地熱井尾水回灌技術及其應用進展

梅 博，郭 亮，王 鵬，李 歡，高云鵬

（河北省地礦局第四水文工程地質大隊，河北 滄州 061000）

地熱資源是一種無污染、能夠再生的清潔能源，與傳統能源相比，有著儲量豐富、低碳以及環保等優勢，但并不是取之不盡、用之不竭的，一旦過度開采，就會造成地熱資源的枯竭。地熱資源在過分的開采后已經面臨逐漸枯竭的危險，為了有效實現地熱資源的可持續利用與發展，同時達到低碳、環保的目的，防止環境污染，目前最有效的技術措施就是采用地熱回灌技術，其回灌系統水處理原理如圖1所示。地熱回灌技術主要有以下作用。

一是處理地熱廢水。地熱廢水一般溫度較高，其中含有較高的鹽分，有很多有毒的化學物質，因此直接將地熱廢水排放到環境中可能會造成污染。

二是恢復地熱井的熱儲能。在地熱田中有部分熱能是存儲在內部的地熱水中，地熱水大部分都在巖石骨架中，如果人們把溫度較低的水注入到地熱井中，經過地熱井的加熱，就會提高地熱資源的利用率。

三是維持地熱田的開采條件。地熱資源開采過度就會導致整個熱儲能降低，一旦開采數量與補給數量失去平衡，就會使得整個地熱資源的熱儲能逐漸降低，甚至使其失去生產能力，最終導致整個地面的沉降。

圖1 回灌系統水處理原理

1 國內外地熱回灌的發展現狀

地熱井尾水回灌技術是延長生產井壽命、保護地熱資源、減少資源浪費的有效途徑，在資源連續開發、減少環境污染等方面具有非常積極的意義。1969年，美國加利福尼亞州Geysers地熱田的回灌項目揭開了地熱回灌的大幕，但是研究發現，即使把全部開采的地熱水資源回灌到熱儲中，也不能完全彌補開采造成的熱儲損失，人們必須考慮其他回灌方式來提高補充效率。從20世紀80年代以來，人們開始采用地表水進行引流回灌，利用污水回灌來提高地熱田的發電能力。

法國是地熱回灌技術最為成熟的國家之一，法國的地熱資源基本上以中、低溫度的地熱資源為主，其主要作用是供人們冬季取暖。法國地熱水資源的鹽分比較高，因此必須將利用過的地熱水資源回灌到熱儲中，現在這一供暖系統仍在為當地的居民服務。

我國的地熱回灌研究最早始于1982年初在北京的地熱田東南部進行的回灌試驗。2000年，科學家在北京小湯山開展了地熱回灌試驗，經過一個采暖期并未發現技術性問題，這樣就初步肯定了回灌的可行性。通過采取一系列資源整合和節能措施、加大地熱井尾水的回灌力度，人們基本可以實現地熱資源的可持續開發與利用，但是必須對相應的熱儲溫度進行研究，防止大規模熱回灌造成熱度過量現象。

2 地熱井尾水回灌技術及其應用效果研究進展

地熱井在進行大量開采后，必然造成熱儲壽命的縮短，同時會造成地下水位下降，最終導致整個地面發生沉降。將利用后的地熱水資源回灌到地熱田中，可有效緩解這種危機，減少地熱水對地面水體的污染。

2.1 地熱水的真空回灌

真空回灌是指在回灌的過程中保持整個管道處在真空的環境，同時使回灌井處于真空狀態，防止空氣中的雜質進入，如圖2所示。真空回灌的基本原理是：在地下水位較低條件下，利用更具有密封裝置的回灌井揚水時，泵管及水管內即充滿水；當停泵時關閉控制閥和揚水閥后，由于水的重力作用，其隨泵內水面下跌，泵內水面與控制閥區間即會產生真空，使泵內外水位產生10 m高的水頭差；當開啟水源閥門和控制閥門后，因真空虹吸作用，水就能進入泵內，破壞原有的壓力平衡，在井周圍產生水力坡降，回灌水就能克服阻力向含水層中滲透。

真空回灌時需要注意的幾個問題：（1）進行回灌時，應該首先檢查真空的密封的效果；（2）回灌的數量應該是出水量的一半左右，并且回灌的量應該從小到大進行；（3）必須要及時采取沖洗措施；（4）一定要保證回灌記錄的完整性，做到有據可查；（5）在冬季進行作業時應該要做好管道的防凍措施，同時保證內部的儲能水資源不受其他雜質污染。

