煤-熱共采模式下地熱水非常規(guī)開采數(shù)值模擬研究

萬志軍,張 源,師 鵬,茍 紅,王朱亭,于振子

(1.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116;3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 煤炭開采利用研究院,河南 平頂山 467099)

隨著煤炭開采水平日漸加深,礦井高溫、高濕問題日趨嚴重,制約了煤炭企業(yè)的發(fā)展[1-2]。據(jù)統(tǒng)計,我國工作面風流溫度≥ 30 ℃的礦井超140座,主要分布在河南、山東、安徽、河北等華北煤田,其中受地熱水影響的礦井30多座[3-6]。這類礦井在煤層開采過程中,受采動影響,底板裂隙逐漸擴展,從而引起熱儲層卸壓增透,嚴重時引起地下水上涌。這不僅加劇了工作面高溫熱害,還易引起底板破壞,嚴重時引發(fā)礦井水害,威脅著礦工身心健康和礦井安全生產(chǎn)。

針對地熱水上涌引發(fā)的一系列問題,采用傳統(tǒng)的機械降溫+疏放水進行治理,不能從根本上改善井下的熱環(huán)境,并且投入的治理費用是一般礦井不能承受的[7]。同時,地面降水通過灰?guī)r露頭,途經(jīng)地層基巖孔隙、節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面下滲至礦區(qū)地熱儲層,對地熱水進行補給[8],更加劇了其治理難度。但如果將地熱水看作是一種資源加以利用,而不是將其看作是一種災害進行防治,這不僅可有效改善井下熱環(huán)境,還可帶來顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

目前,多數(shù)學者主要針對礦井水和礦山余熱利用進行了相關研究。1989年,Town of Springhill公司將廢棄礦井的礦井水應用于建筑供暖和工業(yè)生產(chǎn),開啟了礦井水地熱利用之路[9]。之后,BEHROOZ等[10]介紹了荷蘭Heerlen廢棄煤礦的地熱利用情況。HALL等[11]和GRAB T[12]歸納了地熱生產(chǎn)裝置的細節(jié)和熱提取技術。也有學者對廢棄礦井水利用的可持續(xù)性進行了研究。ANDRES等[13]探討了廢棄煤礦礦井水儲層在不同生產(chǎn)方案下的變化,發(fā)現(xiàn)90 a內(nèi)儲層溫度穩(wěn)定,不受采熱影響。JARDN等[14]評估了阿斯圖里亞斯中部煤礦的熱能供應能力,結(jié)果顯示,該區(qū)域煤礦的熱能供應能力為2.6×104kW·h/a。楊家杖子礦采用采空區(qū)和舊巷道的恒定地溫預熱冷空氣,使入風溫度提高30 ℃[15]。楊永福[16]研究了礦用風機熱能回收的綜合利用。GUO等[17]結(jié)合熱泵技術和返回熱回收裝置實現(xiàn)礦井回風的余熱利用,為礦區(qū)提供熱水。

以上研究表明,對礦井地熱資源進行開發(fā)利用具有有益作用。因此,在我國“碳達峰、碳中和”的時代背景下,開展運行礦井地熱水資源開發(fā)利用實現(xiàn)煤-熱共采的研究具有重要戰(zhàn)略意義。然而,目前關于煤-熱共采技術的研究尚不成熟,針對運行礦井地熱水抽采的研究還需進一步補充。筆者基于煤-熱共采理論及技術框架[6],提出了一種地熱水井下非常規(guī)開采方法。分析了礦區(qū)地熱成因及其開發(fā)潛力,明確了礦井地熱水資源儲量,介紹了地熱水井下非常規(guī)開采方法,模擬了生產(chǎn)井群參數(shù)對熱儲層溫度場及生產(chǎn)井水溫的影響,討論了礦井地熱水開采利用所產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟效益。

1 礦區(qū)熱儲成因及開發(fā)潛力

1.1 礦區(qū)熱儲成因

礦區(qū)地熱儲層是由區(qū)域大地熱流、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿及地下水活動、蓋層等多方面因素共同作用形成的。因此,從以上各因素入手(資料[18]顯示,平頂山礦區(qū)煤系地層本身高放射性生熱并不是煤層高溫度場的原因,因此未對巖漿活動進行分析),對礦區(qū)熱儲成因進行分析如下:

