Ⅰ 地熱回灌操作技術
經過在沉積盆地型地熱田中多年回灌實踐和探索,總結出一套回灌運行操作技術方法。它不僅是國內外其他地區類似地熱田回灌開采運行中成功的先進技術,同時也是結合當前國家地熱勘查、評價相關規范和法規,充分考慮回灌工作的發展趨勢而形成的。回灌是一項系統的復雜工程,實際日常生產運行中,綜合影響因素和注意事項較多,各環節都應有科學合理和可操作性強的技術要求和規程,才能使相關工作都做到有章可循,以規避各類隨意行為,防止事故發生,提高地熱回灌率。
1.回灌前准備工作的技術要求
(1)合理選擇適宜的回灌方式
為了保證回灌系統在真空密封狀態下進行,宜採取通過回灌水管內進水的方式進行回灌(需要反復進行回揚方式除外),回灌管應下至回灌井內靜水位以下5～10m的深度,整個運行系統應嚴格密封。地熱回灌應遵循原水同層回灌(成井目的層相同)的原則;不能做到同層回灌的異層采灌系統,回灌流體質量應好於回灌層的流體質量,保證回灌水對熱儲層無傷害。
(2)回灌系統管路檢查
地熱回灌管網系統應保持密閉狀態,且應始終保持正壓,各種監測儀表、儀器的運轉正常,過濾器的精度須達到規定要求。回灌運行前,要對整個系統管網系統進行徹底沖洗,保證系統管道及設備在充分清潔後再使用,以消除系統管路內的雜質被傳輸到回灌井內,影響回灌效果。
2.回灌啟動時的技術要求
在回灌運行正式啟動時灌量不宜過大,應從小到大逐漸增加灌量,如一開始就採用大流量回灌,容易造成井下濾層破壞。並且注入量由小到大可以盡可能的排除井管內的空氣,避免井管內空氣由於來不及逃逸而隨回灌流體壓入儲層內,產生氣堵。密切觀測回灌過程中壓力變化,調節回灌量,以壓力表、水位數據的變化情況來判斷回灌能力,待確認回灌通暢時,再逐漸增加灌量,直至正常運行。加壓回灌時,壓力也應從小到大逐漸增加。在運行一段時間後,回灌井內水位基本穩定(波動范圍在5～10cm/30min)或水溫無明顯變化時,分別在開采井井口、回灌井井口同時取樣送檢進行流體質量化驗分析。
3.回灌運行中的技術要求
在回灌運行過程中,應確保整個回灌系統的密閉狀態,對管網中的介面部分應隨時進行密封檢修。回灌運行時要密切監視開采井、回灌井的水位、開采量、回灌量、水質及過濾器兩端壓力、管路壓力等數據變化情況,正確判斷回灌系統的運行狀況,針對各種堵塞情況及時採取有效措施,如對於回灌管路的堵塞,可直接用連續反沖洗方法處理;對於回灌井本身產生的堵塞,可用間歇停泵空壓機氣舉洗井或回揚反沖洗的方法進行處理。
回灌運行時如果灌量隨著時間的延長而逐漸下降,同時反沖洗井效果不甚理想時,可採用加壓回灌、間歇回揚方式,以增加回灌量。在常壓自然回灌的基礎上,待回灌水管和放氣閥溢水後,關閉放氣閥從小到大緩慢加壓進行壓力回灌運行操作。如果壓力回灌時,灌量仍在不斷減小,說明系統堵塞嚴重或回灌井濾水管內表面上隨回灌流體進入的雜質不斷增加,回灌阻力增大,需要暫時停止回灌操作而採取間歇回揚洗井措施來疏通濾層,清除井下集聚沉澱的雜質,恢復回灌能力。當回灌井出水量恢復至初始出水量及水清砂凈後,停止回揚,再進行下一次常壓回灌與加壓回灌。抽水回揚後由於井內流體動水位下降,井管內充滿空氣,需要及時排氣。
4.停灌期間系統設施的養護
在地熱回灌系統停止使用期間,要認真封閉開采井、回灌井井口,對系統各部分進行密封處理,並且利用自動控制的氮氣保護裝置,將停用的地熱井液面以上的井管部分充滿惰性氣體,隔絕空氣,防止空氣滲入井管,造成氧化腐蝕。
5.地熱回灌系統中相關監測工作
為分析地熱回灌的綜合效應,其中一項較為重要而又基礎的研究內容就是對比分析回灌前後地熱井儲層參數的變化特徵。地熱回灌過程中的相關數據監測,並不僅僅局限於監測地熱田本身和地熱開發對熱儲層參數的影響,對與開采井、回灌井有關參數的定期監測應同時進行。水位、水溫、水質是最基本的監測內容。回灌運行前、停灌期間對開采井、回灌井進行靜水位及對應液面溫度觀測尤為重要。同時為保證回灌進展順利,在地熱回灌系統運行過程中,相關回灌開采動態信息也要定期實時監測,因為通過對運行數據的監測和數據分析,可以更多的掌握和分析出不同地層構造對回灌量的影響程度,回灌對維持儲層壓力、抬升區域水位的綜合影響。觀測項目要包括:回灌運行時開采井、回灌井動水位及對應液面溫度;開采量(開采總量和瞬時開采量)、回灌量(回灌總量和瞬時回灌量);井口壓力;過濾器進口與出口端壓力值及壓差;排氣罐口壓力、氣體組分和攜帶物、氣體釋放量、水質等。水位的監測頻率以每月1～2次為宜;各種壓力應隨時監測;氣體分析應在回灌初期進行。有些數據依靠普通的儀表儀器或常規取樣化驗即可獲得,但深層次的研究數據則需要特別手段,如懸浮物、細菌的定性定量分析需藉助油田精細檢測技術,深部熱儲層的溫度、壓力情況需通過井下測溫測壓技術等。
回灌流體的水質、儲層回灌前後流體化學性質及成分的變化是地熱回灌中需要重點長期監測的一項內容。地熱回灌各階段所獲得的水質跟蹤監測數據可及時發出警示,提醒及時採取相應防範措施。另外盡管在地面設施上已充分考慮了當溫度壓力變化可能造成的化學物理堵塞問題,但低溫回灌流體注入儲層後,與地層局部熱流體混合再發生的化學變化是一個很復雜很隱蔽問題,導致的潛在堵塞、腐蝕或結垢影響需作詳細地專項分析,長期跟蹤檢測。回灌系統水質監測項目應包括:全分析、酸性樣、鹼性樣、氣體樣、懸浮物、溶解氧含量、侵蝕性二氧化碳、過濾器殘渣樣、細菌樣(鐵細菌、硫酸鹽還原菌、腐生菌)等。回灌初期、中期各取樣監測一次;過濾器前、後要分別取樣;回揚早、中、晚期分別取樣;特殊情況如出現異常或專項試驗研究則要加密取樣和進行針對性取樣。
回灌對熱儲層地溫場的影響是在進行大規模回灌的情況下首先要監測的內容。由於地熱井開采時的流體溫度(即使是最大穩定流溫)也並不能完全真實地代表深部熱儲層的溫度,因此要取得地熱回灌對熱儲溫度場影響方面的實測數據,應有針對性的在某一回灌連續性較好的地點,在回灌停止時間段內,選取不同目的層的回灌井進行井下連續穩態測溫測壓工作,獲得熱儲層內各井段在一個停灌周期內的井溫、壓力資料。回灌井測井工作應從停灌後立即開始至下一次回灌來臨之前這一時間段內連續進行。最好每月進行一次;如考慮工作成本,也要做到每2個月測井一次。通過這些連續性的測井資料,才能更好的了解回灌後儲層溫度場、壓力場逐月變化情況和發展勢態。
