鄂爾多斯盆地東南緣巖溶熱儲對井回灌示蹤試驗

薛宇澤，張玉貴，麻銀娟，薛超

（1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田地質集團有限公司，陜西 西安 710021；3.陜西省一三一煤田地質有限公司，陜西 韓城 715400）

地熱能是一種穩定高效的可再生清潔能源，充分開發利用地熱資源是調整國家能源結構、實現雙碳目標的有效途徑[1-2]。巖溶熱儲地熱作為水熱型地熱開發的一種類型，具有分布廣泛、出水量大、易回灌和對環境影響較小等特點[3]?；毓嗄軌蚓S持熱儲壓力，是巖溶地熱系統可持續開發的一項重要工作，但回灌也可能引起開采井溫度下降，縮短地熱系統壽命。正確把握采灌井之間的水力連通狀況，是實現地熱尾水科學回灌的先決條件[4]。由于巖溶熱儲具有較強的非均質性與各向異性，其水動力過程非常復雜[5]，現有技術下無法直接測定采灌井之間的水力聯系情況。示蹤試驗可量化流體流動狀態[6]，刻畫流體運移特征，是研究巖溶熱儲系統井間連通性最直觀的技術手段[7]。

云智漢[8]選取硫氰酸銨（NH4SCN）為示蹤劑對咸陽孔隙性熱儲進行示蹤試驗，在試驗期內未檢測到示蹤劑，對其產生的原因進行了分析。陳玉林[9]在西安某小區對井同層位回灌試點進行了地熱水示蹤試驗，約42 d 開釆井內示蹤劑開始顯現，52 d 達到峰值，試驗證明采灌井地熱儲層是連通的，示蹤劑在地下運移的速度為0.19 m/h。吳麗莉等[10]在山東鄆城開展同層對井回灌試驗和示蹤試驗，結果表明巖溶熱儲層內水力聯系強。龐菊梅等[11]以氟苯甲酸作為示蹤劑對雄縣地區開展了示蹤試驗，結果在觀測井群中未檢測到示蹤劑，并運用水平裂隙介質模型對長期回灌可能引起的熱儲冷卻進行了分析預測。劉桂宏[12]采用等效滲流通道模型來定量解釋非均質孔隙型熱儲的示蹤試驗數據，并提出基于示蹤試驗數據的非均質熱儲參數反演與開采井熱突破預測的數值模擬方法。李元杰[13]利用鉬酸銨和碘化鉀在北京城區進行對井回灌示蹤試驗，根據示蹤試驗結果求得滲透系數及區域熱儲巖石裂隙率，并對熱儲溫度場演化進行模擬研究。

上述研究多集中于北京、西安、德州、雄安等地熱資源豐富的地區，對于鄂爾多斯盆地東南緣韓城地區的地熱研究尚不清楚。韓城地區近年來打出地熱井七眼，取得初步成效，但受開采利用成本、技術條件、管理體制等因素的影響，該區地熱資源開發利用程度總體上規模小、程度低、利用形式單一，造成地熱資源的浪費[14]。以鄂爾多斯盆地東南緣韓城地區巖溶熱儲為例，對該地區某地熱工程開展對井回灌示蹤試驗，分析采灌井之間巖溶通道數量、幾何形態、地下水流速等問題，預測長期回灌條件下開采井溫度變化，為該地區巖溶熱儲地熱資源開發提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 區域地質構造

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部[15]，可劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環坳陷及西緣沖斷帶6個一級構造單元[16]（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元劃分Fig.1 Structural unit map of Ordos Basin

渭河盆地處于秦嶺造山帶與鄂爾多斯地塊之間[17]，盆地整體表現為凹陷和斷凸相間排列，可依次劃分為3 個區塊，分別是西部隆起區、南部坳陷區以及北部斜坡區，其中南部坳陷區包括西安凹陷、固市凹陷、驪山凸起及咸渭凸起4 個二級構造單元；北部斜坡區包括合陽—韓城淺凹、蒲城—富平淺凹及乾縣斜坡3個二級構造單元[18]（圖2）。