1.1.1 大地熱流

圖1顯示了平頂山礦區(qū)地熱信息分布情況,可以看出,平頂山礦區(qū)的熱流為60～80 mW/m2,高于中國(60.4 mW/m2)和全球(64.7 mW/m2)大陸平均熱流,屬于地熱異常區(qū)[19- 20]。并且,礦區(qū)中部和東部熱流較高,為86.5 mW/m2,對應的地溫梯度達41 ℃/km,導致礦區(qū)地層內(nèi)蘊藏大量地熱能。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

平頂山礦區(qū)地質(zhì)演化歷程分為4個演化階段,即太古宙陸核形成階段、元古宙陸塊形成階段、加里東印支期陸塊發(fā)展階段、燕山喜山期陸塊改造階段[21]。經(jīng)歷以上4個階段的演化,礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有3條大型構(gòu)造帶,即背孜魯山斷裂帶、車村下湯斷裂帶和中湯黃土嶺斷裂帶,將礦區(qū)分隔為辛集平頂山凹陸帶、魯山隆起帶和四里店陸緣槽斷帶。此外,區(qū)內(nèi)侵入巖分布在魯山瓦屋以及下湯以南,其中太古窗和古、中元古代為變形侵入巖,中生代侵入巖未變形。文獻[22-23]對平頂山礦區(qū)地質(zhì)特征進行了總結(jié),具體表現(xiàn)為礦區(qū)四周坳陷拱托斷塊隆起,坳陷帶與斷塊隆起間均以高角度正斷層相隔。同時,李口向斜軸線橫穿礦區(qū)中部,且礦區(qū)發(fā)育有魯葉正斷層、西部青草嶺斷層及襄郟斷層等,如圖2所示。

圖2 平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.2 Geological structure of Pingdingshan mining area

由于礦區(qū)處于斷塊隆起區(qū),加之基巖為碳酸鹽巖與蓋層巖石熱導率存在巨大差異,有利于周邊熱量向該隆起區(qū)匯聚,使得該區(qū)域表現(xiàn)出淺表熱異?，F(xiàn)象[24-25]。

1.1.3 地下水活動

平頂山礦區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖發(fā)育廣泛,且在地表形成露頭,從而形成地表水補給通道。地表水下滲后經(jīng)過深部循環(huán)被周圍較高溫度的巖體加熱,形成地熱水。同時,李口向斜軸線橫穿礦區(qū)中部,導致礦區(qū)裂隙相對發(fā)育,與礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層結(jié)構(gòu)(圖2)一同為深部熱量和地熱水的向上運移提供了良好通道。

1.1.4 蓋層

平頂山礦區(qū)蓋層主要為鋁土礦泥巖、煤層和新生代黏土層,這些巖層的孔隙度、熱導率和滲透率都較小,阻隔了熱量和地熱水向上傳遞,因此具有一定的保溫作用,從而有利于熱量的聚集。

1.2 礦區(qū)熱儲開發(fā)潛力評價

筆者利用熱儲體積法(靜態(tài)模型法)對平頂山礦區(qū)東部李口向斜附近的十礦、十二礦和首山一礦區(qū)域的熱儲儲量進行初步估算,然后利用估算法和沉降法對礦區(qū)地熱水資源開發(fā)潛力進行評價。假設李口向斜對稱分布,并取向斜軸線長度為10 km,兩翼長度為6 898 m,熱儲面積為68.98 km2。同時,平頂山礦區(qū)地熱儲為寒武系碳酸鹽巖層,根據(jù)礦區(qū)地層資料將其厚度設為200 m。此外,通過對平頂山礦區(qū)巖層溫度進行統(tǒng)計,可以看出,當深度達到1 000 m時,巖層溫度在45～48 ℃。因此,將熱儲溫度設置為50 ℃。其他參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)地熱資源評價參數(shù)

經(jīng)計算,研究區(qū)域熱儲中熱水量為5.17×109m3,蘊藏熱能為7.63×1017J,折合標煤26.1 Mt。巖石中賦存的熱量為9.58×1017J,折合標煤33.0 Mt。

熱儲地熱水資源靜態(tài)可采量計算公式為

QK=QwRe

(1)

