水热型地热田水驱采热能力的评估方法及其评估装置与流程

本发明涉及地热开采技术领域，特别是涉及一种水热型地热田水驱采热能力的评估方法及评估装置。

背景技术：

地热能是来自地球深处的可再生性热能，它来源于地球深放射性物质的衰变和地球形成初期残留的热能。地下水的深循环会把热能从地下深处带至地表。地热能的储量非常巨大，大部分集中分布在板块等活动边缘地带。它不但是无污染的清洁能源，而且还是可再生的。

地球上储存有地热能的地区称为地热田。按地热能的储存方式，可以将地热田划分为干热型和水热型。干热型地热田内的地热能仅储存在岩石骨架中；水热型地热田内的地热能同时储存在地热水和岩石骨架中。人们能开采出来的那部分热能占热储中储存的总热能的比例称之为地热能采收率。如果只开采地热水，则只能将地热水中的热能开采出来，而热储岩石骨架中的地热能仍然开采不出来。而热储岩石骨架中地热能储存量是地热水中地热能储存量的十几倍甚至几十倍。对于水热型地热田，以往仅是通过开采地热水来提取热能，而大部分地热能仍然储存在岩石骨架中而开采不出来，地热能的采收率很低，地热开发的投入产出比很高。但是，受地质条件限制，不同地热田采热能力也不同。而不同的采热能力，决定了地热能的采收率，进而决定了地热开发的投入产出比。因此，在进行大规模开发前，必须要了解地热田的采热能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种通过抽水试验、回灌试验和数值模型相结合的方法来评估水热型地热田水驱采热能力的方法。

本发明首先提出了一种水热型地热田水驱采热能力的评估方法，该评估方法具体包括以下步骤：

步骤1，将地热田在水平方向和垂直方向进行划分，形成若干单元格，并给每个单元格编号；

步骤2，确定所述每一个单元格的地热参数，所述参数包括单元格的面积、热储厚度、热储孔隙度、热储温度、岩石骨架和地热水的密度以及比热容和当地平均气温；

步骤3，应用热储法，计算所述每一个单元格内地热水的储存量、岩石骨架内地热能储存量和地热水中地热能的储存量，并将所述计算结果相加，得到整个热储地热能的总储量；

步骤4，在所述地热田内布置地热抽水试验井和回灌试验井；

步骤5，在所述抽水试验井进行抽水试验，对所述地热抽水试验井进行涌水能力评估；

步骤6，在所述回灌试验井进行回灌试验，用与所述回灌试验井对应的抽水试验井为所述回灌试验井提供回灌水源，获得回灌试验井的回灌能力；

步骤7，根据所述步骤5和步骤6的试验结果，设计所述地热田的采灌模式；

步骤8，利用所述步骤2的地热参数、所述步骤5和步骤6的试验结果，建立所述地热田的三维水热耦合数值模型；以及

步骤9，根据所述步骤8建立的数值模型，计算不同采灌模式下地热能的采收率，对不同采灌模式下地热田的采热能力进行评估。

优选的，所述步骤1中，所述单元格的长×宽×厚的尺寸为1km×1km×100m。

优选的，所述步骤2中，将当地平均气温作为一个常量赋给所述每一个单元格。

优选的，所述步骤5中，所述抽水试验进行三个落程，利用三个落程的抽水试验数据计算出三套参数，求其平均值，绘制出流量与降深的关系曲线。

优选的，所述步骤6中，所述回灌试验采用增量法进行回灌，首先利用小流量回灌，同时测所述回灌井水位，如果回灌井水位没有到达井口，且稳定在一定的深度，则可以增大流量，流量的增幅不超过前一个流量的30％，当所述回灌井水位稳定8小时以上时，则可以增大流量。

优选的，所述步骤7中，所述采灌模式包括集中采灌模式、内采外灌模式和内灌外采模式；所述集中采灌模式用于形状呈现带状分布的地热田，所述内采外灌模式用于形状呈现圆形或者方形分布、热储平均温度小于等于150℃的地热田，所述内灌外采模式用于热储平均温度大于150℃的地热田。