圖2 真空回灌

壓力回灌指的是在壓力泵的作用下，將地熱井的尾水加壓注入回灌井中，用這種方式來進行回灌，如圖3所示。壓力回灌的難易程度和熱儲層的裂縫發育程度息息相關，有時候還與地下水熱水的流動順暢程度有一定關系。如果在熱儲條件比較好的地方或者是裂縫發育比較好的地方，回灌就顯得很容易；如果在熱儲條件比較差的地方或者裂縫發育并不完全的地方，回灌就會顯得比較困難。空隙型的回灌方式在回灌之初能力稍強，因此人們在回灌初期可以采取自然回灌與壓力回灌并行的方式，然后在后期獨立采用壓力回灌的形式。

進行壓力回灌時，人們應該注意：要提前將管道內的空氣排空，保持真空狀態；要定期清除過濾網上的雜質，定期放氣；離心泵不要把空氣打入井內，這樣很容易造成阻塞。

無論哪種地熱井回灌技術，其直接目的是盡可能多且經濟地將回灌水輸入地下，但是由于回灌水質及地層條件的原因，隨著回灌時間的延續，回灌時會出現各種阻塞現象，導致單位時間的回灌量下降。所以，無論采用哪種回灌技術，在回灌過程中，人們都要結合各種防腐蝕阻塞處理技術來盡可能保證回灌水量持續穩定。

圖3 壓力回灌

3 地熱回灌技術存在的問題

地熱回灌技術最重要的一步是把溫度低的水灌入熱儲中，這是一項非常復雜的技術。如果回灌井的位置選擇不當，就可能使熱儲冷卻，整個回灌井的開采量就會降低；如果回罐工藝選擇不當，有可能導致回灌井逐步喪失回灌能力。所以，為了研究回灌的效果，人們有必要對回灌井進行全方位的檢測。

在回灌井的工程設計中，有一個非常重要的設計就是避免回灌水過快到達開采井，從而導致整個井體的溫度快速降低。同樣，如果回灌井距離開采井過遠，就不能夠保證熱儲的壓力，達不到穩定熱氣田的效果在地熱回灌技術對于場地的依賴性很大，由于開采井與回灌井之間地質條件的不同，回灌的設計方案也不盡相同。所以，人們在回灌之前必須進行回灌試驗，同時有針對性地進行跟蹤試驗，這樣有助于人們研究熱水在熱儲中的運動規律，研究熱水回灌對于熱氣田穩定生產的積極影響，從而更加合理地進行回灌。

為了避免開采井和回灌井之間距離過近，人們首先可以考慮將回灌井設置在熱氣田的邊緣部分，通過回灌來使得熱氣田冷卻概率大大降低。一旦回灌井的位置確定，人們就應該研究合理的回灌方式和回灌量，避免熱突破現象。

在地熱回灌工程中，堵塞經常會導致回灌井的回灌能力降低，其主要原因有物理和化學兩方面。物理堵塞發生的原因是水中懸浮微小顆粒的作用，在回灌壓力的作用下，能夠進入熱儲的縫隙或管道，從而降低整個回灌井的回灌能力。同時，回灌水中的氣泡也可能影響回灌速度。為了盡量減少物理堵塞，人們可以利用過濾的方法來減少水中懸浮的顆粒，然后再進行回灌。化學堵塞是指在回灌水中發生化學變化或反應使得回灌水與地熱水之間產生沉淀，這種沉淀主要是碳酸鈣或者二氧化硅，從而降低整個回灌井的回灌能力。在熱氣田里，發電過后的水化學成分增加，容易形成飽和溶液，會有沉淀析出。因此，在設計回灌管道時，人們應該合理考慮回灌水的溫度和壓力，盡可能避免化學沉淀的產生，避免其對回灌井的回灌能力產生影響。同時，人們還要注意整個系統的密封，盡量避免回灌水與周圍的環境接觸，防止生成沉淀，如果回灌水的化學成分較高，人們可以調節回灌水的pH值來避免這種現象發生。

4 結語

回灌技術是地熱田管理和綜合利用的一種有效手段，有著廣泛的應用前景，對于地熱資源的可持續利用與發展具有積極意義。無論是在高溫地熱系統還是在中低溫的地熱系統中，回灌都是一項非常復雜的技術，因此在對回灌井進行回灌操作之前，人們必須進行回灌試驗。跟蹤試驗也是一項非常重要的手段，它對于研究回灌對熱氣田的影響具有非常重要意義。通過回灌試驗和跟蹤試驗，人們能夠對地熱能的熱儲進行進一步的研究。

1 阮傳俠，沈 健，李立亮，等.天津市濱海新區東麗湖地區基巖熱儲回灌研究[J].地質通報，2017，（8）：1439.

2 周 萌，任曉霞，楊淑云.地熱回灌井井底壓強新解[J].山東國土資源，2016，32（1）：37-40.

3 陳建兵，張 斌.西安三橋地區地熱回灌井數值模擬研究[J].地下水，2017，39（2）：21-23.

4 云 釧，湯 勇，陳國富，等.黃驊市新近系砂巖熱儲回灌能力分析[J].中國高新區，2017，（11）：114-115.