地热井可开采量及布井间距的确定

  摘要：介绍了目前确定地热井可开采量及布井间距的依据,对其存在的问题进行了探讨,并提出确定地热井可开采量及布井间距的设想和实现地热开发可持续性的保障措施。
 
  关键词：地热井,可开采量,布井间距,问题,设想
 
  1前言。
 
  地热作为一种可再生的洁净能源,与常规能源相比,对环境污染小,利于环境保护,且具有投资少、见效快的特点。目前,地热开发利用已在世界范围内兴起,作为中低温地热资源丰富的国家,中国地热直接利用处于世界前列,在供暖、洗浴、农业生产等方面创造了巨大的经济效益和社会效益。
 
  由于地热勘察及地热井钻凿须投人大量资金,因此只有实现地热开发的可持续性,才能保证资金的投入,地热产业才能健康、稳定地向前发展。
 
  受经济、技术条件的制约,目前地热开发利用主要是采取钻井取水的方法,以水作为媒介,将赋存于热储层中的热能采出供人们利用。因此,地热开发可持续性的基本要求理应是地热井采出的地热水质量能保持稳定,即地热井出水量及水温保持稳定。只有这样,才能提供稳定的可利用热水资源,保证地热项目的实施。这就要求地热井水位的下降应处于可控状态,以保证生产井能够长期开采,经济合理地抽取所需地热资源。
 
  在大多数地区,地热田属于沉积盆地型的中低温热田,热储层温度低于10。℃,热水储存于沉积的砂砾岩或碳酸盐岩中。由于热储层埋藏深,渗透性、连通性差,不能接受地表大气降水的直接补给,只有微弱的侧向径流补给,属于半封闭的深层承压水系统。在这种情况下,地热水的开采以地下含水层压力的消耗为代价,即开采过程中地层压力逐步下降,地热井水位埋深逐年增大,水位下降速率与采出的热水量呈正相关。
 
  地热回灌技术作为有效减缓地层压力下降的手段,在许多国家已被应用,但其受地质、技术、经济条件的多重制约,不同的地质条件下,回灌能力差别很大。目前,砂岩热储层低压回灌存在着热储砂岩孔隙被堵塞,灌而不进的技术难题。即使能够将低温尾水回灌进去,也存在着热储层温度急剧下降问题,而热储层温度的恢复需要相当长的时间。实际上,国内目前成功的地热回灌应用,如天津市,其地热回灌仅限于裂隙发育的碳酸盐岩热储层,且开采热储层与回灌层属于不同层段,层间水力联系微弱[lj,这样虽然解决了地热尾水对环境的影响问题,但并不能够有效地减缓地层压力下降。同时,回灌井的钻凿需投人大量资金,将阻碍处于初期阶段的地热产业的发展。
 
  因此,只有科学合理地确定地热井可开采量及布井间距,才能使地热井水位下降处于可控状态,以保证地热井的使用年限,不至于重现掠夺而又初放型的开采方式,造成资源的严重浪费。由此,地热开发才能步人良性循环的轨道,以实现地热开发的可持续发展。
 
  2确定地热井可开采量及布井间距的依据。
 
  目前确定地热井可开采量及布井间距的依据为全国矿产储量委员会办公室文件—储办245发[1996]51号《关于地热单井勘察报告审批要求的通知》。该文件规定对于层状热储层,应依据该井开采可能影响区内的可采热储存量与地热井开采期排放的总热量进行热均衡验算确定,其步骤如下。
 
  (1)依据地热井抽水试验资料,用内插法(最大水位下降以不大于20m为宜)初步确定地热井可开采量,并以公式Qw一3650OQCw(tw一t。)计算按此量开采100年所排放的总热量。
 
  式中Qw—地热井开采100年所排放的总热量;Q—地热井日开采水量;Cw—地热水平均热容量;枷—地热水平均温度;t。
 
  —地层常温带温度。(2)依据地热井地质剖面,按公式Qr一KHC二(t;一t。)计算确定地热井开采利用热储层单位面积可开采的热储存量。
 
  式中Qr—地热井开采影响区内可采热储存量;K—热储层地热采收率;H—地热井所利用的热储层厚度;C厂—热储层平均热容量;t厂—热储层地热平均温度。(3)按均衡原理以公式F一Qw/Qr计算热储层可采热储存量与地热井开采10。年排放总热量保持均衡所需的热田面积,并按圆面积公式估算地热井的井距。
 
  (4)在该地热田尚无其他地热生产井或已有井的井距超过计算的布井间距,可以地热井抽水试验资料初步确定的可开采量为该井的可开采量;若已有井井距小于计算的布井间距,则应以已有井距的1/2为半径划定的圆面积作为该井可开采的控制范围,并以该范围内的可采热储存量作为该井的地热水开采允许排放的热量,进而反求其可开采量川。
 