优选的，所述集中采灌模式，开采井与回灌井之间的安全距离大于等于5km；所述内采外灌和内灌外采模式，开采井与相邻的回灌井之间的距离大于等于1km。

另外本发明提出一种水热型地热田水驱采热能力的评估装置，该评估装置包括试验井、抽水泵、上水管、采热装置、地热用户、回灌管、滤水管和水位水温自动监测装置；所述试验井包括抽水试验井和回灌试验井；

所述抽水泵和抽水井用于将地热水从热储中抽出来，通过所述上水管输送到所述采热装置中，所述采热装置将从所述地热水中采集出来的热能输送到所述地热用户处，经过所述采热装置的所述地热水的温度下降后，所述地热水通过所述回灌管和滤水管输送到所述回灌井中，然后回灌到热储中；所述水位和水温自动监测装置用于在回灌过程中实时监测所述抽水井与回灌井的水位与温度变化情况。

优选的，将所述地热田划分为2km×2km的网格，在每个单元格内布置一眼试验井。

优选的，所述抽水试验井和回灌试验井成对布置，所述两井之间的距离为1km、深度相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的评估方法利用热储法计算单位地热田中地热水的储存量、岩石骨架内地热能储存量、地热水中地热能的储存量，获取整个热储地热能的总储量；然后通过抽水试验和回灌试验评，估地热井的涌水能力、采热能力和回灌能力，并以上述试验数据为依据，设计采灌模式；最后，在此基础上建立地热田三维水热耦合数值模型，计算不同采灌模式下地热井的总采热量和采收率，用以评估采灌条件下水热型地热田的水驱采热能力，为地热田高效开发地热资源提供了非常重要的参考。

附图说明

附图1为本发明实施例中的地热田地热储存量计算网格图；

附图2为本发明实施例中的地热田水驱采热评估装置示意图；

附图3a-3c为本发明实施例中不同采灌模式采灌井分布图；

附图4a-4b为本发明实施例中非水驱采热条件下地热井采热量变化过程图；以及

附图5a-5b为本发明实施例中水驱采热条件下地热井采热量变化过程图；

附图标记说明：

101.行；102列；103层；

1.地热水；2.热储岩石骨架；3.抽水泵；4.抽水井；5.上水管；6.采热装置；7.地热用户；8.回灌管；9.滤水管；10.回灌井；11.水位水温自动监测装置；

301.开采井；302.回灌井；303.地热田边界；304.开采井与回灌井间的安全距离；

41.非水驱采热条件下地热井的出水温度变化曲线；42.非水驱采热条件下地热井的日采水量曲线图；43.非水驱采热条件下热储内地热水全部采出时间节点；44.非水驱采热条件下地热田采热功率变化曲线；45.非水驱采热条件下采热功率曲线与坐标轴围成的阴影范围；

51.水驱采热条件下抽水井的日采水量曲线；52.水驱采热条件下抽水井的出水温度变化曲线；53.水驱采热条件下采出地热水达到约束温度时的时间节点；54.水驱采热条件下地热田采热功率变化曲线；55.水驱采热条件下采热功率曲线与坐标轴围成的阴影区范围。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明中的技术方案做进一步详细说明。

本发明实施例提供的方法包括以下步骤：

步骤1，将地热田在水平方向和垂直方向划分出相应的网格，形成若干单元格，并把每个单元格都要编上号码；

为了计算方便，同时又可以达到计算精度，本实施例将热储在水平方向划分为1km×1km的网格，垂直方向上每100m划分为一层。如某地热田热储的厚度为1050m，则可以划分为11层，上面10层的厚度全部为100m，最下面一层的厚度为50m。为了便了查找与赋值，把每个单元格都要编上号码。因为是三维网格，为了更好区分，按矩阵形式编号，即利用(i，j，k)代表(行101，列102，层103)。第1行，第1列，第1层编号为(1，1，1)，第1行，第2列，第1层编号为(1，2，1)，如附图1所示。

