地熱井可開(kāi)采量及布井間距的確定

  摘要：介紹了目前確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的依據,對其存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討,并提出確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的設想和實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)可持續性的保障措施。
 
  關(guān)鍵詞：地熱井,可開(kāi)采量,布井間距,問(wèn)題,設想
 
  1前言。
 
  地熱作為一種可再生的潔凈能源,與常規能源相比,對環(huán)境污染小,利于環(huán)境保護,且具有投資少、見(jiàn)效快的特點(diǎn)。目前,地熱開(kāi)發(fā)利用已在世界范圍內興起,作為中低溫地熱資源豐富的國家,中國地熱直接利用處于世界前列,在供暖、洗浴、農業(yè)生產(chǎn)等方面創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
 
  由于地熱勘察及地熱井鉆鑿須投人大量資金,因此只有實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)的可持續性,才能保證資金的投入,地熱產(chǎn)業(yè)才能健康、穩定地向前發(fā)展。
 
  受經(jīng)濟、技術(shù)條件的制約,目前地熱開(kāi)發(fā)利用主要是采取鉆井取水的方法,以水作為媒介,將賦存于熱儲層中的熱能采出供人們利用。因此,地熱開(kāi)發(fā)可持續性的基本要求理應是地熱井采出的地熱水質(zhì)量能保持穩定,即地熱井出水量及水溫保持穩定。只有這樣,才能提供穩定的可利用熱水資源,保證地熱項目的實(shí)施。這就要求地熱井水位的下降應處于可控狀態(tài),以保證生產(chǎn)井能夠長(cháng)期開(kāi)采,經(jīng)濟合理地抽取所需地熱資源。
 
  在大多數地區,地熱田屬于沉積盆地型的中低溫熱田,熱儲層溫度低于10?！?熱水儲存于沉積的砂礫巖或碳酸鹽巖中。由于熱儲層埋藏深,滲透性、連通性差,不能接受地表大氣降水的直接補給,只有微弱的側向徑流補給,屬于半封閉的深層承壓水系統。在這種情況下,地熱水的開(kāi)采以地下含水層壓力的消耗為代價(jià),即開(kāi)采過(guò)程中地層壓力逐步下降,地熱井水位埋深逐年增大,水位下降速率與采出的熱水量呈正相關(guān)。
 
  地熱回灌技術(shù)作為有效減緩地層壓力下降的手段,在許多國家已被應用,但其受地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟條件的多重制約,不同的地質(zhì)條件下,回灌能力差別很大。目前,砂巖熱儲層低壓回灌存在著(zhù)熱儲砂巖孔隙被堵塞,灌而不進(jìn)的技術(shù)難題。即使能夠將低溫尾水回灌進(jìn)去,也存在著(zhù)熱儲層溫度急劇下降問(wèn)題,而熱儲層溫度的恢復需要相當長(cháng)的時(shí)間。實(shí)際上,國內目前成功的地熱回灌應用,如天津市,其地熱回灌僅限于裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖熱儲層,且開(kāi)采熱儲層與回灌層屬于不同層段,層間水力聯(lián)系微弱[lj,這樣雖然解決了地熱尾水對環(huán)境的影響問(wèn)題,但并不能夠有效地減緩地層壓力下降。同時(shí),回灌井的鉆鑿需投人大量資金,將阻礙處于初期階段的地熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
 
  因此,只有科學(xué)合理地確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距,才能使地熱井水位下降處于可控狀態(tài),以保證地熱井的使用年限,不至于重現掠奪而又初放型的開(kāi)采方式,造成資源的嚴重浪費。由此,地熱開(kāi)發(fā)才能步人良性循環(huán)的軌道,以實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)的可持續發(fā)展。
 