Ⅱ 回灌堵塞類型
儲層類型不同,產生堵塞的主要原因也不同。沉積盆地型地熱田多年地熱回灌實踐表明,基岩岩溶裂隙型儲層以裂縫為主,裂縫連通性能較好,在做好洗井、地熱尾水處理等前提下,堵塞現象較少,甚至產生負壓回灌,回灌率能達到80%以上,甚至100%回灌。而孔隙型熱儲層由各種原因引起的堵塞問題則較為復雜,以華北平原沉積盆地型地熱田新近系熱儲層為例,在斷層活動量微弱、盆地以大范圍整體沉降為特徵的地質背景下,辮狀河、曲流河發育,形成了沖、洪積扇和河流相堆積。不同沉積微相控制著儲層的發育特徵,造成碎屑岩層多孔介質孔隙截面積較小,流通主要受孔隙喉道控制;孔隙喉道表面粗糙,形狀彎曲多變、不規則,難以進行描述和模擬。回灌流體以水平方向運動為主,與碎屑顆粒接觸面積大,需克服排替壓力、孔道表面摩阻力,從而使回灌流體流速低,在其他因素影響下,易產生堵塞。
由國內外專家對各國不同熱田的多個回灌事例進行調查考證的有關統計數據表明,有80%的回灌井出現了堵塞,情況極其復雜,可能是單一或多種原因復合作用的結果,其中懸浮物引起的堵塞所佔比例較大(表7-1)。
表7-1 回灌堵塞原因統計表
1.懸浮物堵塞
地熱流體中由懸浮固體顆粒引起的回灌系統堵塞最為常見,懸浮物堵塞主要由回灌流體與儲層相互作用引起,與流體內所含細小顆粒的成分、大小有關,與儲層、孔隙參數如大小、形狀、扭曲度以及運移過程、流體動力、慣性力等有關。注入井內的流體中運動的細小顆粒在地層中的某一位置發生阻塞時,該位置的壓力和懸浮流速已經不能維持顆粒的正常運移,使顆粒被駐留,從而形成阻擋環狀區域。如:由於固與液密度不同,重力作用使比流體運動慢的顆粒就可能駐留沉澱在砂岩的某個位置而不再隨流體運動;固相顆粒的浮力使之偏離原來的慣性流向而與地層砂岩壁面的紋理相接觸並沉積下來;在非球形或不規則的剪力場水力影響作用下,顆粒會向吸附面作側向移動並被吸附;由於尺寸形狀關系,顆粒不能跟隨流體在細小、扭曲的路徑中運動,它們會碰撞到地層砂岩上,而被吸附攔截;散亂性的布朗運動使顆粒從主流中分散開去並被困於地層某個角落。
懸浮物成分的定性定量研究測試在天津地區地熱回灌中作過較為詳細的工作,試驗中採用0.45μm聚四氟乙烯過濾膜對回灌流體中的懸浮物顆粒進行過濾,並對截留物質進行SEM分析。統計結果表明:某些地熱井僅過濾了50mL的水量,就在過濾膜上積累了較多的顆粒物。其中新近系孔隙水9個樣品中6個有濾出物,佔67%;基岩裂隙水18個樣品中16個有濾出物,佔89%。檢測出的成分有:斜長石,石英,鉀長石,Mg和Fe的硅酸鹽,Fe(或Zn,Cu,Hg)的硫化物或氧化物,CaCO3等。根據濾出量的多少可分為高、中、低、無四檔含量。濾出物含量為高檔時,成分以Zn,Fe的硫化物,NaCl和斜長石為主;中檔時以Fe的硫化物,NaCl,斜長石為主;低檔時以Fe的硫化物,CaCO3,NaCl,石英為主。值得注意的是:從高檔向低檔,濾出物的檢出成分逐漸復雜,從低檔向高檔,濾出物則向某幾種成分集中。此外,還對處理回灌流體的過濾棒截留物進行了分析,表72是天津市東部地區開采井(DL-25:館陶組,1331m)的循環尾水回注到另一回灌井(DL-25B:館陶組,1360.19m)前被過濾棒截留的固體成分分析結果。由分析數據可知,Zn,Fe的化合物是造成該孔隙型地熱回灌井懸浮物堵塞的主要原因,根據濾膜截留物分析,應為FeS,ZnS。而根據開采井水質全分析報告,
表7-2 DL-25回灌流體過濾棒固體成分分析結果
2.微生物作用
存在於回灌流體中或地表的微生物可能在適宜的條件下,在回灌井周圍迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介質孔隙,降低含水層的導水能力。如在富含硫酸鹽地層的流體和低溫狀態時,會加速一種消耗硫酸鹽的細菌生長,形成一種細胞粘土將介質孔隙堵塞。地熱流體中微生物種類大致包括硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細菌(FB)、腐生菌(TGB)等,3種細菌具有共生性,在流體運移和其他化學組分的作用下可繁殖累積產生沉澱。若含有大量鐵細菌及硫酸鹽還原菌的流體進行回灌,則可能導致地層的有效滲透率下降,輸水管網或井管產生嚴重堵塞腐蝕,甚至可能由於硫化氫含量的增加,導致地下熱流體質量惡化,對儲層造成不可逆轉的影響。天津地區有些基岩同層采灌對井如HD12HD13,HD11HD20等,均發現存在硫酸鹽還原菌、鐵細菌,致使回灌效果受到一定影響。在孔隙型地層中,地熱井採用濾水管成井工藝,由於熱儲層滲透率小、岩石粒徑細,熱流體中含砂量大,濾水管網處較易聚集細微顆粒,極易滋生繁殖各類細菌,產生微生物堵塞,使得孔隙型回灌相對基岩更困難,這類由地層滋生出來的細菌主要是腐生菌,其生存條件與地層溫度、壓力等特定條件關系密切。
地熱系統中,由於金屬管材成井的地熱井和金屬輸水管路設備,鐵細菌較常見。鐵細菌為好氧菌,能在中性或偏酸性流體中發育,在和鐵質的輸水管接觸過程中加速Fe2+氧化成Fe3+,從而形成Fe(OH)3沉澱。地下水中所含的鐵主要以Fe(HCO3)2的形式存在,在鐵細菌的作用下,會發生如下反應:
2+H2O+1/2Fe(HCO3) O2→2Fe(OH)3↓+4CO2+能量2
鐵細菌的生長條件主要有:①適宜的水溫:鐵細菌是種「嗜冷」微生物,尤其在回灌井中12℃以上水溫是最適於生長的;②豐富的Fe2+:鐵細菌以Fe2+為生,因濾水管是鐵管纏絲,易發生電化學腐蝕,溶解於地下中的大量Fe2+可供鐵細菌生長;③所需的溶解氧:鐵細菌對氧的需要不亞於Fe2+,地下水中的溶解氧一般僅1～2mg/L,但由於回灌流體含較高的溶解氧,還有空氣混入井內,也增加了地熱流體溶解氧的含量,為鐵細菌的大量繁殖提供了條件。另外,溶解氧也加速電化學腐蝕,使地熱流體中的Fe2+含量增加;④合適的pH值:當pH值在8以上時,流體中不含Fe2+,間接抑制了鐵細菌的生長;當pH值在6.5～7.5時,最有利於鐵細菌生長;⑤共生的有機物:地熱流體中常含有大量的有機物與之共生,易促使鐵細菌的生長。
