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      抽水試驗(yàn)方法和成井工藝類型對熱儲層水文地質(zhì)參數(shù)的影響

      2018-10-18 02:30:30周群道康鳳新劉志濤楊建華
      山東國土資源 2018年10期
      關(guān)鍵詞:穩(wěn)定流成井配線

      周群道,康鳳新,劉志濤,楊建華

      (1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),山東 德州 250372;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,山東 濟(jì)南 250013;3.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250100)

      1 研究背景

      熱儲層水文地質(zhì)參數(shù)對地?zé)豳Y源量計(jì)算、地?zé)峋侠砭啻_定、地?zé)嵛菜毓鄺l件研究等有十分重要的影響。目前地?zé)岬刭|(zhì)勘查中,水文地質(zhì)參數(shù)多由穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求得,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用的裘布依理論模型,J.Kozeny在砂槽中進(jìn)行井流模擬試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)水位降低非常小時(shí),井中水位才與井壁水位基本一致。當(dāng)井中水位降低較大時(shí),井中水位明顯地低于井壁水位,這種現(xiàn)象稱為水躍。

      地?zé)峋樗囼?yàn)初期,井筒水位受水溫影響明顯,此現(xiàn)象稱為井筒效應(yīng)。受條件所限,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn),多以抽水主孔(單孔抽水)資料求參,主孔從井筒頂部采水,水躍現(xiàn)象和井筒效應(yīng)對水文地質(zhì)參數(shù)造成了較大影響。非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用泰斯理論模型,多以觀測孔資料求參,觀測孔從井筒底部降水,能有效消除水躍現(xiàn)象和井筒效應(yīng),水文地質(zhì)參數(shù)相對準(zhǔn)確。不同成井工藝類型對水文地質(zhì)參數(shù)的影響明顯,同等開采量下,大口徑填礫井的降深遠(yuǎn)小于裸眼井。

      以往關(guān)于單個(gè)試驗(yàn)方法[1-3]或某種成井工藝[4]求取水文地質(zhì)參數(shù)的研究較多,綜合對比分析多種求參方法和成井工藝類型的研究較少。該文以山東省平原縣回灌試驗(yàn)為例,利用多種試驗(yàn)方法、求參方法和不同的成井工藝,討論對水文地質(zhì)參數(shù)的影響,對地?zé)豳Y源的勘查、評價(jià)以及回灌優(yōu)化提供參考。

      2 研究區(qū)域概況

      平原縣位于山東省西北部、德州市中部,在大地構(gòu)造上屬于華北板塊(Ⅰ)、華北坳陷區(qū)(Ⅱ)濟(jì)陽坳陷(Ⅲ)惠民潛斷陷(Ⅳ)、臨邑潛凹陷(Ⅴ)(圖1)。區(qū)內(nèi)分布較厚的沉積地層,熱儲為巖性孔隙型砂巖,為半成巖狀態(tài),呈層狀展布?;茁癫剌^深,其經(jīng)濟(jì)型熱儲為新近紀(jì)館陶組熱儲,館陶組熱儲廣泛分布于研究區(qū)內(nèi),為河流相沉積,厚度200~600m,與下伏東營組呈不整合接觸。下部巖性為灰白色、灰色厚層狀礫巖、含礫砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖夾灰綠色粉砂巖、棕紅色泥巖及砂質(zhì)泥巖,底部普遍發(fā)育含石英、燧石的砂礫巖。上部巖性為灰白色、淺灰色細(xì)、中砂巖及棕紅色、灰綠色泥巖與細(xì)砂巖互層夾粉砂巖。巖性為一套灰白色礫狀砂巖、細(xì)礫巖、灰綠色細(xì)砂巖和棕紅色泥巖。鉆遇地層0~266.00m為第四紀(jì)平原組,266.00~958.20m為新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組,958.20~1393.30m為新近紀(jì)館陶組,1393.30~1610.38m為古近紀(jì)東營組,未揭穿(圖2)。

      1—試驗(yàn)地點(diǎn);2—二級單元界線;3—三級單元界線;4—四級單元界線;5—五級單元界線;6—斷層及推測斷層;7—不整合界線;8—單元代號;9—凹陷區(qū);10—隆起區(qū)圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡圖

      1—細(xì)砂巖;2—弱透水層;3—中砂巖;4—砂礫巖;5—底礫巖;6—凝灰?guī)r;7—砂礫巖;8—泥質(zhì)砂巖圖2 研究區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

