摘要
作为一种发展利用潜力巨大的新型绿色清洁能源,地热能优点众多,包括分布广、储量大、稳定性好、利用系数高等。地热能资源的利用方式分为直接利用和间接利用两种,现阶段地热能直接利用占主导,用途包括供暖、旅游、温泉洗浴、水产养殖、温室种植等方面。合理开发利用地热能可以减少化石燃料的使用,对完善能源结构、改善生态环境和促进社会的可持续发展等有十分重大的意义。天津市是我国较早开发利用地热能的城市,蓟县系雾迷山组地热储层资源丰富,开发历史悠久。虽然天津积极地开展了回灌工作,但开采量依然大于回灌量,这导致了地下水位不断下降。为弥补多年开采造成的采灌失衡,天津地区拟在东丽湖地区利用东丽湖地表水进行地热储层回灌。东丽湖地表水回灌补给地热储层水量的同时,可能会与地下水之间发生水-水物理混合、水-岩化学相互反应等作用,会改变地下水水质,也可能引起回灌地层堵塞等问题。针对上述问题,本文以天津市东丽湖地表水与蓟县系雾迷山组白云岩为主要研究对象,通过水质静态配伍实验、水-岩作用实验和水文地球化学模拟相结合的手段,研究东丽湖地表水回灌至蓟县系雾迷山组热储层中后可能造成的影响,为天津地区地热能可持续利用提供了科学依据。通过地表水和雾迷山组地热水中的结垢预测,判断地表水和地热水中可能产生的垢物类型,为水质静态配伍实验提供分析依据。通过水质静态配伍实验,探究不同比例的地表水与雾迷山组地热水的混合水(1:9、3:7、5:5、7:3、9:1)在常温和储层温度下(90℃)结垢类型和结垢量,用成垢离子分析法分析静态配伍实验结果。研究表明,回灌后碳酸盐为主要结垢产物;90℃时,结垢量比常温大;混合水比例为1:9时,结垢量最小。开展不同回灌水体与岩石相互作用实验,回灌水体包括地表水、雾迷山组地热水和地表水与雾迷山组地热水不同比例的混合水。比例选择为静态配伍实验中沉淀量较小的三种地表水与雾迷山组地热水的混合比例(1:9、3:7、5:5),探究不同回灌水体与岩石之间发生的水-岩反应规律。实验结果显示,整体来讲,地表水体占比越大,Ca~(2+)、Mg~(2+)减小量越多,说明越容易发生沉淀;回灌水体中TDS越大,越容易发生沉淀;当地表水与雾迷山组地热水混合比例为1:9时,60天相对反应前TDS的减小量最小。Ca~(2+)含量反常,呈增加趋势,说明该比例最适合回灌;地表水回灌时存在NaCl析出的现象。利用TOUGHREACT程序拟合水-岩作用实验结果,校正反应动力学参数。利用校正后的反应动力学参数,建立对井间歇式回灌模型,预测间歇回灌条件50年条件下,不同回灌水体回灌后对储层渗透率和矿物溶解沉淀的影响。模拟结果显示,在回灌比例为1:9时,储层平均渗透率增大;回灌比例为3:7时、回灌比例为5:5时、地表水回灌时,储层平均渗透率减小,且随着地表水的增加,平均渗透率减小量变大。得出1:9是最合适的回灌比例;除1:9回灌比例下,地表水越多,越不利于回灌。不同距离上的渗透率变化显示,地表水比例越大,沉淀的范围越大;最大渗透率均出现在井口处,说明不同水体的水化学成分对井口的影响尤其明显,最小渗透率均出现在105m处;同一水体,同一位置处,时间越长渗透率变化范围越大,变化越明显;同一时间,同一位置处,地表水比例越大,渗透率变化越明显。不同距离上的矿物体积变化显示回灌后发生方解石、菱镁矿沉淀,白云石溶解。在0~35m范围内,方解石沉淀和白云石溶解现象明显,35~700m范围内菱镁矿沉淀现象明显;同一水体,同一位置处,时间越长方解石、菱镁矿沉淀量越大、白云石溶解量越大;同一时间,同一位置处,地表水比例越大,方解石沉淀量越大、白云石溶解量越大;在0~180m范围内,同一时间,同一位置,地表水比例越大,菱镁矿沉淀越小,在180~700m范围内,地表水比例越大,菱镁矿沉淀量越大。开展参数敏感性分析,探究不同温度、不同pH值、不同CO_2分压、不同初始水化学组分对碳酸岩溶解或沉淀的影响。研究结果显示:温度越高,白云石越容易沉淀;CO_2分压越大,白云石溶解度越大;pH值越小,白云石越容易溶解;Ca~(2+)和Mg~(2+)含量越高,白云石溶解量越小,白云石越容易沉淀。综上所述,本文研究采用室内实验方法与数值模拟技术相结合的研究方法,阐明了东丽湖地表水回灌条件下对地热储层产生的堵塞影响,能够为天津地区深部岩溶型地热的可持续开发和利用提供理论依据和技术支撑。