3.化學沉澱堵塞
低溫地熱回灌流體的化學性質及任何變化都對回灌效果影響較大。地熱流體中化學成分的濃度與壓力、溫度關系密切,相對低溫的回灌流體注入與儲層局部熱流混合會引起化學平衡的偏差,造成化學組分變化,不僅改變熱儲層物理性質,還可能產生較復雜的化學沉澱物質,腐蝕或結垢也較普遍,從而影響儲層的吸水能力。由於回灌過程中產生的熱力學變化如壓力、溫度下降和pH值變化等,當回灌流體注入儲層與熱儲流體混合,可能與儲層介質或儲層流體化學成分不相容,形成沉澱堵塞通道;或可能發生某些反應新生成化學物質而影響水質;或可能從岩石中溶解某些礦物(鹽敏、酸敏),改變原有的化學平衡;或水岩反應造成儲層孔隙度變化;或形成化學沉澱堵塞儲層孔(裂)隙通道……另外各種原因的腐蝕也是產生化學沉澱堵塞的重要因素。地面處理設施只是考慮了利用末端化學堵塞問題,但即使是同層原水回灌,由於壓力溫度的改變,水源混合再發生化學變化也極為復雜,是一個較難解決的問題。
(1)岩石礦物析出
地熱流體從地下到地面(抽水)、再從地面到地下(回灌),由於壓力和溫度的變化而產生的化學物質析出或溶解的狀況比較復雜,主要與流體所含離子析出的多重條件及析出過程的變化趨勢有關,特別是析出後可生成顆粒的物質、粒徑,產生析出的臨界溫度、壓力,在什麼件下可發生逆向反應等。其次,儲層內礦物的飽和指數也是一個關鍵性的界定范圍指標。
礦物質在溶劑過程中的飽和度(SI=lg(LAP/K),SI:飽和狀態指數,LAP:離子活性值,K:溶解性值)及達到過飽和狀態溶液的穩定性也會影響化學沉澱產生,有些礦物質在環境溫度壓力變化的情況下會過飽和(SI＞0)析出而產生沉澱導致回灌堵塞,影響回灌效果。
應用PHREEQC 2.11物種計算程序模擬軟體對礦物的飽和指數SI進行計算,結果表明:沉積盆地地熱田熱儲流體中的大部分礦物(如CaCO3,MgCO3,CaMg(CO3)2,CaF2,Ca5(PO4)3F,SiO2)都處於飽和狀態;Fe,Zn礦物多處於過飽和狀態。因此,在熱流體的賦存環境發生變化時,可產生一系列的礦物析出在回灌井底沉澱而導致堵塞,最常見的幾種礦物為碳酸鈣、石英、鐵鋅氧化物和硫化物。
(2)Ca(Mg)CO3沉澱
理論上分析,根據靜水力學壓力和溫度數據關系,CO2在低溫下的溶解度高於在高溫下的溶解度,因此即使開采井中地熱流體呈方解石飽和狀態,抽出的熱流體由於CO2的損失及經板換取熱之後溫度降低,循環尾水即回灌流體不會達到碳酸鈣的飽和狀態而產生沉澱。但由於地熱流體自地下深處向上運移時壓力快速減小,
地熱流體在熱量被利用後回灌到熱儲層前,為預防氣堵都採取排氣措施,部分或全部CO2氣體逸出,有可能破壞流體內化學平衡關系,致使回灌水源中的
(3)石英沉澱
對高溫地熱流體來說,石英沉澱是導致回灌化學堵塞的較大潛在因素,石英飽和主要是因為可溶解性SiO2在溫度達到250℃臨界狀態之前,其在熱流體中的天然溶解度與溫度呈顯著的線性相關關系,所以任何形式的傳導性、對流性或者混合降溫過程都可能使石英、玉髓過飽和導致沉澱,盡管其沉澱速度較慢。
從動力學角度上講SiO2濃度在溶液中的再平衡速度相對較快,但實際上還不足以再次達到平衡狀態。尤其是處於不同地質構造單元里的地熱井,石英控制相是不同的,且單晶硅的可溶性大於石英。由取樣分析可知,沉積盆地型地熱田中熱儲流體石英均呈過飽和,部分則出現玉髓過飽和,因此回灌系統中產生石英沉澱的可能性較大。例如天津東部濱海地區孔隙型熱儲層中,在熱流體80℃冷卻至35℃,壓力維持在0.1MPa的模擬試驗研究發現,原本礦化度很低、管道中結垢不是很嚴重的回灌流體,結垢礦物主要成分(定性)是方解石、斜綠泥石、白雲石、黃鐵礦和非晶質硅,每1mL熱流體中沉澱礦物(定量)為0.059g,其中二氧化硅佔72.7%,方解石為24.72%,斜綠泥石為1.72%,黃鐵礦為0.43%,白雲石為0.40%。回灌時當注入流體溫度大於35℃時,由於水岩反應可能從岩石中溶解礦物,致使有些礦物呈不飽和狀態,進而造成儲層孔隙度發生變化。
(4)金屬化合物沉澱
應用PHREEQC-2.11模擬軟體分析發現,地熱流體中Fe,Zn化合物的SI值多為正值(磁鐵礦、赤鐵礦、黃鐵礦、硅鋅礦等),達到過飽和狀態,其中Fe(OH)2的SI=2～6,FeS2,Fe3O4,Fe2O3多為SI＞10,最大的Fe3O4的SI=21.3;ZnSiO3,Zn2SiO4的SI=2～7(僅FeS的SI=-1～-3.5,處於非飽和狀態)。通常認為在深部基岩高溫地熱流體中這些礦物是飽和的,但在新近系甚至第四系的低溫流體中也發現這些物質過飽和,說明這種飽和可能不是因為熱儲流體原本如此,而可能是由被地熱流體腐蝕的劣質成井套管、潛水泵管及鍍鋅測管的Fe,Zn進入流體中引起的過飽和(新近系地熱流體取樣是在抽水半小時之後,井筒中靜態流體全部排出,在腐蝕性評價中,水質往往是不腐蝕或輕微腐蝕)。在安裝有鍍鋅材質測管的回灌井中,ZnS的含量往往高於沒有測管的地熱井,就說明了管材對水質的較大影響。礦物過飽和析出物多以懸浮物形式存在於熱流體中,大部分可以被回灌水處理裝置如過濾器的過濾棒截留,但以過飽和離子狀態存在的Fe,Zn(尤其是不穩定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以緩慢形成穩定的化合物而逐漸沉澱下來,堵塞於濾水管或細小的孔裂隙中。在實際的對井采灌系統中,除發現石英與方解石以懸浮固體的形態與熱流體共存外,過濾截留的鐵 鋅化合物幾乎在所有的回灌流體中都能發現,而且在某些對井系統中還能看到位於熱交換器之前的過濾器上充滿了鐵的氫氧化物(Fe(OH)3·nH2O)。
通常在地熱利用中,如果成井套管和供熱設備採用優質鋼材的情況下,由鐵質材料腐蝕導致的堵塞並不常見。但如果流體中氣相成分富含H2S的話,由於H2S氧化轉化為 H2SO4而導致溶液中較高的酸度,使Fe氧化為Fe2+,將產生自由氫氣(Fe+H2S+4H2O=Fe2++H2↑+
