渤海灣盆地北部新近系館陶組地?zé)崽锾卣骷伴_發(fā)實踐
——以河北省唐山市曹妃甸地?zé)峁┡椖繛槔?/h1>
2021-07-20 07:23:00董月霞黃紅祥任路李洪達(dá)杜志強(qiáng)鄂俊杰王琦張曉明
石油勘探與開發(fā) 2021年3期
董月霞，黃紅祥，任路，李洪達(dá)，杜志強(qiáng)，鄂俊杰，王琦，張曉明
（1.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司咨詢中心，北京 100724；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063004）
0 引言
地?zé)崮苁且环N綠色、低碳、可循環(huán)利用的清潔能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點[1-4]。中國地?zé)豳Y源十分豐富[5-9]，供暖市場潛力巨大，國家《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[2]明確“十三五”期間中國將新增地?zé)崮芄┡娣e11×108m2。截至2015年全國地?zé)崮芄┡娣e僅為3.92×108m2，其中以地源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮芄┡癁橹鱗10-11]，中深層水熱型地?zé)崮芄┡形葱纬梢?guī)模。河北省平原地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)崮荛_發(fā)采用“只采不補(bǔ)”的方式，造成地下水位持續(xù)下降，嚴(yán)重影響了地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用[12]。雄縣地區(qū)開采薊縣系霧迷山組大型巖溶熱儲供暖，2004—2012年年均水位下降5 m。近年來水熱型地?zé)豳Y源的開發(fā)逐步由粗放式的“亂采亂排”轉(zhuǎn)變?yōu)椴晒嗑獾摹叭岵蝗∷钡目沙掷m(xù)開發(fā)模式[3]。巖溶裂隙熱儲回灌技術(shù)在華北雄安地區(qū)得到了規(guī)模應(yīng)用，而砂巖孔隙型熱儲國內(nèi)尚無規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3,13]，規(guī)?；┡狈Τ晒Π咐?。采灌均衡的地?zé)豳Y源開發(fā)利用技術(shù)將是未來京津冀地區(qū)地?zé)崮荛_發(fā)利用攻關(guān)的主要目標(biāo)[3,14]。筆者利用多年油氣勘探獲得的地質(zhì)資料與技術(shù)積累，結(jié)合當(dāng)?shù)毓┡袌鲂枨?，?yōu)選高尚堡—柳贊熱田開展砂巖孔隙型熱儲地?zé)嵋?guī)模供暖試驗，探索地?zé)崽镔Y源評價與開發(fā)目標(biāo)選區(qū)、孔隙型砂巖熱儲模擬與評價、砂巖熱儲同層采灌均衡技術(shù)、分散式采灌開采方案優(yōu)化等大型砂巖熱儲供暖開發(fā)利用配套技術(shù)，為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)利用提供借鑒。
1 區(qū)域地質(zhì)背景
南堡凹陷地理位置上位于華北平原北部，構(gòu)造上位于渤海灣裂谷盆地中北部，北依燕山臺褶帶南緣，是在華北地臺基底上經(jīng)中生代、新生代裂陷作用形成的北斷南超單斷脊?fàn)畎枷?，面積約2 000 km2。南堡凹陷及周邊地區(qū)可劃分為拾場次凹、林雀次凹和曹妃甸次凹等 3個次凹和柏各莊凸起、馬頭營凸起和老王莊凸起等3個凸起（見圖1）。燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期，在中國東部由北西向擠壓變?yōu)楸蔽飨蚶瓘垬?gòu)造應(yīng)力場背景下，南堡凹陷及周邊地區(qū)構(gòu)造變形受郯廬走滑斷裂帶、張家口—蓬萊走滑斷裂帶多重影響，多期地質(zhì)活動形成一系列北東向斷裂，為地?zé)醾鲗?dǎo)起到良好的溝通作用，南堡凹陷第三系發(fā)育良好沉積蓋層為地?zé)崽锏男纬商峁┝吮憷麠l件[5,15-16]。
圖1 南堡凹陷構(gòu)造單元劃分與地?zé)岙惓Х植紙D
1.1 區(qū)域熱背景
地?zé)岙惓б话愠霈F(xiàn)在各大板塊的邊緣，熱源與板塊擴(kuò)張或消亡有明顯關(guān)系，不同的構(gòu)造演化造成了不同類型沉積盆地地?zé)岜尘暗牟町怺17-18]。渤海灣盆地屬于西太平洋弧后裂谷盆地[19-20]，地幔物質(zhì)上涌[21]，深部熱巖漿、熱液沿大斷裂噴溢至地表淺處，引起高熱流值，裂谷邊界斷層附近高熱流異常更明顯。渤海灣盆地處于中國東部地殼厚度較薄的上地幔隆起區(qū)，整體為一個復(fù)雜的大地?zé)崽?。南堡凹陷新生代以來?jīng)歷了 4期裂陷演化，每一期裂陷均伴隨著巖漿熱事件[12-13]，盡管新近紀(jì)末期熱活動結(jié)束，但仍保留前期存留下來的較高的熱背景[22]。南堡凹陷現(xiàn)今大地?zé)崃髦禐?93.8～100.1 mW/m2，與河北雄縣（大地?zé)崃髦?113.9 mW/m2）、天津大港（大地?zé)崃髦?105.9 mW/m2）基本相當(dāng)。馬頭營凸起大地?zé)崃髦迪鄬^高，為148.9 mW/m2[23-24]。熱流分布呈現(xiàn)“凸起高、凹陷低”的特征。凹陷區(qū)高尚堡—柳贊、南堡等熱田館陶組水溫大部分低于90 ℃，屬于中低溫?zé)崽?；靠近凹陷邊界斷裂的柏各莊、馬頭營凸起地區(qū)館陶組發(fā)現(xiàn)了高于100 ℃的中高溫?zé)崽铩?/p>
1.2 地層特征
南堡凹陷為發(fā)育在中古生界基底之上的第三系沉積湖盆，沉積充填主要為前第三系（古生界、中生界）、古近系沙河街組和東營組，以及新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，第三系最大沉積厚度8 000 m。新近紀(jì)以來渤海灣盆地拗陷成統(tǒng)一盆地，本區(qū)新近系的沉積特征與渤海灣盆地其他地區(qū)基本類似，館陶組由周邊凸起向凹陷內(nèi)部逐漸變厚，其中林雀次凹至曹妃甸次凹厚度最大。館陶組以辮狀河沉積為主，主要為辮狀河道沉積和河道間沉積，含砂率在 60%～70%，館陶組平均厚度300～900 m，館陶組累計熱儲厚度120～300 m。巖性由灰白色塊狀砂巖、砂礫巖、基性火山巖夾薄層灰色、雜色泥巖組成[5]（見圖2）。
圖2 高尚堡—柳贊熱田綜合柱狀圖
2 地溫場分布特征及影響因素
2.1 地溫場分布特征
