Ⅰ 地热回灌操作技术
经过在沉积盆地型地热田中多年回灌实践和探索,总结出一套回灌运行操作技术方法。它不仅是国内外其他地区类似地热田回灌开采运行中成功的先进技术,同时也是结合当前国家地热勘查、评价相关规范和法规,充分考虑回灌工作的发展趋势而形成的。回灌是一项系统的复杂工程,实际日常生产运行中,综合影响因素和注意事项较多,各环节都应有科学合理和可操作性强的技术要求和规程,才能使相关工作都做到有章可循,以规避各类随意行为,防止事故发生,提高地热回灌率。
1.回灌前准备工作的技术要求
(1)合理选择适宜的回灌方式
为了保证回灌系统在真空密封状态下进行,宜采取通过回灌水管内进水的方式进行回灌(需要反复进行回扬方式除外),回灌管应下至回灌井内静水位以下5～10m的深度,整个运行系统应严格密封。地热回灌应遵循原水同层回灌(成井目的层相同)的原则;不能做到同层回灌的异层采灌系统,回灌流体质量应好于回灌层的流体质量,保证回灌水对热储层无伤害。
(2)回灌系统管路检查
地热回灌管网系统应保持密闭状态,且应始终保持正压,各种监测仪表、仪器的运转正常,过滤器的精度须达到规定要求。回灌运行前,要对整个系统管网系统进行彻底冲洗,保证系统管道及设备在充分清洁后再使用,以消除系统管路内的杂质被传输到回灌井内,影响回灌效果。
2.回灌启动时的技术要求
在回灌运行正式启动时灌量不宜过大,应从小到大逐渐增加灌量,如一开始就采用大流量回灌,容易造成井下滤层破坏。并且注入量由小到大可以尽可能的排除井管内的空气,避免井管内空气由于来不及逃逸而随回灌流体压入储层内,产生气堵。密切观测回灌过程中压力变化,调节回灌量,以压力表、水位数据的变化情况来判断回灌能力,待确认回灌通畅时,再逐渐增加灌量,直至正常运行。加压回灌时,压力也应从小到大逐渐增加。在运行一段时间后,回灌井内水位基本稳定(波动范围在5～10cm/30min)或水温无明显变化时,分别在开采井井口、回灌井井口同时取样送检进行流体质量化验分析。
3.回灌运行中的技术要求
在回灌运行过程中,应确保整个回灌系统的密闭状态,对管网中的接口部分应随时进行密封检修。回灌运行时要密切监视开采井、回灌井的水位、开采量、回灌量、水质及过滤器两端压力、管路压力等数据变化情况,正确判断回灌系统的运行状况,针对各种堵塞情况及时采取有效措施,如对于回灌管路的堵塞,可直接用连续反冲洗方法处理;对于回灌井本身产生的堵塞,可用间歇停泵空压机气举洗井或回扬反冲洗的方法进行处理。
回灌运行时如果灌量随着时间的延长而逐渐下降,同时反冲洗井效果不甚理想时,可采用加压回灌、间歇回扬方式,以增加回灌量。在常压自然回灌的基础上,待回灌水管和放气阀溢水后,关闭放气阀从小到大缓慢加压进行压力回灌运行操作。如果压力回灌时,灌量仍在不断减小,说明系统堵塞严重或回灌井滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质不断增加,回灌阻力增大,需要暂时停止回灌操作而采取间歇回扬洗井措施来疏通滤层,清除井下集聚沉淀的杂质,恢复回灌能力。当回灌井出水量恢复至初始出水量及水清砂净后,停止回扬,再进行下一次常压回灌与加压回灌。抽水回扬后由于井内流体动水位下降,井管内充满空气,需要及时排气。
4.停灌期间系统设施的养护
在地热回灌系统停止使用期间,要认真封闭开采井、回灌井井口,对系统各部分进行密封处理,并且利用自动控制的氮气保护装置,将停用的地热井液面以上的井管部分充满惰性气体,隔绝空气,防止空气渗入井管,造成氧化腐蚀。
5.地热回灌系统中相关监测工作
为分析地热回灌的综合效应,其中一项较为重要而又基础的研究内容就是对比分析回灌前后地热井储层参数的变化特征。地热回灌过程中的相关数据监测,并不仅仅局限于监测地热田本身和地热开发对热储层参数的影响,对与开采井、回灌井有关参数的定期监测应同时进行。水位、水温、水质是最基本的监测内容。回灌运行前、停灌期间对开采井、回灌井进行静水位及对应液面温度观测尤为重要。同时为保证回灌进展顺利,在地热回灌系统运行过程中,相关回灌开采动态信息也要定期实时监测,因为通过对运行数据的监测和数据分析,可以更多的掌握和分析出不同地层构造对回灌量的影响程度,回灌对维持储层压力、抬升区域水位的综合影响。观测项目要包括:回灌运行时开采井、回灌井动水位及对应液面温度;开采量(开采总量和瞬时开采量)、回灌量(回灌总量和瞬时回灌量);井口压力;过滤器进口与出口端压力值及压差;排气罐口压力、气体组分和携带物、气体释放量、水质等。水位的监测频率以每月1～2次为宜;各种压力应随时监测;气体分析应在回灌初期进行。有些数据依靠普通的仪表仪器或常规取样化验即可获得,但深层次的研究数据则需要特别手段,如悬浮物、细菌的定性定量分析需借助油田精细检测技术,深部热储层的温度、压力情况需通过井下测温测压技术等。
回灌流体的水质、储层回灌前后流体化学性质及成分的变化是地热回灌中需要重点长期监测的一项内容。地热回灌各阶段所获得的水质跟踪监测数据可及时发出警示,提醒及时采取相应防范措施。另外尽管在地面设施上已充分考虑了当温度压力变化可能造成的化学物理堵塞问题,但低温回灌流体注入储层后,与地层局部热流体混合再发生的化学变化是一个很复杂很隐蔽问题,导致的潜在堵塞、腐蚀或结垢影响需作详细地专项分析,长期跟踪检测。回灌系统水质监测项目应包括:全分析、酸性样、碱性样、气体样、悬浮物、溶解氧含量、侵蚀性二氧化碳、过滤器残渣样、细菌样(铁细菌、硫酸盐还原菌、腐生菌)等。回灌初期、中期各取样监测一次;过滤器前、后要分别取样;回扬早、中、晚期分别取样;特殊情况如出现异常或专项试验研究则要加密取样和进行针对性取样。
回灌对热储层地温场的影响是在进行大规模回灌的情况下首先要监测的内容。由于地热井开采时的流体温度(即使是最大稳定流温)也并不能完全真实地代表深部热储层的温度,因此要取得地热回灌对热储温度场影响方面的实测数据,应有针对性的在某一回灌连续性较好的地点,在回灌停止时间段内,选取不同目的层的回灌井进行井下连续稳态测温测压工作,获得热储层内各井段在一个停灌周期内的井温、压力资料。回灌井测井工作应从停灌后立即开始至下一次回灌来临之前这一时间段内连续进行。最好每月进行一次;如考虑工作成本,也要做到每2个月测井一次。通过这些连续性的测井资料,才能更好的了解回灌后储层温度场、压力场逐月变化情况和发展势态。
