聊城市城區東營組熱儲層回灌可行性分析

王星薈，孟凡奇，楊沖

(1．中國地質大學(武漢)環境學院，湖北武漢430074;2．山東省地質環境監測總站，山東濟南250014;3．山東泰山地質勘查公司，山東泰安271000)

地熱資源是一種十分寶貴的綜合性礦產資源，具有非常廣闊的開發利用前景，而一旦過量開采將使熱儲層水位持續下降，地熱井產水能力減弱，長期排放勢必造成地熱資源嚴重浪費、引發地面沉降和棄水中有害物質及余熱對環境造成污染。因此，地熱回灌作為提高地熱資源利用率、防止地面沉降、減少尾水排放、實現地熱資源可持續利用的最有效手段，在地學界已達成共識［1］。

1969年在美國加州Geysers地熱田的回灌項目揭開了地熱回灌的序幕。我國于1982年在北京進行了首次地熱回灌試驗，隨后天津、西安等地也進行了地熱回灌嘗試，并取得了豐碩的成果。目前，地熱回灌層位多選為巖溶裂隙型熱儲層和孔隙－裂隙型熱儲層，由于巖溶裂隙型熱儲層裂隙巖溶發育，回灌效果較好;而孔隙－裂隙型砂巖熱儲層由于顆粒粒徑較小，孔隙率和滲透性較低導致回灌量小，難以做到連續穩定的回灌，成為國內外回灌工作的難題，也是科研工作者在地熱資源回灌工作中的主要研究方向［2－4］。為了解山東聊城市城區古近紀東營組孔隙型熱儲層回灌能力，在光岳賓館院內開展了同層對井自然回灌和加壓回灌試驗，分析了當前技術條件下推行地熱回灌的可行性，為魯西北地區東營組熱儲層進行地熱回灌提供依據。

1 地熱回灌試驗

1．1 地層 該區出露地層均為第四系，據光岳賓館鉆孔資料揭示，隱伏由老至新有:古近系、新近系、第四系地層。

1．1．1 古近紀濟陽群。該區古近紀濟陽群由老到新為孔店組、沙河街組和東營組?？椎杲M下部為砂巖或含礫砂巖，上部為泥巖夾砂巖，含石膏。沙河街組主要為泥巖、泥灰巖，底部有砂巖、礫巖。東營組主要為泥巖與砂巖互層，厚約800 m。

1．1．2 新近紀黃驊組。新近紀黃驊組信布為館陶組，上部為明化鎮組。館陶組主要為砂巖、砂質泥巖、泥巖，厚約200 m;明化鎮組主要為粘土巖、粉砂巖、砂礫巖互層，厚約600 m。

1．1．3 第四紀地層。上部為一厚層暗土黃色，細－粗砂夾粘土，下部為暗土黃色、褐黃色、灰黃色粘土、細砂、中砂、粗砂、粉砂互層，厚約300 m。

1．2 構造 聊城城區所處的莘縣凹陷，為中、新生代斷陷，呈NNE向展布，其東側為陽谷凸起，西側為堂邑凸起。對城區地熱有密切關系的大型斷裂為聊考斷裂，聊考斷裂為正斷層，呈NNE走向從城區東部展布，傾向NWW，長約260 km。該斷裂溝通了熱儲層與熱源的聯系，成為較好的傳熱導水通道［5－6］。

1．3 試驗條件 回灌場地位于聊城市光岳賓館，開采井井深1 654 m，水溫53℃，回灌井井深1 670 m，水溫58℃?；毓嗨礊闁|營組地熱水，回灌方式為同層對井回灌。

1．3．1 回灌井成井工藝。0～200．00 m處，井徑 Ф420 mm，Ф273．1 mm ×8．89 mm 石油套管;200．00 ～1 670．60 m 處，井徑Ф216 mm，Ф139．7 mm×6．98 mm 石油套管及濾水管。濾水管采用打孔、墊筋、包網、纏絲等工序加工而成，所打孔徑為18 mm，孔心縱距50 mm，橫距50．80 mm，孔隙率達25%。東營組熱儲層取水段深度為1 258．9～1 622．4 m，取水層累計厚度為184．6 m。

1．3．2 回灌試驗工藝流程。開采井將地熱水提取后先后經過除砂器、活性炭過濾器，去除地熱水中的砂以及鐵、錳離子，之后進入換熱設備，將地熱尾水輸入回灌系統。首先進入變頻共振活化水器，經過除垢、殺菌、防銹防腐后，進入粗效過濾器與精密過濾器過濾水中的固體顆粒，過濾精度可達5 μm，地熱尾水進入排氣罐，經排氣處理后灌入回灌井。