沉積盆地型地?zé)豳Y源大部分屬于中低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源[8]。南堡凹陷特殊的地理位置及第三紀(jì)以來經(jīng)歷的熱事件決定了其特殊的地溫場背景。與凹陷凸凹相間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，地溫場變化呈現(xiàn)出“高低相間、帶狀分布”[25-27]的特征，高地溫及高地溫梯度區(qū)與基底隆起和凸起區(qū)相吻合[28]。高地溫場延伸方向與主要構(gòu)造帶走向和深大斷裂走向基本一致，以近東西向和北東向為主?；鶐r隆起區(qū)地溫梯度相對較高，鉆探證實新生界蓋層底部地溫梯度大于5.0 ℃/100 m，最高可達(dá)8.3 ℃/100 m；凹陷區(qū)新生界蓋層底部地溫梯度相對偏低，地溫梯度一般在3.0～4.0 ℃/100 m。按地溫梯度大于3.0 ℃/100 m的標(biāo)準(zhǔn)，南堡凹陷及周邊地區(qū)共發(fā)育5個地?zé)岙惓Вㄒ妶D3、表1），疊合面積約2 160 km2。
圖3 南堡凹陷及周邊地區(qū)地溫梯度等值線與地?zé)岙惓／B合圖
表1 南堡凹陷及周邊地區(qū)地?zé)岙惓?shù)表
高尚堡—柳贊熱田位于拾場次凹與馬頭營基巖隆起區(qū)之間、緊鄰凹陷二級斷裂高柳斷層，地溫梯度為3.5～4.0 ℃/100 m。地?zé)豳Y源優(yōu)越、儲量大，對應(yīng)地面區(qū)域為曹妃甸新城，供熱需求集中、用熱量大。
2.2 地溫場影響因素
受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂活動、巖漿活動、地層特征、地下水運動、巖性等因素影響[24,29]，南堡凹陷地溫場分布主要與區(qū)域熱背景、裂陷期斷裂、蓋層巖性及厚度等因素密切相關(guān)。
2.2.1 區(qū)域熱背景
中國東部中新生代盆地的形成演化過程與巖石圈減薄決定了中國東部地?zé)崽锏膮^(qū)域熱背景[24,30-31]。渤海灣裂谷系是西太平洋弧后裂谷盆地的一個典型，渤海灣盆地雖然經(jīng)歷了中、新生代復(fù)雜的構(gòu)造-熱演化過程，但地球物理資料顯示其莫霍面至今保持相對平坦，地殼厚度平均在34～36 km[32-34]。南堡凹陷同裂陷期巖漿熱活動痕跡證實其屬于內(nèi)裂谷盆地的演化模式，巖石圈減薄[12-13,27,30]，控制了地溫場的分布。裂谷初期地殼減薄，地幔物質(zhì)上涌，深部熱能沿著深大斷裂噴溢地表或帶到地表淺處，導(dǎo)致地表高熱流值，裂谷區(qū)邊界斷層附近熱流值呈現(xiàn)高異常。裂谷后期巖漿上涌減弱、消失，盆地地表熱流值逐漸降低，但仍保留前期殘留下來的較高的熱背景[27,30]，使盆地現(xiàn)今地表熱流值仍較高[21-22,24,30]。渤海灣盆地平均熱流值為（64.4±8.1）mW/m2[28]，高于中國大陸平均熱流值（60 mW/m2）。東部的濟(jì)陽、渤中和遼河坳陷熱流值相對較高，為60～80 mW/m2，向西熱流值逐漸降低，中部的黃驊坳陷熱流值主要為60～70 mW/m2，西部的冀中和臨清坳陷熱流值偏低，為55～65 mW/m2[20,35]。盆地內(nèi)在凸凹相間的構(gòu)造格局下，因基巖熱導(dǎo)率高于沉積蓋層，凹陷內(nèi)潛山低隆起及凸起區(qū)呈現(xiàn)地?zé)岣弋惓36]。
2.2.2 裂陷期斷裂
深大斷裂是深部熱能上傳到地表淺處的關(guān)鍵路徑之一，裂陷期發(fā)育的邊界斷裂或凹陷內(nèi)二級斷裂是深層熱能向淺部運移的主要通道。由于斷裂的通道作用有利于熱的傳導(dǎo)和對流，使地溫增高，地?zé)岙惓С３０l(fā)育在裂陷期斷層附近，在凹陷區(qū)低地溫梯度背景下形成局部地?zé)岣弋惓А?/p>
2.2.3 蓋層巖性及厚度
新生界覆蓋于基巖之上，砂、泥巖熱導(dǎo)率低于基巖熱導(dǎo)率[37]，其厚度越大，阻止地?zé)嵯蛏蟼鲗?dǎo)的能力就越強(qiáng)，因此淺部地?zé)岣弋惓е饕植荚诘谌瞪w層相對較薄的區(qū)域[38-40]，蓋層地溫梯度的大小與基巖頂面埋深有關(guān)。
2.3 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ?/h3>
高尚堡—柳贊熱田位于南堡凹陷拾場次凹，地?zé)岣弋惓а囟墧嗔迅吡鴶鄬觾蓚?cè)分布。其上覆第三系厚度為4 000～4 800 m。主力熱儲館陶組上覆第四系及新近系明化鎮(zhèn)組地層厚度為1 800～2 200 m。
高尚堡—柳贊熱田屬于沉積凹陷水熱型熱田，其熱成因模式可概括為正常大地增溫疊加放射性元素共同生熱[25,36]（見圖4）。垂向上，地下深部的熱能通過上覆沉積地層或深斷裂向上傳導(dǎo)，對地層進(jìn)行加熱，大氣降水經(jīng)過深循環(huán)吸取圍巖熱量并與圍巖發(fā)生水-巖相互作用，同位素組成、水化學(xué)成分發(fā)生改變，形成較高溫度的熱水。西南莊斷層、柏各莊斷層以及高柳斷層均為地下水運移通道。側(cè)向上，馬頭營凸起新近系熱儲直接覆蓋于太古宇花崗巖之上，花崗巖巖體內(nèi)放射性生熱作為附加熱源，形成高地溫異常帶[41]?；◢弾r中富含U、Th、K等放射性元素，放射性蛻變將質(zhì)量轉(zhuǎn)變成輻射能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成鄰近環(huán)境中的熱能[42]。這也是老爺廟—高尚堡—柳贊地?zé)岙惓?、馬頭營地?zé)岙惓纬傻脑蛑弧?/p>
圖4 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ剑ㄆ拭嫖恢靡妶D1）
3 熱儲特征
3.1 巖石學(xué)特征
油氣勘探中將館陶組分為 4段，供暖采水層選取館Ⅰ—館Ⅲ段，熱儲厚度大，連通性好。巖心觀察與薄片鑒定顯示，高尚堡—柳贊熱田館陶組采水層熱儲為辮狀河相沉積，主要發(fā)育礫質(zhì)河道沉積，巖性較粗，分選中—好，次棱—次圓狀，顆粒支撐，點接觸。巖石類型以巖屑長石砂巖為主，其次為長石巖屑砂巖。陸源碎屑顆粒中，石英含量為23%～32%，平均30%；長石含量30%～35%，平均32%；巖屑含量33%～46%，平均41%。長石、巖屑含量超過 70%，儲集層砂巖成分成熟度低。
3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征
研究區(qū)熱儲孔隙度為 28%～35%，平均 30%；滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，平均 1 500×10-3μm2，屬于高孔—特高孔、高滲—特高滲儲集層。自然產(chǎn)能條件下，米產(chǎn)液能力最高能達(dá)到100 m3/d以上。
館陶組主要發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、顆粒碎裂隙、鑄?？椎?，粒間孔是主要儲集空間，約占 70%。接觸-孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物含量 1%～3%，雜基泥含量不超過 1%，黏土含量不超過 1%；黏土礦物總含量2.0%～4.7%，其中高嶺石占 17%～25%，綠泥石占29%～54%，伊利石占 6%～16%，蒙皂石占 25%～36%。儲集層巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低。具有無—弱速敏、無酸敏、極強(qiáng)鹽敏、弱—極強(qiáng)水敏特征。