4.氣體阻塞
來自深部的地熱流體含有或多或少的各種氣體,流體中的溶解性氣體可能會因溫度、壓力的變化而釋放出來。此外,也可能因生化反應而生成新的氣體物質,典型的如反硝化反應會生成氮氣和氮氧化物。進行回灌時,由潛水泵抽出的地熱流體經循環換熱後注入回灌井,循環流動的流體中或由於自身存留的氣體或生化反應產生的新氣體或空氣滲入等可能攜帶大量氣泡。即使地熱循環利用後的尾水經過排氣處理再進行回灌,但在回灌量較大、流速較快時,有些氣體來不及逃逸而又被裹攜注入井管甚至進入熱儲層而使回灌不暢,引起氣堵。氣泡的生成在潛水含水層中影響較小,因為氣泡可自行溢出;但在承壓含水層中,除防止空氣滲入使注入流體夾帶氣泡之外,對其他原因產生的氣體也應進行特殊處理。
5.黏粒膨脹和擴散
黏粒膨脹和擴散是較為普遍且常見的因化學反應產生的堵塞,主要是因為注入流體中所含離子和儲層中粘土顆粒上的陽離子發生交換導致黏粒膨脹和擴散。從化學理論上分析,這種原因引起的堵塞可以通過注入CaCl2等鹽類來處理。
6.含水層細顆粒重組
當回灌井又兼作抽水井時,反復的抽、灌可能引起存在於井壁周圍的細顆粒介質的重組,這種堵塞一旦形成,很難處理。所以在此種情況下,回灌井用作抽水井的頻率不宜太高,因此抽水回揚作為一種洗井手段也並不是完全有利於回灌的,雖說長時間耽置停用的井在啟用之前抽水回揚很有必要,但回灌過程中頻繁回揚則不太可取。尤其在孔隙型熱儲層中,時常採用反抽洗井方法來提高回灌率,但一定要對因回揚洗井而產生含水層細顆粒重組引起的堵塞進行全面充分地分析,制定合理的回揚方案。
Ⅲ 淺層地熱能抽水回灌試驗
抽水試驗是通過抽水設備從井中連續抽水，並記錄水位、水量、水溫的變化來測定含水層的滲透性能和水文地質參數的試驗；回灌試驗是向井中連續注水，並記錄水位、水量的變化來測定含水層滲透性能和水文地質參數的試驗；抽水回灌試驗在抽水與回灌共同作用下，測定水位、水量和水溫在試驗過程中的變化，確定單井出水能力和回灌能力的試驗。根據河南省主要城市所處的水文地質單元與淺層地熱能賦存特徵，以下列舉了5組抽水回灌試驗成果。
一、試驗地段選擇
1.試驗區水文地質條件
（1）安陽市試驗區
1）地下水的埋藏條件與富水性：試驗區位於安陽市區西南部，地貌上屬於安陽河沖洪積扇。安陽河沖洪積扇是中、晚更新世及全新世後期次復合堆積而成的，具有明顯的上細下粗的二元結構。其三面被丘陵崗地環繞，向東敞開，呈向東傾的簸箕狀，封閉條件較好，構成一個完整的水文地質單元。
試驗區地形平坦，表層多為粉土，有利於大氣降水的補給，含水介質由中上更新統砂、卵礫石層組成（圖4-1），試驗區一帶主要是開采淺層（100m以上）地下水，淺層地下水儲存在安陽河沖洪積扇鬆散裂隙水儲水介質中，其底部為下更新統泥礫或黏土組成的隔水層。
試驗區主要的儲水介質是中、上更新統沖洪積卵礫石及半膠結鈣礫石層（圖4-2）。該處卵礫石層頂板埋深26.4m，略向東傾伏，厚約32m，其成分主要為灰岩，次為石英砂岩，粒徑一般為0.2～5cm，大者可達10cm，磨圓度好，分選性差，含砂量約10%～30%，局部夾有黏土透鏡體。單井涌水量每天約5000m3/5m，水位埋深37.5m，含水介質厚度21m。滲透系數大於200m/d。
圖4-1 安陽市試驗區水文地質剖面圖
圖4-2 安陽市三分庄抽、注水井地層結構柱狀圖
2）地下水化學特徵：試驗區地下水化學類型為HCO3型，礦化度一般小於lg/L，為淡水。
（2）鄭州市高新區試驗區
1）地下水的埋藏條件及富水性：試驗區位於鄭州高新技術開發區東北部慧城小區，含水層為第四系全新統和上更新統沖洪積物，其次為中更新統。150～200m以上地下水可分為淺層及中層地下水，二者具有一定的水力聯系，實際開采也多是混合取水。淺層地下水因埋藏淺，在試驗區一帶，淺層含水層底板埋深約70m，厚約30m。目前，該區已由前些年的農業區轉變為新興的工業區，現城市供水水源為黃河九五灘水源地地下水，加之區內耕地減少，且中深層地下水限制開采，地下水開采強度較低。此外，試驗區東鄰石佛沉沙池，地表水對淺層地下的補給作用較強，地下水水位回升趨勢明顯。
中深層水主要為第四系中、下更新統沖積－湖積層和新近繫上段湖積層。試驗區中深層含水層組頂板埋深90m左右，中深層水是目前城市供水的主要開采層，井深一般在100～300m左右，其含水層岩性為中砂、細砂、粗砂等。200m以淺含水層總厚度約50m。
根據已有鑽孔及抽水資料（圖4-3），淺層與中深層混合水位一般在30m左右。實抽降深20m，單井出水量70m3/h，滲透系數一般為8～10m/d。據鄭州市地下水資源評價結果：高新區地下水可采模數每年為13.42×104m3/km2，目前開采利用率僅46%，有擴大開採的能力。試驗區一帶淺層、中層混合水溫為17℃。
2）地下水化學特徵：試驗區淺層地下水水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度604.28mg/L，總硬度為428mg/L；中深層為HCO3-Ca-Na型，礦化度為453.33mg/L，總硬度為273.5428mg/L。
（3）鄭東新區試驗區
1）地下水的埋藏條件及富水性：試驗區處於黃河沖積平原，地表岩性為粉土，水位埋深10.6m。據鑽孔資料（圖4-4），90m以上共有含水層5層，總厚度約44m，岩性以中細砂、粉細砂為主。實測降深9.6m，單井出水量51m3/h，滲透系數為4.04m/d，水溫為15.9℃。
2）地下水化學特徵：試驗區地下水化學類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度為1407mg/L，總硬度為630mg/L。
（4）新鄉市東郭試驗區
1）地下水的埋藏條件與富水性：試驗區位於新鄉市區北部共產主義渠北側，地貌上為古泛流帶。淺部地層岩性為粉質黏土，在40～60m深度內發育有3～4層細砂，總厚度為30～40m，降深5m單井涌水量500～1000m3/d。滲透系數10～15m/d，水位埋深10m左右，水溫16.0℃。