步骤2，确定每一个单元格的地热参数。

每个单元的面积为1km²，厚度为100m；热储孔隙比按地热勘查结果赋到每个单元格；将每个单元格顶部温度和底面温度的平均值作为单元格的温度值赋给每个单元格；通过地质手册可以查得每种岩石的密度和比热容；通过查表可得不同温度下地热水的密度和地热水的比热容，一般认为地热水的比热容是一个常量；当地平均气温可以查当地气象资料得到，这个参数可以作为一个常量赋给每个单元格。

步骤3，应用热储法，计算每一个单元格内地热水的储存量、岩石骨架内地热能储存量、地热水中地热能的储存量，最后将所有单元格的计算结果相加，得到整个热储地热能的总储量。

热储法计算表达式如下：

式中，qt表示可从热储岩石骨架和地热水中可以采出地热能的总和，a为热储单元面积，d为热储单元厚度，ρc为热储岩石骨架的密度，cc为热储岩石骨架的比热容，是热储的孔隙比，即tr为热储单元平均温度，tj为当地平均气温，ρw为地热水的密度，cw为地热水的比热容。

步骤4，在地热田内布置地热抽水试验井和回灌试验井，如图2所示，抽水试验井和回灌试验井一般成对布置，以利于接下来的回灌试验。进行抽水试验与回灌试验的目的是为了获得地热井的涌水能力与回灌能力，为后续的采灌模式的设置提供依据。

由于每眼地热井可以代表一定范围内的地热地质条件，所以可以选取典型区布设地热试验井。为了计算的精度和经济性考虑，可以将地热田划分为2km×2km的网格。在每个单元格内布置一眼试验井，每眼试验井的深度都相同，本例中的井深都是2000m，其中热储层厚1050m。每眼试验井的结构也相同，上部950m为保护管，不出水；下部1050m为出水段，不下入井管，这样，所有试验井都可以作为抽水试验井和回灌试验井。

步骤5，在抽水试验井进行抽水试验，目的是评估地热井的涌水能力。

在本例中，测得抽水前抽水试验井的静止水位在井口以下100m，所以将抽水泵下入井口200m，抽水泵的扬程至少为200m。选取抽水泵的出水量为200m³/h，且可以通过控制泵的涡轮转速来调整出水量。

在下泵之前先在井内下入一个水位自动监测仪，下入深度为220m。抽水试验过程中，可以通过水位水温自动监测装置11来实时获得抽水试验井的水位变化情况。

本实施例中，抽水试验进行一段时间后，水位稳定在150m左右，说明抽水试验井的出水量已经稳定，此时可以计算抽水试验井的出水能力。因为抽水稳定时水位从100m下降到了150m，降低了50m，这是第一个落程。在抽水试验井口加装温度和流量测量装置，抽水稳定时水温维持在70℃，抽水量都维持在200m³/h，因此可以计算出抽水试验井的单位降深下的出水能力为200m³/h/50m＝4m³/h/m，即抽水试验井水位每下降1m可以涌出4m³的水。

抽水试验需要进行三个落程，不同水泵抽水量不同，每种水泵抽水前的水位减去抽水稳定水位即为一个落程。分三次下入三种不同的水泵抽水，可以得到三个落程，即三个稳定的水位差。由于抽水量不同的水泵抽水时，水位下降量是不同的。我们约定一个水位下降量作为约束水位，如果抽水时水位低于这个水位下降量，我们认为不宜再继续进行抽水，或者是井的出水量太小，需要换小流量的泵。

第一个落程为最大落程，即要求抽水时动水位到达约束水位，本例中将约束水位设定为抽水试验井井口以下200m。第一个落程水位稳定8小时后停止抽水，观测水位恢复情况，待水位恢复稳定后8小时，再进行第二个落程的抽水试验，水泵的抽水量减至第一个落程的2/3。水位下降稳定后8小时，停止抽水观测水位恢复情况，水位恢复稳定后8小时，再进行第三个落程的抽水试验，水泵的抽水量减至第一个落程的1/3。水位下降稳定8小时后观测水位恢复情况，恢复水位稳定8小时后结束抽水试验。

