摘要
2022 年天津市蓟县系雾迷山组开采量总量约为 2997.71 万 m³，回灌总量约 2544.53 万 m³，回灌率为 84.88%。天津市裂隙型地热井回灌，不仅与储层裂隙发育、泥质含量、开采现状相关，同时也受回灌流体的温度、水化学性质等因素的影响。为了地热资源的可持续开发利用，本文采用试验类比、数据统计、线性回归等方法，对同一构造单元单一回灌影响因素进行统计学分析。结果表明，裂隙型热储层回灌量主要与热储层裂隙发育程度有关，泥质含量、水化学成分在一定程度上影响热储层回灌能力，主要表征热储层裂隙发育程度以及裂隙物理条件优劣；裂隙型热储层回灌效果随着回灌时间的延续效率降低，主要受热储层温度场、压力场变化的影响，导致水化学成分和裂隙通道大小变化。研究成果可为研究雾迷山组热储回灌能力提供理论支持。
Abstract
In 2022, the total extraction volume of the Wumishan Formation in the Jixian System of Tianjin was approximately 29.9771 million cubic meters, and the total recharge volume was approximately 25.4453 million cubic meters, with a recharge rate of 84.88%. The reinjection of fissure-type geothermal Wells in Tianjin is not only related to the development of reservoir fractures, the content of sediment and the current mining situation, but also affected by factors such as the temperature and water chemical properties of the reinjection fluid. In order to achieve the sustainable development and utilization of geothermal resources, this paper adopts methods such as experimental analogy, data statistics, and linear regression to conduct statistical analysis on the influencing factors of a single recharge in the same structural unit. The results show that the reinjection volume of fissure-type thermal reservoirs is mainly related to the degree of fracture development in thermal reservoirs. The content of mud and the chemical composition of water affect the reinjection capacity of thermal reservoirs to a certain extent, mainly characterizing the degree of fracture development in thermal reservoirs and the quality of fracture physical conditions. The reinjection effect of fissure thermal reservoirs decreases with the continuation of reinjection time, mainly affected by the changes in the temperature field and pressure field of the thermal reservoirs, resulting in changes in the chemical composition of water and the size of fissure channels. The research results can provide theoretical support for studying the reinjection capacity of thermal storage in the Wumishan Formation.