其中,QK為熱儲地熱水資源靜態(tài)可采量;Qw為熱儲地熱水資源量,7.63×1017J;Re為資源回采率,取0.15。經(jīng)計算,礦區(qū)地熱水資源靜態(tài)可采量為1.14×1017J,折合標煤3.9 Mt。

熱儲地熱水資源動態(tài)可采量計算公式為

(2)

式中,QK2為熱儲地熱水資源動態(tài)可采量;Tds為導水系數(shù),取7.3×105m2/a;S1為礦區(qū)中心水位降深,取100 m;tKC為開采時間,取20 a;μ為熱儲釋放系數(shù),取0.1;RK為開采區(qū)域半徑,取3 000 m。

經(jīng)計算,礦區(qū)地熱水資源動態(tài)可采量為1.995 8×108m3/a(2.95×1016J/a),折合標煤1.01 Mt/a。綜上可知,平頂山礦區(qū)地熱資源量豐富,且具有很大的開發(fā)潛力。

2 礦井地熱水非常規(guī)抽采方法

2.1 礦井概況

平煤十礦位于河南省平頂山市東部,距平頂山市區(qū)中心約5 km。煤礦共有7 023名員工,工業(yè)廣場建筑面積約17萬m2,每年因供暖和洗浴的耗煤量可達10 327 t。同時,礦井平均地溫梯度為3.4 ℃/hm,局部地溫梯度高達4.6 ℃/hm。井田內(nèi)碳酸鹽巖發(fā)育廣泛,賦存大量高壓巖溶水,對礦區(qū)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成長期的水害威脅。為預防水害,確保安全生產(chǎn),礦井一直致力于疏水降壓。

目前,礦井地熱水疏放工作主要在己組煤層,其水源為寒武系灰?guī)r水和石炭系灰?guī)r涌水。疏放水溫長期穩(wěn)定在50～52 ℃,水量穩(wěn)定在350 m3/h左右,其中僅有165 m3/h提升至地面后用于洗浴,其余高溫灰?guī)r水與礦井水混合后排至采區(qū)水倉,造成資源浪費的同時,增加了地熱水的處理費用。

2.2 地熱水非常規(guī)開采方法

針對井下水熱型地熱資源,應綜合考量煤層生產(chǎn)和地熱水開采的時空耦合關系,在保證安全、高效采煤的基礎上,利用礦井現(xiàn)有生產(chǎn)、管路系統(tǒng),設計切實可行的地熱水開采方案,從而形成礦井煤-熱共采模式。因此提出了該模式下的地熱水非常規(guī)開采方法,如圖3所示。

圖3 地熱水非常規(guī)開采模式Fig.3 Unconventional mining model of geothermal water

首先,根據(jù)地熱儲層稟賦條件,計算出地熱分布“甜點區(qū)”,從而確定地熱水開采優(yōu)選靶區(qū)。然后遵從優(yōu)先采煤的原則,在靶區(qū)內(nèi)選擇便于施工的巷道,沿其走向向底板熱儲施工鉆井,形成多靶區(qū)線形陣列式井下生產(chǎn)井群。同時,根據(jù)水泵提升能力,在生產(chǎn)井群上部水平設置保溫水倉,以實現(xiàn)水量緩沖的作用。地熱水通過生產(chǎn)井群經(jīng)輸水管道運至保溫水倉,通過綜合分析地面熱負荷需求、地熱水生產(chǎn)量及水倉容量等參數(shù)的相互協(xié)調(diào)關系,制定合理的地熱水提升方案。提升至地面的地熱水經(jīng)處理后,按水溫、水質(zhì)進行綜合利用,如供暖洗浴等。最后將處理后的地熱尾水進行異層回灌。

回灌層位應根據(jù)礦井實際條件確定,當井下鉆井施工條件較差時,選擇地面單深井回灌。此時回灌井位應避開對應井下采空區(qū)、待采煤層、生產(chǎn)井群以及采動影響等區(qū)域。當井下施工鉆井條件較好時,依據(jù)礦井生產(chǎn)條件,在井下遠離生產(chǎn)井群區(qū)域進行多淺井回灌。此外,對于仰斜開采煤層,可將處理后的地熱尾水灌入接近熱儲煤層的采空區(qū)內(nèi),利用采動所產(chǎn)生的底板裂隙作為地熱尾水的下滲通道,從而進行輔助回灌。因此,可利用“一點多線式”或“多點多線式”的開采模式對地熱水進行可持續(xù)開發(fā)。需要注意的是,以上所提深井或淺井是針對生產(chǎn)井群井底標高而言。