2）地下水化學特徵：地下水化學類型為HCO3-Ca·Na·Mg型，礦化度為1183.2mg/L，總硬度為572.5mg/L。
（5）新鄉市南魯堡試驗區
1）地下水的埋藏條件與富水性：試驗區位於新鄉市鳳泉區西南魯堡。淺部地層岩性為粉質黏土、細砂，45m深度內共有含水層2層，總厚度22m，含水介質為細砂。水位埋深11m，實測降深2.95m單井涌水量37.19m3/d，滲透系數12.3m/d，水溫16.0℃。
2）地下水化學特徵：地下水化學類型為HCO3·Cl--Mg·Ca·Na型，礦化度為999.66mg/L，總硬度為547.5mg/L。
圖4-3 鄭州市高新技術開發區油、注水井地層結構
2.試驗場地布設
5組抽回灌試驗場地分別位於沖洪積扇、山前沖洪積斜平原、沖積平原，代表了沖洪積卵礫石、沖湖積、沖積粗砂、中砂、細砂含水層的抽水、回灌能力（表4-1）。抽水、回灌方式有一抽一回、一抽二回（圖4-5），如新鄉市東郭試驗採用一抽一回方式，試驗過程中，超出回灌井回灌能力的水量再回灌於抽水井。
圖4-4 鄭州新區抽、注水井及地層結構
表4-1 試驗井基本情況表
圖4-5 新鄉東郭注水試驗場地布置
河南省城市淺層地熱能
二、試驗方法與質量
1.試驗方法
抽水試驗分別採用單孔穩定流和孔組非穩定流方法。回灌試驗採用自流回灌方式，回灌時保持回灌孔水位穩定，計量注水。
（1）觀測內容與精度
試驗過程中觀測抽水孔和觀測孔水位，抽水孔的出水量、水溫、氣溫，注水孔的回灌量與水位等。
主要觀測工具為雙股平行線和水位計，觀測精度：抽水孔水位讀數到厘米，觀測孔水位讀數到毫米；抽水量和回水量採用水表測量，讀數到0.1m3；水溫、氣溫讀數到0.5℃。
（2）觀測方法
1）單孔穩定流抽水試驗：單孔穩定流抽水試驗進行一次最大降深的穩定流抽水。抽水試驗時，動水位和出水量觀測時間為抽水開始後的第5、10、15、20、25、30min各測一次，以後每隔30min觀測一次；水溫、氣溫每隔2h同步觀測一次。抽水穩定延續時間不少於8h。停抽後進行水位回復觀測，觀測頻率和抽水開始時的相一致，觀測至水位趨於穩定或抽水前的靜止水位。
2）孔組非穩定流抽水試驗：抽水過程中，抽水孔的出水量保持穩定。水位觀測頻率為抽水開始後第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各觀測一次，以後每隔30min觀測一次，水量、水溫、氣溫每隔2h觀測一次。抽水結束後，對抽水孔和觀測孔進行恢復水位的觀測，觀測頻率和抽水開始時的相一致，觀測至水位趨於穩定或抽水前的靜止水位。
3）回灌試驗：採用自然重力回灌法。回灌時及時調整回灌量，考慮到實際回灌時的水位升幅，一般保持回灌孔內水位埋深穩定在2～4m。觀測方法及頻率同穩定流抽水試驗。
（3）水樣採取
抽水試驗結束前採取水質全分析樣，並填寫水樣采樣記錄卡，水樣送實驗室測試。
分析項目包括含砂量、色、嗅和味、渾濁度、肉眼可見物、pH值、氯離子、硫酸根、碳酸氫根、碳酸根、氫氧根、鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子、總硬度、溶解性總固體、銨根、全鐵、磷、硝酸根、亞硝酸根、氟化物、高錳酸鹽指數共24項。
2.試驗質量
1）抽水、回灌試驗參照的技術標准主要有：《供水水文地質勘察規范》（GB50027-2001）、《淺層地熱能勘查評價技術規范》、《水樣的採取、保存和送檢規程》、《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）等。
2）為確保試驗質量，抽水開始前，對參與觀測的人員進行觀測技術培訓，統一觀測記錄格式與要求；
3）抽水前所有設備准備就緒，排水工程完備，觀測工具、人員到位。
4）測線採用伸縮性小的高質量雙股平行線，減小觀測誤差。
5）同一觀測井觀測人員與測具固定，觀測數據填寫及時准確，清晰、內容齊全。
6）觀測資料及時整理，發現問題及時解決，保證資料的完整性。
三、試驗成果
1.參數計算方法與結果
根據單孔穩定流抽水試驗資料，按下式計算含水層滲透系數K
河南省城市淺層地熱能
根據注水孔試驗資料，按下式近似計算滲透系數K
河南省城市淺層地熱能
按下式計算單位抽水量q 抽或單位回灌量q回：
q抽＝Q抽/S；q回＝Q回/S
式中：K為滲透系數，單位為m/d；Q為穩定的出水量或注水量，單位為m3/d；H為潛水含水層厚度，單位為m；S為水位降深或升幅，單位為m；R為影響半徑，取經驗值，單位為m；r為過濾器半徑，單位為m；L為試驗段或過濾器長度，單位為m。
計算結果見表4-2。收集的部分回灌試驗成果如表4-3。
表4-2 抽水、回灌試驗成果一覽表
表4-3 收集的回灌試驗成果表
2.回灌量大小的影響因素分析
回灌量的大小受成井結構與質量、水文地質條件等多種因素影響。
含水層岩性是決定回灌量的基本因素。由表4-2可知，不同含水層的抽、注水試驗求得的滲透系數比值分別為：以粗砂、礫石為主的含水層為1.96～2.81，以中砂、中細砂為主的含水層為3.28～8.50。表明含水層顆粒越粗，抽、回灌水能力越接近，即含水層顆粒越粗越容易回灌。
水位埋深對總回灌量的大小影響明顯，回灌量與水位埋深成正比。以鄭州高新區和鄭東新區兩組回灌試驗對比，二者含水層岩性相似，均以中細砂為主，含水層滲透能力近似，高新區靜水位埋深為34m，鄭東新區僅為10.6m，響應的高新區回灌量為42m3/h，鄭東新區只有12.56m3/h。
濾水管結構對回灌量有直接影響。含水層岩性近似地段，使用鋼質橋式濾水管成井的回灌量明顯大於使用水泥濾水管井（表4-3）。
綜合發現：卵礫石含水層地區，單位回灌量為單位抽水量的70%以上；粗砂、中砂含水層地區，單位回灌量約為單位出水量的70%～40%；中細砂含水層地區，單位回灌量約為單位出水量的50%～30%；細砂、粉砂含水層地區，單位回灌量小於單位出水量的30%。
3.抽水、回灌井數比例的確定
單位抽水量和單位回灌量之比可作為確定回灌井數的主要依據。根據上述試驗成果，考慮到長期回灌時回灌井可能的堵塞情況，在地下水靜水位埋深大於10m的條件下，地溫空調井抽、灌井數比例確定如表4-4。