Ⅱ 回灌堵塞类型
储层类型不同,产生堵塞的主要原因也不同。沉积盆地型地热田多年地热回灌实践表明,基岩岩溶裂隙型储层以裂缝为主,裂缝连通性能较好,在做好洗井、地热尾水处理等前提下,堵塞现象较少,甚至产生负压回灌,回灌率能达到80%以上,甚至100%回灌。而孔隙型热储层由各种原因引起的堵塞问题则较为复杂,以华北平原沉积盆地型地热田新近系热储层为例,在断层活动量微弱、盆地以大范围整体沉降为特征的地质背景下,辫状河、曲流河发育,形成了冲、洪积扇和河流相堆积。不同沉积微相控制着储层的发育特征,造成碎屑岩层多孔介质孔隙截面积较小,流通主要受孔隙喉道控制;孔隙喉道表面粗糙,形状弯曲多变、不规则,难以进行描述和仿真。回灌流体以水平方向运动为主,与碎屑颗粒接触面积大,需克服排替压力、孔道表面摩阻力,从而使回灌流体流速低,在其他因素影响下,易产生堵塞。
由国内外专家对各国不同热田的多个回灌事例进行调查考证的有关统计数据表明,有80%的回灌井出现了堵塞,情况极其复杂,可能是单一或多种原因复合作用的结果,其中悬浮物引起的堵塞所占比例较大(表7-1)。
表7-1 回灌堵塞原因统计表
1.悬浮物堵塞
地热流体中由悬浮固体颗粒引起的回灌系统堵塞最为常见,悬浮物堵塞主要由回灌流体与储层相互作用引起,与流体内所含细小颗粒的成分、大小有关,与储层、孔隙参数如大小、形状、扭曲度以及运移过程、流体动力、惯性力等有关。注入井内的流体中运动的细小颗粒在地层中的某一位置发生阻塞时,该位置的压力和悬浮流速已经不能维持颗粒的正常运移,使颗粒被驻留,从而形成阻挡环状区域。如:由于固与液密度不同,重力作用使比流体运动慢的颗粒就可能驻留沉淀在砂岩的某个位置而不再随流体运动;固相颗粒的浮力使之偏离原来的惯性流向而与地层砂岩壁面的纹理相接触并沉积下来;在非球形或不规则的剪力场水力影响作用下,颗粒会向吸附面作侧向移动并被吸附;由于尺寸形状关系,颗粒不能跟随流体在细小、扭曲的路径中运动,它们会碰撞到地层砂岩上,而被吸附拦截;散乱性的布朗运动使颗粒从主流中分散开去并被困于地层某个角落。
悬浮物成分的定性定量研究测试在天津地区地热回灌中作过较为详细的工作,试验中采用0.45μm聚四氟乙烯过滤膜对回灌流体中的悬浮物颗粒进行过滤,并对截留物质进行SEM分析。统计结果表明:某些地热井仅过滤了50mL的水量,就在过滤膜上积累了较多的颗粒物。其中新近系孔隙水9个样品中6个有滤出物,占67%;基岩裂隙水18个样品中16个有滤出物,占89%。检测出的成分有:斜长石,石英,钾长石,Mg和Fe的硅酸盐,Fe(或Zn,Cu,Hg)的硫化物或氧化物,CaCO3等。根据滤出量的多少可分为高、中、低、无四档含量。滤出物含量为高档时,成分以Zn,Fe的硫化物,NaCl和斜长石为主;中档时以Fe的硫化物,NaCl,斜长石为主;低档时以Fe的硫化物,CaCO3,NaCl,石英为主。值得注意的是:从高档向低档,滤出物的检出成分逐渐复杂,从低档向高档,滤出物则向某几种成分集中。此外,还对处理回灌流体的过滤棒截留物进行了分析,表72是天津市东部地区开采井(DL-25:馆陶组,1331m)的循环尾水回注到另一回灌井(DL-25B:馆陶组,1360.19m)前被过滤棒截留的固体成分分析结果。由分析数据可知,Zn,Fe的化合物是造成该孔隙型地热回灌井悬浮物堵塞的主要原因,根据滤膜截留物分析,应为FeS,ZnS。而根据开采井水质全分析报告,
表7-2 DL-25回灌流体过滤棒固体成分分析结果
2.微生物作用
存在于回灌流体中或地表的微生物可能在适宜的条件下,在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介质孔隙,降低含水层的导水能力。如在富含硫酸盐地层的流体和低温状态时,会加速一种消耗硫酸盐的细菌生长,形成一种细胞粘土将介质孔隙堵塞。地热流体中微生物种类大致包括硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(FB)、腐生菌(TGB)等,3种细菌具有共生性,在流体运移和其他化学组分的作用下可繁殖累积产生沉淀。若含有大量铁细菌及硫酸盐还原菌的流体进行回灌,则可能导致地层的有效渗透率下降,输水管网或井管产生严重堵塞腐蚀,甚至可能由于硫化氢含量的增加,导致地下热流体质量恶化,对储层造成不可逆转的影响。天津地区有些基岩同层采灌对井如HD12HD13,HD11HD20等,均发现存在硫酸盐还原菌、铁细菌,致使回灌效果受到一定影响。在孔隙型地层中,地热井采用滤水管成井工艺,由于热储层渗透率小、岩石粒径细,热流体中含砂量大,滤水管网处较易聚集细微颗粒,极易滋生繁殖各类细菌,产生微生物堵塞,使得孔隙型回灌相对基岩更困难,这类由地层滋生出来的细菌主要是腐生菌,其生存条件与地层温度、压力等特定条件关系密切。
地热系统中,由于金属管材成井的地热井和金属输水管路设备,铁细菌较常见。铁细菌为好氧菌,能在中性或偏酸性流体中发育,在和铁质的输水管接触过程中加速Fe2+氧化成Fe3+,从而形成Fe(OH)3沉淀。地下水中所含的铁主要以Fe(HCO3)2的形式存在,在铁细菌的作用下,会发生如下反应:
2+H2O+1/2Fe(HCO3) O2→2Fe(OH)3↓+4CO2+能量2
铁细菌的生长条件主要有:①适宜的水温:铁细菌是种“嗜冷”微生物,尤其在回灌井中12℃以上水温是最适于生长的;②丰富的Fe2+:铁细菌以Fe2+为生,因滤水管是铁管缠丝,易发生电化学腐蚀,溶解于地下中的大量Fe2+可供铁细菌生长;③所需的溶解氧:铁细菌对氧的需要不亚于Fe2+,地下水中的溶解氧一般仅1～2mg/L,但由于回灌流体含较高的溶解氧,还有空气混入井内,也增加了地热流体溶解氧的含量,为铁细菌的大量繁殖提供了条件。另外,溶解氧也加速电化学腐蚀,使地热流体中的Fe2+含量增加;④合适的pH值:当pH值在8以上时,流体中不含Fe2+,间接抑制了铁细菌的生长;当pH值在6.5～7.5时,最有利于铁细菌生长;⑤共生的有机物:地热流体中常含有大量的有机物与之共生,易促使铁细菌的生长。
3.化学沉淀堵塞