3.3 地?zé)崴瘜W(xué)性質(zhì)
新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組以中—細(xì)砂巖和砂礫巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)具有區(qū)域連續(xù)、穩(wěn)定分布的特性，受沉積特征影響，其同生水基本是礦化度較低的淡水。由于第三系與第四系之間的沉積間斷，該含水系統(tǒng)受淋濾水影響，地下水交替強(qiáng)烈，形成低礦化度、強(qiáng)交替的水化學(xué)特征，礦化度在1.1～2.8 g/L，德國度小于8.4，屬于極軟水—軟水，有利于地?zé)豳Y源的開采及利用。館陶組水質(zhì)較好，無異臭、異味，Na+含量324.36～394.23 mg/L，HCO3-含量 502.28～608.54 mg/L，Cl-含量 99.25～152.22 mg/L，按照舒卡列夫分類法為HCO3·Cl-Na型水（見表2）。
表2 高尚堡—柳贊地?zé)崽镳^陶組地下水礦化度與離子濃度
4 地?zé)豳Y源評價
按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，地?zé)豳Y源評價應(yīng)以地?zé)岬刭|(zhì)勘查資料為依據(jù)，在綜合分析熱儲的空間分布、邊界條件和滲透特征，研究地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和運移規(guī)律，研究地?zé)岬某梢?、熱傳?dǎo)方式、地溫場特征，并建立地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
4.1 三維地質(zhì)模型建立
三維地質(zhì)模型能夠直觀地表現(xiàn)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的空間分布形態(tài)以及它們之間的相互關(guān)系。本文以地球物理和鉆井資料為基礎(chǔ)，充分考慮研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造背景，明確研究區(qū)斷裂成因演化過程，重新梳理斷裂體系特征與斷裂組合形式，從而明確斷裂的平面和垂向組合關(guān)系。再根據(jù)解釋層面和斷層模型建立地層框架，從而建立時間域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。
在充分描述構(gòu)造情況之后，對儲集層屬性分布進(jìn)行描述，構(gòu)建沉積相模型。本文采用確定性與隨機(jī)性“二元”建模+數(shù)據(jù)約束的建模方案，建立儲集層巖相模型。
4.2 地?zé)豳Y源量計算
根據(jù)研究區(qū)熱儲介質(zhì)特征，采用傳統(tǒng)熱儲體積法對高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲地?zé)豳Y源進(jìn)行評價。該方法計算某一地區(qū)巖體和水中所含全部熱量，即地?zé)崮艿姆e存量，其公式為：
熱水資源量的計算公式為：
計算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)如表3所示。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，館陶組砂巖孔隙型熱儲熱能采出率取 25%，熱水采出率取 20%。高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 4.70×108t，取采出率為 25%，則可采熱儲存量為 3.45×1018J；熱水資源量為231.6×108m3，可采熱水資源量為46.3×108m3（見表4）。
表3 計算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)
表4 高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲資源量統(tǒng)計表
5 曹妃甸地?zé)崮芄┡瘜嵺`
5.1 同層采灌均衡技術(shù)
采用采灌均衡技術(shù)開發(fā)地?zé)豳Y源是一種“取熱不取水”的方式。同層采灌均衡技術(shù)將地下熱水采出進(jìn)行熱值萃取后再次回注到與開采熱儲相同的熱儲系統(tǒng)內(nèi)，在這個過程中地下水作為地?zé)崮艿妮d體，在不斷循環(huán)過程中反復(fù)使用。使用同層采灌均衡技術(shù)可以保證地下水系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定，保持開采井中的壓力、水量，有利于地?zé)豳Y源的長期持續(xù)穩(wěn)定開發(fā)。目前，中國針對砂巖熱儲在遼河油田、陜西咸陽等地進(jìn)行了一些技術(shù)探索，但目前尚無規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3]。主要制約因素有兩個方面，一方面是采灌工程問題，包括：①回灌水中含有的顆粒碎屑成分堆積在濾水管孔處堵塞濾水管，引起熱儲物理堵塞；②回灌水中的有機(jī)物或溶解物等在回灌過程中易與地層水、巖石骨架、黏土礦物等發(fā)生作用，產(chǎn)生阻塞，無法實施長期連續(xù)回灌，且距井軸越近，阻塞程度越大，滲透系數(shù)值越小，越難于回灌；③熱交換處理后的尾水因溫度改變使水化學(xué)成分發(fā)生變化，導(dǎo)致熱儲化學(xué)堵塞。實際供暖項目建設(shè)過程中，為了降低建設(shè)成本，不但要解決砂巖熱儲采出水回灌的難題，還必須滿足無壓回灌的要求。另一方面是采灌方案的優(yōu)選問題，包括：①地下地質(zhì)條件是否適合開展同層同步采灌；②地下水系統(tǒng)、地溫場在局部采灌狀態(tài)下的動態(tài)變化及開發(fā)可持續(xù)性。
為解決館陶組砂巖熱儲生產(chǎn)性回灌的難題，探索館陶組熱儲同層采灌的地質(zhì)和工程可行性，在研究區(qū)優(yōu)選了兩口廢棄油井改造成抽水井和回灌井開展同層采灌試驗。兩口井位于曹妃甸供暖項目西南約1 km處，兩口井井口相距約250 m，井底相距380 m，取水和回灌層位均為館陶組，埋深2 050～2 150 m。G129×2井作為主抽水井，套管內(nèi)徑 224.44 mm，射開熱儲 6層91.6 m，抽水流量可穩(wěn)定在95 m3/h，井口溫度75 ℃，井底溫度 78 ℃。G149×1井作為回灌井，套管內(nèi)徑121.36 mm，射開館陶組熱儲7層90.4 m（與G129×2井對應(yīng)層位）進(jìn)行階梯升排量回灌試驗，最大回灌量80.08 m3/h，累計回灌量14 250 m3，井口壓力0.71 MPa（見圖5）。
圖5 G149×1井回灌試驗流量、井口壓力與溫度曲線圖