  2確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的依據。
 
  目前確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的依據為全國礦產(chǎn)儲量委員會(huì )辦公室文件—儲辦245發(fā)[1996]51號《關(guān)于地熱單井勘察報告審批要求的通知》。該文件規定對于層狀熱儲層,應依據該井開(kāi)采可能影響區內的可采熱儲存量與地熱井開(kāi)采期排放的總熱量進(jìn)行熱均衡驗算確定,其步驟如下。
 
  (1)依據地熱井抽水試驗資料,用內插法(最大水位下降以不大于20m為宜)初步確定地熱井可開(kāi)采量,并以公式Qw一3650OQCw(tw一t。)計算按此量開(kāi)采100年所排放的總熱量。
 
  式中Qw—地熱井開(kāi)采100年所排放的總熱量;Q—地熱井日開(kāi)采水量;Cw—地熱水平均熱容量;枷—地熱水平均溫度;t。
 
  —地層常溫帶溫度。(2)依據地熱井地質(zhì)剖面,按公式Qr一KHC二(t;一t。)計算確定地熱井開(kāi)采利用熱儲層單位面積可開(kāi)采的熱儲存量。
 
  式中Qr—地熱井開(kāi)采影響區內可采熱儲存量;K—熱儲層地熱采收率;H—地熱井所利用的熱儲層厚度;C廠(chǎng)—熱儲層平均熱容量;t廠(chǎng)—熱儲層地熱平均溫度。(3)按均衡原理以公式F一Qw/Qr計算熱儲層可采熱儲存量與地熱井開(kāi)采10。年排放總熱量保持均衡所需的熱田面積,并按圓面積公式估算地熱井的井距。
 
  (4)在該地熱田尚無(wú)其他地熱生產(chǎn)井或已有井的井距超過(guò)計算的布井間距,可以地熱井抽水試驗資料初步確定的可開(kāi)采量為該井的可開(kāi)采量;若已有井井距小于計算的布井間距,則應以已有井距的1/2為半徑劃定的圓面積作為該井可開(kāi)采的控制范圍,并以該范圍內的可采熱儲存量作為該井的地熱水開(kāi)采允許排放的熱量,進(jìn)而反求其可開(kāi)采量川。
 
  3實(shí)施上述兩項依據存在的新問(wèn)題。
 
  《關(guān)于地熱單井勘察報告審批要求的通知》制定于1991年,其確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的依據經(jīng)多年應用發(fā)現存在許多問(wèn)題,與地熱開(kāi)發(fā)利用要求相矛盾,不符合地熱水賦存、變化規律,無(wú)法滿(mǎn)足地熱開(kāi)發(fā)可持續發(fā)展的要求。
 
  3.1設計地熱井開(kāi)采時(shí)間過(guò)長(cháng)《通知》中按地熱井開(kāi)采100年計算排放的總熱量,然后估算地熱井的井距,設計地熱井使用年限為100年。
 
  目前,地熱井普遍采用的管材為石油套管,質(zhì)量很好,使用年限可達30年以上。但由于地熱水礦化度一般都很高,對管壁的腐蝕較強,特別是在水位變動(dòng)帶,腐蝕更加明顯,因此,地熱井的管材能否使用100年尚沒(méi)有肯定的例證。
 
  地熱資源雖然是一種可再生能源,但是其再生的歷程是以地質(zhì)年代而計,地熱水長(cháng)期開(kāi)發(fā)的主要效應之一就是要地下水位的持續下降。以100年作為地熱井的開(kāi)采時(shí)間,只能以減少可開(kāi)采量作為代價(jià)才能有望達到,這將限制地熱井的利用效率,無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。雖然地熱開(kāi)發(fā)需要可持續性,但若沒(méi)有了經(jīng)濟效益,將沒(méi)有人再開(kāi)發(fā)地熱。因此,作為一種能源開(kāi)采,地熱與煤炭、石油等常規能源是一樣的,沒(méi)有必要放著(zhù)非要采100年。但應該科學(xué)合理地開(kāi)采,充分全面地利用,而不是破壞性開(kāi)采,大量浪費地熱資源。當然,為了取得最好246的經(jīng)濟、社會(huì )效益,地熱開(kāi)發(fā)需要可持續性,但持續過(guò)程達100年太長(cháng),應以20~30年為宜。
 