  3实施上述两项依据存在的新问题。
 
  《关于地热单井勘察报告审批要求的通知》制定于1991年,其确定地热井可开采量及布井间距的依据经多年应用发现存在许多问题,与地热开发利用要求相矛盾,不符合地热水赋存、变化规律,无法满足地热开发可持续发展的要求。
 
  3.1设计地热井开采时间过长《通知》中按地热井开采100年计算排放的总热量,然后估算地热井的井距,设计地热井使用年限为100年。
 
  目前,地热井普遍采用的管材为石油套管,质量很好,使用年限可达30年以上。但由于地热水矿化度一般都很高,对管壁的腐蚀较强,特别是在水位变动带,腐蚀更加明显,因此,地热井的管材能否使用100年尚没有肯定的例证。
 
  地热资源虽然是一种可再生能源,但是其再生的历程是以地质年代而计,地热水长期开发的主要效应之一就是要地下水位的持续下降。以100年作为地热井的开采时间,只能以减少可开采量作为代价才能有望达到,这将限制地热井的利用效率,无法满足实际需求。虽然地热开发需要可持续性,但若没有了经济效益,将没有人再开发地热。因此,作为一种能源开采,地热与煤炭、石油等常规能源是一样的,没有必要放着非要采100年。但应该科学合理地开采,充分全面地利用,而不是破坏性开采,大量浪费地热资源。当然,为了取得最好246的经济、社会效益,地热开发需要可持续性,但持续过程达100年太长,应以20~30年为宜。
 
  3.2未考虑地热地质条件的差异地热水存储于地下热储层中,可分为砂岩孔隙热储、碳酸盐岩岩溶热储、裂隙热储等。不同岩性的热储层具有不同的性质,即使相同岩性的热储层,其渗透性、储水性差异也很大,因而造成地热井涌水量大小不等。
 
  一般情况下,砂岩孔隙热储连通性好、孔隙度大、渗透性好,地热井涌水量大;而岩溶热储、裂隙热储发育不均,地热井涌水量差别很大。如位于黄弊坳陷沧东凹陷的沧州温泉托老院地热井,所取热储层为上第三系馆陶组砂岩孔隙热储,水位降深16.81m时涌水量达2877m“/d;位于沧县隆起献县凸起的献迎热1井,所取热储层为元古界蓟县系雾迷山组岩溶热储,水位降深54.94m时涌水量为1965m“/d;而位于冀中坳陷覃城凸起的热电1井,所取热储层为下古生界奥陶系岩溶热储,水位降深190m时涌水量仅为84om3/d。
 
  《通知》中统一规定:依据地热井抽水试验资料,用内插法(最大水位下降以不大于Zom为宜)初步确定地热井可开采量,未考虑不同地区地热地质条件的差异性。据此,沧州温泉托老院地热井水位降深16.81m时可开采量达2877m“/d,献迎热1井水位降深20m时可开采量715m“/d,而热电1井水位降深Zom时可开采量仅88m“/d,差距非常大。其中热电1井若按88m“/d开采,应属于报废井,而该井总投资达400多万元。因此,地热井可开采量的确定应考虑不同地区地热地质条件的差异,而不应以水位下降固定值来计算。
 
  3.3缺乏合理操作性热储层由于埋藏深、地层压力大,在未开发地区,初期钻探成功的生产井基本都能够自流,即地热井初始静水位埋深高于地面。如冀中坳陷饶阳凹陷任热1井,取水热储层为馆陶组热储,1980年n月成井时初始静水位高出地面14m;沧县隆起献县凸起献迎热1井,200。年n月成井时关井井口压力0.36MPa,即初始静水位高出地面36m。《通知》中规定以最大水位下降不大于20m确定地热井可开采量,对于献迎热1井来说,其自流时水位降深36m,自流量1389m3/d,若按《通知》中规定,则其可开采量为降深20m时的772m“/d,小于自流量,开采中应对自流量进行控制。这无论从技术角度还是从经济角度来讲,都缺乏合理操作性。
 
  3.4地热资源采出量与实际开采不相符《通知》中规定,按公式Qr一KHCr(t厂一t。)计算地热井开采利用热储层单位面积可开采的热储存量,其中K值为热储层地热采收率,砂岩一般取。.巧一0.20川,实际开采中远不能达到这一数值。根据天津滨海地热田资料,在保持有限降深条件下,按100年开采时限计算,采出水量相当于热储层储存水量的3%左右,换算成采出热量不足热储层储存热量的2写闭。由此可见,按上述公式计算的热储层单位面积可开采的热储存量过大,相应的地热井开采影响范围偏小,地热井井距缺乏实际指导意义。
 