低温地热回灌流体的化学性质及任何变化都对回灌效果影响较大。地热流体中化学成分的浓度与压力、温度关系密切,相对低温的回灌流体注入与储层局部热流混合会引起化学平衡的偏差,造成化学组分变化,不仅改变热储层物理性质,还可能产生较复杂的化学沉淀物质,腐蚀或结垢也较普遍,从而影响储层的吸水能力。由于回灌过程中产生的热力学变化如压力、温度下降和pH值变化等,当回灌流体注入储层与热储流体混合,可能与储层介质或储层流体化学成分不相容,形成沉淀堵塞通道;或可能发生某些反应新生成化学物质而影响水质;或可能从岩石中溶解某些矿物(盐敏、酸敏),改变原有的化学平衡;或水岩反应造成储层孔隙度变化;或形成化学沉淀堵塞储层孔(裂)隙通道……另外各种原因的腐蚀也是产生化学沉淀堵塞的重要因素。地面处理设施只是考虑了利用末端化学堵塞问题,但即使是同层原水回灌,由于压力温度的改变,水源混合再发生化学变化也极为复杂,是一个较难解决的问题。
(1)岩石矿物析出
地热流体从地下到地面(抽水)、再从地面到地下(回灌),由于压力和温度的变化而产生的化学物质析出或溶解的状况比较复杂,主要与流体所含离子析出的多重条件及析出过程的变化趋势有关,特别是析出后可生成颗粒的物质、粒径,产生析出的临界温度、压力,在什么件下可发生逆向反应等。其次,储层内矿物的饱和指数也是一个关键性的界定范围指标。
矿物质在溶剂过程中的饱和度(SI=lg(LAP/K),SI:饱和状态指数,LAP:离子活性值,K:溶解性值)及达到过饱和状态溶液的稳定性也会影响化学沉淀产生,有些矿物质在环境温度压力变化的情况下会过饱和(SI＞0)析出而产生沉淀导致回灌堵塞,影响回灌效果。
应用PHREEQC 2.11物种计算程序模拟软件对矿物的饱和指数SI进行计算,结果表明:沉积盆地地热田热储流体中的大部分矿物(如CaCO3,MgCO3,CaMg(CO3)2,CaF2,Ca5(PO4)3F,SiO2)都处于饱和状态;Fe,Zn矿物多处于过饱和状态。因此,在热流体的赋存环境发生变化时,可产生一系列的矿物析出在回灌井底沉淀而导致堵塞,最常见的几种矿物为碳酸钙、石英、铁锌氧化物和硫化物。
(2)Ca(Mg)CO3沉淀
理论上分析,根据静水力学压力和温度数据关系,CO2在低温下的溶解度高于在高温下的溶解度,因此即使开采井中地热流体呈方解石饱和状态,抽出的热流体由于CO2的损失及经板换取热之后温度降低,循环尾水即回灌流体不会达到碳酸钙的饱和状态而产生沉淀。但由于地热流体自地下深处向上运移时压力快速减小,
地热流体在热量被利用后回灌到热储层前,为预防气堵都采取排气措施,部分或全部CO2气体逸出,有可能破坏流体内化学平衡关系,致使回灌水源中的
(3)石英沉淀
对高温地热流体来说,石英沉淀是导致回灌化学堵塞的较大潜在因素,石英饱和主要是因为可溶解性SiO2在温度达到250℃临界状态之前,其在热流体中的天然溶解度与温度呈显著的线性相关关系,所以任何形式的传导性、对流性或者混合降温过程都可能使石英、玉髓过饱和导致沉淀,尽管其沉淀速度较慢。
从动力学角度上讲SiO2浓度在溶液中的再平衡速度相对较快,但实际上还不足以再次达到平衡状态。尤其是处于不同地质构造单元里的地热井,石英控制相是不同的,且单晶硅的可溶性大于石英。由取样分析可知,沉积盆地型地热田中热储流体石英均呈过饱和,部分则出现玉髓过饱和,因此回灌系统中产生石英沉淀的可能性较大。例如天津东部滨海地区孔隙型热储层中,在热流体80℃冷却至35℃,压力维持在0.1MPa的模拟试验研究发现,原本矿化度很低、管道中结垢不是很严重的回灌流体,结垢矿物主要成分(定性)是方解石、斜绿泥石、白云石、黄铁矿和非晶质硅,每1mL热流体中沉淀矿物(定量)为0.059g,其中二氧化硅占72.7%,方解石为24.72%,斜绿泥石为1.72%,黄铁矿为0.43%,白云石为0.40%。回灌时当注入流体温度大于35℃时,由于水岩反应可能从岩石中溶解矿物,致使有些矿物呈不饱和状态,进而造成储层孔隙度发生变化。
(4)金属化合物沉淀
应用PHREEQC-2.11模拟软件分析发现,地热流体中Fe,Zn化合物的SI值多为正值(磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿、硅锌矿等),达到过饱和状态,其中Fe(OH)2的SI=2～6,FeS2,Fe3O4,Fe2O3多为SI＞10,最大的Fe3O4的SI=21.3;ZnSiO3,Zn2SiO4的SI=2～7(仅FeS的SI=-1～-3.5,处于非饱和状态)。通常认为在深部基岩高温地热流体中这些矿物是饱和的,但在新近系甚至第四系的低温流体中也发现这些物质过饱和,说明这种饱和可能不是因为热储流体原本如此,而可能是由被地热流体腐蚀的劣质成井套管、潜水泵管及镀锌测管的Fe,Zn进入流体中引起的过饱和(新近系地热流体取样是在抽水半小时之后,井筒中静态流体全部排出,在腐蚀性评价中,水质往往是不腐蚀或轻微腐蚀)。在安装有镀锌材质测管的回灌井中,ZnS的含量往往高于没有测管的地热井,就说明了管材对水质的较大影响。矿物过饱和析出物多以悬浮物形式存在于热流体中,大部分可以被回灌水处理装置如过滤器的过滤棒截留,但以过饱和离子状态存在的Fe,Zn(尤其是不稳定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以缓慢形成稳定的化合物而逐渐沉淀下来,堵塞于滤水管或细小的孔裂隙中。在实际的对井采灌系统中,除发现石英与方解石以悬浮固体的形态与热流体共存外,过滤截留的铁 锌化合物几乎在所有的回灌流体中都能发现,而且在某些对井系统中还能看到位于热交换器之前的过滤器上充满了铁的氢氧化物(Fe(OH)3·nH2O)。
通常在地热利用中,如果成井套管和供热设备采用优质钢材的情况下,由铁质材料腐蚀导致的堵塞并不常见。但如果流体中气相成分富含H2S的话,由于H2S氧化转化为 H2SO4而导致溶液中较高的酸度,使Fe氧化为Fe2+,将产生自由氢气(Fe+H2S+4H2O=Fe2++H2↑+
4.气体阻塞
来自深部的地热流体含有或多或少的各种气体,流体中的溶解性气体可能会因温度、压力的变化而释放出来。此外,也可能因生化反应而生成新的气体物质,典型的如反硝化反应会生成氮气和氮氧化物。进行回灌时,由潜水泵抽出的地热流体经循环换热后注入回灌井,循环流动的流体中或由于自身存留的气体或生化反应产生的新气体或空气渗入等可能携带大量气泡。即使地热循环利用后的尾水经过排气处理再进行回灌,但在回灌量较大、流速较快时,有些气体来不及逃逸而又被裹携注入井管甚至进入热储层而使回灌不畅,引起气堵。气泡的生成在潜水含水层中影响较小,因为气泡可自行溢出;但在承压含水层中,除防止空气渗入使注入流体夹带气泡之外,对其他原因产生的气体也应进行特殊处理。