  3.2未考慮地熱地質(zhì)條件的差異地熱水存儲于地下熱儲層中,可分為砂巖孔隙熱儲、碳酸鹽巖巖溶熱儲、裂隙熱儲等。不同巖性的熱儲層具有不同的性質(zhì),即使相同巖性的熱儲層,其滲透性、儲水性差異也很大,因而造成地熱井涌水量大小不等。
 
  一般情況下,砂巖孔隙熱儲連通性好、孔隙度大、滲透性好,地熱井涌水量大;而巖溶熱儲、裂隙熱儲發(fā)育不均,地熱井涌水量差別很大。如位于黃弊坳陷滄東凹陷的滄州溫泉托老院地熱井,所取熱儲層為上第三系館陶組砂巖孔隙熱儲,水位降深16.81m時(shí)涌水量達2877m“/d;位于滄縣隆起獻縣凸起的獻迎熱1井,所取熱儲層為元古界薊縣系霧迷山組巖溶熱儲,水位降深54.94m時(shí)涌水量為1965m“/d;而位于冀中坳陷覃城凸起的熱電1井,所取熱儲層為下古生界奧陶系巖溶熱儲,水位降深190m時(shí)涌水量?jì)H為84om3/d。
 
  《通知》中統一規定:依據地熱井抽水試驗資料,用內插法(最大水位下降以不大于Zom為宜)初步確定地熱井可開(kāi)采量,未考慮不同地區地熱地質(zhì)條件的差異性。據此,滄州溫泉托老院地熱井水位降深16.81m時(shí)可開(kāi)采量達2877m“/d,獻迎熱1井水位降深20m時(shí)可開(kāi)采量715m“/d,而熱電1井水位降深Zom時(shí)可開(kāi)采量?jì)H88m“/d,差距非常大。其中熱電1井若按88m“/d開(kāi)采,應屬于報廢井,而該井總投資達400多萬(wàn)元。因此,地熱井可開(kāi)采量的確定應考慮不同地區地熱地質(zhì)條件的差異,而不應以水位下降固定值來(lái)計算。
 
  3.3缺乏合理操作性熱儲層由于埋藏深、地層壓力大,在未開(kāi)發(fā)地區,初期鉆探成功的生產(chǎn)井基本都能夠自流,即地熱井初始靜水位埋深高于地面。如冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷任熱1井,取水熱儲層為館陶組熱儲,1980年n月成井時(shí)初始靜水位高出地面14m;滄縣隆起獻縣凸起獻迎熱1井,200。年n月成井時(shí)關(guān)井井口壓力0.36MPa,即初始靜水位高出地面36m?！锻ㄖ分幸幎ㄒ宰畲笏幌陆挡淮笥?0m確定地熱井可開(kāi)采量,對于獻迎熱1井來(lái)說(shuō),其自流時(shí)水位降深36m,自流量1389m3/d,若按《通知》中規定,則其可開(kāi)采量為降深20m時(shí)的772m“/d,小于自流量,開(kāi)采中應對自流量進(jìn)行控制。這無(wú)論從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟角度來(lái)講,都缺乏合理操作性。
 
  3.4地熱資源采出量與實(shí)際開(kāi)采不相符《通知》中規定,按公式Qr一KHCr(t廠(chǎng)一t。)計算地熱井開(kāi)采利用熱儲層單位面積可開(kāi)采的熱儲存量,其中K值為熱儲層地熱采收率,砂巖一般取。.巧一0.20川,實(shí)際開(kāi)采中遠不能達到這一數值。根據天津濱海地熱田資料,在保持有限降深條件下,按100年開(kāi)采時(shí)限計算,采出水量相當于熱儲層儲存水量的3%左右,換算成采出熱量不足熱儲層儲存熱量的2寫(xiě)閉。由此可見(jiàn),按上述公式計算的熱儲層單位面積可開(kāi)采的熱儲存量過(guò)大,相應的地熱井開(kāi)采影響范圍偏小,地熱井井距缺乏實(shí)際指導意義。
 
