EGS水巖作用對地熱儲層孔滲特征影響的模擬研究

鮑新華，蘇玉璽，吳永東，，張宇，馬丹，霍然

(1.吉林大學 環(huán)境與資源學院，吉林 長春 130021;2.山東省城鄉(xiāng)建設勘察設計研究院，山東 濟南 250000)

EGS水巖作用對地熱儲層孔滲特征影響的模擬研究

鮑新華1，蘇玉璽2，吳永東1，2，張宇1，馬丹1，霍然1

(1.吉林大學 環(huán)境與資源學院，吉林 長春 130021;2.山東省城鄉(xiāng)建設勘察設計研究院，山東 濟南 250000)

增強型地熱系統(tǒng)(EGS)是一種開發(fā)利用深層地熱能的工程，在工程的長期運行過程中水巖作用對儲層孔滲特征的影響不容忽視。以松遼盆地泉頭組流紋巖和青海貴德扎倉溝地區(qū)花崗巖為研究對象，借助TOUGHREACT程序模擬EGS水熱循環(huán)過程中巖性和注入水溫度對水巖作用的影響，并分析研究水巖作用引起的儲層孔滲特征的變化。結果表明：模擬時間達到10 a時，儲層的孔隙度和滲透率在注入井附近增大，在靠近生產(chǎn)井的區(qū)域減小。

水巖作用；孔滲特征；增強型地熱系統(tǒng)；數(shù)值模擬

0引言

地熱能是當前全球第三大可再生能源，隨著對地熱能的開發(fā)研究日益深入，地熱能開發(fā)技術也逐漸成熟。EGS(Enhanced Geothermal System)是一種開發(fā)利用深層地熱能的工程技術[1]，近年來國內(nèi)在EGS方面開始由理論研究逐漸向場地試驗及應用過渡。在EGS長期運行過程中，有很多因素影響其正常穩(wěn)定運行，其中水巖作用對儲層孔滲特征的影響是一個不可忽視的因素。EGS水巖作用的發(fā)生會導致儲層礦物發(fā)生溶解或沉淀，進而影響熱儲層的孔滲特征，影響EGS的正常運行以及熱提取效率[2]。20世紀70年代，J.L.BISCHOFF等[3]通過模擬預測不同礦物在不同溫度下的溶解沉淀情況；A.BALDEYROU等[4]通過水巖作用實驗研究蘇爾茨干熱巖場地礦物溶解沉淀規(guī)律及其對儲層的影響；E.JACQUOT[5]對蘇爾茨地熱水循環(huán)進行了模擬研究，結果表明長期研究中必須考慮硅酸鹽礦物對儲層特征的影響。L.ANDRé等[6]對蘇爾茨深部和淺部儲層循環(huán)水進行模擬研究，結果表明碳酸鹽礦物中方解石水巖作用對儲層影響最大。

松遼盆地和青海共和-貴德盆地的大地熱流高于全國平均水平，局部地區(qū)具有深部地熱(干熱巖)開采潛力[7]。筆者以松遼盆地流紋巖和青海貴德地區(qū)花崗巖為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法來分析討論水巖作用對儲層孔滲特征的影響。

1概念模型

本次模擬借助多相流體反應性溶質(zhì)運移模擬程序TOUGHREACT進行，該程序可用于一維、二維和三維孔隙和裂隙介質(zhì)中的物理、化學反應過程模擬[8]，在礦床形成、地下水污染修復、CO2和核廢料地質(zhì)處置、地熱資源開發(fā)等研究領域都有廣泛應用。

筆者采用“五井式”布井方案對EGS熱儲層中的水巖作用過程進行模擬研究，因為本布井方案具有對稱性，因此可以選取模擬區(qū)域的1/8進行研究，見圖1。

圖1二維概念模型示意Fig.1Schematic diagram of 2D model

圖2裂隙多孔介質(zhì)概化示意Fig.2Schematic representation for the MINC method

模擬中認為儲層裂隙是連通的，因此可以認為裂隙中的流體是一個連續(xù)統(tǒng)一體，可以通過K.PRUESS[9]的多重介質(zhì)連續(xù)模型來研究流體在裂隙多孔介質(zhì)中的流動過程，見圖2。

K.PRUESS[9]在模型中假設流體只通過裂隙流動，而基質(zhì)只能和相鄰裂隙發(fā)生能量傳遞和物質(zhì)交換。參考T.XU等[10]的研究，本次模擬中將儲層裂隙概化為正交裂隙系統(tǒng)，裂隙間距50 m。

本模擬中忽略了儲層的初始水力條件，假設儲層中的流體只在注入流體的驅動下流動，通過熱儲層頂?shù)装逯荒馨l(fā)生熱量交換而不能發(fā)生質(zhì)量交換，即模型上下邊界為隔水傳熱邊界，熱傳遞量可根據(jù)P.K.W.VINSOME等的經(jīng)驗公式[11]進行計算：