Keywords
0 引言
蓟县系雾迷山组热储层是天津城区主要的开采对象，位于沧县隆起构造单元，其深部及浅部溶裂隙在张性断裂构造带、断裂交汇和背斜轴部最发育。雾迷山组热储裂隙比集中在 0.1～0.4，其地热井单位涌水量为 1.11~25.63 m³/h·m，地热井的单位涌水量随裂隙发育程度的增大而变大。目前天津市地热资源采灌不均，部分地区已形成了开采井群，长期的集中开采造成水位快速下降，不利于地热资源的开发利用与保护（刘杰等，2020①）。为了地热资源的可持续开发利用，天津近年加大地热井的回灌，登记在册地热井回灌率由 86.25% 增加至 89.16%（殷肖肖等，2023②）。这一变化，一方面是天津实行以灌定采的开采模式政策要求，另一方面通过技术改进提高回灌能力达到增大回灌量的目的。
为了提高热储层回灌效率，前人开展了大量研究工作。认为在回灌初期，物理堵塞、化学堵塞和微生物堵塞不是影响衰减的主导因素（林建旺和赵苏民，2010），主要原因是冷锋面前移过程中，与热储层作用产生的一系列阻力影响所致；从回灌温度场角度，通过地下水流数值模型，对回灌温度及井距进行了理论研究（程万庆等，2011；阮传侠， 2018）；通过开展不同压力、回灌量条件下的回灌试验，认为在特定回灌压力、回灌量的基础上，在非开采期，通过延长回灌时间，可达到增加回灌总量的目的（方连育等，2012）。通过开展不同温度、压力下的回灌试验对砂岩热储层回灌进行了研究（贺淼等，2018）。张平平等（2019③）认为造成储层堵塞的主要原因为储层内可动颗粒的影响。但前人的工作主要集中于孔隙性砂岩热储层回灌研究，对裂隙型灰岩热储层尚无系统研究，本文旨在通过对天津市雾迷山裂隙型储层进行定性分析研究，通过钻井数据、地球物理测井、水化学分析等技术手段，寻求影响回灌效果的可变因子，对裂隙型白云岩热储层回灌影响因素进行定量定性的分析。
1 区域地质概况
本文以沧县隆起构造单元天津区域内地热井为研究对象，沧县隆起位于冀中坳陷东侧，西以古近系缺失线为界，东以岭头断裂、沧东断裂为界，与黄骅坳陷为邻。沧县隆起主要由中新元古界地层组成，受中生代燕山运动及新生代喜山运动的影响，本区在中生代至晚古近纪处于隆起剥蚀环境，中生界及下古近系地层大多缺失。直到晚古近纪—第四纪，华北断坳整体下降，沧县隆起才接受新生界沉积（隋少强等，2020），其沉积厚度为800～1600 m。
2020 年天津市蓟县系雾迷山组热储水位埋深为 77.63～174.74 mm（汉沽断裂以南），水位年降幅-3.87～3.84 m。该热储最小顶板埋深 912 m，位于静海团泊，最大揭露厚度1278.52 m。岩性为深灰色粗晶白云岩、燧石条带状白云岩。单位涌水量 1.08～9.07 m3 /h·m，井口稳定流温 70～113℃，流体化学类型以 Cl·HCO3·SO4-Na、Cl·SO4·HCO3-Na、 Cl·SO4-Na型为主，pH 值 7.5～8.5，矿化度主值区间 1.7～2.2 g/L，局部大于 5 g/L。渗透系数 0.49～2.81 m/d，导水系数 27～318 m2 /d，裂隙率 2.7％～5.8％ （陈瑞军等，2009）。
图1研究区位置图（a）与构造简图（b）
2 资料及试验方法选取
2.1 资料筛选
为了减少不同地质条件对影响因子的影响，本文选取同一构造单元沧县隆起 22 眼雾迷山组地热井数据（图1），其中双窑凸起地热井 8眼，白塘口凹陷 3 眼，小韩庄凸起 4 眼，双窑凸起 7 眼。地热井数据包括产能测试数据（涌水量、回灌量、稳定流温）、水质分析数据、岩性分析数据等。为尽可能减少可控因素的干扰，所选取的地热井储层顶板埋深 1000~3000 m，水化学类型Cl·HCO3-Na或Cl·HCO3· SO4-Na（岳冬冬等，2020；殷肖肖等，2023②）。在此基础上，依据水质分析、降压试验、回灌试验、热储层测井解释数据，分析单一因子与回灌效果之间的关系，对裂隙型热储层回灌能力进行研究。
2.2 试验方法
2.2.1 降压试验
为了获取准确储层水文地质参数，所取的地热井均开展了地热井单井稳定流降压试验。数据处理采用裘布依Dupuit式（1）及奚哈特W.Sihardt影响半径经验公式（2），采用叠代法求取热储渗透系数K 和降压影响半径R。
(1)
(2)
(3)