  實(shí)際上,與固體礦產(chǎn)不同,地熱水處于流動(dòng)狀態(tài),開(kāi)采過(guò)程中,由于地熱井開(kāi)采漏斗的形成,周?chē)牡責崴虻責峋畠冗\動(dòng),影響范圍相當大。影響采出資源量多少的首要因素為地熱井水位狀態(tài),在相同開(kāi)采量的情況下,地下水位下降緩慢,則采出資源量多,地下水位下降迅速,則采出資源量少,這是由地質(zhì)條件控制的。其次,技術(shù)、經(jīng)濟條件也制約著(zhù)地熱資源采出量的多少。在水位下降到一定程度后,只有高揚程的熱水泵才能采出地熱水,但如果從經(jīng)濟上考慮沒(méi)有效益,開(kāi)采也就沒(méi)有價(jià)值了。由此,不同條件下的地熱田,其地熱資源采出量是不等的。
 
  3.5未能提出動(dòng)態(tài)管理的必要性地熱水作為一種液體礦產(chǎn),開(kāi)采中水位下降是一種必然的趨勢。一個(gè)地熱田,隨著(zhù)地熱井數量的增加、開(kāi)采量的加大、開(kāi)采時(shí)間的延續,積累的資料越來(lái)越多,對地熱田地質(zhì)條件的認識也越來(lái)越科學(xué)、合理。應根據取得的資料,對地熱并可開(kāi)采量、布井間距進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整,以使地熱井能夠持續開(kāi)采,取得最大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
 
  4確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距的設想。
 
  4.1地熱井可開(kāi)采盆的確定地熱井可開(kāi)采量確定的原則為以需定產(chǎn)、以產(chǎn)定產(chǎn)。以需定產(chǎn),即根據地熱開(kāi)發(fā)所需水量確定可開(kāi)采量。對于熱儲地質(zhì)條件較好的地區,在降深較小的情況下地熱井涌水量很大,可根據用戶(hù)需求確定地熱井可開(kāi)采量,使地熱井的利用效率達到最高。以產(chǎn)定產(chǎn),即根據地熱井最大經(jīng)濟開(kāi)采量確定可開(kāi)采量。對于熱儲地質(zhì)條件較差的地區,地熱井往往在降深較大的情況下,涌水量較小,此時(shí),根據熱水泵提升能力及經(jīng)濟效益,確定最佳降深情況下的地熱井可開(kāi)采量。
 
  4.2地熱井布井間距的確定地熱井開(kāi)采過(guò)程中形成水壓力降落漏斗,使周?chē)責峋划a(chǎn)生下降,影響其開(kāi)采。因此,必須確定合理的布井間距,以保證地熱井間的水位干擾不影響地熱水的開(kāi)采?？筛鶕樗囼灣晒?計算出不同井間距時(shí)的影響降深,確定地熱井之間的干擾系數,再根據規定的最大影響降深值(如5一10m),選取一個(gè)合理的布井間距?？紤]到一口地熱井周?chē)鷷?huì )逐步鉆鑿多口地熱井,每一口地熱井都會(huì )受到其他地熱井的干擾,選取布井間距時(shí)應適當加大距離。最大影響降深值應根據各地地熱開(kāi)發(fā)實(shí)踐取得的資料,考慮不同的地質(zhì)條件來(lái)規定。
 
  4.3地熱田布井總數的確定目前,地熱開(kāi)發(fā)主要是采取單井開(kāi)發(fā)模式,即在地熱條件較好的地區,首先鉆鑿一口地熱井進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用,然后在其示范帶動(dòng)下,逐步鉆鑿更多的地熱井。對于一定范圍內的一個(gè)地熱田,確定其可布井總數,可控制地熱田地熱水開(kāi)采總量,保證地熱田的開(kāi)采年限,實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)的可持續性。
 