(1)

儲層礦物的溶解沉淀會改變儲層的孔滲特征，其中孔隙度的變化可根據(jù)礦物體積分數(shù)的改變計算，滲透率的變化可以根據(jù)孔隙度的變化推導(Kozeny-Gaeman球體顆粒模型[12])，具體關系式為

(2)

式中：k為滲透系數(shù)；k0為初始滲透系數(shù)；φ為孔隙度；φ0為初始孔隙度。

2控制方程

礦物的溶解沉淀狀態(tài)通過飽和度來判斷，飽和度為正值時礦物沉淀，飽和度為負值時礦物溶解，飽和度為0時礦物處于平衡狀態(tài)。

礦物溶解沉淀的熱力學控制方程見式(3)、式(4)，動力學控制方程見式(5)，反應速率常數(shù)公式見式(6)[13]：

SIm=log10Ωm=0

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：SIm為礦物飽和指數(shù)；m為礦物代號；X表示礦物摩爾分數(shù)；Ω為飽和度；λ為熱力學活度系數(shù)；K為反應動力學常數(shù)；r為反應速率；C為物質(zhì)的量濃度；n為礦物代號；K為反應速率常數(shù)；A為反應性比表面積；θ和η一般設置為1；K25為25 ℃的反應速率常數(shù)；Ea為活化能；a為活度；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。

3儲層參數(shù)

模擬中主要涉及到的熱儲參數(shù)包括儲層巖性及礦物組成、儲層水化學組分和儲層物性參數(shù)。流紋巖儲層和花崗巖儲層的礦物組分見表1，地層水化學組分見表2，儲層物性參數(shù)見表3。筆者共進行3次模擬：①流紋巖儲層20 ℃注入水；②流紋巖儲層65 ℃注入水；③花崗巖儲層20 ℃注入水。流紋巖儲層壓力38 MPa，花崗巖儲層壓力16 MPa。注入水壓力高于儲層壓力2 MPa，生產(chǎn)井壓力低于儲層壓力2 MPa，最大模擬時間10 a。

表1地熱儲層礦物組成Table 1Mineral composition of geothermal reservoir %

表2地熱儲層水化學組分

表3地熱儲層物性參數(shù)Table 3Petrophysical parameters of geothermal reservoir

4模擬結果與討論

低溫水注入后，注入井附近的溫度大幅度降低；模擬10 a后，注入井附近溫度接近注入水溫度，生產(chǎn)井附近也有一定的溫度下降，見圖3。

圖3不同模擬時間溫度場分布Fig.3Temperature field distributions at different simulation time

圖3中以注入井為原點，縱坐標和橫坐標表示與注入井的距離(下同)。熱儲層溫度場變化的同時必然伴隨著儲層巖石礦物的溶解沉淀，本次模擬中主要影響儲層孔滲特征的是石英、長石和方解石的溶解沉淀。綠泥石等黏土礦物的溶解沉淀量極小，對儲層孔滲特征的影響較為微弱，因此不作具體分析。

模擬過程中石英的溶解沉淀情況如圖4，石英在模擬過程中主要表現(xiàn)為沉淀狀態(tài)。在注入井附近由于溫度的降低，石英的溶解度減小導致石英沉淀，并且隨著X增加，溫度升高，石英沉淀反應速率增大，因此石英的溶解沉淀規(guī)律表現(xiàn)為在一定區(qū)域內(nèi)，隨著距注入井距離增大，沉淀量隨之增大。同時，隨著反應的持續(xù)進行，石英的沉淀量在不斷增長，發(fā)生沉淀的區(qū)域也有所擴大。模擬10 a后，石英的最大體積分數(shù)變化分別為：0.001 8%(模擬1)、0.002 2%(模擬2)、0.001 45%(模擬3)。

注入井附近溫度降低，由于方解石的溶解度隨溫度降低而升高，因此注入井附近方解石表現(xiàn)為溶解狀態(tài)。隨著X增大，溫度升高，水中的方解石因溶解度降低而逐漸沉淀。同時，隨著反應的持續(xù)進行，方解石溶解量明顯增大，發(fā)生溶解的區(qū)域也逐漸擴大，見圖5。模擬10 a后，方解石溶解和沉淀量最大時的體積分數(shù)變化分別為：① -0.012%(溶解)和0.009%(沉淀)；② -0.012 7%(溶解)和0.001 39%(沉淀)；③ -0.002 35%(溶解)和0.000 59%(沉淀)。