5.黏粒膨胀和扩散
黏粒膨胀和扩散是较为普遍且常见的因化学反应产生的堵塞,主要是因为注入流体中所含离子和储层中粘土颗粒上的阳离子发生交换导致黏粒膨胀和扩散。从化学理论上分析,这种原因引起的堵塞可以通过注入CaCl2等盐类来处理。
6.含水层细颗粒重组
当回灌井又兼作抽水井时,反复的抽、灌可能引起存在于井壁周围的细颗粒介质的重组,这种堵塞一旦形成,很难处理。所以在此种情况下,回灌井用作抽水井的频率不宜太高,因此抽水回扬作为一种洗井手段也并不是完全有利于回灌的,虽说长时间耽置停用的井在启用之前抽水回扬很有必要,但回灌过程中频繁回扬则不太可取。尤其在孔隙型热储层中,时常采用反抽洗井方法来提高回灌率,但一定要对因回扬洗井而产生含水层细颗粒重组引起的堵塞进行全面充分地分析,制定合理的回扬方案。
Ⅲ 浅层地热能抽水回灌试验
抽水试验是通过抽水设备从井中连续抽水，并记录水位、水量、水温的变化来测定含水层的渗透性能和水文地质参数的试验；回灌试验是向井中连续注水，并记录水位、水量的变化来测定含水层渗透性能和水文地质参数的试验；抽水回灌试验在抽水与回灌共同作用下，测定水位、水量和水温在试验过程中的变化，确定单井出水能力和回灌能力的试验。根据河南省主要城市所处的水文地质单元与浅层地热能赋存特征，以下列举了5组抽水回灌试验成果。
一、试验地段选择
1.试验区水文地质条件
（1）安阳市试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于安阳市区西南部，地貌上属于安阳河冲洪积扇。安阳河冲洪积扇是中、晚更新世及全新世后期次复合堆积而成的，具有明显的上细下粗的二元结构。其三面被丘陵岗地环绕，向东敞开，呈向东倾的簸箕状，封闭条件较好，构成一个完整的水文地质单元。
试验区地形平坦，表层多为粉土，有利于大气降水的补给，含水介质由中上更新统砂、卵砾石层组成（图4-1），试验区一带主要是开采浅层（100m以上）地下水，浅层地下水储存在安阳河冲洪积扇松散裂隙水储水介质中，其底部为下更新统泥砾或黏土组成的隔水层。
试验区主要的储水介质是中、上更新统冲洪积卵砾石及半胶结钙砾石层（图4-2）。该处卵砾石层顶板埋深26.4m，略向东倾伏，厚约32m，其成分主要为灰岩，次为石英砂岩，粒径一般为0.2～5cm，大者可达10cm，磨圆度好，分选性差，含砂量约10%～30%，局部夹有黏土透镜体。单井涌水量每天约5000m3/5m，水位埋深37.5m，含水介质厚度21m。渗透系数大于200m/d。
图4-1 安阳市试验区水文地质剖面图
图4-2 安阳市三分庄抽、注水井地层结构柱状图
2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO3型，矿化度一般小于lg/L，为淡水。
（2）郑州市高新区试验区
1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区位于郑州高新技术开发区东北部慧城小区，含水层为第四系全新统和上更新统冲洪积物，其次为中更新统。150～200m以上地下水可分为浅层及中层地下水，二者具有一定的水力联系，实际开采也多是混合取水。浅层地下水因埋藏浅，在试验区一带，浅层含水层底板埋深约70m，厚约30m。目前，该区已由前些年的农业区转变为新兴的工业区，现城市供水水源为黄河九五滩水源地地下水，加之区内耕地减少，且中深层地下水限制开采，地下水开采强度较低。此外，试验区东邻石佛沉沙池，地表水对浅层地下的补给作用较强，地下水水位回升趋势明显。
中深层水主要为第四系中、下更新统冲积－湖积层和新近系上段湖积层。试验区中深层含水层组顶板埋深90m左右，中深层水是目前城市供水的主要开采层，井深一般在100～300m左右，其含水层岩性为中砂、细砂、粗砂等。200m以浅含水层总厚度约50m。
根据已有钻孔及抽水资料（图4-3），浅层与中深层混合水位一般在30m左右。实抽降深20m，单井出水量70m3/h，渗透系数一般为8～10m/d。据郑州市地下水资源评价结果：高新区地下水可采模数每年为13.42×104m3/km2，目前开采利用率仅46%，有扩大开采的能力。试验区一带浅层、中层混合水温为17℃。
2）地下水化学特征：试验区浅层地下水水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度604.28mg/L，总硬度为428mg/L；中深层为HCO3-Ca-Na型，矿化度为453.33mg/L，总硬度为273.5428mg/L。
（3）郑东新区试验区
1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区处于黄河冲积平原，地表岩性为粉土，水位埋深10.6m。据钻孔资料（图4-4），90m以上共有含水层5层，总厚度约44m，岩性以中细砂、粉细砂为主。实测降深9.6m，单井出水量51m3/h，渗透系数为4.04m/d，水温为15.9℃。
2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO3-Ca·Na型，矿化度为1407mg/L，总硬度为630mg/L。
（4）新乡市东郭试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市区北部共产主义渠北侧，地貌上为古泛流带。浅部地层岩性为粉质黏土，在40～60m深度内发育有3～4层细砂，总厚度为30～40m，降深5m单井涌水量500～1000m3/d。渗透系数10～15m/d，水位埋深10m左右，水温16.0℃。
2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO3-Ca·Na·Mg型，矿化度为1183.2mg/L，总硬度为572.5mg/L。