      3 試驗(yàn)井基本情況

      3.1 試驗(yàn)井位置

      試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省德州市平原縣,兩眼地?zé)峋闹本€距離為231.7m,兩眼井的取水層位為新近紀(jì)館陶組。

      3.2 成井工藝

      回灌井采用大口徑填礫的成井工藝,開采井為裸眼繞絲成井工藝(圖3)。大口徑填礫工藝井開孔孔徑為φ445mm,濾水管徑為φ178mm,填礫厚度133.5mm,填礫粒徑2~4mm[5-9];裸眼繞絲工藝井開孔孔徑φ241.3mm,濾水管徑為φ139mm,未填礫[10-11]。

      a—大口徑填礫工藝;b—裸眼繞絲工藝圖3 成井工藝類型

      3.3 取水工藝

      兩眼井濾水段的繞絲間距為0.75mm,大口徑填礫井濾水管長度為135.53m,裸眼繞絲井濾水管長度為115.32m(表1、表2)。

      4 抽水試驗(yàn)

      4.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

      完井后對回灌井、開采井分別做單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn),共2組,每組分3個(gè)降深完成。每個(gè)降深單獨(dú)計(jì)時(shí)進(jìn)行,各降深之間沒有水位恢復(fù),連續(xù)進(jìn)行。為便于比較分析和成圖,將后面降深的持續(xù)時(shí)間與前降深的持續(xù)時(shí)間相加,形成總的歷時(shí)曲線(圖4)。

      表1 裸眼繞絲井取水工藝 單位:m

      表2 大口徑填礫井取水工藝 單位:m

      a—回灌井;b—開采井圖4 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)歷時(shí)曲線

      回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)降深的試驗(yàn),分別為S1=5.55m,S2=10.80m,S3=13.65m,對應(yīng)的單位涌水量分別為Q1=72m3/h,Q2=94m3/h,Q3=102m3/h。開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)降深的試驗(yàn),分別為S1=7.60m,S2=18.60m,S3=29.92m,對應(yīng)的單位涌水量分別為Q1=28.5m3/h。Q2=61.00m3/h,Q3=90.00m3/h。

      4.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

      穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)結(jié)束后,水文恢復(fù)至初始狀態(tài),進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)兩組。第一組非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)以回灌井為抽水主孔、開采井為觀測孔,1130.7~1393.3m,巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層,含水層厚度為135.53m,抽水井井徑為177.8mm,穩(wěn)定流量為84.25m3/h,抽水歷時(shí)8850min。抽水井的靜水位為30.69m,觀測井的靜水位為31.81m。抽水井的降深范圍為4.27~7.74m,降深穩(wěn)定在7.47m左右。觀測井的降深范圍為0.005~1.01m,降深穩(wěn)定在1.01m(圖5)。

      a—回灌井為主孔抽水;b—開采井為主孔抽水圖5 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)歷時(shí)曲線

      第二組非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)以開采井為抽水主孔、回灌井為觀測孔試驗(yàn)開采層段為1127~1460m,巖性為館陶組砂巖、砂礫巖熱儲層,含水層厚度為115.32m,抽水井井徑為139.7mm,開采量為72.8m3/h抽水歷時(shí)1710min。抽水井的靜水位為31.81m,觀測井的靜水位為30.69m。抽水井的降深范圍為0.49~15.37m,降深穩(wěn)定在15.37m左右。觀測井的降深范圍為0.005~0.98m,降深穩(wěn)定在0.98m(圖5)。

      5 水文地質(zhì)參數(shù)

      5.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)

      穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)采用公式法和配線法對水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算(表3、表4)。

      表3 回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法結(jié)果

      (1)公式法:采用公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)[12-17]:

      (1)

      (2)

      式中:r為濾水管的半徑(m),r開采井=0.06985m,r回灌井=0.0889m。

      表4 開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法結(jié)果

      (2)配線法:利用AquiferTest軟件,對穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的各個(gè)降深逐個(gè)求參(圖6~圖11)[18-20]。所求得的滲透系數(shù)分別為K1,K2和K3。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T1=8.93×102m2/d,滲透系數(shù)K1=6.0013m/d。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T2=8.48×102m2/d,滲透系數(shù)K2=5.56989m/d。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T3=7.95×102m2/d,滲透系數(shù)K3=5.3427m/d。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T1=1.98×102m2/d,滲透系數(shù)K1=1.435m/d。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T2=1.48×102m2/d,滲透系數(shù)K2=1.072m/d。

