计算方法和数据准备
计算方法和数据准备
1.计算方法的选择
根据“《地热资源评价方法》(DZ40—85)”和“《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)”国家标准。评价区热资源计算采用热储法为基础,根据实际情况进行适当修正的原则进行。
2.计算参数的选择
参数的选择准确与否,直接关系到热储量的计算精度。根据天津地区地热资源开发利用特点,地热资源分布一般不以地热异常区圈定范围而是以热储层分布范围圈定计算区域。由于热储层的顶底板埋深、温度、密度、砂层厚度等各项地质参数差异较大,再加上各热储层在空间分布位置不重叠,在计算地热资源量时,为了减小计算误差,根据热储层的空间分布形态、各项地质参数及现有的钻孔资料等因素,有必要对各热储层分层分区进行计算。地热资源计算中将热储层在平面上进行三角形剖分(图5-3至图5-7;表5-4)。剖分时新近系主要以地温梯度,基岩则主要以构造控制为边界;同时将每个钻孔都落到对应热储层剖分三角形的节点上,使每个小三角形范围内的计算因素力求准确一致。任一热储层地热资源量的计算公式可表示如下:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中:i为第i热储层;j为三角形的编号;ni为第i热储层三角形剖分总数(各热储层有不同的值);Qr(i)为第i热储层的地热资源量;Qij为第i热储层第j个剖分三角形单元的地热资源量;Aij为第i热储层第j个剖分三角形单元的面积;Hij为第i热储层第j个剖分三角形单元的平均厚度;Tij为第i热储层第j个剖分三角形单元的平均温度;T0为基准温度(13.5℃);Cij为第i热储层第j个剖分三角形单元中岩石和水的平均比热容,计算公式和参数意义同式5-2。
由公式5-11可知计算区总热资源量可由下式计算:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
计算中用以下方法对公式5-11中的各个参数进行分析确定。
(1)热储层三角单元面积Aij
考虑到断裂产状的影响,在对不同热储层进行三角单元剖分和面积统计时,充分考虑每一个热储层的特殊性,为了计算方便,取热储层中点埋深处断裂所处的位置作为计算边界。计算过程中对每个三角单元进行逐一编号,单个三角单元的面积由三角形面积公式5-13计算得出,各个热储层面积统计结果见表5-4。
表5-4 评价区热资源计算热储层三角剖分统计表
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中的(Xij1,Yij1),(Xij2,Yij2),(Xij3,Yij3)分别表示第i热储层第j个三角形的顶点(即节点)坐标。为录入数据的方便,采用了相对坐标,以图件的西南角为坐标原点(0,0)。
(2)热储层平均厚度Hij
即对第j个三角单元的3个顶点所对应的某个热储层的厚度进行算术平均,而各节点处的顶、底板埋深则根据已有钻孔的实测资料及热储层厚度等值线图、顶底板埋深线图采用内插法确定。如底板埋深大于4000m则只取4000m。
(3)热储层平均温度Tij
根据已有钻孔的实测资料及地温梯度等值线,利用内插法确定各个节点处的顶、底板温度(最深4000m),再将相应的数值进行算术平均求得各个小三棱柱内的平均温度。
(4)热储层基准温度T0
根据实际测温情况,天津地区取13.5℃。
(5)平均体积比热容Cij
平均体积比热容影响因素较多,但对同一热储层因其岩性变化不大,岩石密度、岩石比热容的变化亦不大,所以平均体积比热容的影响变化亦不大。通过综合分析整理区内王兰庄、山岭子、万家码头、潘庄-芦台等地热田已有成果,求取各热储层平均体积比热容,其值见表5-5。
表5-5 热储层平均体积比热容确定表
3.可回收热资源量的计算
可回收资源由公式5-3求得。分析公式5-3中各参数,如Qr(埋藏在地下热储中的地热资源量) 以热储层的地热资源量作为基数,则据《地热资源评价方法》(DZ40-85)4.1.2规定,热回收率RE无论取25%或15%,其可回收热资源量的计算值都显然偏大。根据天津各地热田的实际情况,各热储层Qr即使取地热流体富集段所含热资源量作为基数,其可回收资源量计算结果也远远大于实际开采量(绝大部分不到1%)。这一方面说明地热资源量的开采潜力巨大,同时也说明利用现有的开采热流体模式去获取地热资源是远远不够的,容易形成地热资源的浪费,应该尝试新的地热资源开采模式以获取更高的效益。相比较而言,公式5-3中Qr选用地热流体富集段所含热量作为基数进行热储层的可回收地热资源量计算更实际一些(后面计算即是)。
新近系热储数值模型的应用
模型应用是数学建模的宗旨,也是对模型的最客观、最公正的检验。利用所建数学模型主要解决如下问题:
1.地热流体可采量
(1)可采量计算约束条件
根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010),参照《天津市地热资源勘查与开发利用规划专题研究报告》(2008—2010),评价新近系可开采资源量时注重生态环境的保护,提出如下约束限制条件:
新近系地热流体可采量计算时间延续100年;
图5-22 模型检验期部分长观井观测值与模拟值曲线对比图
表5-10 Ng组水文地质参数取值
新近系热储层地热流体开采最大允许水位埋深值150m;
利用地面沉降控制指标来控制允许最大降深,判断其是否会造成地质环境问题。
(2)地热流体可采量
地热流体可开采资源量多少取决于开采条件下的补给量,也与开采的技术经济条件和开采方案有关。在约束限制条件一定的情况下,开采井布局的合理性成为求取可采量大小的关键。本次馆陶组热流体可采量计算以评价区现有地热井为基础,在地热开发的空白区域增加虚拟开采井代入模型进行计算。时间以2007年10月的地热流体流场作为开始时刻,2106年10月作为结束时间。开采量在计算中调节,求出100年地热流体水位最接近150m的地热流体采量作为该热储层的可采资源量,结果见表5-11,图5-23和图5-24。利用该方案计算的地面沉降量见表5-12。
表5-11 Ng热储层地热流体可采量换算、对比一览表
图5-23 Ng可采量计算开采井分布图
从表5-11中可以看出,遵循地热流体可采量计算约束限制条件,滨海新区Ng可采地热流体总量为5.78×108m3,该热储层近年平均开采量为679×104m3/a,已超出可采量。以该层地热流体平均温度65℃计,共有热量12.21×1016J,相当于338×108kWh电能;滨海新区新近系总地热流体可采量为8.68×108m3,共有热量15.99×1016J,相当于443×108kWh电能。
滨海新区地热流体可采量中所含热量与可回收热量进行对比,只占该层可回收热量的2.26%;占静储量的0.63%。
图5-24 Ng可采量计算末期2106年热流体水位等值线图
表5-12 Ng热储层热流体可采量计算对应地面沉降量表
利用地面沉降指标来控制允许最大降深。按照在100年内,新近系最大允许地下水位埋深值为150m。通过模型运行计算本区地面沉降值,按可采量开采方案代入模型进行试算,其结果显示最大累计沉降量为86.67mm,最大年均沉降量为0.82mm/a。
通过以上分析可知:地热流体可采量占其静储量的0.63%,说明所提供可采量具有一定的保障;可采量开采引起的最大年均地面沉降都不足1mm,一般不会引起地质环境问题。因此,认为开采期限定为100年,最大允许深度定为150m求取地热流体可采量是可行的。
2.开采潜力预测及优化开发方案
开采潜力预测按5个方案进行(其中各开采方案中统计的开采井数不包括6眼已报废的地热井),通过5个方案综合对比其中方案五最优。方案五设计如下:
(1)开采量及开采井分布
开采格局见图5-25。以每一眼回灌井年回灌量10×104m3/a计,总回灌量达到总开采量的40%。开采量分配见表5-13。时间每年离散为两个应力期,即取暖期(11月10日至次年3月25日,共135天)和非取暖期(3月26日至11月9日,共230天)。时间步长为15天,各开采井按应力期的不同代入不同的开采量进入模型参加运算,回灌井按采暖期满负荷回灌,剩余灌量平均分配到非采暖期,分别预测10年和30年各层地热流体水位的变化情况,见图5-26和图5-27。
图5-25 馆陶组最优开采井分布图
表5-13 馆陶组最优开采量分布表
图5-26 馆陶组10年预测地热流体水位等值线图
图5-27 馆陶组30年预测地热流体水位等值线图
(2)潜力预测与优化方案综述
由于开采井大部分集中在两个集中开采区域——塘沽和大港,因此也形成了两个主要的漏斗区域。西侧Ng热储层的缺失使得缺失区形成隔水边界;南部评价区也存在内部缺失区而形成内部隔水区域,这些隔水区域对整个热储层都有很大影响,对开采资源量的增加极为敏感(方案二、三、四、五)。评价区南部沉积环境较差,开采量的增加对其影响也较大(方案三、五)。因此,Ng开采布局应以缓解漏斗区开采量为原则,除尽量在集中开采区以外空白区域分散部署地热井外,特别要注意该层缺失区域对地热资源开发的影响,布井时远离缺失区域。对评价区南部区域要严格控制热储资源的开采,尽量不增加其地热资源开采量,增大地热资源回灌量,以减缓漏斗中心区的开采压力和水头下降压力,保障地热资源的可持续开发利用。
综上所述,地热流体资源由于埋藏深,补给途径较单一,补给条件有限。为了合理开发利用地热资源,除了应充分考虑其地热资源开采分布特点,增大地热资源回灌量是减缓地热开采漏斗中心区的开采压力和水头下降压力最直接最有效的方法。