式（1）～（3）中K—热储平均温度下的热储渗透系数（m/d）；Q—抽水流量（m3 /d）；M—热储层有效厚度（m）；R—降压影响半径（m）；sw—抽水井稳定水位降深（m）；rw—抽水井热储段井半径（m）；ηt —地热流体的运动黏滞系数（m2 /s）。
2.2.2 回灌试验
本研究通过现场回灌试验，获取地热井最大回灌量及回灌参数。参数计算方式与降压试验一致，同时为保障试验结果的准确性，统一以 25℃为基准，按照式（4）对静水位以及回灌上升高度进行校准（刘志涛等，2014）。
(4)
式（4）中：h 校—校正后水位埋深（m）；H—取水段中点的埋深（m）；h 静—回灌试验前测量的静水位埋深（m）；h 动—试验过程中测量动水位埋深（m）； ρ 测—回灌流体密度（kg/m3）；ρ 热—热储温度对应的密度（kg/m3）；ρ 校—校正温度对应的密度（kg/m3）。
2.2.3 水质检测
地热流体中离子成分组成，因其来源和形成条件的不同而各异。一方面，不同离子在区域的富集，直接表征区域内地下水流的补径排条件的不同 （陈宗宇，1998；何满潮等，2002）；另一方面，在开发利用过程中由于储层条件的变化（温度、压力），可能导致不同溶质的析出，进而影响储层回灌效果 （宋美钰等，2018）。为了更好的进行地热流体水化学特征分析，本次研究所选取地热井水样均送至天津市地质矿产测试中心进行地热全分析，以保障分析结果的准确科学。
3 影响因素分析
3.1 Cl/Ca值与回灌量关系分析
水化学特征的各种参数组合关系，在一定程度上反应地下水的封闭环境和变质程度（梅博等， 2021），通常 Cl/Ca 值是用来描述水动力大小及岩石溶蚀度强弱的重要参数。本组试验，筛选同一水文地质单元的14眼地热井，进行地热流体离子成分分析。
通常氯离子浓度越高，表明该地区地下水流越缓慢，造成离子富集，在水文地质参数上表征为渗透系数较小。根据前人研究可知（李虎等，2015；江国胜，2015④），奥陶系热储层渗透系数随着 Cl/Ca浓度比的增大而减少，呈现负相关关系（图2）。笔者类比推定回灌量与 Cl/Ca比呈负相关关系。本次研究同样对雾迷山组热储层地热流体中 Cl/Ca浓度比进行分析比较，结果如图3所示，随着 Cl/Ca 浓度的增加，热储层的回灌能力呈减少趋势。与预期推定相符合，这也同样表明在雾迷山组热储层中高浓度氯离子地热流体流动缓慢（Wang et al.，2021），溶蚀裂隙不发育，水动力条件差，不利于回灌。
图2渗透系数与奥陶系热储层离子浓度比关系
图3雾迷山组地热井回灌量与Cl/Ca浓度比关系
3.2 渗透系数与回灌量关系分析
3.2.1 多地热井广义分析
渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，只与固体骨架的性质有关。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示，渗透系数愈大，岩石透水性愈强。
本研究对 11 组地热井进行降压试验与回灌试验，经校准计算获得热储层的渗透系数。开采渗透系数与注水渗透系数呈正相关关系，即通常开采渗透系数大的地热井，回灌能力越强（图4）。除此之外，通过数据拟合曲线可知，当抽水渗透系数处于高值时，回灌渗透系数与其拟合度较低；当抽水渗透系数处于低值时，回灌渗透系数与其拟合度高。所以不能单独通过降压试验大小来推定回灌量的大小，以免造成论证错误。
3.2.2 单一地热井回灌分析
在理想条件下，同一水文地质单元内，水平方向热储层物理特征具有均一性，渗透系数是一个常数。但考虑到回灌过程中，地热流体温度、水化学成分以及压力的变化，渗透系数成为一个随时间、温度、压力变化而变化的参数。
图4开采与回灌渗透系数拟合曲线
图5不同回灌量下的注水渗透系数
选取2#地热回灌井，在回灌温度保持一致的条件下，分别按照60 m³/h、80 m³/h、100 m³/h、120 m³/h、 140 m³/h，进行5个落程回灌试验。绘制不同回灌量下注水渗透系数曲线（图5），得到拟合方程：k= 9.9348e-0.021Q，衰减系数 λ=-0.021<0。由拟合方程可以得出结论：渗透系数随着回灌量的增加而减少，当渗透系数衰减到某一值时，回灌能力变得很弱。对于单一地热井，当回灌量较小时，回灌渗透系数值较高、衰减率较低、可持续性较高；当回灌量较大时，回灌渗透系数值较低、衰减率高、可持续性较低。
3.3 温度与回灌量关系分析
3.3.1 温度对回灌空间的影响
水的密度随着温度的升高（>4℃）而降低。保持同样的水头高度，温度低的地热流体对地层产生的压力大于温度高的地热流体对地层产生的压力，间接增大了回灌压力，有利于增强回灌效果。此外，保持回灌量一定的情况下，低温高密度地热流体热水头相较高温地热流体热水头较低（图6），在物理空间上增大了可回灌空间，同样有利于增强回灌效果。所以广义上可以得出低温回灌效果要高于高温回灌效果的结论。