4.地溫空調井運行對地下水環境的影響
（1）對地下水溫度的影響
研究區地溫空調井抽水井中水溫一般約16～20℃，回水管道中水溫供暖期一般在10～15℃，比抽水井中地下水溫度低2～7℃，製冷期一般在18～25℃，比抽水井中地下水溫度高1～8℃。根據對地溫空調井地下水溫度監測（圖4-6、圖4-7），地溫空調運行時對地下水溫度階段性影響較明顯。
表4-4 地溫空調井抽水、回灌井數比例確定
圖4-6 鄭州市兒童醫院地下水埋深與抽水井水溫動態曲線
圖4-7 鄭州嵩陽中學地下水埋深與回灌井水溫動態曲線
製冷期，回灌水溫度一般在19～30℃之間，最高可達35℃；供暖期，回灌水溫度一般在8～15℃ 左右。受回灌水溫度的影響，製冷期使地下水溫度略有升高，供暖期略有下降，但在一個完整的製冷與供暖周期內，地溫空調井回灌對地下水溫度總的持續性影響不明顯。多年溫度動態曲線（圖4-8至圖4-13）也表明研究區地溫空調運行未造成地下水或 土體溫度持續性的升高或降低。沒有觀測到明顯的熱污染現象。
圖4-8 安陽市文峰時代廣場回灌井水溫動態曲線
圖4-9 安陽市五中回灌井水溫動態曲線
圖4-10 中國農業科學院棉花研究所回灌井水溫動態曲線
圖4-11 安陽市廣電局回灌井水溫動態曲線
（2）對地下水水質的影響
根據對鄭州市兒童醫院地溫空調井製冷期運行前（5月5日）、運行期間（8月21日）及運行後（10月29日）的水質采樣、分析（表4-5）和安陽市部分地溫空調系統在運行期間抽水井與回灌井的水質采樣、分析（表4-6）。通過對比發現，淺層地熱能在開發利用過程中，對地下水水質影響不大；元素鋅在回灌井中有明顯升高現象，分析其主要原因是鋅易氧化成鋅離子進入水中，所以，建議不使用鍍鋅鋼管。
圖4-12 安陽市公安局回灌井水溫動態曲線
圖4-13 安陽市喜相逢大酒店回灌井水溫動態曲線
5.抽水、回灌井間距的確定
抽、回灌井的合理間距以不發生熱短路為原則。回灌水到達抽水井的時間（熱短路時間）可用下式表示：
河南省城市淺層地熱能
式中，n為含水層的有效孔隙度；π為圓周率；d為抽水井和注水井距離；B為含水層厚度；Q為穩定的注水量。
根據上式可確定發生熱短路的抽水、回灌井間距臨界值為：
河南省城市淺層地熱能
當抽水井、回灌井距離小於合理間距（d）時將發生熱短路現象。以兒童醫院為例：
兒童醫院的地溫空調工程設計抽水井、灌井數為6眼，其中抽水井深98m回灌井深70m。抽水、回灌井運行模式為兩抽、四灌，3＃和6＃為抽水井，其餘4眼為回灌井。運行時單井抽水量100m3/h單井回灌量50m3/h。抽、灌井及觀測井的位置分布見圖4-14。
圖4-14 抽、灌井分布圖
表4-5 鄭州市兒童醫院地溫空調井不同時段下水水質對比表
按製冷期熱泵運行時間120d，含水層厚度15.9m，孔隙度0.30，則d為85m，即在回灌量為50m3/h時（相當於塬前沖積平原區），抽、灌井間距大於85m時不會發生熱短路。如單井回灌量達到85m3/h時（相當於黃河沖積平原），則抽、灌井間距大於111m不會發生熱短路。
實際上，3號抽水井和2號回灌井間距為36m。6號抽水井和5號回灌井間距也僅為55m。圖4-7是系統運行時6＃抽水井水溫曲線，從溫度變化來看，顯然發生了熱短路現象，其製冷期最高溫度23～24℃，較背景值（20℃）高出3～4℃。供暖期最低溫度17～16℃，較背景值低約3～4℃。
一般熱泵機組正常工作時，要求水的溫度介於2～35℃之間，以保證系統可以正常運行。因此，雖然回灌水引起了熱短路，但溫度變化還在熱泵允許的范圍內，能夠保證系統的運行效率，滿足建築物冷熱負荷的要求。另一方面，城市區多數建築場地不能滿足理論計算的抽、灌井間距要求。大量的觀測資料也說明熱短路現象是普遍存在的。但因回灌水溫度適中，可以保證水源熱泵空調系統的運行效率。而抽、灌水的溫度變化供暖期和製冷期呈現周期性的波動，也反映出水源熱泵空調系統在長期的運行過程中，其水動力場影響范圍內某點的地下水溫度波動的規律性，即在水源熱泵空調系統長期運行過程中，地下水溫度在冷、熱交替中的影響范圍內不會發明顯持續性升高或降低。
表4-6 抽水井與回灌井水質對比表
因此，地溫空調井間距的確定不能僅以熱短路作為依據，而應考慮其回灌水影響范圍內水溫的變化能否滿足熱泵系統運行要求、對地質環境的影響和運行的經濟性。但在條件允許的情況下應盡量滿足井間距要求，以減少熱短路影響，保證系統運行效率。在實際工程中回灌量和含水層厚度差別較大，結合此次對已有地溫空調系統運行效果的調查情況及抽、灌試驗成果，建議細顆粒地層中抽、灌井間距不宜小於40m，卵礫石含水層中間距不宜小於80m。實際工程應用中可根據具體情況調整。
Ⅳ 孔隙型地熱回灌典型實例分析
天津地熱田屬典型的沉積盆地型地熱資源,回灌開采歷史長、規模大。據統計數據,2008年度回灌量近600×104m3/a,整體回灌率近23%,其中基岩回灌率達41%,效果明顯。相對而言,孔隙型熱儲回灌工作進展緩慢,回灌率不足2%。究其原因是由於各種因素引起的堵塞致使回灌量衰減過快,回灌率太低,難以做到連續穩定的回灌,這些問題一直是阻礙其回灌工作快速發展的重要因素。影響回灌效果的原因很多,除了孔隙型儲層「先天存在缺陷、後天易受損害」的特徵外,主要有三個方面:一是成井過程對儲層造成傷害,包括井身結構選擇,鑽井液、洗井方式和成井工藝等;二是地面回灌系統,包括地面凈化系統、回灌方式、采灌井間距及回灌井的定期維護;三是回灌流體進入儲層以後與儲層及地熱流體的物理作用、化學作用等。謝玉洪等將其歸納為儲層的外在傷害因素(鑽井、開采、修井引起)和內在傷害因素(儲層空間、礦物、岩石表面、強度,應力及環境變化)。在實際進行回灌操作時,如果能較好的解決對儲層傷害問題,且回灌運行操作技術措施得當,回灌率是有望得到提高的。
天津東部的濱海新區大港某職業學院內,有孔隙型地熱井兩眼,目的層均為館陶組,開采井DG-49為校區宿舍、教學樓及辦公大樓提供供暖熱源和生活熱水,回灌井DG-49B用於循環尾水回灌。該供暖系統運行狀況不理想,能耗大、資源利用效率低;回灌系統不規范,同時,該地區館陶組儲層泥質含量大,多為粉細砂,導致回灌量較小,回灌持續時間短,資源浪費嚴重。針對存在問題對供暖系統和回灌系統進行多種技術改造後,資源利用率和回灌率得以提高,最大限度的減少了資源消耗。