（5）新乡市南鲁堡试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市凤泉区西南鲁堡。浅部地层岩性为粉质黏土、细砂，45m深度内共有含水层2层，总厚度22m，含水介质为细砂。水位埋深11m，实测降深2.95m单井涌水量37.19m3/d，渗透系数12.3m/d，水温16.0℃。
2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO3·Cl--Mg·Ca·Na型，矿化度为999.66mg/L，总硬度为547.5mg/L。
图4-3 郑州市高新技术开发区油、注水井地层结构
2.试验场地布设
5组抽回灌试验场地分别位于冲洪积扇、山前冲洪积斜平原、冲积平原，代表了冲洪积卵砾石、冲湖积、冲积粗砂、中砂、细砂含水层的抽水、回灌能力（表4-1）。抽水、回灌方式有一抽一回、一抽二回（图4-5），如新乡市东郭试验采用一抽一回方式，试验过程中，超出回灌井回灌能力的水量再回灌于抽水井。
图4-4 郑州新区抽、注水井及地层结构
表4-1 试验井基本情况表
图4-5 新乡东郭注水试验场地布置
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二、试验方法与质量
1.试验方法
抽水试验分别采用单孔稳定流和孔组非稳定流方法。回灌试验采用自流回灌方式，回灌时保持回灌孔水位稳定，计量注水。
（1）观测内容与精度
试验过程中观测抽水孔和观测孔水位，抽水孔的出水量、水温、气温，注水孔的回灌量与水位等。
主要观测工具为双股平行线和水位计，观测精度：抽水孔水位读数到厘米，观测孔水位读数到毫米；抽水量和回水量采用水表测量，读数到0.1m3；水温、气温读数到0.5℃。
（2）观测方法
1）单孔稳定流抽水试验：单孔稳定流抽水试验进行一次最大降深的稳定流抽水。抽水试验时，动水位和出水量观测时间为抽水开始后的第5、10、15、20、25、30min各测一次，以后每隔30min观测一次；水温、气温每隔2h同步观测一次。抽水稳定延续时间不少于8h。停抽后进行水位回复观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
2）孔组非稳定流抽水试验：抽水过程中，抽水孔的出水量保持稳定。水位观测频率为抽水开始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，水量、水温、气温每隔2h观测一次。抽水结束后，对抽水孔和观测孔进行恢复水位的观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
3）回灌试验：采用自然重力回灌法。回灌时及时调整回灌量，考虑到实际回灌时的水位升幅，一般保持回灌孔内水位埋深稳定在2～4m。观测方法及频率同稳定流抽水试验。
（3）水样采取
抽水试验结束前采取水质全分析样，并填写水样采样记录卡，水样送实验室测试。
分析项目包括含砂量、色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、pH值、氯离子、硫酸根、碳酸氢根、碳酸根、氢氧根、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、总硬度、溶解性总固体、铵根、全铁、磷、硝酸根、亚硝酸根、氟化物、高锰酸盐指数共24项。
2.试验质量
1）抽水、回灌试验参照的技术标准主要有：《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）、《浅层地热能勘查评价技术规范》、《水样的采取、保存和送检规程》、《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）等。
2）为确保试验质量，抽水开始前，对参与观测的人员进行观测技术培训，统一观测记录格式与要求；
3）抽水前所有设备准备就绪，排水工程完备，观测工具、人员到位。
4）测线采用伸缩性小的高质量双股平行线，减小观测误差。
5）同一观测井观测人员与测具固定，观测数据填写及时准确，清晰、内容齐全。
6）观测资料及时整理，发现问题及时解决，保证资料的完整性。
三、试验成果
1.参数计算方法与结果
根据单孔稳定流抽水试验资料，按下式计算含水层渗透系数K
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根据注水孔试验资料，按下式近似计算渗透系数K
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按下式计算单位抽水量q 抽或单位回灌量q回：
q抽＝Q抽/S；q回＝Q回/S
式中：K为渗透系数，单位为m/d；Q为稳定的出水量或注水量，单位为m3/d；H为潜水含水层厚度，单位为m；S为水位降深或升幅，单位为m；R为影响半径，取经验值，单位为m；r为过滤器半径，单位为m；L为试验段或过滤器长度，单位为m。
计算结果见表4-2。收集的部分回灌试验成果如表4-3。
表4-2 抽水、回灌试验成果一览表
表4-3 收集的回灌试验成果表
2.回灌量大小的影响因素分析
回灌量的大小受成井结构与质量、水文地质条件等多种因素影响。
含水层岩性是决定回灌量的基本因素。由表4-2可知，不同含水层的抽、注水试验求得的渗透系数比值分别为：以粗砂、砾石为主的含水层为1.96～2.81，以中砂、中细砂为主的含水层为3.28～8.50。表明含水层颗粒越粗，抽、回灌水能力越接近，即含水层颗粒越粗越容易回灌。
水位埋深对总回灌量的大小影响明显，回灌量与水位埋深成正比。以郑州高新区和郑东新区两组回灌试验对比，二者含水层岩性相似，均以中细砂为主，含水层渗透能力近似，高新区静水位埋深为34m，郑东新区仅为10.6m，响应的高新区回灌量为42m3/h，郑东新区只有12.56m3/h。
滤水管结构对回灌量有直接影响。含水层岩性近似地段，使用钢质桥式滤水管成井的回灌量明显大于使用水泥滤水管井（表4-3）。
综合发现：卵砾石含水层地区，单位回灌量为单位抽水量的70%以上；粗砂、中砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的70%～40%；中细砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的50%～30%；细砂、粉砂含水层地区，单位回灌量小于单位出水量的30%。
