第三系热储层回灌渗透系数衰减方程

第三系热储层回灌渗透系数衰减方程

热资源在全球分布非常广泛。其大规模的开发始于20世纪70年代的世界能源危机。在我国,尤其是天津地区,通过30多年的开发利用,地热能规模不断扩大,并获得了明显的经济、环境和社会效益,但过量开采的弊端也日渐显现。长期开采,不仅会使热储层水位下降即压力降低,而且由于供暖中开发利用效率低,造成弃水温度过高,长期排放势必造成资源的严重浪费和环境的热污染。为了解决地热资源开发过程中所遇到的上述问题,天津地区采用对井或多井回灌开采的模式来代替过去的单井开采方式。这样不仅可以有效地维持热储压力,防止弃水污染环境,还能通过深循环,充分利用热储层中岩石骨架中的热能,延长热储开发利用年限,保证地热井长年稳定生产。在回灌过程中发现,对于不同类型的热储层,回灌的难易程度有很大不同。基岩热储层的回灌较容易,回灌效果好,而第四系、第三系热储层的回灌较困难,回灌效果较差。要提高第四系、第三系热储层的回灌能力,首先要搞清楚回灌机理及影响回灌的主要原因,本文即针对此问题进行研究。1地下热水的渗透系数随井轴距离的变化从地下水的运移过程分析,回灌(即向井中注水)是抽水的逆过程。注水和抽水的不同之处在于,前者是发散的径向流,后者是收敛的径向流,除此之外,还要强调二者物理条件的区别。当水井抽水时,因为井周围的过水断面小,流速相当大,因而岩层中的细颗粒将随水进入井内,这时抽出的井水是混浊的。这样持续一定时间,直到井水变清,此时在水井过滤器周围形成一个渗透性增高的地带。而回灌注水时情况正好相反,注入的水中带有细颗粒、有机物和空气,水由井向外流动,速度减小,所携带的细颗粒将在一定的距离内沉淀在岩层中。水中所带有的某些溶解物质可能和岩石骨架或含水层中原有的水起作用,产生阻塞。水中带来的和由于压力降低由水中析出的气泡,停留在微小空隙中。某些细菌可能在示波器上生长。这些都导致含水层的阻塞和渗透性的降低,因此在井周围产生了一个渗透性降低的地带。该地带成圆柱状包在井管外面,渗透系数比原来的渗透系数小,而且不是常数,随着距井轴的距离而变化,距井轴越近,阻塞程度越大,渗透系数值越小,如图1所示。地下热水是一种特殊的地下水,其特殊之处是温度高。在地下热水对井或多井回灌开采时,由于受地下水温度变化的影响,回灌过程中产生的阻塞不仅有物理阻塞,同时还有化学阻塞。其阻塞原因如下:(1)回灌水从回灌井向热储层运动,由于水的运动促使周围岩石碎屑不停地运动,岩石碎屑很容易堆积在滤水管孔处堵塞滤水管,当大量的岩石碎屑在热储层周围运动时,也会引起热储层的物理堵塞;(2)回灌用水多为开采井热交换处理后的尾水,由于温度的改变使水中的化学成分发生变化,在冷水和热水或热储层接触处生成一些新的物质,导致热储层的化学堵塞;(3)当采用异层回灌时,由于回灌水流经不同的热储层,水质发生变化,当和热水或热储层接触时也会生成新的物质,导致热储层的化学堵塞。一旦滤水管或其周围热储层发生堵塞,在相同的回灌压力下,回灌量会随时间的推移而不断衰减,致使回灌效率降低。这时采用回扬的措施可以在短时间内消除或缓解不利于回灌进行的堵塞问题,这也正是回扬的意义之所在。回扬的目的是疏通回灌水的运移通道,提高回灌效率。2回灌过程渗透系数衰减计算通过上述对回灌过程的分析可知,在距井轴某处,随回灌时间的推移,物理堵塞和化学堵塞越来越严重,致使渗透系数不断减小,且为时间的函数,可表示为K=K0(t)。