如何確定地熱井可開(kāi)采量與布井間距

      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，作為中低溫地熱資源豐富的國家，我國的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 )造出巨大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

 

  由于地熱勘查及地熱井鉆鑿須投入大量資金，因此，只有實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)的可持續性，才能保證地熱產(chǎn)業(yè)健康、穩定、有序的向前發(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利用。因此，地熱開(kāi)發(fā)可持續性的基本要求應是必須保持地熱井出水量及水溫穩定，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下降應處于可控狀態(tài)，以保證地熱井能夠長(cháng)期開(kāi)采。

 

  我國大多數地熱田均屬于沉積盆地傳導型的中低溫地熱田，熱儲層溫度低于100℃，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)濟等多重條件的制約。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，灌不進(jìn)去的技術(shù)難題。即使能夠將低溫熱廢水回灌進(jìn)去，也存在著(zhù)熱儲層溫度急劇下降的問(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試驗，如天津市的地熱回灌也僅限于裂隙發(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，這樣雖然解決了熱廢水環(huán)境影響問(wèn)題，但并不能夠有效地減緩地層壓力下降。同時(shí)，回灌井的鉆鑿需要投入大量資金，將阻礙處于初級階段的地熱產(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)采量與布井間距，保證地熱井的使用年限，才能使地熱井水位下降處于可控狀態(tài)。由此，使地熱開(kāi)發(fā)才能步入良性循環(huán)的軌道，實(shí)現地熱開(kāi)發(fā)的可持續性。

 

  2 確定地熱井可開(kāi)采量與布井間距的依據與步驟目前，我國確定地熱井可開(kāi)采量與布井間距的依據為全國礦產(chǎn)儲量委員會(huì )辦公室文件——儲辦發(fā)[1996]51號《關(guān)于地熱單井勘查報告審批要求的通知》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《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：

 

  2.1  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2Om為宜)初步確定地熱井可開(kāi)采量,并以公式QW=3650OQCW（tW-tO）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；

 

  tW——地熱水平均溫度；

 

  tO一一地層常溫帶溫度。

 

  2.2  依據地熱井地質(zhì)剖面，按公式Qr=KHCr（tr-tO）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；

 

  Cr——熱儲層平均熱容量；

 

  tr——熱儲層地熱平均溫度。

 

  2.3  按均衡原理以公式F=QW/Qr計算熱儲層可采熱儲存量與地熱井開(kāi)采100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。

 

  2.4  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,則應以已有井距的二分之一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。

 

  3 存在的問(wèn)題

 

  《通知》制定于1996年，經(jīng)多年地熱開(kāi)發(fā)的應用實(shí)踐，發(fā)現其中關(guān)于確定地熱井可開(kāi)采量與布井間距的依據部分存在許多問(wèn)題，和現階段我國地熱開(kāi)發(fā)利用要求相矛盾。如：不符合地熱水賦存、變化規律、無(wú)法滿(mǎn)足地熱開(kāi)發(fā)利用可持續性的要求等。

 

  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，依其而估算出地熱井的井距，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，但是其再生的過(guò)程十分久遠，地熱水開(kāi)采必然導致地下水位持續下降。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，但沒(méi)有其經(jīng)濟效益，將沒(méi)有人愿意開(kāi)發(fā)地熱。因此，作為一種能源開(kāi)采，地熱與煤炭、石油等常規能源一樣，為了取得最好的經(jīng)濟、社會(huì )效益，地熱開(kāi)發(fā)需要可持續性，但作者認為，沒(méi)有必要非開(kāi)采100年。持續過(guò)程太長(cháng)，應根據地熱田的實(shí)際資源量，開(kāi)采年限相應減少為宜。

 

  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，因此地熱井涌水量會(huì )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。如位于黃驊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2877m3／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1965m3／d；而位于冀中坳陷藁城凸起的熱電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840m3／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2Om為宜)初步確定地熱井可開(kāi)采量，而未認真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2877m3／d，獻迎熱1井水位降深20m時(shí)可開(kāi)采量715m3／d，而熱電1井水位降深20m時(shí)可開(kāi)采量?jì)H88m3／d，差距非常大。其中熱電1井若按88m3／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)采量的確定應綜合考慮不同地區地熱地質(zhì)條件的差異性，而不應以水位下降的固定值來(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，開(kāi)始打開(kāi)熱儲層時(shí)，地熱井的熱水基本都能夠自流，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11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，2000年11月成井時(shí)關(guān)井井口壓力0.36Mpa，初始靜水位高出地面36m?！锻ㄖ分幸幎ㄒ宰畲笏幌陆挡淮笥?Om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1389 m3／d，若按通知中規定，其可開(kāi)采量則為降深20m時(shí)的772 m3／d，小于自流量，顯然不合理，無(wú)論從技術(shù)還是從經(jīng)濟角度講，都缺乏合理的操作性。