3.抽水、回灌井数比例的确定
单位抽水量和单位回灌量之比可作为确定回灌井数的主要依据。根据上述试验成果，考虑到长期回灌时回灌井可能的堵塞情况，在地下水静水位埋深大于10m的条件下，地温空调井抽、灌井数比例确定如表4-4。
4.地温空调井运行对地下水环境的影响
（1）对地下水温度的影响
研究区地温空调井抽水井中水温一般约16～20℃，回水管道中水温供暖期一般在10～15℃，比抽水井中地下水温度低2～7℃，制冷期一般在18～25℃，比抽水井中地下水温度高1～8℃。根据对地温空调井地下水温度监测（图4-6、图4-7），地温空调运行时对地下水温度阶段性影响较明显。
表4-4 地温空调井抽水、回灌井数比例确定
图4-6 郑州市儿童医院地下水埋深与抽水井水温动态曲线
图4-7 郑州嵩阳中学地下水埋深与回灌井水温动态曲线
制冷期，回灌水温度一般在19～30℃之间，最高可达35℃；供暖期，回灌水温度一般在8～15℃ 左右。受回灌水温度的影响，制冷期使地下水温度略有升高，供暖期略有下降，但在一个完整的制冷与供暖周期内，地温空调井回灌对地下水温度总的持续性影响不明显。多年温度动态曲线（图4-8至图4-13）也表明研究区地温空调运行未造成地下水或 土体温度持续性的升高或降低。没有观测到明显的热污染现象。
图4-8 安阳市文峰时代广场回灌井水温动态曲线
图4-9 安阳市五中回灌井水温动态曲线
图4-10 中国农业科学院棉花研究所回灌井水温动态曲线
图4-11 安阳市广电局回灌井水温动态曲线
（2）对地下水水质的影响
根据对郑州市儿童医院地温空调井制冷期运行前（5月5日）、运行期间（8月21日）及运行后（10月29日）的水质采样、分析（表4-5）和安阳市部分地温空调系统在运行期间抽水井与回灌井的水质采样、分析（表4-6）。通过对比发现，浅层地热能在开发利用过程中，对地下水水质影响不大；元素锌在回灌井中有明显升高现象，分析其主要原因是锌易氧化成锌离子进入水中，所以，建议不使用镀锌钢管。
图4-12 安阳市公安局回灌井水温动态曲线
图4-13 安阳市喜相逢大酒店回灌井水温动态曲线
5.抽水、回灌井间距的确定
抽、回灌井的合理间距以不发生热短路为原则。回灌水到达抽水井的时间（热短路时间）可用下式表示：
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式中，n为含水层的有效孔隙度；π为圆周率；d为抽水井和注水井距离；B为含水层厚度；Q为稳定的注水量。
根据上式可确定发生热短路的抽水、回灌井间距临界值为：
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当抽水井、回灌井距离小于合理间距（d）时将发生热短路现象。以儿童医院为例：
儿童医院的地温空调工程设计抽水井、灌井数为6眼，其中抽水井深98m回灌井深70m。抽水、回灌井运行模式为两抽、四灌，3＃和6＃为抽水井，其余4眼为回灌井。运行时单井抽水量100m3/h单井回灌量50m3/h。抽、灌井及观测井的位置分布见图4-14。
图4-14 抽、灌井分布图
表4-5 郑州市儿童医院地温空调井不同时段下水水质对比表
按制冷期热泵运行时间120d，含水层厚度15.9m，孔隙度0.30，则d为85m，即在回灌量为50m3/h时（相当于塬前冲积平原区），抽、灌井间距大于85m时不会发生热短路。如单井回灌量达到85m3/h时（相当于黄河冲积平原），则抽、灌井间距大于111m不会发生热短路。
实际上，3号抽水井和2号回灌井间距为36m。6号抽水井和5号回灌井间距也仅为55m。图4-7是系统运行时6＃抽水井水温曲线，从温度变化来看，显然发生了热短路现象，其制冷期最高温度23～24℃，较背景值（20℃）高出3～4℃。供暖期最低温度17～16℃，较背景值低约3～4℃。
一般热泵机组正常工作时，要求水的温度介于2～35℃之间，以保证系统可以正常运行。因此，虽然回灌水引起了热短路，但温度变化还在热泵允许的范围内，能够保证系统的运行效率，满足建筑物冷热负荷的要求。另一方面，城市区多数建筑场地不能满足理论计算的抽、灌井间距要求。大量的观测资料也说明热短路现象是普遍存在的。但因回灌水温度适中，可以保证水源热泵空调系统的运行效率。而抽、灌水的温度变化供暖期和制冷期呈现周期性的波动，也反映出水源热泵空调系统在长期的运行过程中，其水动力场影响范围内某点的地下水温度波动的规律性，即在水源热泵空调系统长期运行过程中，地下水温度在冷、热交替中的影响范围内不会发明显持续性升高或降低。
表4-6 抽水井与回灌井水质对比表
因此，地温空调井间距的确定不能仅以热短路作为依据，而应考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求、对地质环境的影响和运行的经济性。但在条件允许的情况下应尽量满足井间距要求，以减少热短路影响，保证系统运行效率。在实际工程中回灌量和含水层厚度差别较大，结合此次对已有地温空调系统运行效果的调查情况及抽、灌试验成果，建议细颗粒地层中抽、灌井间距不宜小于40m，卵砾石含水层中间距不宜小于80m。实际工程应用中可根据具体情况调整。
Ⅳ 孔隙型地热回灌典型实例分析
天津地热田属典型的沉积盆地型地热资源,回灌开采历史长、规模大。据统计数据,2008年度回灌量近600×104m3/a,整体回灌率近23%,其中基岩回灌率达41%,效果明显。相对而言,孔隙型热储回灌工作进展缓慢,回灌率不足2%。究其原因是由于各种因素引起的堵塞致使回灌量衰减过快,回灌率太低,难以做到连续稳定的回灌,这些问题一直是阻碍其回灌工作快速发展的重要因素。影响回灌效果的原因很多,除了孔隙型储层“先天存在缺陷、后天易受损害”的特征外,主要有三个方面:一是成井过程对储层造成伤害,包括井身结构选择,钻井液、洗井方式和成井工艺等;二是地面回灌系统,包括地面净化系统、回灌方式、采灌井间距及回灌井的定期维护;三是回灌流体进入储层以后与储层及地热流体的物理作用、化学作用等。谢玉洪等将其归纳为储层的外在伤害因素(钻井、开采、修井引起)和内在伤害因素(储层空间、矿物、岩石表面、强度,应力及环境变化)。在实际进行回灌操作时,如果能较好的解决对储层伤害问题,且回灌运行操作技术措施得当,回灌率是有望得到提高的。