本文所提地熱水非常規(guī)抽采方法,需保證回灌水質(zhì)與地熱水質(zhì)相近,防止回灌井堵塞,且實時監(jiān)測儲層、生產(chǎn)井及回灌井壓力,保證采灌均衡。同時,在地熱水生產(chǎn)過程中,可通過調(diào)節(jié)生產(chǎn)井的流量閥調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量和采熱區(qū)域,實現(xiàn)礦井地熱水資源的靈活生產(chǎn),保障資源的最大化開發(fā)。

2.3 地熱水開采方案

針對平煤十礦豐富的地熱水資源,設計了礦井地熱水非常規(guī)開采方案,如圖4所示。將33190工作面機巷底板巷(-890 m水平)作為地熱水開采靶區(qū),沿該巷走向布置生產(chǎn)井群,兩井間隔約150 m。同時,鉆井采用二級結(jié)構(gòu),一級套管水泥環(huán)護井,二級裸眼完井?？紤]到礦井現(xiàn)有水泵流量較小,地熱水先后經(jīng)-870、-680和-320 m水倉,最后經(jīng)乘人斜井提升至地面。由此形成的梯級提升方案可以對礦井現(xiàn)有排水系統(tǒng)進行充分利用,且工程投入較少。但地熱水提運線路較長,導致其提至地面時溫降3～5 ℃,此外,十礦地熱水水質(zhì)檢驗結(jié)果顯示,其具有輕微腐蝕性和結(jié)垢性。因此,輸水管道需進行保溫、抗腐蝕和抗結(jié)垢處理。

圖4 平煤十礦地熱水井下非常規(guī)抽采地熱水模型Fig.4 Geothermal water model of underground unconventional extraction of geothermal water in Pingmei No.10 Mine

3 地熱水非常規(guī)開采數(shù)值模擬

3.1 基本假設

在進行地熱水非常規(guī)開采數(shù)值模擬前,為了便于分析和計算,進行合理假設,具體如下:① 地層熱量全部來源于熱儲,無其他內(nèi)熱源;② 地層巖體物理性質(zhì)為各向同性,且各參數(shù)取其等效數(shù)值;③ 地下水在地層中的流動符合達西定律,且在流動過程中不可壓縮、無相變;④ 地熱水抽采及回灌過程中無損失、不發(fā)生化學反應,且水-巖之間的換熱只有熱傳導和熱對流。

3.2 模型建立

平煤十礦相關資料顯示,33190運輸巷底板巷埋深為1 121～1 148 m,巷道長1 200 m,距底板熱儲約60 m。同時,礦區(qū)恒溫帶深度約為25 m?；诖?建立尺寸為1 200 m×1 200 m×1 500 m的立體模型,模型基點為(0,0,-25 m)。在豎直方向上將模型劃分為3個域,自上而下分別為上覆巖層(900 m),石炭系巖層(260 m)和寒武系巖層(340 m)。此外,據(jù)文獻[26]可知,生產(chǎn)和回灌管路與圍巖之間的換熱對巖層溫度場的影響較小。因此,筆者僅對地熱井的裸眼段(20 m)進行模擬分析,如圖5所示。

3.3 模型邊界條件及參數(shù)

3.3.1 模型參數(shù)設置

模型參數(shù)主要依據(jù)采集試樣的熱物性及礦井資料進行設置,其中,地下水選用COMSOL材料庫中的Water (liquid),地層參數(shù)詳見表2。

圖5 地熱水非常規(guī)開采數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of unconventional mining of geothermal water

表2 數(shù)值模型地層參數(shù)

3.3.2 模型邊界條件及初始值

(1)滲流場。本文數(shù)值模型考慮重力和地表大氣壓(1×105Pa)的影響,設置水壓梯度為1×104Pa/m。同時,模型初始值設置為:1×105+1×104×(-z)Pa,四周設置為無流動邊界。并依據(jù)水壓梯度將上邊界壓力設置為3.5×105Pa,下邊界壓力設置為15.35 MPa。此外,通過控制生產(chǎn)速率pump(分別為10、20、30、40、50,單位為L/s)給定生產(chǎn)井(直徑為0.1 m)的質(zhì)量流率,且回灌井(直徑為0.5 m)的質(zhì)量流率為生產(chǎn)井群質(zhì)量流率的總和。