為有效避免回灌水受空氣中氧氣影響，降低鐵質(zhì)、鈣質(zhì)鹽類氧化生成沉淀及鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、排硫桿菌、脫氮硫桿菌等而產(chǎn)生阻塞，在回灌過程中采用氮氣將抽水井和回灌井進(jìn)行密封，并在回灌系統(tǒng)中針對試驗區(qū)儲集層特性增加了回灌過濾設(shè)備。回灌過程中周圍熱儲一旦發(fā)生堵塞，在相同的回灌壓力下，回灌量會隨時間的推移不斷衰減，回灌效率逐漸降低，甚至無法實施回灌。實際生產(chǎn)過程中需根據(jù)情況采用回?fù)P措施消除或緩解堵塞問題。采灌實踐證明回灌量與滲透系數(shù)、壓差成正比，與過水通道長度成反比。早期利用廢棄油井開展“采灌試驗”為后續(xù)集中規(guī)模供暖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。曹妃甸地?zé)峁┡椖坎捎昧送瑢硬晒嗑饧夹g(shù)，經(jīng)過 2018—2019年和 2019—2020年兩個采暖季運行，有效地保持了動液面的穩(wěn)定。圖6a是GR1-1井回灌曲線，回灌量穩(wěn)定在55～65 m3/h，動水位穩(wěn)定在-60 m左右。圖6b是GR1-2井采水曲線，2019—2020年供暖季從2019年11月15日開始至2020年3月24日結(jié)束，采水量穩(wěn)定在110～120 m3/h，溫度穩(wěn)定在80 ℃，動水位穩(wěn)定在-80 m左右。同層采灌均衡技術(shù)的成功應(yīng)用可保持地下水位相對穩(wěn)定，保障項目持續(xù)運行。
圖6 2019—2020年供暖季GR1-1井回灌曲線（a）和GR1-2井采水曲線（b）
5.2 布井方案
本文以曹妃甸地區(qū)井叢平臺分布出發(fā)，進(jìn)行井距200，300，400，500 m 情況下開采井及回灌井的溫度變化數(shù)值模擬研究（見圖7）。
圖7 不同井叢在不同井間距情景下開采井溫度變化趨勢
可以看出針對井叢1、2、3、5和6，當(dāng)井距為200 m時從第6年開始開采井溫度即開始下降，第10年出現(xiàn)明顯的溫度下降趨勢；當(dāng)井距為300 m時，從第18年開始出現(xiàn)溫度下降，25年之后出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)井距為400 m時，溫度基本保持不變，只有井叢4略有下降。因此，對于井叢1，2，3，5，6，合理的井距為不小于400 m，而對于井叢4，合理的井距為不小于450 m。最終，確定曹妃甸地?zé)峁┡こ痰木酁?50 m。
5.3 建設(shè)及運行效果
新建7座鉆井平臺共鉆探地?zé)峋?0口，其中采水井16口，回灌井20口，備用井4口。采用篩管完井方式，館Ⅰ段—館Ⅲ段平均鉆遇熱儲厚度158 m，井口溫度78～82 ℃，井底溫度86～92 ℃，采水井平均水量96.0 m3/h，回灌井平均水量76.6 m3/h，動水位75～92 m，靜水位32～45 m（與區(qū)域靜水位相當(dāng)）。采出水實現(xiàn)100%回灌，釆灌比1∶1.2。
供暖面積 230×104m2，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷為31.5 W/m2（見圖8），較燃煤鍋爐供暖平均熱負(fù)荷高出16.8%（本區(qū)燃煤供暖平均熱負(fù)荷26.2 W/m2），室內(nèi)溫度平均高出3～5 ℃，達(dá)到設(shè)計要求與國家標(biāo)準(zhǔn)。
圖8 2018—2019年曹妃甸新城地?zé)峁┡療崃\行曲線
項目運行后年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6.06×104t，減排二氧化碳15.87×104t，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
6 結(jié)論
南堡凹陷新近系館陶組廣泛發(fā)育沉積盆地水熱型地?zé)豳Y源，在基底古隆起及深大斷裂帶附近發(fā)育多個地?zé)岙惓Вǖ販靥荻却笥?.0 ℃/100 m）。高尚堡—柳贊熱田面積200 km2，地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.70×108t。具有資源豐度較高、埋深相對適中的特點，可開展規(guī)模供暖開發(fā)。
高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲巖性以砂巖、砂礫巖為主。厚度平均為 120～300 m，孔隙度為 28%～35%，滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，屬于高—特高孔、高—特高滲儲集層，具有儲集物性好、產(chǎn)水量高、井口水溫度高的特點。可采用同層采灌均衡技術(shù)進(jìn)行“取熱不取水”方式持續(xù)開發(fā)。
利用曹妃甸新城230×104m2地?zé)峁┡囼烅椖?，探索了熱田資源評價、熱儲分布預(yù)測、孔隙型砂巖熱儲同層采灌均衡及分散式布井方案優(yōu)化等地?zé)峁┡涮准夹g(shù)。試驗項目運行兩個供暖季，運行參數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計方案，年節(jié)約標(biāo)煤6.06×104t，減排二氧化碳 15.87×104t。證明京津冀地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)豳Y源具有廣闊的地?zé)峁┡熬啊?/p>
在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、防止大氣污染的背景下，地?zé)豳Y源以其“減排效益顯著、可持續(xù)利用”的優(yōu)勢成為新的產(chǎn)業(yè)增長點。特別是對于油氣田企業(yè)而言，油氣勘探開發(fā)過程中積累了大量的第一手資料，擁有雄厚的鉆采技術(shù)和工程建設(shè)實力，同層采灌均衡技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的突破為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)規(guī)模開發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。
致謝：本文在研究和撰寫過程中得到了中國石油勘探開發(fā)研究院閆家泓教授、中國石油遼河油田公司水文院姚艷華總地質(zhì)師、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孔彥龍博士的支持與幫助，在此一并表示感謝。
符號注釋：