天津东部的滨海新区大港某职业学院内,有孔隙型地热井两眼,目的层均为馆陶组,开采井DG-49为校区宿舍、教学楼及办公大楼提供供暖热源和生活热水,回灌井DG-49B用于循环尾水回灌。该供暖系统运行状况不理想,能耗大、资源利用效率低;回灌系统不规范,同时,该地区馆陶组储层泥质含量大,多为粉细砂,导致回灌量较小,回灌持续时间短,资源浪费严重。针对存在问题对供暖系统和回灌系统进行多种技术改造后,资源利用率和回灌率得以提高,最大限度的减少了资源消耗。
1.原对井回灌系统存在的问题
开采井DG-49于2005年成井,目的层为新近系馆陶组下段,井口流体温度61℃,成井初期最大流量为81m3/h,实际平均开采量为64m3/h,供热面积9×104m2;回灌井DG-49B目的层馆陶组下段,井深1892m,出水温度62℃,成井初期流量为85m3/h。该项目建成之初,开采井和回灌井泵房均处于地下,DG-49B井泵房内长期积水,井口设备受到强烈的腐蚀,井房大小为3m×2m×3m,空间狭小,没有任何监测仪器,地热换热后直接进行回灌,没有任何水质处理措施及加压等其他配套设施,回灌效果差,回灌量仅10～15m3/h。
2.回灌系统改造
鉴于该项目回灌效果不佳的状况,依据《天津市地热回灌地面工程建设标准(DB29—187—2008)》和《天津市地热回灌运行操作规程》(2006年)等地方工程建设标准和行业规程,对回灌系统进行整体改造。将开采井井口改造修建成景观亭台式地下泵房,进一步完善泵房功能,泵房室内面积近40m2,高2.6m,泵房地面及四周墙壁均做了防水处理,泵房屋顶提供井泵检修及提、下泵所需的活动井泵孔,室内有0.8m×0.8m×0.8m的集水坑,集水坑内设置潜水排污泵,弃水可通过潜水排污泵提升到室外排水处。回灌井DG-49B的改造包括提升井口,在地面修建了空间较大的井泵房,并安装了温度变送器(0～50℃,L=100mm)、压力变送器(0～1.6MPa)、电磁流量计、自动水位监测仪等一系列监测装置,同时安装了下位机,建立了智能远程控制系统;为了与智能化监测系统结果相互校核,更准确、更稳定的观测回灌运行参数,同时在井口安装人工监测装置,包括热水表、温度表(0～50℃)、压力表(0～1.0MPa)、水位测管,用以监测流量、温度、压力、水位等动态参数;回灌井泵房内安装有具备反冲洗功能的精度为50μm的粗效过滤器(DL3P-2S)和精度达到3μm的精密过滤器(LGFN-125-1.0B),配备反冲泵、反冲储水箱、排气灌、加压泵等各种设备,用于对回灌流体进行地石净化处理和加压;在房顶安装了电动葫芦,用于方便提下泵;同时设置有排水沟及排水地漏,用于收集地面散水或设备溢流;各类输水管网均采用普通钢管并进行防腐防垢处理,同时选用厚为30mm的聚氨酯保温层、外包0.5mm镀锌钢板保温。
改造后回灌系统中,地热循环尾水先行经过粗效-精密两道过滤流程后,再通过排气装置进行排气处理,流体最后从回灌井注入储层。同时加压泵的设置能随时在回灌量不理想时启动,进行加压回灌试验和压力回灌。
3.回灌试验
回灌试验在冬季供暖期进行,进水方式为井管与泵管的环状间隙,回灌量通过阀门控制。为方便回扬,回灌井中下置潜水泵。试验中的各项参数由电磁流量计、温度传感器、压力传感器和自动水位监测仪等进行实时监测。共进行4组试验,持续时间75天共1800小时,试验具体数据见表7-4。
表7-4 DG 49B井回灌试验相关数据
第Ⅰ组:自然间歇回灌试验。依靠流体自重进行的自然回灌,当回灌井内水位接近井口时则停止,以自然间歇方式恢复水位24小时后开始进行下一次试验,反复多次以判断自然间歇情况下回灌井的回灌能力。
第Ⅱ组:定流量“回扬—回灌”试验。回灌量控制在20m3/h左右的自然回灌,每次试验开始前先进行一段时间的回扬,以判断不同回扬量对回灌能力的影响。
第Ⅲ组:大流量“回扬—回灌”试验。试验前先进行一段时间的回扬,回灌量以30m3/h为目标逐渐增加的自然回灌试验,以判断“回扬—回灌”模式下回灌井的最大回灌能力。
第Ⅳ组:加压回灌试验。回扬后先自然回灌,当水位涨至井口后开始加压回灌,额定压力稳定在0.2MPa,加压后将回灌量上调至40m3/h,以此判断压力对回灌效果的影响。
从试验数据可知:DG 49B回灌井在自然间歇模式下回灌能力是有限的,没有回扬的第Ⅰ组试验较其他3组回灌量要明显偏小,且间隔24小时之后的每次试验回灌量出现递减,无论从回灌持续时间还是累计回灌量上,均清楚地反映出“回扬—回灌”模式下的回灌能力强于自然间歇模式。
图7-1是此次第Ⅰ、第Ⅱ组试验的回灌效果图(吸水指数指单位时间内回灌量与井底压差之比值,为衡量回灌井回灌能力和效果的重要指标),对比图上各曲线形态可发现:经过第一次回扬4小时后, DG-49B井回灌能力能基本恢复到回灌初期的水平(曲线Ⅱ-1);再经过第二次回扬8小时后,回灌能力得到了显著提升,在灌量基本稳定的情况下,回灌延续时间也大大延长(曲线Ⅱ-2);到了第三次回扬4小时后,DG-49B井的回灌能力与前一次相比有了一定程度下降,并在一段时间内回灌量不稳定出现大幅波动(曲线Ⅱ-3),但总体而言,其回灌效果仍好于前4次试验。由此表明定期回扬措施可以使回灌井的回灌能力,得以逐步恢复,但随着回灌量的不断累计,在回扬量不变的情况下,回扬的效果会逐渐减弱。
“回扬—回灌”实际上是回灌能力“恢复—消耗”的过程。在“回扬—回灌”模式下,回扬率(即一次回扬量与回扬后能够注入的水量比值)越低,说明回灌能力消耗越缓慢,回灌效果越佳。从试验数据分析:回扬率在20%～30%时,平均回灌量可维持在20m3/h左右,回灌持续时间最长,累计灌量也较大。但应避免回扬率过大,防止储层可灌能力过度消耗,影响回灌的持续,如第Ⅲ组大流量“回扬—回灌”模式下,回扬率大于50%时,回灌的整体效果就不太理想了。从实际运行数据来看,回灌操作时应以小流量开始,在一定时间后再以额定流量回灌,这样可有效延长回灌的持续时间,降低回扬率。
图7-1 DG-49B井吸水指数历时曲线
图7-2 DG-49B井加压回灌历时曲线
孔隙型热储层中要想增加回灌量,“回扬—加压回灌”方式是一种不错的选择。DG-49B井在加压到0.2Mpa时,回灌量尽管也出现衰减,但最终衰减趋势趋于平缓,并可逐渐稳定在30m3/h左右(图7-2),加压回灌量最大可增加20%左右。