(2)溫度場。本文依據(jù)地溫梯度設置模型初始值及上、下溫度邊界,四周設置為熱絕緣邊界。具體如下:

Tust=Tr-da(z+25)

(3)

式中,Tust為地質(zhì)體任一點的溫度;Tr為地表溫度,取14.9 ℃;da為礦井平均地溫梯度,取3.0 ℃/hm;z為地質(zhì)體任一點的埋深,m。

此外,將回灌井設置為線熱源,且單位長度回灌井與熱儲基巖間的換熱功率QL為

QL=cwML(Tinj-Ty)

(4)

式中,cw為回灌水比熱容,J/(kg·K);ML為單位長度的質(zhì)量流率,kg/s;Ty為基巖溫度,℃;Tinj為回灌水溫度,℃,其隨季節(jié)發(fā)生變化,本文將其設置為正弦波函數(shù),如圖6所示。

圖6 回灌水溫變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of rechargeable water

4 結(jié)果與討論

4.1 熱儲溫度場特征

圖7為熱儲溫度場隨單井生產(chǎn)速率(各生產(chǎn)井抽采速率相同)和時間的變化云圖。由圖7可以看出,生產(chǎn)初期熱儲回灌井位置處出現(xiàn)了圓形降溫區(qū)域,且隨著采灌的不斷進行,該降溫區(qū)域逐漸擴大。同時,冷水回灌首先影響中間位置的生產(chǎn)井,且影響程度最大。隨著時間的推移,對該生產(chǎn)井兩側(cè)井群溫度的影響逐漸加大。這是因為生產(chǎn)前期回灌冷水對熱儲溫度場的擾動較小,冷量主要向回灌井四周遷移,形成圓形溫降區(qū)。在滲透壓的作用下,隨著注冷量的增加,溫降區(qū)主要沿生產(chǎn)井方向擴展,其邊界首先到達生產(chǎn)井群中間位置。而后溫降區(qū)才逐漸向兩側(cè)井擴展。

圖7 熱儲溫度場變化云圖Fig.7 Cloud map of geothermal reservoir temperature field variation

由圖7還可以看出,溫降區(qū)擴展范圍和形態(tài)受生產(chǎn)速率的影響較大。當單井生產(chǎn)速率為10 L/s時,研究時段溫降區(qū)內(nèi)的等溫線近似為同心圓。且溫降區(qū)半徑約為350 m,幾乎沒有對生產(chǎn)井群造成影響。當單井生產(chǎn)速率為20 L/s時,生產(chǎn)10 a后,溫降區(qū)開始沿熱儲中軸線逐漸拉伸,30 a時溫降區(qū)由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形,且擴展至生產(chǎn)井群的位置。此后,隨著生產(chǎn)速率的增加,生產(chǎn)井群位置的溫度逐漸降低,溫降區(qū)沿橫軸持續(xù)擴展,但沿縱軸幾乎不再延伸,最終形成水桶形溫降區(qū)。這是因為生產(chǎn)井處回灌水被及時抽采,與該處巖石未能充分換熱。同時研究時段內(nèi),回灌冷水對熱儲溫度場的擾動作用也有一定的限度。

綜上,隨著礦井地熱水的不斷生產(chǎn),熱儲溫降區(qū)逐漸擴大,導致后期地熱水品位下降。同時,增加抽采速率會加速溫降區(qū)的擴展,從而影響采熱時間。因此,在進行礦井地熱水采灌設計時,應綜合考慮生產(chǎn)時間和速率對地熱水資源品位和地熱井服務年限的影響。