A——計算區(qū)域地表面積，m2；Cr，Cw——巖石和水的比熱容，J/（kg·K）；d——熱儲厚度，m；Hw——水頭高度，m；Q——計算區(qū)域巖體和水中所含全部熱量，J；Tr——指定體積內(nèi)巖石和水的平均溫度，K；T0——基準(zhǔn)溫度，K；W——地下熱水資源量，m3；φ——巖石的孔隙度，%；μe——彈性釋水系數(shù)；ρr，ρw——巖石和水的密度，kg/m3。
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董月霞，黃紅祥，任路，李洪達(dá)，杜志強(qiáng)，鄂俊杰，王琦，張曉明
（1.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司咨詢中心，北京 100724；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063004）
0 引言
地?zé)崮苁且环N綠色、低碳、可循環(huán)利用的清潔能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點[1-4]。中國地?zé)豳Y源十分豐富[5-9]，供暖市場潛力巨大，國家《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[2]明確“十三五”期間中國將新增地?zé)崮芄┡娣e11×108m2。截至2015年全國地?zé)崮芄┡娣e僅為3.92×108m2，其中以地源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮芄┡癁橹鱗10-11]，中深層水熱型地?zé)崮芄┡形葱纬梢?guī)模。河北省平原地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)崮荛_發(fā)采用“只采不補(bǔ)”的方式，造成地下水位持續(xù)下降，嚴(yán)重影響了地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用[12]。雄縣地區(qū)開采薊縣系霧迷山組大型巖溶熱儲供暖，2004—2012年年均水位下降5 m。近年來水熱型地?zé)豳Y源的開發(fā)逐步由粗放式的“亂采亂排”轉(zhuǎn)變?yōu)椴晒嗑獾摹叭岵蝗∷钡目沙掷m(xù)開發(fā)模式[3]。巖溶裂隙熱儲回灌技術(shù)在華北雄安地區(qū)得到了規(guī)模應(yīng)用，而砂巖孔隙型熱儲國內(nèi)尚無規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3,13]，規(guī)?；┡狈Τ晒Π咐?。采灌均衡的地?zé)豳Y源開發(fā)利用技術(shù)將是未來京津冀地區(qū)地?zé)崮荛_發(fā)利用攻關(guān)的主要目標(biāo)[3,14]。筆者利用多年油氣勘探獲得的地質(zhì)資料與技術(shù)積累，結(jié)合當(dāng)?shù)毓┡袌鲂枨?，?yōu)選高尚堡—柳贊熱田開展砂巖孔隙型熱儲地?zé)嵋?guī)模供暖試驗，探索地?zé)崽镔Y源評價與開發(fā)目標(biāo)選區(qū)、孔隙型砂巖熱儲模擬與評價、砂巖熱儲同層采灌均衡技術(shù)、分散式采灌開采方案優(yōu)化等大型砂巖熱儲供暖開發(fā)利用配套技術(shù)，為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)利用提供借鑒。
1 區(qū)域地質(zhì)背景
南堡凹陷地理位置上位于華北平原北部，構(gòu)造上位于渤海灣裂谷盆地中北部，北依燕山臺褶帶南緣，是在華北地臺基底上經(jīng)中生代、新生代裂陷作用形成的北斷南超單斷脊?fàn)畎枷?，面積約2 000 km2。南堡凹陷及周邊地區(qū)可劃分為拾場次凹、林雀次凹和曹妃甸次凹等 3個次凹和柏各莊凸起、馬頭營凸起和老王莊凸起等3個凸起（見圖1）。燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期，在中國東部由北西向擠壓變?yōu)楸蔽飨蚶瓘垬?gòu)造應(yīng)力場背景下，南堡凹陷及周邊地區(qū)構(gòu)造變形受郯廬走滑斷裂帶、張家口—蓬萊走滑斷裂帶多重影響，多期地質(zhì)活動形成一系列北東向斷裂，為地?zé)醾鲗?dǎo)起到良好的溝通作用，南堡凹陷第三系發(fā)育良好沉積蓋層為地?zé)崽锏男纬商峁┝吮憷麠l件[5,15-16]。
圖1 南堡凹陷構(gòu)造單元劃分與地?zé)岙惓Х植紙D
1.1 區(qū)域熱背景
地?zé)岙惓б话愠霈F(xiàn)在各大板塊的邊緣，熱源與板塊擴(kuò)張或消亡有明顯關(guān)系，不同的構(gòu)造演化造成了不同類型沉積盆地地?zé)岜尘暗牟町怺17-18]。渤海灣盆地屬于西太平洋弧后裂谷盆地[19-20]，地幔物質(zhì)上涌[21]，深部熱巖漿、熱液沿大斷裂噴溢至地表淺處，引起高熱流值，裂谷邊界斷層附近高熱流異常更明顯。渤海灣盆地處于中國東部地殼厚度較薄的上地幔隆起區(qū)，整體為一個復(fù)雜的大地?zé)崽?。南堡凹陷新生代以來?jīng)歷了 4期裂陷演化，每一期裂陷均伴隨著巖漿熱事件[12-13]，盡管新近紀(jì)末期熱活動結(jié)束，但仍保留前期存留下來的較高的熱背景[22]。南堡凹陷現(xiàn)今大地?zé)崃髦禐?93.8～100.1 mW/m2，與河北雄縣（大地?zé)崃髦?113.9 mW/m2）、天津大港（大地?zé)崃髦?105.9 mW/m2）基本相當(dāng)。馬頭營凸起大地?zé)崃髦迪鄬^高，為148.9 mW/m2[23-24]。熱流分布呈現(xiàn)“凸起高、凹陷低”的特征。凹陷區(qū)高尚堡—柳贊、南堡等熱田館陶組水溫大部分低于90 ℃，屬于中低溫?zé)崽?；靠近凹陷邊界斷裂的柏各莊、馬頭營凸起地區(qū)館陶組發(fā)現(xiàn)了高于100 ℃的中高溫?zé)崽铩?/p>
1.2 地層特征
南堡凹陷為發(fā)育在中古生界基底之上的第三系沉積湖盆，沉積充填主要為前第三系（古生界、中生界）、古近系沙河街組和東營組，以及新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，第三系最大沉積厚度8 000 m。新近紀(jì)以來渤海灣盆地拗陷成統(tǒng)一盆地，本區(qū)新近系的沉積特征與渤海灣盆地其他地區(qū)基本類似，館陶組由周邊凸起向凹陷內(nèi)部逐漸變厚，其中林雀次凹至曹妃甸次凹厚度最大。館陶組以辮狀河沉積為主，主要為辮狀河道沉積和河道間沉積，含砂率在 60%～70%，館陶組平均厚度300～900 m，館陶組累計熱儲厚度120～300 m。巖性由灰白色塊狀砂巖、砂礫巖、基性火山巖夾薄層灰色、雜色泥巖組成[5]（見圖2）。
圖2 高尚堡—柳贊熱田綜合柱狀圖
2 地溫場分布特征及影響因素
2.1 地溫場分布特征