  实际上,与固体矿产不同,地热水处于流动状态,开采过程中,由于地热井开采漏斗的形成,周围的地热水向地热井内运动,影响范围相当大。影响采出资源量多少的首要因素为地热井水位状态,在相同开采量的情况下,地下水位下降缓慢,则采出资源量多,地下水位下降迅速,则采出资源量少,这是由地质条件控制的。其次,技术、经济条件也制约着地热资源采出量的多少。在水位下降到一定程度后,只有高扬程的热水泵才能采出地热水,但如果从经济上考虑没有效益,开采也就没有价值了。由此,不同条件下的地热田,其地热资源采出量是不等的。
 
  3.5未能提出动态管理的必要性地热水作为一种液体矿产,开采中水位下降是一种必然的趋势。一个地热田,随着地热井数量的增加、开采量的加大、开采时间的延续,积累的资料越来越多,对地热田地质条件的认识也越来越科学、合理。应根据取得的资料,对地热并可开采量、布井间距进行动态调整,以使地热井能够持续开采,取得最大的经济效益和社会效益。
 
  4确定地热井可开采量及布井间距的设想。
 
  4.1地热井可开采盆的确定地热井可开采量确定的原则为以需定产、以产定产。以需定产,即根据地热开发所需水量确定可开采量。对于热储地质条件较好的地区,在降深较小的情况下地热井涌水量很大,可根据用户需求确定地热井可开采量,使地热井的利用效率达到最高。以产定产,即根据地热井最大经济开采量确定可开采量。对于热储地质条件较差的地区,地热井往往在降深较大的情况下,涌水量较小,此时,根据热水泵提升能力及经济效益,确定最佳降深情况下的地热井可开采量。
 
  4.2地热井布井间距的确定地热井开采过程中形成水压力降落漏斗,使周围地热井水位产生下降,影响其开采。因此,必须确定合理的布井间距,以保证地热井间的水位干扰不影响地热水的开采。可根据抽水试验成果,计算出不同井间距时的影响降深,确定地热井之间的干扰系数,再根据规定的最大影响降深值(如5一10m),选取一个合理的布井间距。考虑到一口地热井周围会逐步钻凿多口地热井,每一口地热井都会受到其他地热井的干扰,选取布井间距时应适当加大距离。最大影响降深值应根据各地地热开发实践取得的资料,考虑不同的地质条件来规定。
 
  4.3地热田布井总数的确定目前,地热开发主要是采取单井开发模式,即在地热条件较好的地区,首先钻凿一口地热井进行开发利用,然后在其示范带动下,逐步钻凿更多的地热井。对于一定范围内的一个地热田,确定其可布井总数,可控制地热田地热水开采总量,保证地热田的开采年限,实现地热开发的可持续性。
 
  一个地热田在钻凿了2~3口地热井后,经过2一3年的开采,积累了大量的开采动态资料,据此可建立水位降深与开采量关系的数学方程。根据当前地热井静、动水位埋深情况,可计算出在规定的最大允许动水位埋深(如200~250m)内的地热田可开采总量,再根据规定的开采年限(如20一30年)、单井可开采量,确定地热田可布井总数。
 
  4.4地热井可开采且及布井间距的动态调整地热井开采过程中应进行长期动态观测工作,根据观测资料,对确定的地热井可开采量、布井间距、地热田布井总数进行评价。如果实际开采情况与设计不相符,应及时调整地热井可开采量、布井间距、地热田布井总数,以使地热井水位下降处于可控状态,保证地热井的使用年限。
 
  4.5已规模开发地热田地热井可开采里的确定对于已规模开发的地热田,地热井已钻凿完成,应根据开采动态资料,计算出地热田在一定年限、最大允许动水位埋深情况下的可开采总量,再根据地热田已有地热井数量、单井出水能力、开发利用需水量确定地热井的可开采量,并根据开采动态及时进行调整。
 
  5实现地热开发可持续性的保障措施。
 
  地热开发的可持续性要求科学合理地确定地热井可开采量及布井间距,使地热井水位下降处于可控状态,不能掠夺性开采地热资源。为了实现这一点,需要各级管理、技术部门共同努力,尽职尽责。
 
  (1)专业管理部门尽快制定切实可行的规定、标准,为地热井可开采量、布井间距的确定提供依据,使地热开发走上科学合理的道路。
 
  (2)相关职能部门充分履行自己的职责,坚决杜绝无证开采、不按规定超量开采现象的发生,建立相应的核查机制,保证地热开发符合相关法律、法规的规定。
 
  (3)有关技术部门应建立地热井的长期动态观测机制,对地热井进行水位、水量、水温、水质的长期观测,并对观测结果进行分析研究,提出地热开发建议,为管理部门进行动态管理提供依据。
 
  (4)地热开发商应严格按照规定进行地热水的开采,并充分利用地热能,使地热资源发挥最大的效益,同时,配合技术部门做好动态观测工作。
 
  以上仅是一些不成熟的设想,希望地热专家深人调查研究、集思广益,制定出科学合理的地热开发利用方案,为中国地热开发的持续发展提供技术支持。