4.2 回灌方式及溫度對生產(chǎn)井水溫的影響

為明確回灌方式及回灌水溫度對地熱水生產(chǎn)的影響,本文設計了6種回灌方案,見表3。在此基礎上,對生產(chǎn)速率為30 L/s時3號生產(chǎn)井水溫隨時間變化規(guī)律進行分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出,隨著生產(chǎn)時間的延長,生產(chǎn)井水溫均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。這是由于生產(chǎn)前期,熱儲深部地熱水向生產(chǎn)井補給,其溫度相對抽采層水溫較高。因此,地熱水補給過程中會加熱生產(chǎn)井周圍巖體,導致在一段時間內(nèi),補給水的熱損失逐漸減小,生產(chǎn)水溫逐漸升高。當?shù)竭_一定時間時,隨著采灌的進行,熱儲溫降區(qū)不斷擴大,回灌水沿程的吸熱量逐漸減小,使其滲流至生產(chǎn)井時的溫度也逐漸降低,對生產(chǎn)水溫的影響逐漸增大。

表3 地熱水回灌方案

圖8 回灌方式及溫度對生產(chǎn)井水溫的影響Fig.8 Effects of recharge method and temperature on water temperature of production wells

由圖8還可以看出,回灌方式對生產(chǎn)井水溫的影響不大。采用正弦波回灌與恒溫25 ℃回灌生產(chǎn)井的水溫變化規(guī)律相近。因此,在實際回灌時,可不考慮對地熱尾水進行恒溫處理。此外,回灌水溫對生產(chǎn)井水溫的影響主要體現(xiàn)在生產(chǎn)后期。30 a時,隨著回灌水溫的升高,生產(chǎn)井出水溫度相較初始值分別降低了1.00(1.84%)、0.87(1.60%)、0.75(1.38%)、0.73(1.34%)和0.61 ℃(1.12%)。

4.3 生產(chǎn)速率對生產(chǎn)井水溫的影響

圖9為不同生產(chǎn)速率下3號生產(chǎn)井出水溫度隨時間的變化曲線。由圖9可以看出,生產(chǎn)速率對出水溫度的影響較大。當單井生產(chǎn)速率為10 L/s時,出水溫度隨時間呈線性變化,30 a時出水溫度僅升高了0.54 ℃。當單井生產(chǎn)速率大于20 L/s時,出水溫度隨時間的變化大致可分為2個階段:穩(wěn)定生產(chǎn)階段(階段Ⅰ),該階段出水溫度具有緩慢增長的趨勢;熱突破階段(階段Ⅱ),該階段由于冷水回灌形成降溫帶,并逐漸向抽采井逼近,導致對生產(chǎn)水溫的影響逐漸增大,水溫快速下降,最小溫降速率為0.30 ℃/a,最大溫降速率可達0.82 ℃/a。

圖9 不同生產(chǎn)速率下出水溫度隨時間變化曲線Fig.9 Variation curves of water discharge temperature with time at different production rates

由圖9還可以看出,30 a后的生產(chǎn)井水溫隨著生產(chǎn)速率的增加逐漸降低(單井生產(chǎn)速率10 L/s除外),分別為52.89、46.95、41.64以及38.13 ℃。與初始水溫相比,分別降低了1.31(2.42%)、7.25(13.38%)、12.56(23.17%)、16.07 ℃(29.65%)。同時,單井生產(chǎn)速率大于20 L/s時,隨著生產(chǎn)速率的增加,生產(chǎn)井的熱突破時間逐漸提前,分別為17.5、9.3、7.8以及7.0 a。

以上結(jié)果表明,較大的開采強度雖然可以在單位時間內(nèi)換取更多的熱量,但加快了地熱水的溫降速率,導致地熱水資源品位嚴重降低,且縮短了地熱井的服務年限,嚴重影響礦井地熱資源可持續(xù)發(fā)展。

因此,在進行礦井地熱水資源開發(fā)利用時,應綜合考量礦區(qū)需熱量、開采強度對地熱水溫以及儲層熱恢復時間等的影響,從而制定科學合理的地熱開發(fā)方案。

4.4 生產(chǎn)策略對生產(chǎn)井的影響

圖10顯示了不同井位生產(chǎn)水溫隨時間的變化曲線。由圖10可以看出,同一生產(chǎn)模式下,各生產(chǎn)井的熱突破時間及30 a時的出水溫度有所差異。隨著井位逐漸向模型中軸線靠近,其熱突破時間逐漸提前,分別為15.7、9.4、9.3 a。同時,30 a時的出水溫度也逐漸降低,與初始值相比分別降低了0.83(1.54%)、5.03(9.29%)、7.25 ℃(13.38%)。這是因為在滲流作用影響下,回灌冷水主要向中間井位滲流,導致其受擾嚴重。