圖4石英體積分數(shù)變化Fig.4Volume fraction changes of quartz

圖5方解石體積分數(shù)變化Fig.5Volume fraction changes of calcite

模擬過程中石英的沉淀消耗了流體中的Si，Si濃度的降低促進了長石的溶解。長石發(fā)生選擇性溶解，鈉長石先表現(xiàn)為溶解狀態(tài)[14]。注入井附近鉀長石溶解度減小，使得該區(qū)域鉀長石沉淀。鉀長石的沉淀使得流體中鉀離子濃度不斷降低，靠近生產(chǎn)井方向鉀長石逐漸趨于不飽和，開始表現(xiàn)出溶解狀態(tài)注入井附近鈉長石溶解，使得流體中鈉離子含量不斷升高，靠近生產(chǎn)井是區(qū)域飽和，使得鈉長石逐漸轉為沉淀狀態(tài)。隨著反應的持續(xù)進行，鈉長石發(fā)生溶解和鉀長石發(fā)生沉淀的區(qū)域都逐漸增大。

鉀長石在注入井附近沉淀，在靠近生產(chǎn)井的區(qū)域溶解，隨著反應時間的延長，沉淀量和發(fā)生沉淀的區(qū)域都相應增加(圖6)。模擬10 a后，鉀長石溶解和沉淀量最大時的體積分數(shù)變化分別為：① 0.002 3%(沉淀)和-0.000 5%(溶解)；② 0.000 9%(沉淀)和-0.000 4%(溶解)；③ 0.001 54%(沉淀)和-0.001 68%(溶解)。

鈉長石在注入井附近表現(xiàn)為溶解狀態(tài)，在靠近生產(chǎn)井的區(qū)域表現(xiàn)為沉淀；并且隨著反應時間的延長，鈉長石的溶解量和發(fā)生溶解的區(qū)域相應增大(圖7)。模擬至10 a后，鈉長石溶解和沉淀量最大時的體積分數(shù)變化分別為：① -0.000 8%(溶解)和0.000 3%(沉淀)；② -0.000 8%(溶解)和0.000 3%(沉淀)；③ -0.001 11%(溶解)和0.001 28%(沉淀)。

圖6鉀長石體積分數(shù)變化Fig.6Volume fraction changes of k-feldspar

圖7鈉長石體積分數(shù)變化Fig.7Volume fraction changes of albite

反應過程中礦物不斷溶解沉淀，引起孔隙度也發(fā)生改變。模擬時間超過5 a后，孔隙度變化較明顯。注入井附近孔隙度增加，生產(chǎn)井附近孔隙度減小(圖8)。模擬10 a后，孔隙度的最大值和最小值分別為：① 0.500 11、0.499 9；② 0.500 12、0.499 98；③ 0.500 01、0.499 98。

滲透率與孔隙度正相關，其變化趨勢和孔隙度相同，見圖9。模擬10 a后，滲透率的最大值和最小值分別為：① 5.003×10-14、4.997×10-14m2；② 5.003 5×10-14、4.999 3×10-14m2；③ 8.000 5×10-14、7.999 1×10-14m2。

圖8不同運行時間孔隙度分布Fig.8Porosity distributions at different simulation time

圖9不同運行時間滲透率分布Fig.9Permeability distributions at different simulation time

5結論

1) 在EGS水巖作用模擬中，石英主要表現(xiàn)為沉淀狀態(tài)；方解石在注入井附近溶解，朝著生產(chǎn)井方向逐漸沉淀；鉀長石在注入井附近沉淀，朝著生產(chǎn)井方向逐漸溶解；鈉長石與鉀長石的溶解沉淀規(guī)律相反。

2) 注入水溫度升高，模擬10 a后熱儲層的孔隙度和滲透率也相應增大，其中花崗巖儲層孔隙度和滲透率變化小于流紋巖儲層。

3) 方解石體積分數(shù)變化最大，并且孔隙度和滲透率的變化特征和方解石的溶解沉淀規(guī)律較為吻合，認為儲層礦物中方解石的溶解沉淀對儲層孔滲特征的影響最為顯著。

研究表明，注入井和生產(chǎn)井工作若干年后，井附近會隨礦物溶解/沉淀發(fā)生孔滲特征改變，影響EGS工程開發(fā)效率，建議工作若干年后改變水熱循環(huán)方向，以降低水巖作用對熱儲層物性特征的影響。

[1] PANEL M L.The future of geothermal energy.Impact of enhanced geothermal systems[EGS] on the United States in the 21st century[J].Geothermics，2006，17(5/6)：881-882.

[2] 鮑新華，吳永東，魏銘聰，等.EGS 載熱流體水巖作用對人工地熱儲層裂隙物性特征的影響[J].科技導報，2014，32(14)： 42-47.

BAO Xinhua，WU Yongdong，WEI Mingcong，et al.Impact of water/CO2-rock interactions on formation physical properties in EGS[J].Science&TechnologyReview，2014，32(14)：42-47.

