如何确定地热井可开采量与布井间距

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如何确定地热井可开采量与布井间距

0　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，作为中低温地热资源丰富的国家，我国的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出巨大的经济和社会效益。    　　由于地热勘查及地热井钻凿须投入大量资金，因此，只有实现地热开发的可持续性，才能保证地热产业健康、稳定、有序的向前发展。    　　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利用。因此，地热开发可持续性的基本要求应是必须保持地热井出水量及水温稳定，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下降应处于可控状态，以保证地热井能够长期开采。    我国大多数地热田均属于沉积盆地传导型的中低温地热田，热储层温度低于100℃，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、经济等多重条件的制约。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，灌不进去的技术难题。即使能够将低温热废水回灌进去，也存在着热储层温度急剧下降的问题，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试验，如天津市的地热回灌也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[1]，这样虽然解决了热废水环境影响问题，但并不能够有效地减缓地层压力下降。同时，回灌井的钻凿需要投入大量资金，将阻碍处于初级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与布井间距，保证地热井的使用年限，才能使地热井水位下降处于可控状态。由此，使地热开发才能步入良性循环的轨道，实现地热开发的可持续性。       2　确定地热井可开采量与布井间距的依据与步骤    目前，我国确定地热井可开采量与布井间距的依据为全国矿产储量委员会办公室文件——储办发[1996]51号《关于地热单井勘查报告审批要求的通知》（以下简称《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：    2.1 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2Om为宜)初步确定地热井可开采量,并以公式QW=3650OQCW（tW-tO）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；    tW——地热水平均温度；    tO一一地层常温带温度。    2.2 依据地热井地质剖面，按公式Qr=KHCr（tr-tO）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；    Cr——热储层平均热容量；    tr——热储层地热平均温度。    2.3 按均衡原理以公式F=QW/Qr计算热储层可采热储存量与地热井开采100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。    2.4 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,则应以已有井距的二分之一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。[2]       3 存在的问题    《通知》制定于1996年，经多年地热开发的应用实践，发现其中关于确定地热井可开采量与布井间距的依据部分存在许多问题，和现阶段我国地热开发利用要求相矛盾。如：不符合地热水赋存、变化规律、无法满足地热开发利用可持续性的要求等。      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，依其而估算出地热井的井距，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，但是其再生的过程十分久远，地热水开采必然导致地下水位持续下降。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，但没有其经济效益，将没有人愿意开发地热。因此，作为一种能源开采，地热与煤炭、石油等常规能源一样，为了取得最好的经济、社会效益，地热开发需要可持续性，但作者认为，没有必要非开采100年。持续过程太长，应根据地热田的实际资源量，开采年限相应减少为宜。    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，因此地热井涌水量会大小不等。    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。如位于黄骅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2877m3／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1965m3／d；而位于冀中坳陷藁城凸起的热电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840m3／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2Om为宜)初步确定地热井可开采量，而未认真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2877m3／d，献迎热1井水位降深20m时可开采量715m3／d，而热电1井水位降深20m时可开采量仅88m3／d，差距非常大。其中热电1井若按88m3／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综合考虑不同地区地热地质条件的差异性，而不应以水位下降的固定值来计算。    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，开始打开热储层时，地热井的热水基本都能够自流，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11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，2000年11月成井时关井井口压力0.36Mpa，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2Om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1389 m3／d，若按通知中规定，其可开采量则为降深20m时的772 m3／d，小于自流量，显然不合理，无论从技术还是从经济角度讲，都缺乏合理的操作性。    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=KHCr（tr-tO）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0.15—0.20[2]。在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%[3]。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，对开地热井井距的设计缺乏实际的指导意义。    实际上，地热水与固体矿产不同， 开采过程中处于流动状态，形成开采漏斗，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，由于地质条件控制，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。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，只有用高扬程的热水泵才能采出地热水，但如果没有经济效益，开采也就没有价值。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没有提出进行动态管理    地热水作为一种液体矿产，开采使水位下降是必然趋势。一个地热田，随着地热井数量的增加、开采量的加大、开采时间的延续所积累的资料就越多，对地热田地质条件的认识也随之增大加。应根据取得的资料，对地热井可开采量、布井间距进行动态监测、调整，以使地热井能够持续开采，取得最大的经济和社会效益。       4　关于地热井可开采量与布井间距确定的设想    4．1地热井可开采量的确定    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，地热井降深较大、涌水量较小时，应根据热水泵提升能力及经济效益，确定最佳降深条件下的可开采量。    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—10m），选取一个合理的布井间距。考虑到一眼地热井周围会逐步钻成多眼地热井，而每一眼地热井都会受其它地热井的干扰，选取布井间距时应适当加大距离。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决定最大影响降深值。    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，首先钻一眼地热井进行开发利用，然后再逐步钻更多的地热井。对于一个地热田，应根据勘探出的资源量确定其可布井总数，并控制地热田地热水开采总量，达到保证地热田的开采年限，实现可持续开发之目的。    在一个地热田钻出2—3眼地热井后，经过2—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，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—30年）、单井可开采量，确定地热田可布井总数。    4．4地热井可开采量与布井间距的动态调整    地热井开采过程中应进行长期的动态观测工作，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量的确定    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与布井间距，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。    5．1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。    5．2 相关职能部门充分履行自己的职责，坚决杜绝无证开采、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。    5．3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，提出下一步开发规划与建议，为管理部门进行动态管理提供依据。    5．4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，配合技术部门作好动态观测工作。