圖2 渭河盆地構造單元劃分Fig.2 Structural unit map of Weihe Basin

韓城地區地處祁呂賀蘭山字形構造的前弧東翼，秦嶺巨型緯向構造帶的北緣，新華夏系汾河陸槽南端，地跨汾渭地塹和鄂爾多斯渭北隆起帶2個構造單元，是汾渭地塹與鄂爾多斯地臺向斜的陜北盆緣褶皺區的過渡地帶[19]。斷層是該區最發育的構造形式，其中韓城F1 大斷裂為研究區內規模最大的斷裂[14]，為正斷層，走向NE（北東）20°～50°，傾向SE（南東），傾角介于65°～75°[20]，該斷裂自中生代以來活動至今，其下盤碳酸鹽巖或涑水群片麻巖多與汾渭地塹的新近系、第四系黏性土對接[19]。韓城地區以該大斷裂（圖3）為界分為2 個單元：大斷裂東南部上盤為斷陷盆地區，沉積了巨厚第四系松散沉積物，形成了地形平緩地區；大斷裂西北部下盤為基巖山區，屬于渭北隆起帶的一部分，區內溝谷縱橫，地形復雜，是煤炭資源的主要開發區[21-22]。區內主要地層由老到新為太古界涑水群、古生界奧陶系、寒武系、石炭系、二疊系、中生界三疊系和新生界新近系與第四系。區內地熱資源成因類型分為2 類，分別為斷裂裂隙帶地溫異常型和正常地溫梯度增溫型地熱資源。前者為帶狀熱儲，主要分布在韓城市芝陽鎮清水村一帶；后者為面狀熱儲，廣泛分布于韓城F1 大斷裂東部斷陷盆地內，為奧陶系馬家溝組與峰峰組碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲，熱儲頂板埋深介于2 109.00～2 902.55 m。

圖3 鄂爾多斯盆地東南緣韓城F1大斷裂位置Fig.3 Hancheng F1 fault location in the South eastern margin of Ordos Basin

1.2 地熱成因分析

在韓城F1 大斷裂西北部基巖山區，巖溶水主要由大氣降水與地表河流補給，F1 大斷裂褶皺裂隙構造集中，碳酸鹽巖破碎，有利于巖溶地下水的富集（圖4）。由于F1 大斷裂西北部碳酸鹽巖層幾乎全部與東南部新生界及三疊系地層接觸，巖溶水因此被阻隔[18]，只能沿著F1大斷裂繼續向深部運移，運移至一定深度后進入斷陷區內奧陶系地層；奧陶系峰峰組與馬家溝組地層由灰巖、白云質灰巖、白云巖夾薄層泥灰巖組成，巖溶裂隙發育，因此，巖溶水進入斷陷區后可以很好地儲存下來。研究區的地殼相對較薄，同時深部古老的結晶基底及較密的巖層具有較高的熱導率，進一步促進熱量向上傳遞，形成熱源加熱巖溶水。斷陷盆地內沉積較厚的第四系、新近系、三疊系、二疊系及石炭系地層，揭露厚度介于2 109～2 906 m，巖性以砂黏土、砂泥巖為主，其孔隙度小，滲透率較低，導熱導水能力差，是較好的隔熱保溫蓋層[22]，地熱水得以保存。當巖溶地熱水遇到斷裂時向上運移形成溫泉，或通過人工鉆井進行開采。

圖4 鄂爾多斯盆地東南緣韓城F1大斷裂地熱成因模式Fig.4 Geothermal genetic model of Hancheng F1 fault in the South eastern of Ordos Basin