1.原對井回灌系統存在的問題
開采井DG-49於2005年成井,目的層為新近系館陶組下段,井口流體溫度61℃,成井初期最大流量為81m3/h,實際平均開采量為64m3/h,供熱面積9×104m2;回灌井DG-49B目的層館陶組下段,井深1892m,出水溫度62℃,成井初期流量為85m3/h。該項目建成之初,開采井和回灌井泵房均處於地下,DG-49B井泵房內長期積水,井口設備受到強烈的腐蝕,井房大小為3m×2m×3m,空間狹小,沒有任何監測儀器,地熱換熱後直接進行回灌,沒有任何水質處理措施及加壓等其他配套設施,回灌效果差,回灌量僅10～15m3/h。
2.回灌系統改造
鑒於該項目回灌效果不佳的狀況,依據《天津市地熱回灌地面工程建設標准(DB29—187—2008)》和《天津市地熱回灌運行操作規程》(2006年)等地方工程建設標准和行業規程,對回灌系統進行整體改造。將開采井井口改造修建成景觀亭台式地下泵房,進一步完善泵房功能,泵房室內面積近40m2,高2.6m,泵房地面及四周牆壁均做了防水處理,泵房屋頂提供井泵檢修及提、下泵所需的活動井泵孔,室內有0.8m×0.8m×0.8m的集水坑,集水坑內設置潛水排污泵,棄水可通過潛水排污泵提升到室外排水處。回灌井DG-49B的改造包括提升井口,在地面修建了空間較大的井泵房,並安裝了溫度變送器(0～50℃,L=100mm)、壓力變送器(0～1.6MPa)、電磁流量計、自動水位監測儀等一系列監測裝置,同時安裝了下位機,建立了智能遠程式控制制系統;為了與智能化監測系統結果相互校核,更准確、更穩定的觀測回灌運行參數,同時在井口安裝人工監測裝置,包括熱水表、溫度表(0～50℃)、壓力表(0～1.0MPa)、水位測管,用以監測流量、溫度、壓力、水位等動態參數;回灌井泵房內安裝有具備反沖洗功能的精度為50μm的粗效過濾器(DL3P-2S)和精度達到3μm的精密過濾器(LGFN-125-1.0B),配備反沖泵、反沖儲水箱、排氣灌、加壓泵等各種設備,用於對回灌流體進行地石凈化處理和加壓;在房頂安裝了電動葫蘆,用於方便提下泵;同時設置有排水溝及排水地漏,用於收集地面散水或設備溢流;各類輸水管網均採用普通鋼管並進行防腐防垢處理,同時選用厚為30mm的聚氨酯保溫層、外包0.5mm鍍鋅鋼板保溫。
改造後回灌系統中,地熱循環尾水先行經過粗效-精密兩道過濾流程後,再通過排氣裝置進行排氣處理,流體最後從回灌井注入儲層。同時加壓泵的設置能隨時在回灌量不理想時啟動,進行加壓回灌試驗和壓力回灌。
3.回灌試驗
回灌試驗在冬季供暖期進行,進水方式為井管與泵管的環狀間隙,回灌量通過閥門控制。為方便回揚,回灌井中下置潛水泵。試驗中的各項參數由電磁流量計、溫度感測器、壓力感測器和自動水位監測儀等進行實時監測。共進行4組試驗,持續時間75天共1800小時,試驗具體數據見表7-4。
表7-4 DG 49B井回灌試驗相關數據
第Ⅰ組:自然間歇回灌試驗。依靠流體自重進行的自然回灌,當回灌井內水位接近井口時則停止,以自然間歇方式恢復水位24小時後開始進行下一次試驗,反復多次以判斷自然間歇情況下回灌井的回灌能力。
第Ⅱ組:定流量「回揚—回灌」試驗。回灌量控制在20m3/h左右的自然回灌,每次試驗開始前先進行一段時間的回揚,以判斷不同回揚量對回灌能力的影響。
第Ⅲ組:大流量「回揚—回灌」試驗。試驗前先進行一段時間的回揚,回灌量以30m3/h為目標逐漸增加的自然回灌試驗,以判斷「回揚—回灌」模式下回灌井的最大回灌能力。
第Ⅳ組:加壓回灌試驗。回揚後先自然回灌,當水位漲至井口後開始加壓回灌,額定壓力穩定在0.2MPa,加壓後將回灌量上調至40m3/h,以此判斷壓力對回灌效果的影響。
從試驗數據可知:DG 49B回灌井在自然間歇模式下回灌能力是有限的,沒有回揚的第Ⅰ組試驗較其他3組回灌量要明顯偏小,且間隔24小時之後的每次試驗回灌量出現遞減,無論從回灌持續時間還是累計回灌量上,均清楚地反映出「回揚—回灌」模式下的回灌能力強於自然間歇模式。
圖7-1是此次第Ⅰ、第Ⅱ組試驗的回灌效果圖(吸水指數指單位時間內回灌量與井底壓差之比值,為衡量回灌井回灌能力和效果的重要指標),對比圖上各曲線形態可發現:經過第一次回揚4小時後, DG-49B井回灌能力能基本恢復到回灌初期的水平(曲線Ⅱ-1);再經過第二次回揚8小時後,回灌能力得到了顯著提升,在灌量基本穩定的情況下,回灌延續時間也大大延長(曲線Ⅱ-2);到了第三次回揚4小時後,DG-49B井的回灌能力與前一次相比有了一定程度下降,並在一段時間內回灌量不穩定出現大幅波動(曲線Ⅱ-3),但總體而言,其回灌效果仍好於前4次試驗。由此表明定期回揚措施可以使回灌井的回灌能力,得以逐步恢復,但隨著回灌量的不斷累計,在回揚量不變的情況下,回揚的效果會逐漸減弱。
「回揚—回灌」實際上是回灌能力「恢復—消耗」的過程。在「回揚—回灌」模式下,回揚率(即一次回揚量與回揚後能夠注入的水量比值)越低,說明回灌能力消耗越緩慢,回灌效果越佳。從試驗數據分析:回揚率在20%～30%時,平均回灌量可維持在20m3/h左右,回灌持續時間最長,累計灌量也較大。但應避免回揚率過大,防止儲層可灌能力過度消耗,影響回灌的持續,如第Ⅲ組大流量「回揚—回灌」模式下,回揚率大於50%時,回灌的整體效果就不太理想了。從實際運行數據來看,回灌操作時應以小流量開始,在一定時間後再以額定流量回灌,這樣可有效延長回灌的持續時間,降低回揚率。
圖7-1 DG-49B井吸水指數歷時曲線
圖7-2 DG-49B井加壓回灌歷時曲線
孔隙型熱儲層中要想增加回灌量,「回揚—加壓回灌」方式是一種不錯的選擇。DG-49B井在加壓到0.2Mpa時,回灌量盡管也出現衰減,但最終衰減趨勢趨於平緩,並可逐漸穩定在30m3/h左右(圖7-2),加壓回灌量最大可增加20%左右。