圖10 不同井位生產(chǎn)水溫隨時間變化曲線Fig.10 Variation curves of produced water temperature with time at different well positions

為進一步分析生產(chǎn)策略對生產(chǎn)井的影響,設計了不同生產(chǎn)方案。即,固定1號井(5號井)或2號井(4號井)的生產(chǎn)速率,使另外兩口井的生產(chǎn)速率變化,同時保證生產(chǎn)井群總的生產(chǎn)速率不變,詳情見表4。

表4 生產(chǎn)方案參數(shù)

通過對以上生產(chǎn)方案進行數(shù)值模擬,可得到不同生產(chǎn)策略下生產(chǎn)井水溫隨時間變化規(guī)律。但由于篇幅較長,加之前文已對井位的影響做出了分析。因此,本節(jié)僅對3號井的水溫變化規(guī)律進行分析,結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同生產(chǎn)策略對生產(chǎn)井的影響Fig.11 Effect of different production strategies on production wells

由圖11可知,由方案1～5,生產(chǎn)井的熱突破時間分別為11.6、12.3、11.3、9.6以及9.5 a?？梢?均衡生產(chǎn)對生產(chǎn)井的服務年限具有有益作用,同時,在總產(chǎn)量一定的情況下,距離中間生產(chǎn)井越遠,其生產(chǎn)速率的調(diào)整對中間生產(chǎn)井熱突破提前的影響越明顯。

由圖11還可以看出,由方案1～5,30 a時生產(chǎn)井的出水溫度分別為47.50、46.74、45.59、47.80以及45.81 ℃?？梢?減小兩側(cè)井生產(chǎn)速率,增大中間井生產(chǎn)速率,可延長中間井的開采年限,并保證開采后期地熱水的品位較高。但增加兩側(cè)井生產(chǎn)速率,減小中間井生產(chǎn)速率,會使得中間井的水溫下降較快,對其產(chǎn)生不利影響。

綜上,回灌井與生產(chǎn)井的空間位置分布以及生產(chǎn)策略對生產(chǎn)井群采熱效率及服務年限有著重要影響。因此,在進行礦井地熱水生產(chǎn)時,應綜合考慮井位以及生產(chǎn)策略對生產(chǎn)帶來的影響。

4.5 對比分析

為驗證本文數(shù)值模擬的可靠性,對一采一灌式地熱水生產(chǎn)模式進行了數(shù)值模擬(生產(chǎn)速率為150 L/s),其溫度場隨時間的變化特征如圖12所示。

由圖12可知,本文數(shù)值模擬(單井生產(chǎn)速率為30 L/s)結(jié)果與常規(guī)開采方法所得結(jié)果的熱儲溫度場隨時間變化規(guī)律基本一致,因此,本文數(shù)值模型具有一定的可靠性。然而,2種方法下的熱儲溫度場仍存在一定差異。前者熱儲內(nèi)最終形成了“水桶形”溫降區(qū),而后者最終形成了“氣球形”溫降區(qū)。這與生產(chǎn)井的個數(shù)及布置形式有很大的關系。

為進一步分析2種開采模式對地熱水開采的影響,對比分析了2種模式下,出水溫度隨時間的變化規(guī)律,結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同生產(chǎn)模式生產(chǎn)井出水溫度變化曲線Fig.13 Variation curves of water output temperature of production wells with different production modes

由圖13可以看出,與常規(guī)開采相比,非常規(guī)開采模式下,中間生產(chǎn)井水溫下降較嚴重,而兩側(cè)生產(chǎn)井水溫下降較緩慢,這對地熱水生產(chǎn)是不利的。然而30 a時,非常規(guī)開采模式下的生產(chǎn)井群出水平均溫度為49.83 ℃,略高于常規(guī)開采模式下的出水溫度(49.55 ℃)。并且,根據(jù)上文分析,通過調(diào)整生產(chǎn)策略可實現(xiàn)生產(chǎn)井群的協(xié)調(diào)開采,延長生產(chǎn)井群的開采期限。因此,本文所提礦井地熱水非常規(guī)開采方法具有一定的優(yōu)勢。

