在短暂的地表水注入作用下，地热储层的水化学演化及其环境影响

本研究开发了整合热传递、流体流动和地球化学反应的多物理场建模框架，模拟瞬态地表水注入对地热储层的影响，揭示时空演变的矿物溶解/沉淀区、水质变化及碳酸盐结垢导致孔隙率下降，为优化注入策略提供依据。

施金宇|杨月锁|卢颖|李胜涛|张文清|王磊|丁新明|朱颖琦

教育部地下水资源与环境重点实验室，吉林大学，长春，130021，中国

摘要

地热能在全球范围内得到了迅速发展，但储层压力的下降对其长期可持续性构成了挑战。用地表水补充储层提供了一种潜在的解决方案。然而，这种注入方式对环境和运营的影响仍知之甚少，限制了有效的管理策略。在这项研究中，我们开发了一个多物理场建模框架，整合了热传递、流体流动和地球化学反应，以模拟在地表水注入过程中地热储层的水化学和孔隙度变化。我们识别了注入井周围的明显热效应区、水力效应区、水化学效应区和孔隙度效应区，并量化了它们的时空演变。结果表明，效应区的范围随时间扩展，主要矿物溶解区和沉淀区之间发生了变化，水质发生了改变，且在距离井口0.15米范围内的碳酸盐结垢导致孔隙度减少了0.03%。这些见解可以指导水源选择、注入管理和生产策略，提高注入效率的同时降低堵塞风险。本研究为评估地表水注入地热储层的环境和运营后果提供了框架，支持地热资源的可持续管理。

引言

地热能的可持续利用在能源节约和减排方面发挥着重要作用。长期以来过度依赖化石燃料，加上能源基础设施的不平衡，导致了严重的环境污染（吴和韩，2022年）。作为一种清洁和可再生能源，地热能因其支持碳中和战略和优化能源结构的潜力而受到广泛关注（谢和王，2022年）。目前，全球地热能的总装机容量为12.73兆瓦（安等人，2016年；贝尔塔尼，2016年）。此外，地热能的使用量每年以约10%的速度增长（王等人，2021年；杨等人，2020年）。

然而，地热能的广泛利用导致了储层压力和地下水位的持续下降。尹等人（2023年）观察到，中国天津某些地区的地层压力随着开采量的增加而持续降低。同样，西安地热井的水位下降了超过200米（刘等人，2021年）。这些下降通常归因于地热资源的过度开发和非标准化的回灌做法（张等人，2022年）。然而，雷和朱（2013年）估计，即使在关陶地层中实现100%的回灌率，年平均水位仍会下降0.2米。因此，增加补给量以确保地热储层的可持续开发和利用至关重要。同时，探索外部补给作为缓解水位下降的可行策略仍然是一个研究空白。

用外部水源回灌地热储层可以有效缓解诸如水位下降等环境问题（卡米拉等人，2021年；刘等人，2020年）。工程化水回灌技术通常用于提高石油采收率，目前主要在实验室条件和通过数值模拟进行研究。关于地热系统中工程化补给的现场应用报告仍然较少（埃格贝等人，2021年；塔莱等人，2020年）。回灌过程中的关键挑战包括渗透率降低和储层损坏（张等人，2022年；赵等人，2021年）。志远等人（2017年）使用咸阳2号井的样本进行了岩心灌水实验，发现化学堵塞是主要机制。堵塞率对温度非常敏感，在70°C时达到了15.3%，导致储层严重受损。地热系统中最常见的结垢矿物包括CaCO₃、CaSO₄和硅酸盐矿物。地表水和天然地热流体之间的成分差异表明，注入外部水可能会引入超出单纯注入能力下降之外的额外复杂性。

许多实验模拟研究表明，在高温高压条件下，水与岩石的相互作用会导致次生矿物的形成，从而改变储层孔隙度（戈伦等人，2021年；杨等人，2022年）。盐度、CO₂注入和储层压力变化等因素也被证明会影响矿物相和孔隙度（朴等人，2021年；唐等人，2021年）。此外，引入外部水还会引起地热系统内的显著温度和压力变化（崔等人，2018年；马赫扎里等人，2019年）。在碳酸盐储层中注入过程中，矿物溶解主要发生在注入井附近。因此，在实施外部水注入之前，有必要全面了解注入水、天然高温地下水和储层岩石之间的物理化学相互作用。