本次研究中,将第三系热储层回灌试验的原始观测数据进行Theis公式反演计算求得导水系数,进一步求得回灌过程中不同时刻的渗透系数。将计算得到的渗透系数进行回归,求得第三系热储层回灌过程中渗透系数K随时间的衰减曲线(图2),图中的点为求得的渗透系数值。图2所示的渗透系数衰减曲线的衰减方程为K=0.067e0.007t。Κ=0.067e0.007t。图2中的渗透系数衰减曲线定量地验证了上述对回灌过程所进行的分析,从而可推导出更一般的渗透系数衰减方程为K=K0e-λt。式中K0为渗透系数初始值,λ为渗透系数衰减系数。在回灌过程中,当回灌井所处的注水层的渗透系数衰减到某一值时,回灌能力变得很弱,在此情况下进行回灌不经济,因此要考虑进行回扬。3回灌井筒设计在地下热水回灌过程中,渗透系数是不断衰减的,下面进一步来分析渗透系数衰减对回灌的影响。其做法是在相同条件下,分别考虑渗透系数变化与不变时回灌井井筒中灌压-时间关系曲线,从而确定渗透系数对回灌的影响程度。地下水回灌是抽水的逆过程,对于同一含水层而言,回灌和抽水只是水的运动方向不同,并无实质性的区别。因此,适用于抽水的理论公式对于回灌同样适用,计算回灌井井筒中灌压的公式可由Theis公式推导出来。为了简化计算,公式中回灌井的流量Q取定值。3.1回灌流量的确定H=Q4πTW(u)。(1)Η=Q4πΤW(u)。(1)式中:u=sr24Ttu=sr24Τt;H为回灌井影响范围内,任一时刻任一点的水位上升;Q为回灌井的流量;T为导水系数,T=KM,式中K为渗透系数,M为含水层厚度;t为自回灌开始到计算时刻的时间;r为计算点到抽水井的距离;s为含水层的贮水系数。式(1)即为著名的Theis公式。由Theis公式可知,当流量Q和导水系数T均不随时间变化时,即渗透系数不变时,可直接用此式计算回灌井井筒中的灌压。此时,渗透系数的值取图2所示的渗透系数衰减方程中的K0=0.0678m/h,即K=K0=0.067m/h,所求得的回灌井井筒中灌压-时间关系曲线如图3所示。图中3条曲线分别代表不同的回灌流量。从图3看出,当回灌流量一定时,灌压为时间的增函数,灌压随时间的增加而增加,但增加幅度不大,表明此种情况下回灌随时间变化程度很小。图中3条曲线的回灌流量从下到上分别为50,100,150m3/h。可以看出回灌流量越大,所需灌压也就越大。这主要是因为随着回灌时间的增加,地下水水头增高,水力梯度降低,要想灌进同样的流量,必须增大水力梯度,必然要增大灌压。3.2回灌流量对回灌影响当渗透系数变化时,导水系数T为时间的函数,将Theis公式变形为H=Q4πT(t)W(u)。(2)Η=Q4πΤ(t)W(u)。(2)式中:u=sr24T(t)tu=sr24Τ(t)t。用式(2)近似计算回灌井井筒中的回灌压力。当渗透系数变化时,渗透系数取图2所示的渗透系数衰减方程中的K0=0.067m/h,λ=0.007m/h,即K=0.067e0.007t,所得的回灌井井筒中灌压-时间关系曲线如图4所示。在渗透系数变化的情况下,当回灌流量一定时,灌压仍为时间的增函数,灌压随时间的增加而增加,且增加幅度逐渐增大,表明此种情况下回灌随时间变化程度很大,这主要是由渗透系数随时间不断衰减所致。对比图3、图4渗透系数不变与变化时的两种情况可知,两种情况下回灌井井筒中灌压的初始值是相同的,随回灌时间的推移,渗透系数不变时曲线为上凸形,表明灌压逐渐趋于一稳定值;而渗透系数变化时曲线为下凹形,表明渗透系数的衰减对灌压影响很大,当回灌流量为150m3/h时,在回灌400h之内灌压增大至4