  一個(gè)地熱田在鉆鑿了2~3口地熱井后,經(jīng)過(guò)2一3年的開(kāi)采,積累了大量的開(kāi)采動(dòng)態(tài)資料,據此可建立水位降深與開(kāi)采量關(guān)系的數學(xué)方程。根據當前地熱井靜、動(dòng)水位埋深情況,可計算出在規定的最大允許動(dòng)水位埋深(如200~250m)內的地熱田可開(kāi)采總量,再根據規定的開(kāi)采年限(如20一30年)、單井可開(kāi)采量,確定地熱田可布井總數。
 
  4.4地熱井可開(kāi)采且及布井間距的動(dòng)態(tài)調整地熱井開(kāi)采過(guò)程中應進(jìn)行長(cháng)期動(dòng)態(tài)觀(guān)測工作,根據觀(guān)測資料,對確定的地熱井可開(kāi)采量、布井間距、地熱田布井總數進(jìn)行評價(jià)。如果實(shí)際開(kāi)采情況與設計不相符,應及時(shí)調整地熱井可開(kāi)采量、布井間距、地熱田布井總數,以使地熱井水位下降處于可控狀態(tài),保證地熱井的使用年限。
 
  4.5已規模開(kāi)發(fā)地熱田地熱井可開(kāi)采里的確定對于已規模開(kāi)發(fā)的地熱田,地熱井已鉆鑿完成,應根據開(kāi)采動(dòng)態(tài)資料,計算出地熱田在一定年限、最大允許動(dòng)水位埋深情況下的可開(kāi)采總量,再根據地熱田已有地熱井數量、單井出水能力、開(kāi)發(fā)利用需水量確定地熱井的可開(kāi)采量,并根據開(kāi)采動(dòng)態(tài)及時(shí)進(jìn)行調整。
 
  5實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)可持續性的保障措施。
 
  地熱開(kāi)發(fā)的可持續性要求科學(xué)合理地確定地熱井可開(kāi)采量及布井間距,使地熱井水位下降處于可控狀態(tài),不能掠奪性開(kāi)采地熱資源。為了實(shí)現這一點(diǎn),需要各級管理、技術(shù)部門(mén)共同努力,盡職盡責。
 
  (1)專(zhuān)業(yè)管理部門(mén)盡快制定切實(shí)可行的規定、標準,為地熱井可開(kāi)采量、布井間距的確定提供依據,使地熱開(kāi)發(fā)走上科學(xué)合理的道路。
 
  (2)相關(guān)職能部門(mén)充分履行自己的職責,堅決杜絕無(wú)證開(kāi)采、不按規定超量開(kāi)采現象的發(fā)生,建立相應的核查機制,保證地熱開(kāi)發(fā)符合相關(guān)法律、法規的規定。
 
  (3)有關(guān)技術(shù)部門(mén)應建立地熱井的長(cháng)期動(dòng)態(tài)觀(guān)測機制,對地熱井進(jìn)行水位、水量、水溫、水質(zhì)的長(cháng)期觀(guān)測,并對觀(guān)測結果進(jìn)行分析研究,提出地熱開(kāi)發(fā)建議,為管理部門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理提供依據。
 
  (4)地熱開(kāi)發(fā)商應嚴格按照規定進(jìn)行地熱水的開(kāi)采,并充分利用地熱能,使地熱資源發(fā)揮最大的效益,同時(shí),配合技術(shù)部門(mén)做好動(dòng)態(tài)觀(guān)測工作。
 
  以上僅是一些不成熟的設想,希望地熱專(zhuān)家深人調查研究、集思廣益,制定出科學(xué)合理的地熱開(kāi)發(fā)利用方案,為中國地熱開(kāi)發(fā)的持續發(fā)展提供技術(shù)支持。