了解流体注入过程中的地球化学过程对于地热资源的可持续利用至关重要（哈卡拉等人，2021年）。因此，开发可靠的多物理场反应传输模型对于预测外部流体注入对地热储层的影响以及支持注入项目的规划和风险管理至关重要（高等人，2024年）。这类模型已在各种工程领域得到广泛应用。过去几十年中，已经开发了几种模拟工具，包括TOUGHREACT（基鲁欣等人，2004年）、FEFLOW（吕哈克等人，2017年）、FEHM（潘迪等人，2014年）、COMSOL Multiphysics（吉斯勒和米勒，2021年）和OpenGeoSys（谢等人，2011年），通过耦合热（T）、水力（H）、机械（M）和化学（C）过程来模拟地热系统。在岩土工程中，耦合水化-机械（HCM）模型已被用于研究矿物溶解、粘土膨胀和化学渗流效应（陈和王，2021年；施韦策等人，2018年）。在孔隙尺度上，地球化学模拟器PhreeqcRM，特别是与格子-玻尔兹曼模型结合使用时，使得能够研究碳酸盐岩石中的反应传输（安等人，2021年）。此外，Nernst-Planck多维模型已被用于表征库仑相互作用下的离子传输，并通过COMSOL-PhreeqcRM耦合解决多组分离子守恒和反应传输问题（罗勒等人，2018年）。THC模型也被用于预测地热生产过程中的矿物反应速率和渗透率变化（埃普纳等人，2017年）。然而，关于外部水注入地热储层的地球化学的时空演变尚未有相关报告。鉴于地表水和天然地热流体在化学成分和来源上的显著差异，预测地球化学响应及其时空动态带来了重大的科学和实际挑战。

在注入初期，储层压力-温度场会发生快速变化，注入水、地下水和周围岩石之间不断进行热交换。描述这种动态储层响应需要使用瞬态模型，该模型比稳态方法更有效地捕捉时间依赖性复杂性（麦肯纳和布莱克威尔，2004年）。瞬态系统中的THC过程受到的关注有限，许多研究主要集中在水化-化学相互作用上（罗勒等人，2018年），全面理解这些耦合过程至关重要。局部压力梯度的变化可能会影响地下结构的稳定性，而热负荷的不平衡可能会改变温度场并可能破坏地面条件。此外，诸如结垢和腐蚀等化学反应可能导致管道堵塞、渗透率降低以及井筛和相邻含水层的回灌能力下降（宋等人，2020年）。准确评估每个过程的空间和时间影响对于评估回灌过程中的潜在风险至关重要。对这些多物理场和地球化学相互作用的深入理解有助于改进回灌策略的规划和优化地热能提取的管理（崔等人，2021年）。

本研究通过开发一个耦合的水化模型来预测化学堵塞和溶解过程，引入了一种新的方法。建立了一个THC模型，并特别应用于雄安新区的五米山地层的注水。由于该地区早期建设数据有限，风险评估是通过基于现有数据集对模型参数进行合理概括来进行的。数学框架使用COMSOL Multiphysics与PHREEQC结合求解。校准后的数值模型能够定量评估注入过程中化学引起的储层性质变化，从而支持注入操作的可行性评估。通过解决关于外源水注入在深部地热储层中适用性的关键研究空白，本研究为地热储层管理提供了新的预测和评估方法。

章节摘录

水文地质

该地热场位于河北省白羊甸西部，属于华北盆地冀中坳陷内的牛头隆起的一部分。它北接朗固坳陷，西邻徐水坳陷，东靠八仙坳陷，南接保定坳陷、高阳低隆起和饶阳坳陷。从最新到最老的地层依次为第四纪、古近纪、蓟县系、长城系

研究空白和方法论

尽管对地热能开发的兴趣日益增加，但在瞬态外部注入条件下地热储层的水化学演变仍了解不足。外部水和天然地热流体的不同来源导致化学成分存在显著差异。此外，储层中的水文地球化学过程发生缓慢，注入活动改变了水动力机制，从而影响自然缓慢的地下水流动

概念模型

本研究考虑了一个均匀且各向同性的含水层，顶部和底部为诺伊曼边界。注入井被建模为狄利克雷边界。研究重点关注外部水与天然地下水混合过程中由地热过程引起的化学变化，以及相关的矿物溶解和沉淀。为了简化建模框架并降低计算成本，三维系统被简化为二维系统

速度和温度场变化

图4a和d显示了30天和130天时的温度和流速场分布。含水层内的水力梯度对注入的响应延迟。冷前沿以逐渐减慢的速度前进，形成了一个扩展的低温漏斗（甘古利和莫汉·库马尔，2014a，2014b）。温度梯度在井口附近最高。注入停止后，地热储层内的冷水不断被加热

讨论与结论

在注入期间，受限含水层中的水力梯度逐渐减小，导致流速相应降低。到第50天时，冷却羽流扩展到15.27米的半径。注入停止后，热羽流持续存在，温度梯度随距离逐渐减小。100天后，总热能恢复到了其原始值的约92.73%。

在整个注入过程中，半径内的水化学相变

CRediT作者贡献声明

施金宇：撰写——初稿，验证，软件，数据管理，概念化。杨月锁：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。卢颖：撰写——初稿，软件，方法论，资金获取，概念化。李胜涛：资源，方法论。张文清：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。王磊：撰写——审阅与编辑，监督，方法论。丁新明：方法论，概念化。朱颖琦：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了“深地探测与矿产资源勘探-国家科技重大项目”（编号：2025ZD1010205）和“国家自然科学基金”（编号：42272284、42277189）的资助。