抽水试验前，可以得到含水层厚度和抽水试验井的半径；通过抽水试验，可以得到抽水试验井流量和井中水位降深，将以上数据代入式(2)，利用迭代法可以计算热储的渗透系数和影响半径，其计算表达式如下：

式中：q为抽水井流量；k为渗透系数；m为含水层厚度；sw为井中水位降深；r为影响半径；rw为井的半径。

利用三个落程的抽水试验数据可以计算出三套参数，求其平均值，绘制出流量与降深的关系曲线，为接下来的采灌布局提供参考。

由于温度对地热水的粘度影响很大，所以热储工程中经常使渗透率而不是渗透系数，根据式(3)可以计算热储渗透率，计算表达式如下：

式中：k为渗透系数；k为渗透率；v为运动粘度；g为重力加速度。

渗透率也是地热田数值模拟中最重要的参数。

步骤6，在回灌试验井进行回灌试验，将与之对应的抽水试验井作为水源井，为回灌试验提供回灌水源。

回灌试验前要安装好回灌监测系统，监测内容包括抽水量监测、回灌量监测、出水温度、回灌温度、抽水井水位、回灌井水位等。

回灌试验需要采用增量法进行回灌，首先利用小流量回灌，同时测回灌井水位。如果回灌井水位没有到达回灌试验井口，且稳定在一定的深度，则可以增大流量。流量的增幅一般不超过前一个流量的30％。当控制一个流量回灌时，回灌井水位稳定8小时以上时，则可以增大流量。每个流量下，水位稳定8小时以上才可以继续增大流量。当回灌井水位到达井口时，且持续稳定8小时以上时，则可以停止回灌。全程利用水位自动监测仪监测水位变化情况，监测频率为每小时1次。

回灌试验结束后，利用监测数据和式(4)计算回灌井的回灌系数，计算表达式如下：

式中，ir为回灌系数；δq为单位时间内的回灌量之差；δh为不同回灌量条件下的水位之差。

回灌系数的意义是，井内水位每升高1米时可以增加的回灌量。因为井内水位升高时，井筒内水柱对含水层的压力就升高了，回灌量就会增大。通过回灌系数可以定量化的了解回灌井的回灌能力。根据回灌系数可以为将来开采井与回灌井的布局提供非常重要的参考。如果回灌系数很大，则可以设计1采1灌，甚至是2采1灌的方式。如果回灌系数较小，则需要设计1采2灌等形式。

步骤7，设计地热田采灌模式。

地热田开发分为两大类，一类是仅采不灌。当热储渗透性极差，回灌非常困难时，不得已只能采用这种模式。这种模式下，只有地热水的热能可以被开采出来，岩石骨架中的热能不能被开采出来。

第二类就是采灌结合。将开采出来的地热水经过取热过程后，再回灌到热储中去。回灌水在流动过程中逐渐吸热，最终再次被开采出开采出来，这种模式称之为水驱采热模式，水驱采热装置如附图2所示。

在这个过程，利用抽水泵3和抽水井4将地热水1从热储中抽出来，然后通过上水管5输送到采热装置6中。采热装置6将采集出来的热输送到地热用户7处。经过采热装置6的地热水温度下降，通过回灌管8和滤水管9输送到回灌井10中，然后回灌到热储中。回灌过程中利用水位和水温自动装置实时监测抽水井4与回灌井10的水位与温度变化情况。