3.3.2 温度对溶解度的影响
地热回灌试验与降压试验是一个可逆的试验，但两个过程在水化学层面的影响却是不同的。抽水过程中温度、压力的变化，导致地热流体中的溶质饱和析出，会随着抽水过程排出地层，我们认为溶质析出对裂隙的物理形态影响可以忽略。但回灌过程中温度、压力变化导致饱和析出的溶质会进入地层，附着在裂隙的表面，造成裂隙堵塞，影响回灌。这主要是因为，碳酸盐岩（CaCO3）的溶解度随着温度的增加而降低，所以在较高的回灌尾水，流体更容易达到饱和状态，增大了溶质的析出。
通过数据分析，单一地热井回灌效果与回灌温度呈负相关关系（图6）。即在同等条件下低温回灌效果好，高温回灌效果较差。
图6回灌温度与水头及CaCO3溶解度关系
3.4 裂隙度与回灌关系的分析
地层的回灌能力与地层裂隙发育程度有直接关系。天津地区雾迷山组埋深一般较深，成岩裂隙在地层压力的作用下导水作用较弱，所以地层的风化剥蚀、碳酸盐岩溶蚀形成的裂隙成为主要导水裂隙。地下水活动是岩溶发育最重要的影响因素，岩溶发育与地下水运动密切联系。地下水运移过程中，可溶性二氧化碳不断对碳酸盐岩进行溶蚀。在这个过程中，溶蚀后泥质成分残留在地层中的多少，对裂隙的发育沟通造成影响。
表1研究区12眼地热井回灌量与储层泥质含量百分比数据
本组试验对12眼地热井，通过地球物理测井获得数据，绘制热储层裂隙度与泥质含量的关系曲线。选取 2 眼典型地热井进行分析，得到两类拟合曲线。6#地热井泥质含量与裂隙度呈正相关关系，即裂隙发育好的泥质含量也高，表明该地区在溶蚀作用下形成裂隙，但残留的泥质成分大部分未随地热流体流动离开裂隙，导致裂隙空间变小，回灌试验计算最大回灌量 68 m³/h（图7a）。2#地热井泥质含量与裂隙度拟合差，没有显著线性特征，泥质含量普遍偏低，表明该地区溶蚀作用下残留的泥质成分，随着地热流体运移到别处，裂隙空间未发生堵塞，裂隙间的沟通性好，回灌试验计算最大回灌量 179 m³/h（图7b）。
可以推断在同一构造单元，同一地层深度，热储层裂隙发育好，但泥质含量高，则回灌效果较差； 裂隙发育好，且泥质含量低，则回灌效果较好。由表1可以看出，本研究样本泥质含量低于5%回灌效果较好。
图7热储裂隙度与泥质含量拟合曲线图
a—6#地热井；b—2#地热井
图8水位降深与回灌量关系
3.5 水位降深
回灌空间对热储层回灌量的影响是直接的。若一个热储层的水动力条件、裂隙发育、渗透系数等因素均有利于热储层的回灌，但没有足够的水位差来吸收地热流体，热储层也无法进行持续的回灌。
以 2#地热回灌井为例进行分析。通过回灌试验，获得各落程回灌试验水位降深以及热储吸收率。由图8拟合曲线可知，随着回灌水位的升高，回灌量逐渐增加，并趋于一个定值。与其相反，热储吸收率随着水位的升高反而逐渐减少。所以在后期的地热井回灌中，合理选择回灌量，控制水位降深，以保持较高回灌效率，避免超出储层吸收能力，导致井口溢出，造成资源浪费或环境污染。
4 结论
（1）热储层水文地质特征对回灌能力起主导作用，针对本研究样本，当地层岩性泥质含量低于 5% 的储层回灌效果较好，当地热流体中钙离子浓度高于50 mg/L储层回灌效果较好。
（2）地热井回灌流体的回灌温度会引起热储层局部温度场和压力场变化，直接影响回灌量的大小和回灌效率。回灌效果随着温度的升高而降低，采用低温回灌不仅提高了地热资源利用效率，而且可以增加地热井回灌量。
（3）热储层回灌效果随着回灌时间的延续逐渐降低，主要受储层压力、溶质析出、水动力条件改变影响。
（4）地热井回灌不宜采用大回灌量集中回灌，可以在非供暖期进行低灌量长时间序列补偿式回灌，延缓地热井回灌效果的衰减，提高回灌量。
致谢 感谢自然资源部天津中低温地热野外科学观测研究站数据支持，感谢评审专家提出的宝贵建设性意见。
注释
① 刘杰，赵苏民，高宝珠 .2020. 天津市地热资源潜力评价[R]. 天津: 天津地热勘查开发设计院.
② 殷肖肖，闫佳贤，李虎，蒋学敏.2023. 天津市地热资源开发利用动态监测报告[R]. 天津: 天津地热勘查开发设计院.
③ 张平平，黄星，赵季初，刘志涛，王成明，白通，王肖波，路莹，高宗军，夏璐 .2019. 山东省孔隙热储地热回灌堵塞机理研究[R]. 德州: 山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队.
④ 江国胜.2015. 天津市奥陶系热储赋水规律研究[R]. 天津: 天津地热勘查开发设计院，9-12.