1.3 地熱對井系統介紹

該對井系統位于韓城F1 大斷裂東南部斷陷區內，有1 口開采井和1 口回灌井（圖5）。開采井為1號井（直井），三開井身結構，一開井徑444.5 mm，二開井徑222.2 mm，三開井徑152.0 mm，完井垂深3 315.60 m，揭露奧陶系峰峰組和馬家溝組厚度為396.90 m；回灌井為2號井（斜井），完井垂深3 406.72 m，完井斜深3 443.10 m，一開井徑444.5 mm，二開井徑241.3 mm，三開井徑152.0 mm，揭露奧陶系峰峰組和馬家溝組厚度483.03 m。采灌井井口距離為12.70 m，井底間距300.00 m。

圖5 地熱對井成井結構示意圖Fig.5 Sketch diagram of geothermal double wells

2 示蹤試驗過程

2.1 示蹤劑選擇

示蹤劑的選擇應遵循以下規則：①具有足夠的化學穩定性和熱穩定性，易溶于地熱流體但不被儲層巖石吸附，與儲層流體不發生化學反應，與回灌流體配伍性好；②熱儲中示蹤元素背景值足夠低且波動??；③對人體、動植物以及周邊水體和其他各類工程無損害，不危害環境；④檢測靈敏度高，且檢測下限低于或接近本底背景值；⑤多元示蹤時，示蹤劑相互之間無干擾；⑥現場可操作性強，經濟性滿足設計要求[23]。經過廣泛調研以及背景值測試，初步選定NH4SCN 作為試驗示蹤劑并對示蹤劑配伍性、熱穩定性及吸附性等進行了前期試驗，結果表明NH4SCN 與水的互溶性好，在高溫條件下能夠保持穩定不分解，并且不與地層物質發生化學反應，不被地層吸附，前期試驗結果證明NH4SCN滿足示蹤劑的選取要求。

2.2 示蹤劑投放、采樣及化驗

示蹤試驗是在依托工程供暖季開始后進行的，供暖季開始于2021-11-15。根據建筑末端熱負荷實際需求，1號井開采量為35.8 m3/h，出水溫度為82.6 ℃；2 號井采用自然回灌的方式，回灌量為35.8 m3/h，回灌溫度為51.8 ℃，回灌率100%。示蹤試驗從2021-11-23T09:00:00 啟動，在示蹤試驗正式啟動前，對井系統已經持續運行了7 d，回灌井內已無雜質。將1.3 t硫氰酸銨放置特制容器內，加入1號井地熱源水進行攪拌，至NH4SCN 完全溶解，然后將NH4SCN 溶液快速泵注入2 號井中。在注入示蹤劑后立刻開始采樣測試，初期采樣頻率為1 d/次，在首次檢出示蹤劑質量濃度異常后加密為6 h/次。受依托工程供暖季的影響，示蹤試驗結束于2022-03-15，歷時112 d，采集水樣447件，所采水樣在現場用國家標準方法分光光度法進行SCN-（硫氰酸根離子）質量濃度測試。示蹤劑注入之前進行了3 次回灌尾水空白樣測試，SCN-的質量濃度分別為0.090、0.094、0.095 mg/L，求取平均值為0.093 mg/L，作為地熱水的SCN-本底背景值。

3 理論模型

3.1 示蹤劑運移理論

巖溶熱儲最大的特點是其不均一性比較強，在非均質熱儲中，基于裂隙介質溶質運移模型，假設以穩定的流量開采與回灌，回灌水沿著N條通道（如裂隙通道帶）從回灌井向開采井運移，且在通道中的流動是一維的。忽略分子擴散的作用，將示蹤劑1次性注入到回灌井中，其中一部分沿著通道向開采井運移，結合示蹤劑的質量守恒，則開采井示蹤劑質量濃度的表達式為[5,23]：