4.6 效益分析

(1)經(jīng)濟效益。平頂山地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),氣候四季分明,年氣溫低5 ℃的天數(shù)大于120 d,常用的供暖方式為燃煤、燃氣集中供暖。礦區(qū)設計供暖17萬m2,礦井地熱利用系統(tǒng)及配套管路建成后,熱負荷以60 W/m2計算,中間熱損失20%,估算住宅地熱供暖成本為供熱每平米只需地熱供暖系統(tǒng)運行成本3元/m2,而當?shù)厝济汗┡\行成本約為15元/m2,每年可節(jié)約203.5萬元。

在礦井洗浴方面,根據(jù)十礦當前洗浴用水統(tǒng)計數(shù)據(jù),夏季洗浴每日用水量為500 m3,平均流量為21 m3/h;冬季每日洗浴用水量800 m3,平均流量為33 m3/h,熱水溫度為45 ℃。相較于鍋爐加熱洗浴用水每年平均可節(jié)約328.9萬元左右。

(2)環(huán)境效益。地熱井建設期在井下鉆井作業(yè),不會對周邊環(huán)境造成影響。鉆井抽水過程中的高溫地熱水進行回收或處理,未排放至渠道和城市地下水系統(tǒng)。井上埋設管道主要沿周邊道路鋪設,未對周邊農(nóng)田及景觀造成嚴重破壞。并且,每年可減少燃煤10 327 t,折合年減少CO2排放量2.69×104t,在碳排放交易市場中按平均60元/t的價格計算可實現(xiàn)的經(jīng)濟效益為161.4萬元。

(3)社會效益。項目實施后可優(yōu)化井下作業(yè)環(huán)境,為煤炭生產(chǎn)提供有力保障,增加產(chǎn)量與效益。并且,有助于推動地熱能的開發(fā)與利用,實現(xiàn)資源的最大化利用,保障我國后期發(fā)展的能源動力。同時,可顯著減少化石燃料消耗和化石燃料開采過程中的生態(tài)破壞,對自然環(huán)境條件改善和生態(tài)環(huán)境保護具有顯著效果。

5 結(jié) 論

(1)評價區(qū)域熱儲地熱水資源量達7.63×1017J,靜態(tài)可采量為1.14×1017J,折合標煤3.9 Mt;動態(tài)可采量為2.95×1016J/a,折合標煤1.01 Mt/a。

(2)生產(chǎn)井水溫受回灌水溫的影響較大,與回灌方式的關系不大。且回灌水溫對生產(chǎn)井水溫的影響主要體現(xiàn)在生產(chǎn)后期。

(3)當單井生產(chǎn)速率大于20 L/s時,出水溫度隨時間的變化可分為穩(wěn)定生產(chǎn)階段和熱突破階段。生產(chǎn)速率對出水溫度的影響較大。隨著生產(chǎn)速率的增加,生產(chǎn)井群熱突破時間提前,且在熱突破點之后的溫降速率加快。

(4)均衡生產(chǎn)對生產(chǎn)井的服務年限具有有益作用。在總產(chǎn)量一定的情況下,距離中間生產(chǎn)井越遠,其生產(chǎn)速率的調(diào)整對中間生產(chǎn)井熱突破提前的影響越明顯。此外,減小兩側(cè)井生產(chǎn)速率,增大中間井生產(chǎn)速率,可延長中間井的開采年限,并保證開采后期地熱水的品位較高。反之會使得中間井的水溫下降較快,對其產(chǎn)生不利影響。

(5)通過調(diào)整非常規(guī)開采模式下的生產(chǎn)策略可實現(xiàn)生產(chǎn)井群的協(xié)調(diào)開采,延長生產(chǎn)井群的開采期限,使其平均溫降速率小于常規(guī)開采模式下的生產(chǎn)井溫降速率。地熱水非常規(guī)開采方法更具優(yōu)勢。

(6)礦井地熱利用系統(tǒng)建成后,可實現(xiàn)礦區(qū)17萬m2的供暖以及全礦職工的洗浴,每年減少燃煤10 327 t,減少CO2排放量2.69×104t,并且每年可為企業(yè)創(chuàng)造693.8萬元的經(jīng)濟效益。