2 試驗結果分析

2．1 回灌量與液位埋深 回灌試驗表明，回灌水頭隨著回灌量的增大而升高，升高幅度大于回灌量增加幅度。自然回灌條件下，當回灌量為10 m3/h時，累計回灌時間206 h，累計回灌量1 809．42 m3，回灌水頭的抬升較小(圖1)。當回灌量為20 m3/h時，累計回灌時間72．33 h，累計回灌量1 253．72 m3，回灌水頭持續升高，回灌持續能力減弱(圖2)。當回灌量為27 m3/h時，累計回灌量2 190．58 m3，累計回灌時間88．67 h后，回灌持續能力喪失(圖3)。加壓回灌條件下，壓強為0．2 MPa、回灌量為20 m3/h 時，累計回灌時間為396．33 h，累計回灌量為6 322．98 m3，回灌能力隨時間的延長逐漸降低(圖4)。

2．2 回灌熱儲水化學場和溫度場變化 回灌對熱儲水質的影響取決于回灌水與原熱儲層熱水水質間的差別，該試驗為同層對井試驗，回灌水即為東營組熱儲層熱水，回揚水質基本與原熱儲層熱水水質相同，同層回灌對水質影響小。回灌對原熱儲層熱水溫度的影響主要取決于回灌水與原熱儲層中熱水之間的溫度差，以及回灌量與回灌時間?；毓嗔吭酱?、溫度差越大，回灌水對熱儲層水溫度影響就越大。該回灌水溫度為40℃，由于回灌量小，對熱儲層水溫度影響較小。

3 地熱回灌可行性分析

3．1 熱儲層地質條件 聊城市城區東營組熱儲層頂板埋深約1 100 m，底板埋深約1 800～2 100 m，含水層單層厚度為5．2～57．5 m，可采層數一般為10層，累計厚度約180 m，巖性以粉細砂為主，水溫55～60℃，單井出水量1 500～2 000 m3/d，孔隙度為20．62% ～27．88%，滲透率為138 910～526 500 μm2，熱儲滲透系數為 0．46 ～0．53 m/d，熱儲層滲透條件較差。

3．2 水頭壓力條件 地熱水承壓水頭和水位埋深是決定孔隙型熱儲層回灌量的重要因素［7］。承壓水頭越高，水位埋深越淺，自然回灌水量越小，反之回灌水量越大。聊城市城區東營組熱儲層承壓水頭為1 593 m，水位埋深僅約52～77 m。在現狀水文地質條件下，自然回灌水頭遠小于熱儲層所承受的水頭壓力。因此，聊城市東營組熱儲層所能提供的回灌空間有限。

3．3 回灌能力

3．3．1 自然回灌。試驗結果表明，東營組熱儲層回灌量為10 m3/h時，回灌水頭低，回灌持續能力好;回灌量大于20 m3/h時，隨著回灌時間的延長，回灌堵塞逐漸嚴重，熱儲層滲透率逐漸降低，回灌水頭持續升高，回灌能力降低。因此，東營組熱儲層回灌量不宜大于20 m3/h。

3．3．2 加壓回灌。在現狀地質條件下，當壓強為0．2 MPa、回灌量為20 m3/h時，隨著回灌時間的延長，東營組熱儲層回灌能力由20 m3/h逐漸降至17．5 m3/h，呈現衰減趨勢?？梢姡F狀條件下，自然回灌和加壓回灌能力有限。

4 結論

聊城市城區東營組孔隙型砂巖熱儲地質條件、水頭壓力條件、回灌試驗結果表明，區內東營組熱儲層巖性以粉砂巖為主，滲透條件較差，承壓水頭較高，回灌空間有限;自然回灌條件下，在保障回灌持續能力的同時，回灌量不宜大于20 m3/h;在加壓回灌條件下，壓強為0．2 MPa、回灌量為20 m3/h時，隨著回灌時間的延長，回灌量呈現衰減趨勢;在現狀條件下，自然回灌和加壓回灌能力有限，宜采取一采多灌的方式回灌。

［1］朱家玲．地熱能開發與應用技術［M］．北京:化學工業出版社，2006:8－10．

［2］陳玉林．西安地熱田地熱水回灌試驗研究［D］．西安:西北大學，2007．

［3］孫穎，劉久榮，韓征，等．北京市地熱資源開發利用狀況［J］．安徽農業科學，2009，37(16):7564 －7566．

［4］朱紅麗，劉小滿，楊芳，等．開封市深層地熱水回灌試驗分析與研究［J］．河南理工大學學報:自然科學版，2011，30(2):215 －219．

［5］馬曉東，陸榮莉，周長祥，等．山東省聊城市西部地熱田地熱地址特征［J］．山東國土資源，2007，23(6/7):24 －28．

［6］王奎峰，宋國新，郭常來．聊城地區地熱資源賦存特征研究［J］．華南地質與礦產，2007(4):72－77．

［7］譚志容．東營市城區館陶組熱儲回灌性能分析［J］．山東國土資源，2010，26(8):13－17．