水驱采热从采灌分布方式上一般分为三大类，一类是如图3a所示的集中式，即开采井301集中布置在地热水流向的下游，回灌井302集中布置在地热水流向的上游，开采井与回灌井之间设置一定的安全距离开采井与回灌井之间的安全距离304一般大于5km，但是开采井与回灌井都不超出地热田边界303。其中，安全距离指的是开采井与最近的回灌井之间最小距离。第二类是如图3b所示内采外灌，将回灌井302布置在地热田边界303附近，开采井301布置在地热田的中部，开采井与相邻的回灌井之间的最小距离大于等于1km。第三类是如图3c所示外采内灌，将开采井301布置在地热田边界303附近，回灌井302布置在地热田的中部，开采井与相邻的回灌井之间的最小距离大于等于1km。开采井与回灌井的数量根据抽水试验与回灌试验的结果确定，总的原则是总开采量与总回灌量相当，最终达到整个地热田只采热，不采水的目标。

地热田形状呈现带状分布的，采用集中采灌模式，地热田形状呈现圆形或者方形分布的，热储平均温度小于等于150℃的采用内采外灌模式，热储平均温度大于150℃的采用内灌外采模式。

开采井与回灌井的布置需要考虑两个方面的问题：其一是数量。根据抽水试验可以计算单井出水量，根据回灌试验可以计算回灌量。总的原则是抽水量与回灌量相当，达到采灌均衡，采热不采水的目的。其二是井距。为了避免回灌水过早的到达开采井处，开采井与回灌井的距离应该尽量大，但是过大的距离会减少布井数量。根据以往的工程经验，开采井与回灌井的距离一般大于1km。

步骤8，建立地热田数值模型，计算不同情景下地热井的总采热量；由于不同采灌模式下地热井的采热量是不同的，而且随着回灌的进行，开采井的单位时间采热量会逐渐下降。由于这个过程是一个较长的过程，通过短期的试验很难获得地热井的采热量的化情况，所以需要通过数值模型来模拟长期采灌条件下开采井的采热量。

利用地热田的参数、抽水试验和回灌试验数据，建立三维水热耦合的数值模型。该模型是一个真三维模型，即模型中每层的顶面和底面都是水平的。真三维模型非常精确的刻画了水和热在地层中的运移过程，预测结果非常准确，避免了由于准三维模型造成的模拟失真问题。

另外，在该模型中，水和热是耦合在一起的，即水和热同时运移，而且水的密度和粘度随着水的温度自动调整，避免了水热分离模型模拟过程中水的密度和粘度不变化的问题，模拟结果更准确。

首先模拟不进行回灌条件下只采不灌模式。在这种情况下，地热田模型内只设置开采井，没有回灌井。由于热储中地热水的量是有限的，所以当所有地热水都被开采出来后，地热能的开采也就结束了。所以在这种模式下，将地热水全部采出时的时间定为约束条件。当模型达到这种约束条件时，计算采出的总热能。

非水驱采热条件下地热井采热量变化过程如附图4a和图4b所示。其中，图4a表示是采水量和出水温度随开采时间的变化情况。横坐标轴表示开采时间，左侧纵坐标轴表示采水量，右侧纵坐标轴表示出水温度。直线41表示的是出水温度随开采时间的变化情况，曲线42为采水量随开采时间的变化情况，点43表示开采结束时的节点。图4b表示采热功率随开采时间的变化情况。横坐标轴开采时间，左侧纵坐标轴表示采热功率。曲线44表示采热功率随开采时间的变化，阴影区45为采热功率曲线与横纵坐标轴围成的范围，点43表示开采结束时的节点。

地热开采过程中主要有两大指标，其一是出水温度，其二是地热井出水量。模拟结果显示开采过程中，地热井的出水温度变化曲线41一般会保持不变化。这是因为在不回灌条件下，热储的温度不会冷却，所以开采过程中出水温度不会发生变化，基本上是一个常值。而地热井的日采水量曲线42会随着水位的下降而逐渐衰减，最终到达热储内地热水全部采出时间节点43时，地热水耗尽，地热开采过程即告结束。在这个过程中，地热井的采热功率如曲线4所示，也是逐渐衰减的过程。地热田采热功率变化曲线44与坐标轴围成一个阴影区45。当到达地热水耗尽的时间节点时，地热田采热功率变化曲线44也降为0。地热田采热功率变化曲线44可用函数y＝f(t)表示,式中y表示采热功率，t表示采热时间。以采热时间t为自变量，对f(t)进行积分即可得阴影区的面积，即地热田总采热量qe1。此时，非水驱采热方式下地热田的地热能采收率为可以利用式(5)和式(1)计算得到：r1