沉積盆地型地?zé)豳Y源大部分屬于中低溫傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源[8]。南堡凹陷特殊的地理位置及第三紀(jì)以來經(jīng)歷的熱事件決定了其特殊的地溫場背景。與凹陷凸凹相間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，地溫場變化呈現(xiàn)出“高低相間、帶狀分布”[25-27]的特征，高地溫及高地溫梯度區(qū)與基底隆起和凸起區(qū)相吻合[28]。高地溫場延伸方向與主要構(gòu)造帶走向和深大斷裂走向基本一致，以近東西向和北東向為主?；鶐r隆起區(qū)地溫梯度相對較高，鉆探證實新生界蓋層底部地溫梯度大于5.0 ℃/100 m，最高可達(dá)8.3 ℃/100 m；凹陷區(qū)新生界蓋層底部地溫梯度相對偏低，地溫梯度一般在3.0～4.0 ℃/100 m。按地溫梯度大于3.0 ℃/100 m的標(biāo)準(zhǔn)，南堡凹陷及周邊地區(qū)共發(fā)育5個地?zé)岙惓Вㄒ妶D3、表1），疊合面積約2 160 km2。
圖3 南堡凹陷及周邊地區(qū)地溫梯度等值線與地?zé)岙惓／B合圖
表1 南堡凹陷及周邊地區(qū)地?zé)岙惓?shù)表
高尚堡—柳贊熱田位于拾場次凹與馬頭營基巖隆起區(qū)之間、緊鄰凹陷二級斷裂高柳斷層，地溫梯度為3.5～4.0 ℃/100 m。地?zé)豳Y源優(yōu)越、儲量大，對應(yīng)地面區(qū)域為曹妃甸新城，供熱需求集中、用熱量大。
2.2 地溫場影響因素
受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂活動、巖漿活動、地層特征、地下水運動、巖性等因素影響[24,29]，南堡凹陷地溫場分布主要與區(qū)域熱背景、裂陷期斷裂、蓋層巖性及厚度等因素密切相關(guān)。
2.2.1 區(qū)域熱背景
中國東部中新生代盆地的形成演化過程與巖石圈減薄決定了中國東部地?zé)崽锏膮^(qū)域熱背景[24,30-31]。渤海灣裂谷系是西太平洋弧后裂谷盆地的一個典型，渤海灣盆地雖然經(jīng)歷了中、新生代復(fù)雜的構(gòu)造-熱演化過程，但地球物理資料顯示其莫霍面至今保持相對平坦，地殼厚度平均在34～36 km[32-34]。南堡凹陷同裂陷期巖漿熱活動痕跡證實其屬于內(nèi)裂谷盆地的演化模式，巖石圈減薄[12-13,27,30]，控制了地溫場的分布。裂谷初期地殼減薄，地幔物質(zhì)上涌，深部熱能沿著深大斷裂噴溢地表或帶到地表淺處，導(dǎo)致地表高熱流值，裂谷區(qū)邊界斷層附近熱流值呈現(xiàn)高異常。裂谷后期巖漿上涌減弱、消失，盆地地表熱流值逐漸降低，但仍保留前期殘留下來的較高的熱背景[27,30]，使盆地現(xiàn)今地表熱流值仍較高[21-22,24,30]。渤海灣盆地平均熱流值為（64.4±8.1）mW/m2[28]，高于中國大陸平均熱流值（60 mW/m2）。東部的濟(jì)陽、渤中和遼河坳陷熱流值相對較高，為60～80 mW/m2，向西熱流值逐漸降低，中部的黃驊坳陷熱流值主要為60～70 mW/m2，西部的冀中和臨清坳陷熱流值偏低，為55～65 mW/m2[20,35]。盆地內(nèi)在凸凹相間的構(gòu)造格局下，因基巖熱導(dǎo)率高于沉積蓋層，凹陷內(nèi)潛山低隆起及凸起區(qū)呈現(xiàn)地?zé)岣弋惓36]。
2.2.2 裂陷期斷裂
深大斷裂是深部熱能上傳到地表淺處的關(guān)鍵路徑之一，裂陷期發(fā)育的邊界斷裂或凹陷內(nèi)二級斷裂是深層熱能向淺部運移的主要通道。由于斷裂的通道作用有利于熱的傳導(dǎo)和對流，使地溫增高，地?zé)岙惓С３０l(fā)育在裂陷期斷層附近，在凹陷區(qū)低地溫梯度背景下形成局部地?zé)岣弋惓А?/p>
2.2.3 蓋層巖性及厚度
新生界覆蓋于基巖之上，砂、泥巖熱導(dǎo)率低于基巖熱導(dǎo)率[37]，其厚度越大，阻止地?zé)嵯蛏蟼鲗?dǎo)的能力就越強(qiáng)，因此淺部地?zé)岣弋惓е饕植荚诘谌瞪w層相對較薄的區(qū)域[38-40]，蓋層地溫梯度的大小與基巖頂面埋深有關(guān)。
2.3 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ?/h3>
高尚堡—柳贊熱田位于南堡凹陷拾場次凹，地?zé)岣弋惓а囟墧嗔迅吡鴶鄬觾蓚?cè)分布。其上覆第三系厚度為4 000～4 800 m。主力熱儲館陶組上覆第四系及新近系明化鎮(zhèn)組地層厚度為1 800～2 200 m。
高尚堡—柳贊熱田屬于沉積凹陷水熱型熱田，其熱成因模式可概括為正常大地增溫疊加放射性元素共同生熱[25,36]（見圖4）。垂向上，地下深部的熱能通過上覆沉積地層或深斷裂向上傳導(dǎo)，對地層進(jìn)行加熱，大氣降水經(jīng)過深循環(huán)吸取圍巖熱量并與圍巖發(fā)生水-巖相互作用，同位素組成、水化學(xué)成分發(fā)生改變，形成較高溫度的熱水。西南莊斷層、柏各莊斷層以及高柳斷層均為地下水運移通道。側(cè)向上，馬頭營凸起新近系熱儲直接覆蓋于太古宇花崗巖之上，花崗巖巖體內(nèi)放射性生熱作為附加熱源，形成高地溫異常帶[41]?；◢弾r中富含U、Th、K等放射性元素，放射性蛻變將質(zhì)量轉(zhuǎn)變成輻射能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成鄰近環(huán)境中的熱能[42]。這也是老爺廟—高尚堡—柳贊地?zé)岙惓?、馬頭營地?zé)岙惓纬傻脑蛑弧?/p>
圖4 高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ剑ㄆ拭嫖恢靡妶D1）
3 熱儲特征
3.1 巖石學(xué)特征
油氣勘探中將館陶組分為 4段，供暖采水層選取館Ⅰ—館Ⅲ段，熱儲厚度大，連通性好。巖心觀察與薄片鑒定顯示，高尚堡—柳贊熱田館陶組采水層熱儲為辮狀河相沉積，主要發(fā)育礫質(zhì)河道沉積，巖性較粗，分選中—好，次棱—次圓狀，顆粒支撐，點接觸。巖石類型以巖屑長石砂巖為主，其次為長石巖屑砂巖。陸源碎屑顆粒中，石英含量為23%～32%，平均30%；長石含量30%～35%，平均32%；巖屑含量33%～46%，平均41%。長石、巖屑含量超過 70%，儲集層砂巖成分成熟度低。
3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征
研究區(qū)熱儲孔隙度為 28%～35%，平均 30%；滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，平均 1 500×10-3μm2，屬于高孔—特高孔、高滲—特高滲儲集層。自然產(chǎn)能條件下，米產(chǎn)液能力最高能達(dá)到100 m3/d以上。
館陶組主要發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、顆粒碎裂隙、鑄?？椎?，粒間孔是主要儲集空間，約占 70%。接觸-孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物含量 1%～3%，雜基泥含量不超過 1%，黏土含量不超過 1%；黏土礦物總含量2.0%～4.7%，其中高嶺石占 17%～25%，綠泥石占29%～54%，伊利石占 6%～16%，蒙皂石占 25%～36%。儲集層巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低。具有無—弱速敏、無酸敏、極強(qiáng)鹽敏、弱—極強(qiáng)水敏特征。