該項目供暖期的生產性回灌採用封閉井口的帶壓回灌,以2天為一周期,遵循「回灌44小時—回揚4小時」的定時循環運行方式,其回灌量可提升至25m3/h左右。
4.試驗分析
綜合天津地區典型回灌實例,可以得出以下結論:
(1)正確認識儲層特點,選擇合理的采灌對井布局,有助於對回灌系統的長期運行。以孔隙型儲層為例,布置在古河道中的采灌對井自然回灌效果就好,天津塘沽、武清下朱庄館陶組回灌井回灌能力都在100m3/h以上;布置在深大斷裂下降盤、快速堆積的深凹陷區回灌效果就差,天津白塘口凹陷館陶組回灌井回灌能力在40m3/h左右。德國總結出用於地熱回灌的砂岩層應具備條件值得我們借鑒。
(2)回灌依靠抬高井口壓力使回灌水克服阻力向井筒外圍運動,而井口壓力又是各種因素綜合影響的結果。在一切條件均相同的情況下,回灌量隨井口壓力增大而增加。但兩者之間是一種非線性關系,可以根據回灌時的具體情況找出最佳灌量時的最佳井口壓力。
(3)造成地熱井回灌能力下降的主要原因是阻塞。當循環尾水被回灌到原熱儲層之後,化學的不相容性短期內不會起太明顯的作用,但有相當量的固體懸浮物質是由抽出的流動水體攜帶向回灌井的,從過濾截留材料中發現的斜長岩、鉀長石、石英,以及由劣質套管(潛水泵、測管、輸水管網)氧化而新形成的鐵-鋅氧化物與硫化物是引起堵塞、回灌困難的主要原因。
(4)孔隙型儲層厚度較大,熱能近70%賦存於岩石骨架,且一個采灌期僅為一年的1/3。以熱儲溫度77℃,回灌量50m3/h,回灌水溫38℃,76℃為冷鋒面為例,用二維流數值模擬結果顯示,回灌30年冷鋒面半徑為360-375m,最大冷水動力鋒面為570m,溫度場運移速度大約是水動力場運移速度的2/5。若生產井壽命為30年,回灌井距抽水井800-1000m,抽水井溫度不會受到影響(歐陽矩勤,1994)。
(5)盡管孔隙型熱儲回灌目前還是一個世界性的難題,但人們在不斷的實踐中也探索出了一些寶貴的經驗,如:「回揚—回灌」循環運行方式可以在一定程度上保證回灌的持續性;灌量應從小到大逐漸遞增;當地熱井的回揚率低於20%時,及時回揚反抽洗井是保證回灌持續的關鍵。天津地區的回灌實踐經驗只具有借鑒作用,對於不同的沉積盆地,應視熱儲層地質條件的不同,地熱井的成井技術、地面處理工藝、運行操作而異進行探索和完善。
Ⅳ 地熱回灌方式
(一)按工程結構分為對井回灌、同井回灌、外圍回灌
對井回灌是施工兩眼或兩眼以上的深井,形成一采一灌或多采多灌,根據目的層的不同又分為同層采灌、異層采灌;同井回灌是同一眼井在上部熱儲中用較大口徑成井,再在下部熱儲層中用較小口徑成井,由套管固井隔離兩個熱儲層,可以下抽上灌或上抽下灌;外圍回灌指在開采區的外圍或上游施工回灌井向熱儲層回灌。目前在各國實施回灌開采熱儲流體時,採用最多的是同層對井回灌開采模式,對井中開采井以一定流量抽水,而回灌井則把經過換熱器提取熱能以後的原地熱流體回注入熱儲層中。這種對井開采方案使地下熱源開采、地面綜合利用、尾水回灌形成全封閉循環系統,只消耗熱能不消耗水量,補充單井開采造成的熱儲流體的虧空,減緩熱儲壓力場的下降,這樣不僅可以防止排放棄水污染環境,還能通過回灌流體在儲層中的再加熱,使蘊藏在岩石骨架中的熱能帶出來得以循環利用,延長熱田開發利用年限,保證地熱井長年穩定開采。同時,由於對井回灌開采採取嚴格的全封閉系統,保證回灌水做到「原汁原味」,也利於保護熱儲層原有水化學平衡。
實際對井回灌項目中,有的將開采井與回灌井倒替運行,這樣做管線控制是沒有問題的,但實施中要提前考慮以下幾點:(1)持續的回灌井在儲層中有穩定的滲流通道,如改為開采井,可能會對儲層造成傷害;(2)一般回灌井溫度低,如開采利用,是否適宜供暖系統參數的設計參數;(3)如果采灌對井井口距離較遠,之間水平管線也是一筆很大的費用;(4)回灌井井口有一套過濾、加壓裝置,開采井則沒有,如果想切換,需提前設計。
(二)按進水通道的不同,地熱回灌有3種方式
從泵管內進水,注入儲層(孔隙型地熱井經過濾水管滲入含水層);泵管外進水,流體從泵管與井管之間的環狀空間進水,滲入含水層;整個井管(泵管內、外)同時進水。在回灌壓力和儲層周圍水位保持不變的條件下,泵管內、外同時進水,水流斷面最大,水流阻力最小,回灌水量最大;當井管的直徑比泵管大較多時,泵管外水流斷面大於泵管內水流斷面,水流阻力小於泵管內,泵管外環狀空間回灌量大於泵管內回灌量;但泵管內進水方式能有效防止氣堵,依靠控制閥調節回灌量,由小到大逐漸增加,在較易產生氣體阻塞的沉積盆地型回灌井中普遍採用。
(三)按流體注入儲層的壓力方式不同,分為自然回灌、真空回灌和加壓回灌
依靠大氣壓力、井筒液位水柱壓力以及利用系統尾水壓力為驅動力進行回灌的方式為自然回灌。
真空回灌又稱負壓回灌,是在具有密封裝置的回灌井中,先開泵使井管和地面出水管路內充滿流體,然後停泵並立即關閉泵出口的控制閥門,此時由於重力作用,井管內地熱流體迅速下降,在管內的液面與控制閥之間造成真空度,在這種真空狀態下,開啟控制閥門和回灌水管路上的進水閥,靠真空缸吸作用,水迅速進入管內,並克制阻力向含水層中滲透。真空回灌運行時嚴禁空氣混入井管或輸送管路。
當自然回灌和真空回灌不能正常實施時,依靠外力(壓力泵等設備)作用在回灌系統中增加壓力,進行強迫回灌的方式為加壓回灌。加壓回灌是增加回灌量的一種補救措施,但是由於地層構造不同,特別是膠結較差的孔隙型地層結構,加壓回灌可能會造成對地層結構的破壞。原因是在強壓力推進時,回灌流速加大,地層中膠結較差的粉細砂將被搬運。隨著搬運距離延長、流速降低,在某一區域內粉細砂粒將會滯留。這種情況一旦發生,原本細小的砂岩孔隙將被緊密堆積,回灌堵塞的現象就此發生。因此,在採用加壓回灌時,通常需要考慮定期或不定期的空壓機氣舉或反抽回揚洗井,以清除附著在濾水管內表面上隨回灌流體進入的雜質,疏通濾層網眼和過水通道,減少回灌井管及周圍熱儲物理、化學阻塞,提高回灌能力。
自然回灌、真空回灌和加壓回灌方式主要是通過水壓驅動實現回灌,這一點在砂岩孔隙型地熱回灌井中表現的比較明顯。除此之外,依靠回灌流體與儲層中地熱流體的密度差異產生的重力作用來驅動,這一點在岩溶裂隙型地熱回灌井表現的比較明顯。