[3] BISCHOFF J L，DICKSON F W.Seawater-basalt interaction at 200 C and 500 bars： implications for origin of sea-floor heavy-metal deposits and regulation of seawater chemistry[J].EarthandPlanetaryScienceLetters，1975，25(3)： 385-397.

[4] BALDEYROU A，VIDAL O，F(xiàn)RITZ B.étude expérimentale des transformations de phase dans un gradient thermique： application au granite de Soultz-sous-Forêts，F(xiàn)rance[J].ComptesRendusGéoscience，2003，335(4)： 371-380.

[5] JACQUOT E.ModelisationThermodynamiqueetCinetiquedesReactionsGeochimiquesEntreFluidesdeBassinetSocleCristallin：ApplicationauSiteExperimentalduProgrammeEuropeendeRechercheenGeothermieProfonde(Soultz-sous-Forets，Bas-Rhin，F(xiàn)rance)[D] .Strasbourg： University Louis Pasteur，2000.

[6] ANDRé L，RABEMANANA V，VUATAZ F D.Influence of water-rock interactions on fracture permeability of the deep reservoir at Soultz-sous-Forêts，F(xiàn)rance[J].Geothermics，2006，35(5)： 507-531.

[7] 汪集旸，胡圣標，龐忠和，等.中國大陸干熱巖地熱資源潛力評估[J].科技導報，2012，30(32)： 25-31.

WANG Jiyang，HU Shengbiao，PANG Zhonghe，et al.Estimate of geothermal resources potential for hot dry rock in the continental area of China[J].Science&TechnologyReview，2012，30(32)： 25-31.

[8] XU T，SONNENTHAL E，SPYCHER N，et al.TOUGHREACT： A simulation program for non-isothermal multiphase reactive geochemical transport in variably saturated geologic media： applications to geothermal injectivity and CO2geological sequestration[J].Computers&Geosciences，2006，32(2)： 145-165.

[9] PRUESS K.A practical method for modeling fluid and heat flow in fractured porous media[J].SocietyofPetroleumEngineersJournal，1985，25(1)： 14-26.

[10] XU T，PRUESS K.Reactive transport modeling to study fluid-rock interactions in enhanced geothermal systems (EGS)with CO2as working fluid[C]//ProceedingsWorldGeothermalCongress2010.Bali，Indonesia：[s.n.]，2010.

[11] VINSOME P K W，WESTERVELD J D.A simple method for predicting cap and base rock heat losses in thermal reservoir simulators[J].JournalofCanadianPetroleumTechnology，1980，19(3)： 87-90.

[12] PARLANGE J Y.Dynamics of fluids in porous media by J.BEAR[J].AmericanScientist，1973(6)：758-759.

[13] XU T，ROSE P，F(xiàn)AYER S，et al.On modeling of chemical stimulation of an enhanced geothermal system using a high pH solution with chelating agent[J].Geofluids，2009，9(2)： 167-177.

[14] 趙海玲，王成，劉振文，等.火山巖儲層斜長石選擇性溶蝕的巖石學特征和熱力學條件[J].地質(zhì)通報，2009，28(4)： 412-419.

ZHAO Hailing，WANG Cheng，LIU Zhenwen，et al.Characteristics of petrology and thermodynamics of selective dissolution of plagioclase in volcanic reservoir rocks[J].GeologicalBulletinofChina，2009，28(4)： 412-419.

(責任編輯：譚緒凱)

Simulation Research on Impact of EGS Water-Rock Interaction on Porosity and Permeability of Geothermal Reservoir

BAO Xinhua1，SU Yuxi2，WU Yongdong1,2，ZHANG Yu1，MA Dan1，HUO Ran1

(1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130021，Jilin，P. R. China;2.Shandong Province Urban and Rural Construction Investigation and Design Institute，Ji’nan 250031，Shandong，P. R. China)

Enhanced Geothermal System (EGS)is a project which develops and uses deep geothermal energy，and the effect of water-rock interaction on reservoir porosity and permeability in the long-term operation of EGS can’t be ignored.Taking rhyolite in Songliao basin and granite in Zhacanggou at Guide County in Qinghai as the research object，the influence of lithology and injection water temperature on water rock interaction during EGS hydrothermal cycle was simulated by means of TOUGHREACT program，and the change of reservoir porosity and permeability caused by water-rock interaction was also analyzed.The results show that when the simulation time reaches ten years，the porosity and permeability increase at the area near the injection well and decrease at the area near the production well.

water-rock interaction; porosity and permeability; EGS (Enhanced Geothermal System); numerical simulation

P641

A

1674-0696(2017)10-076-07

2016-06-08；

2017-02-10

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA052801)

鮑新華(1963—)，山東菏澤人，男，副教授，博士，主要從事地熱及水文地質(zhì)方面的研究。E-mail：bxinhua@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.13