3.3 地?zé)崴瘜W(xué)性質(zhì)
新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組以中—細(xì)砂巖和砂礫巖構(gòu)成的含水系統(tǒng)具有區(qū)域連續(xù)、穩(wěn)定分布的特性，受沉積特征影響，其同生水基本是礦化度較低的淡水。由于第三系與第四系之間的沉積間斷，該含水系統(tǒng)受淋濾水影響，地下水交替強(qiáng)烈，形成低礦化度、強(qiáng)交替的水化學(xué)特征，礦化度在1.1～2.8 g/L，德國度小于8.4，屬于極軟水—軟水，有利于地?zé)豳Y源的開采及利用。館陶組水質(zhì)較好，無異臭、異味，Na+含量324.36～394.23 mg/L，HCO3-含量 502.28～608.54 mg/L，Cl-含量 99.25～152.22 mg/L，按照舒卡列夫分類法為HCO3·Cl-Na型水（見表2）。
表2 高尚堡—柳贊地?zé)崽镳^陶組地下水礦化度與離子濃度
4 地?zé)豳Y源評價
按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，地?zé)豳Y源評價應(yīng)以地?zé)岬刭|(zhì)勘查資料為依據(jù)，在綜合分析熱儲的空間分布、邊界條件和滲透特征，研究地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和運移規(guī)律，研究地?zé)岬某梢?、熱傳?dǎo)方式、地溫場特征，并建立地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
4.1 三維地質(zhì)模型建立
三維地質(zhì)模型能夠直觀地表現(xiàn)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的空間分布形態(tài)以及它們之間的相互關(guān)系。本文以地球物理和鉆井資料為基礎(chǔ)，充分考慮研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造背景，明確研究區(qū)斷裂成因演化過程，重新梳理斷裂體系特征與斷裂組合形式，從而明確斷裂的平面和垂向組合關(guān)系。再根據(jù)解釋層面和斷層模型建立地層框架，從而建立時間域三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。
在充分描述構(gòu)造情況之后，對儲集層屬性分布進(jìn)行描述，構(gòu)建沉積相模型。本文采用確定性與隨機(jī)性“二元”建模+數(shù)據(jù)約束的建模方案，建立儲集層巖相模型。
4.2 地?zé)豳Y源量計算
根據(jù)研究區(qū)熱儲介質(zhì)特征，采用傳統(tǒng)熱儲體積法對高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲地?zé)豳Y源進(jìn)行評價。該方法計算某一地區(qū)巖體和水中所含全部熱量，即地?zé)崮艿姆e存量，其公式為：
熱水資源量的計算公式為：
計算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)如表3所示。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T 11615—2010，館陶組砂巖孔隙型熱儲熱能采出率取 25%，熱水采出率取 20%。高尚堡—柳贊熱田館陶組砂巖熱儲地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 4.70×108t，取采出率為 25%，則可采熱儲存量為 3.45×1018J；熱水資源量為231.6×108m3，可采熱水資源量為46.3×108m3（見表4）。
表3 計算地?zé)豳Y源量和熱水資源量所需參數(shù)
表4 高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲資源量統(tǒng)計表
5 曹妃甸地?zé)崮芄┡瘜嵺`
5.1 同層采灌均衡技術(shù)
采用采灌均衡技術(shù)開發(fā)地?zé)豳Y源是一種“取熱不取水”的方式。同層采灌均衡技術(shù)將地下熱水采出進(jìn)行熱值萃取后再次回注到與開采熱儲相同的熱儲系統(tǒng)內(nèi)，在這個過程中地下水作為地?zé)崮艿妮d體，在不斷循環(huán)過程中反復(fù)使用。使用同層采灌均衡技術(shù)可以保證地下水系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定，保持開采井中的壓力、水量，有利于地?zé)豳Y源的長期持續(xù)穩(wěn)定開發(fā)。目前，中國針對砂巖熱儲在遼河油田、陜西咸陽等地進(jìn)行了一些技術(shù)探索，但目前尚無規(guī)模生產(chǎn)性回灌[3]。主要制約因素有兩個方面，一方面是采灌工程問題，包括：①回灌水中含有的顆粒碎屑成分堆積在濾水管孔處堵塞濾水管，引起熱儲物理堵塞；②回灌水中的有機(jī)物或溶解物等在回灌過程中易與地層水、巖石骨架、黏土礦物等發(fā)生作用，產(chǎn)生阻塞，無法實施長期連續(xù)回灌，且距井軸越近，阻塞程度越大，滲透系數(shù)值越小，越難于回灌；③熱交換處理后的尾水因溫度改變使水化學(xué)成分發(fā)生變化，導(dǎo)致熱儲化學(xué)堵塞。實際供暖項目建設(shè)過程中，為了降低建設(shè)成本，不但要解決砂巖熱儲采出水回灌的難題，還必須滿足無壓回灌的要求。另一方面是采灌方案的優(yōu)選問題，包括：①地下地質(zhì)條件是否適合開展同層同步采灌；②地下水系統(tǒng)、地溫場在局部采灌狀態(tài)下的動態(tài)變化及開發(fā)可持續(xù)性。
為解決館陶組砂巖熱儲生產(chǎn)性回灌的難題，探索館陶組熱儲同層采灌的地質(zhì)和工程可行性，在研究區(qū)優(yōu)選了兩口廢棄油井改造成抽水井和回灌井開展同層采灌試驗。兩口井位于曹妃甸供暖項目西南約1 km處，兩口井井口相距約250 m，井底相距380 m，取水和回灌層位均為館陶組，埋深2 050～2 150 m。G129×2井作為主抽水井，套管內(nèi)徑 224.44 mm，射開熱儲 6層91.6 m，抽水流量可穩(wěn)定在95 m3/h，井口溫度75 ℃，井底溫度 78 ℃。G149×1井作為回灌井，套管內(nèi)徑121.36 mm，射開館陶組熱儲7層90.4 m（與G129×2井對應(yīng)層位）進(jìn)行階梯升排量回灌試驗，最大回灌量80.08 m3/h，累計回灌量14 250 m3，井口壓力0.71 MPa（見圖5）。
圖5 G149×1井回灌試驗流量、井口壓力與溫度曲線圖