      通過配線法求取導(dǎo)水系數(shù)T3=1.18×102m2/d,滲透系數(shù)K2=1.377m/d。

      圖6 回灌井涌水量72m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

      圖7 回灌井涌水量94m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

      圖8 回灌井涌水量102m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

      圖10 開采井涌水量61m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

      圖11 開采井涌水量90m3/h Papadopulos-Cooper配線求參

      5.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)

      利用AquiferTest軟件,泰斯配線法計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù),由于抽水主孔存在井筒效應(yīng),利用觀測孔監(jiān)測資料求取試驗(yàn)參數(shù)(圖12、圖13)。

      得出其導(dǎo)水系數(shù)(T回灌井)為9.72×102m2/d,滲透系數(shù)(K回灌井)為6.53m/d,彈性釋水系數(shù)(μ回灌井)為3.19×10-4。

      得出其導(dǎo)水系數(shù)(T開采井)為6.94×102m2/d,滲透系數(shù)(K開采井)為5.02m/d,彈性釋水系數(shù)(μ開采井)為3.18×10-4。

      圖12 開采井為觀測井泰斯配線法求參

      圖13 回灌井為觀測井泰斯配線法求參

      6 參數(shù)對比

      6.1 穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

      將開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S2與S32個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均,即(K2+K3)/2,可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數(shù),與非穩(wěn)定流72.8m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表5)。

      表5 開采井穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

      在同等開采量下,穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的14%。

      將穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S1與S22個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均,即(K1+K2)/2,可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數(shù),與非穩(wěn)定流84.25m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表6)。

      在同等開采量下,穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的31%。

      表6 回灌井穩(wěn)定流公式法與非穩(wěn)定流求參比較

      6.2 穩(wěn)定流公式法與配線法求參比較

      將開采井、回灌井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的3個(gè)落程,分別采用公式法和配線法進(jìn)行求參比較(表7、表8)。

      表7 開采井穩(wěn)定流公式法與配線法結(jié)果比較

      表8 回灌井穩(wěn)定流公式法與配線法結(jié)果比較

      6.3 穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

      將開采井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S2與S32個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均,即(K2+K3)/2,可視為75.5m3/h開采量下的滲透系數(shù),與非穩(wěn)定流72.8m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表9)。

      表9 開采井穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

      在同等開采量下,穩(wěn)定流配線法所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的25%。

      將穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中S1與S22個(gè)降深所得參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均,即(K1+K2)/2,可視為84.3m3/h開采量下的滲透系數(shù),與非穩(wěn)定流84.25m3/h開采量下的參數(shù)進(jìn)行比較(表10)。

      表10 回灌井穩(wěn)定流配線法與非穩(wěn)定流求參比較

      在同等開采量下,穩(wěn)定流所得參數(shù)為非穩(wěn)定流的89%。

      7 結(jié)論

      裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法所得滲透系數(shù)為0.68905m/d,非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)為5.02m/d,穩(wěn)定流公式法所得滲透系數(shù)僅為泰斯配線法所得滲透系數(shù)的14%;采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)公式法所得滲透系數(shù)為1.9855m/d,非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)為6.39m/d,穩(wěn)定流公式法所得滲透系數(shù)僅為泰斯配線法所得滲透系數(shù)的31%。

      裸眼繞絲成井工藝同等開采量條件下,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)配線法所得滲透系數(shù)為1.2535m/d,為非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)的25%,采用大口徑填礫成井工藝同等開采量條件下,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)配線法所得滲透系數(shù)為5.7035m/d,非穩(wěn)定流泰斯配線法所得滲透系數(shù)的89%。

      從穩(wěn)定流的3個(gè)降深所得參數(shù)來分析,無論由什么方法、無論什么成井工藝,地?zé)峋疂B透系數(shù)隨著開采量的增加而減小。

      隨著成井工藝的優(yōu)化,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù),朝著變大的方向接近非穩(wěn)定流所得參數(shù),隨著成井工藝及質(zhì)量的變差,穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù),朝著變小的方向遠(yuǎn)離非穩(wěn)定流所得參數(shù)。隨著成井工藝的優(yōu)化,非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)變大,同樣穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)也變大,說明井水的流動性增強(qiáng)。

      穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中,配線法所得參數(shù),基本上為公式法所得參數(shù)的2倍。配線法所得參數(shù)更接近非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所求的參數(shù)。

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