系数T=100m2/d,贮水系数μe=2.0×10-4;储层的平均温度tr=60℃,顶板埋深hr=1400m,初始水头h0=0m;地热开采方式为对井抽-灌,抽水井位处于地热田的中心,回灌井位于西侧200m处,抽水井半径为0.12m,忽略表皮效应和井损;取基准温度tj=10℃,临界温度t0=40℃,地热可利用年限p=50a。取储层热物理参数ρcCc/(ρwCw)=0.5,开采井水温随回灌冷却水而降低,其变化模式假设为线性模式,取冷却系数λ=10-5℃/m3。开采井水温的控制指标为t0=40℃,而降深的控制指标考虑hw=100m和hw=200m两种情况。把上述参数代入式(9)计算最大可能回收率,得REm≈0.4。因地热田边界为正方形,可采用镜像映射原理建立水位预测的叠加公式,即式(11),求出:φ1(rw,p)=1931.30,φ2(L,p)=1794.08(17)根据式(12),满足水位控制指标的最大开采强度为:qwh=4πThw/[φ1(rw,p)-βφ2(L,p)](18)根据式(15),满足水温控制指标的最大开采强度为:qwt=(tr-t0)/(λβp)(19)因此用联合控制指标确定的最大允许开采强度为:qw=min{qwh,qwt}(20)由于qwh、qwt均与回灌率β有关,可得出qwh、qwt与β的关系曲线(图1)。该例中,水位和水温联合控制指标下的回收率与回灌率之间并非单一的函数关系,而是存在一个回收率最大的回灌率(图2)。如当水位控制指标hw=100m时,回灌率β=0.66所对应的回收率最大,即RE=0.03%;当水位控制指标hw=200m时,β=0.46所对应的回收率最大,即RE=0.04%。回收率与回灌率的关系见图2。显然,这种封闭地热田的地热资源回收率不到0.1%,远低于最大可能回收率40%。4《地热资源评价方法》dz40-65根据深层地热开发的特点,提出以开采井水位和水温的控制指标作为确定地热资源回收率的约束条件。在这种情况下,地热资源的回收率不仅和地热田的性质有关,而且还受地热利用方式的影响,特别是受回灌率的影响。这补充了现有《地热资源评价方法》(DZ40-85)中确定回收率的方法。应用简化的