為有效避免回灌水受空氣中氧氣影響，降低鐵質(zhì)、鈣質(zhì)鹽類氧化生成沉淀及鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、排硫桿菌、脫氮硫桿菌等而產(chǎn)生阻塞，在回灌過程中采用氮氣將抽水井和回灌井進(jìn)行密封，并在回灌系統(tǒng)中針對試驗區(qū)儲集層特性增加了回灌過濾設(shè)備。回灌過程中周圍熱儲一旦發(fā)生堵塞，在相同的回灌壓力下，回灌量會隨時間的推移不斷衰減，回灌效率逐漸降低，甚至無法實施回灌。實際生產(chǎn)過程中需根據(jù)情況采用回?fù)P措施消除或緩解堵塞問題。采灌實踐證明回灌量與滲透系數(shù)、壓差成正比，與過水通道長度成反比。早期利用廢棄油井開展“采灌試驗”為后續(xù)集中規(guī)模供暖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。曹妃甸地?zé)峁┡椖坎捎昧送瑢硬晒嗑饧夹g(shù)，經(jīng)過 2018—2019年和 2019—2020年兩個采暖季運行，有效地保持了動液面的穩(wěn)定。圖6a是GR1-1井回灌曲線，回灌量穩(wěn)定在55～65 m3/h，動水位穩(wěn)定在-60 m左右。圖6b是GR1-2井采水曲線，2019—2020年供暖季從2019年11月15日開始至2020年3月24日結(jié)束，采水量穩(wěn)定在110～120 m3/h，溫度穩(wěn)定在80 ℃，動水位穩(wěn)定在-80 m左右。同層采灌均衡技術(shù)的成功應(yīng)用可保持地下水位相對穩(wěn)定，保障項目持續(xù)運行。
圖6 2019—2020年供暖季GR1-1井回灌曲線（a）和GR1-2井采水曲線（b）
5.2 布井方案
本文以曹妃甸地區(qū)井叢平臺分布出發(fā)，進(jìn)行井距200，300，400，500 m 情況下開采井及回灌井的溫度變化數(shù)值模擬研究（見圖7）。
圖7 不同井叢在不同井間距情景下開采井溫度變化趨勢
可以看出針對井叢1、2、3、5和6，當(dāng)井距為200 m時從第6年開始開采井溫度即開始下降，第10年出現(xiàn)明顯的溫度下降趨勢；當(dāng)井距為300 m時，從第18年開始出現(xiàn)溫度下降，25年之后出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)井距為400 m時，溫度基本保持不變，只有井叢4略有下降。因此，對于井叢1，2，3，5，6，合理的井距為不小于400 m，而對于井叢4，合理的井距為不小于450 m。最終，確定曹妃甸地?zé)峁┡こ痰木酁?50 m。
5.3 建設(shè)及運行效果
新建7座鉆井平臺共鉆探地?zé)峋?0口，其中采水井16口，回灌井20口，備用井4口。采用篩管完井方式，館Ⅰ段—館Ⅲ段平均鉆遇熱儲厚度158 m，井口溫度78～82 ℃，井底溫度86～92 ℃，采水井平均水量96.0 m3/h，回灌井平均水量76.6 m3/h，動水位75～92 m，靜水位32～45 m（與區(qū)域靜水位相當(dāng)）。采出水實現(xiàn)100%回灌，釆灌比1∶1.2。
供暖面積 230×104m2，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷為31.5 W/m2（見圖8），較燃煤鍋爐供暖平均熱負(fù)荷高出16.8%（本區(qū)燃煤供暖平均熱負(fù)荷26.2 W/m2），室內(nèi)溫度平均高出3～5 ℃，達(dá)到設(shè)計要求與國家標(biāo)準(zhǔn)。
圖8 2018—2019年曹妃甸新城地?zé)峁┡療崃\行曲線
項目運行后年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6.06×104t，減排二氧化碳15.87×104t，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
6 結(jié)論
南堡凹陷新近系館陶組廣泛發(fā)育沉積盆地水熱型地?zé)豳Y源，在基底古隆起及深大斷裂帶附近發(fā)育多個地?zé)岙惓Вǖ販靥荻却笥?.0 ℃/100 m）。高尚堡—柳贊熱田面積200 km2，地?zé)豳Y源量為13.79×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.70×108t。具有資源豐度較高、埋深相對適中的特點，可開展規(guī)模供暖開發(fā)。
高尚堡—柳贊熱田館陶組熱儲巖性以砂巖、砂礫巖為主。厚度平均為 120～300 m，孔隙度為 28%～35%，滲透率一般在（600～2 000）×10-3μm2，屬于高—特高孔、高—特高滲儲集層，具有儲集物性好、產(chǎn)水量高、井口水溫度高的特點。可采用同層采灌均衡技術(shù)進(jìn)行“取熱不取水”方式持續(xù)開發(fā)。
利用曹妃甸新城230×104m2地?zé)峁┡囼烅椖?，探索了熱田資源評價、熱儲分布預(yù)測、孔隙型砂巖熱儲同層采灌均衡及分散式布井方案優(yōu)化等地?zé)峁┡涮准夹g(shù)。試驗項目運行兩個供暖季，運行參數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計方案，年節(jié)約標(biāo)煤6.06×104t，減排二氧化碳 15.87×104t。證明京津冀地區(qū)新近系館陶組水熱型地?zé)豳Y源具有廣闊的地?zé)峁┡熬啊?/p>
在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、防止大氣污染的背景下，地?zé)豳Y源以其“減排效益顯著、可持續(xù)利用”的優(yōu)勢成為新的產(chǎn)業(yè)增長點。特別是對于油氣田企業(yè)而言，油氣勘探開發(fā)過程中積累了大量的第一手資料，擁有雄厚的鉆采技術(shù)和工程建設(shè)實力，同層采灌均衡技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的突破為中深層地?zé)崮芸沙掷m(xù)規(guī)模開發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。
致謝：本文在研究和撰寫過程中得到了中國石油勘探開發(fā)研究院閆家泓教授、中國石油遼河油田公司水文院姚艷華總地質(zhì)師、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孔彥龍博士的支持與幫助，在此一并表示感謝。
符號注釋：
A——計算區(qū)域地表面積，m2；Cr，Cw——巖石和水的比熱容，J/（kg·K）；d——熱儲厚度，m；Hw——水頭高度，m；Q——計算區(qū)域巖體和水中所含全部熱量，J；Tr——指定體積內(nèi)巖石和水的平均溫度，K；T0——基準(zhǔn)溫度，K；W——地下熱水資源量，m3；φ——巖石的孔隙度，%；μe——彈性釋水系數(shù)；ρr，ρw——巖石和水的密度，kg/m3。
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