该项目供暖期的生产性回灌采用封闭井口的带压回灌,以2天为一周期,遵循“回灌44小时—回扬4小时”的定时循环运行方式,其回灌量可提升至25m3/h左右。
4.试验分析
综合天津地区典型回灌实例,可以得出以下结论:
(1)正确认识储层特点,选择合理的采灌对井布局,有助于对回灌系统的长期运行。以孔隙型储层为例,布置在古河道中的采灌对井自然回灌效果就好,天津塘沽、武清下朱庄馆陶组回灌井回灌能力都在100m3/h以上;布置在深大断裂下降盘、快速堆积的深凹陷区回灌效果就差,天津白塘口凹陷馆陶组回灌井回灌能力在40m3/h左右。德国总结出用于地热回灌的砂岩层应具备条件值得我们借鉴。
(2)回灌依靠抬高井口压力使回灌水克服阻力向井筒外围运动,而井口压力又是各种因素综合影响的结果。在一切条件均相同的情况下,回灌量随井口压力增大而增加。但两者之间是一种非线性关系,可以根据回灌时的具体情况找出最佳灌量时的最佳井口压力。
(3)造成地热井回灌能力下降的主要原因是阻塞。当循环尾水被回灌到原热储层之后,化学的不相容性短期内不会起太明显的作用,但有相当量的固体悬浮物质是由抽出的流动水体携带向回灌井的,从过滤截留材料中发现的斜长岩、钾长石、石英,以及由劣质套管(潜水泵、测管、输水管网)氧化而新形成的铁-锌氧化物与硫化物是引起堵塞、回灌困难的主要原因。
(4)孔隙型储层厚度较大,热能近70%赋存于岩石骨架,且一个采灌期仅为一年的1/3。以热储温度77℃,回灌量50m3/h,回灌水温38℃,76℃为冷锋面为例,用二维流数值模拟结果显示,回灌30年冷锋面半径为360-375m,最大冷水动力锋面为570m,温度场运移速度大约是水动力场运移速度的2/5。若生产井寿命为30年,回灌井距抽水井800-1000m,抽水井温度不会受到影响(欧阳矩勤,1994)。
(5)尽管孔隙型热储回灌目前还是一个世界性的难题,但人们在不断的实践中也探索出了一些宝贵的经验,如:“回扬—回灌”循环运行方式可以在一定程度上保证回灌的持续性;灌量应从小到大逐渐递增;当地热井的回扬率低于20%时,及时回扬反抽洗井是保证回灌持续的关键。天津地区的回灌实践经验只具有借鉴作用,对于不同的沉积盆地,应视热储层地质条件的不同,地热井的成井技术、地面处理工艺、运行操作而异进行探索和完善。
Ⅳ 地热回灌方式
(一)按工程结构分为对井回灌、同井回灌、外围回灌
对井回灌是施工两眼或两眼以上的深井,形成一采一灌或多采多灌,根据目的层的不同又分为同层采灌、异层采灌;同井回灌是同一眼井在上部热储中用较大口径成井,再在下部热储层中用较小口径成井,由套管固井隔离两个热储层,可以下抽上灌或上抽下灌;外围回灌指在开采区的外围或上游施工回灌井向热储层回灌。目前在各国实施回灌开采热储流体时,采用最多的是同层对井回灌开采模式,对井中开采井以一定流量抽水,而回灌井则把经过换热器提取热能以后的原地热流体回注入热储层中。这种对井开采方案使地下热源开采、地面综合利用、尾水回灌形成全封闭循环系统,只消耗热能不消耗水量,补充单井开采造成的热储流体的亏空,减缓热储压力场的下降,这样不仅可以防止排放弃水污染环境,还能通过回灌流体在储层中的再加热,使蕴藏在岩石骨架中的热能带出来得以循环利用,延长热田开发利用年限,保证地热井长年稳定开采。同时,由于对井回灌开采采取严格的全封闭系统,保证回灌水做到“原汁原味”,也利于保护热储层原有水化学平衡。
实际对井回灌项目中,有的将开采井与回灌井倒替运行,这样做管线控制是没有问题的,但实施中要提前考虑以下几点:(1)持续的回灌井在储层中有稳定的渗流通道,如改为开采井,可能会对储层造成伤害;(2)一般回灌井温度低,如开采利用,是否适宜供暖系统参数的设计参数;(3)如果采灌对井井口距离较远,之间水平管线也是一笔很大的费用;(4)回灌井井口有一套过滤、加压装置,开采井则没有,如果想切换,需提前设计。
(二)按进水通道的不同,地热回灌有3种方式
从泵管内进水,注入储层(孔隙型地热井经过滤水管渗入含水层);泵管外进水,流体从泵管与井管之间的环状空间进水,渗入含水层;整个井管(泵管内、外)同时进水。在回灌压力和储层周围水位保持不变的条件下,泵管内、外同时进水,水流断面最大,水流阻力最小,回灌水量最大;当井管的直径比泵管大较多时,泵管外水流断面大于泵管内水流断面,水流阻力小于泵管内,泵管外环状空间回灌量大于泵管内回灌量;但泵管内进水方式能有效防止气堵,依靠控制阀调节回灌量,由小到大逐渐增加,在较易产生气体阻塞的沉积盆地型回灌井中普遍采用。
(三)按流体注入储层的压力方式不同,分为自然回灌、真空回灌和加压回灌
依靠大气压力、井筒液位水柱压力以及利用系统尾水压力为驱动力进行回灌的方式为自然回灌。
真空回灌又称负压回灌,是在具有密封装置的回灌井中,先开泵使井管和地面出水管路内充满流体,然后停泵并立即关闭泵出口的控制阀门,此时由于重力作用,井管内地热流体迅速下降,在管内的液面与控制阀之间造成真空度,在这种真空状态下,开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀,靠真空缸吸作用,水迅速进入管内,并克制阻力向含水层中渗透。真空回灌运行时严禁空气混入井管或输送管路。
当自然回灌和真空回灌不能正常实施时,依靠外力(压力泵等设备)作用在回灌系统中增加压力,进行强迫回灌的方式为加压回灌。加压回灌是增加回灌量的一种补救措施,但是由于地层构造不同,特别是胶结较差的孔隙型地层结构,加压回灌可能会造成对地层结构的破坏。原因是在强压力推进时,回灌流速加大,地层中胶结较差的粉细砂将被搬运。随着搬运距离延长、流速降低,在某一区域内粉细砂粒将会滞留。这种情况一旦发生,原本细小的砂岩孔隙将被紧密堆积,回灌堵塞的现象就此发生。因此,在采用加压回灌时,通常需要考虑定期或不定期的空压机气举或反抽回扬洗井,以清除附着在滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质,疏通滤层网眼和过水通道,减少回灌井管及周围热储物理、化学阻塞,提高回灌能力。
自然回灌、真空回灌和加压回灌方式主要是通过水压驱动实现回灌,这一点在砂岩孔隙型地热回灌井中表现的比较明显。除此之外,依靠回灌流体与储层中地热流体的密度差异产生的重力作用来驱动,这一点在岩溶裂隙型地热回灌井表现的比较明显。