在水驱采热条件下，可以将地热水中热能和岩石骨架中的热能都开采出来，水驱采热条件下地热井采热量变化过程如附图5所示。在水驱采热初期，回灌水还没有到达抽水井4位置，因此抽水井的日采水量曲线51呈现下降的趋势。而出水温度没有受回灌水影响，一直保持在一个常值，抽水井的出水温度变化曲线52为一个定值。当回灌水到达抽水井4时，抽水井4的采水量得到补充，抽水井的日采水量曲线51逐渐回升。而由于受低温回灌水的影响，抽水井的出水温度变化曲线52有所下降。随着回灌的进行，采水量逐渐得到补充。由于所有采出的地热水经采热后都回灌到的热储中，所以所有的回灌水都会逐渐的向抽水井方向汇流，使抽水井的采水量逐渐回升，直至达到采水初期的水平。而回灌水在流动过程中逐渐的吸收热储岩石骨架2中的热能，温度升高，但是不会高于原始地热水的温度，所以在抽水井里就会出现出水温度逐渐下降的过程。在这个过程中，回灌水多次流经岩石骨架，将岩石骨架中的热能一次次的开采出来。当回灌水温度与热储岩石骨架2的温度相同时，回灌水与岩石骨架之间不能换热，采热过程结束，这个时间即图中所示采出地热水达到约束温度时的时间节点53。这个时间节点比非水驱采热过程结束时的时间节点的时间长。因为这个过程相当于热储中的地热水循环了好几次。水驱采热过程中，地热田采热功率变化曲线54受出水温度与采水量控制，也呈现逐渐下降的趋势，但是这个下降的趋势比非水驱采热的趋势小。当回灌水温度与岩石骨架温度相同时，回灌水无法换热，则采水时间结束，这个时间节点即水驱采热方式的结束时间。水驱采热条件下地热田采热功率变化曲线54可以用函数y＝g(t)表示,式中y表示采热功率，t表示采热时间。以采热时间t为自变量，对g(t)进行积分即可得采热功率曲线与横纵坐标轴围成的阴影区55的面积，即地热田总采热量qe2。此时，水驱采热方式下地热田的地热能采收率为r2可以利用式(6)和式(1)计算得到：

对比r2和r1，由于水驱采热在采热后期已经达到了采热不采水的状态，采热量不受采水量的限制，只受回灌水换热的影响。如果回灌水的温度足够低，回灌水与热储岩石骨架的温差足够大，回灌水可以多次在热储中循环换热，可以将热储岩石骨架中的大部分地热能都开采出来，r2会远远的高于r1。从两种方式采热功率曲线图上也可以看出来，非水驱采热方式的采热功率下降趋势非常快，所以采热时间短。而水驱采热方式的采热功率下降趋势慢，而采热时间长。所以积分后得到的总采热量qe2远远大于qe1。

步骤9，对比不同情景下地热能的采收率，即可评估出不同采灌模式下地热田的水驱采热能力。对不同的水驱采热模式进行模拟，可以得出不同的采热功率曲线y1＝g1(t)、y2＝g2(t)、y3＝g3(t)。对不同的采热功率曲线进行积分，即可得到不同的采热量qe201、qe202、qe203。利用式(6)和式(1)可以计算出不同的采收率r201、r202、r203。

本实施例通过计算非水驱采热和水驱采热模式下的采收率，评估了不同采灌模式下地热田的采热能力。而且，通过对比模拟不同水驱采热模式，还评估了水驱采热模式下地热田的采热能力，为地热田高效开发地热资源提供了非常重要的参考。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。