式（1）—式（4）中：C(t)是開采井中示蹤劑質量濃度，單位kg/m3；N為優勢裂隙通道數；ρw為水密度，單位kg/m3；mi為流經第i條裂隙通道中示蹤劑的質量，單位kg；xi為第i條裂隙通道長度，單位m；qout為開采率，單位kg/s；t為時間，單位s；Di為第i條裂隙通道中的縱向彌散系數，單位m2/s；ui為第i條裂隙通道中的流速，單位m/s；qi為第i條裂隙通道中的回灌率，單位kg/s；Ai為第i條裂隙通道截面積，單位m2；φ為孔隙度，單位%；αLi為第i條裂隙通道中的縱向彌散度，單位m；m為投入示蹤劑的質量，單位kg；qin為回灌率，單位kg/s。

在式（1）中，等號左邊通過示蹤試驗已得到結果，等號右邊有較多的未知數，如通道橫截面積、縱向彌散度無法直接測定，需要通過示蹤試驗結果反分析求得。研究采用美國環境保護局研發的Qtracer2 軟件[24]對巖溶通道相關參數進行反演計算，該軟件是一款基于示蹤劑質量濃度歷時變化曲線解譯計算含水介質的幾何形態、相關水文地質參數的軟件，該軟件已在多個項目驗證[25-28]。

3.2 熱突破模型

通過示蹤試驗反演得到的巖溶裂隙通道參數可帶入熱突破模型中計算開采溫度的變化規律，假設水-巖界面溫度相等，采灌井之間存在N條流動通道，則開采井中的水溫T(t)可通過以下表達式計算[3,11]：

其中Ti為第i條通道出口處的溫度，表達式為：

式中：T（t）為開采井出水溫度，單位℃；Ti為第i條通道出口處的溫度，單位℃；h為通道平均直徑，單位m；x為巖溶裂隙通道長度，單位m；T0為儲層原始溫度，單位℃；cw為水的比熱容，取值4 200，單位J/（kg·℃）；kr為儲層的導熱系數，取值2.5，單位W/（m·℃）；ρw為水的密度，取值1 000，單位kg/m3；ρr為熱儲層的密度，取值2 400，單位kg/m3；cr為熱儲層比熱容，取值900，單位J/（kg·℃）；(ρc)f表示流動通道中材料的體積熱容，單位J/（m3·K）；A為通道橫截面積，單位m2；φ為孔隙度，取值6，單位%。

4 數據結果分析

4.1 示蹤劑響應特征分析

4.1.1 曲線一般特征

在示蹤劑投放后25 h時檢測到SCN-質量濃度前暈；175 h 時SCN-質量濃度比本底值已經高出一個數量級，為1.225 mg/L；325 h 時SCN-質量濃度達到峰值，為11.154 mg/L，高出背景值3 個數量級，示蹤效果明顯，隨后SCN-質量濃度開始下降；14 d 至38 d，SCN-質量濃度下降速率比較快；38 d 后下降變緩，最終趨于穩定；供暖季結束時的SCN-示蹤劑質量濃度為1.974 mg/L。共采集樣品447 件，繪制SCN-質量濃度曲線變化圖（圖6），整體來看曲線形態為單峰型，試驗過程只出現了1 個質量濃度峰值，峰值陡升陡降；在供暖季結束時示蹤劑質量濃度尚未達到本底值，出現了拖尾現象。

圖6 開采井示蹤劑（SCN-）質量濃度Fig.6 Tracer（SCN-）concentration data curve of production well

4.1.2 回收率

據反演計算NH4SCN的回收質量為357.21 kg，試驗共投入1 300 kg 示蹤劑，回收率為27.477 %，表明有27.477 %的回灌水被開采井捕獲，剩余的回灌水通過其他裂隙出口或通道流走，向其他方向排泄。同時本次回灌率保持在100%，表明2 井之間存在其他裂隙與支管道的補給。

4.1.3 示蹤劑運移時間及速度

示蹤劑在開采井首次被檢出的時間為第25 小時，峰值時間為第325 小時，示蹤劑在地下的平均運移時間為1 217.3 h。示蹤劑初現時的流速為地下水的最快流速，出現峰值時的流速為平均流速[29]，因此，地下水的平均流速是根據示蹤劑的平均運移時間計算，為8.87 m/d，最快流速是根據示蹤劑最快到達時間計算，為432.00 m/d。

4.2 巖溶裂隙通道分析

4.2.1 巖溶通道幾何特征

示蹤劑運移距離可以視為是巖溶裂隙通道長度，但實際長度不能直接確定，通常以投放點與接收點間直線距離來代替，國外學者經過大量統計分析，認為巖溶裂隙通道的實際長度約等于直線距離的1.5倍[25]。對井井底直線距離為300 m，修正后通道長度為450 m；采灌井間的巖溶管道體積為43 573 m3，巖溶通道濕表橫截面積為96.842 m2，通道平均直徑為11.1 m，縱向彌散系數為0.011 2 m2/s，地下水最大流速為432.00 m/d，平均流速為8.87 m/d。

4.2.2 巖溶裂隙通道示意圖

曲線形態呈單峰型特征，推測2 井之間只存在1條直接聯系巖溶裂隙通道，峰值陡升陡降，說明2 井間的水力聯系強烈，同時SCN-質量濃度響應曲線出現拖尾現象，推測2 井之間發育有溶潭，溶潭稀釋了示蹤劑質量濃度，導致質量濃度曲線表現出拖尾現象[29]。示蹤劑的回收率為27.477%，表示27.477%的回灌水從回灌井流向開采井，推測2井之間巖溶管道還可能存在其他的裂隙出口或者巖溶通道分流；同時回灌率一直保持在100%，表明有其他支管道向開采井匯流補給（圖7）。

圖7 采灌井之間巖溶裂隙通道推測示意圖Fig.7 Speculation diagram of karst fracture path between production well and reinjection well

4.3 熱突破預測

將相關參數帶入式（5），根據現有回灌參數計算，預測100 a內開采水溫變化情況（圖8），結果顯示在最開始2 a 開采井溫度下降最快，到第3 年下降速度逐步放緩，持續開采100 a 后，開采井的溫度下降了約8.31 ℃。

圖8 開采井溫度變化Fig.8 Temperature variations in production well

該預測是在采灌系統持續不間斷運行為假設前提進行的模擬計算，實際工況下抽水回灌不會持續進行，1 a 內里供暖期僅有4 個月，經過1 個停采期之后，對井系統地下熱儲資源得到大地熱流的充分補給，熱儲層在得到一定程度恢復后重新進入下個開采循環，因此，實際情況會比模擬計算更“樂觀”。

5 結論

1）韓城F1 大斷裂是研究區內斷陷盆地巖溶水的主要補水通道，巖溶水通過F1 大斷裂從下盤基巖山區向深部運移進入上盤斷陷區奧陶系地層，受到變質巖基底加熱形成地熱水；新生界松散層作為蓋層，有效阻止熱量散失，更好地保存巖溶地熱水。

2）選取NH4SCN 作為示蹤劑，開展了對井回灌示蹤試驗。示蹤劑回收率為27.477%，結果表明：采灌井之間存在1條直接聯系的巖溶裂隙主通道，長度約為450 m，同時可能存在其他次級通道進行分流或匯入；推測在主通道上發育有溶潭。

3）結合示蹤劑質量濃度歷時變化曲線，運用Qtracer2 軟件進行反演計算，計算了巖溶裂隙通道的儲水量、濕表面橫截面積、通道平均直徑、地下水最大流速、地下水平均流速等參數，結果表明采灌井之間的水力聯系密切。

4）根據開采井溫度預測，開采井溫度2 a 內下降最快，第3 年開始下降速度逐步放緩，持續開采100 a后開采井的溫度降低了約8.3 ℃，預測在現有生產工況下，開采井出水溫度在100 a 內不會劇烈下降，符合生產要求。