地熱回灌技術探討及應用實例

孫立生

摘 要：為了響應國家的“十三五”規劃及相關節能減排政策，改變落后的回灌技術所帶來的地下水污染和水位降低的現狀，中國海洋石油渤海有限公司天津水電熱工程技術分公司采用了先進的管式分離膜過濾技術，有效過濾了地熱供暖尾水中的微生物、鐵銹及其他雜質，達到清潔回灌，使公司的經濟效益和社會效益大幅度提升。

關鍵詞：地熱；回灌技術；管式分離膜

中圖分類號：TK521 文獻標志碼：A

0 引言

燃煤供暖是導致北方霧霾天氣的主要原因之一，為了消除這一弊端，國家一直提倡清潔能源供暖，特別是2017年國家相關部門提出京津冀及周邊地區大氣污染防治工作方案，明確了禁煤區域。而地熱資源作為供暖的清潔能源之一起到了很大的貢獻，消除了燃煤產生的化學污染，并且供暖費用大幅度降低。但許多供熱單位只看到了地熱資源的經濟性，卻忽略了對地熱保護性回灌。隨著地熱水大量開采，導致地下水位以每年1m～2m的幅度持續下降，采取有效的地熱回灌技術才是保護地熱資源的根本。

1 地熱回灌現狀

在20世紀末期，北京、天津地區已開始回灌試驗，試驗結果證明地熱回灌是可行的，但由于回灌技術相對落后，回灌效果不佳。近年來由于回灌技術的持續發展，回灌量有所改善。中國海洋石油渤海有限公司天津水電熱工程技術分公司負責天津市塘沽區東沽石油新村片區68萬m2的供暖運行，采用館陶組地熱直供加熱泵調峰的方式供暖。2012年，開始進行回灌井建設，前期回灌效果較好，但由于回灌過濾設備簡單，導致回灌井逐漸堵塞，堵塞原因主要是地熱尾水中的懸浮物顆粒，在回灌壓力作用下附著在回灌井的井壁上或進入熱儲的裂隙中影響回灌能力。并且，回灌水中的氣泡也會影響回灌的速度，回灌水量基本維持在20m?/h～30m?/h。

2 回灌技術方案

東沽石油新村的供暖系統采用地熱直供方式，循環后的水質較差，并且供暖管網使用年限較長，管道內鐵銹、懸浮物較多，容易堵塞砂巖空隙，影響回灌效果。綜合考慮上述因素，回灌采用了管式分離膜地熱尾水處理技術，通過多級處理裝置，使處理后的地熱尾水滿足孔隙型熱儲回灌要求。

處理設備主要由旋流除砂器、袋式過濾器、管式分離膜過濾器、排氣裝置和金屬防垢器組成。

（1）旋流除砂器

地熱供暖系統長期運行，管道不能經常更換，除砂器可以清除管道中的大粒徑泥沙、鐵銹塊等機械性雜質，保持系統內水質的潔凈，保護設備，防止管道阻塞。

（2）袋式過濾器

在回灌井井口安裝了袋式過濾器，袋式過濾器是一種結構新穎、體積小、操作簡便靈活、節能、高效、密閉工作、適用性強的多用途過濾設備。過濾器內部由金屬網籃支撐濾袋，液體由入口流進，經濾袋過濾后從出口流出，雜質攔截在濾袋中，能夠有效減少地熱尾水在管路運動過程中攜帶引起堵塞熱儲的物質，保證回灌順利。

（3）管式膜過濾器

分為一級管式膜過濾器和二極管式膜過濾器，一級過濾精度為10μm，去除大部分懸浮物、微生物、膠體和鐵銹等雜質，二級過濾精度1μm，去除剩余的懸浮物、微生物、細菌等雜質，使出水達到會灌水要求。過濾器配備了反沖洗泵及清洗罐，通過PLC控制，實現自動反洗。

（4）排氣裝置

回灌流體由于管徑阻力和流動狀態的變化，水動力流場狀態發生變化，流體中的部分氣體析出并生成氣泡，當駐留在砂巖孔隙中會產生氣堵。為避免回灌過程中產生氣堵，在回灌井井口前安裝一個脫氣罐，使地熱尾水進入罐體，通過管徑變化，讓流速迅速降低，壓力下降，通過氣泡內的壓力和罐內壓力形成的壓差，迫使氣泡爆裂，將氣體釋放出來并通過排氣閥排除，防止氣泡進入地下，阻塞回灌水通道。

（5）金屬防垢器

金屬防垢器通過合金材料與回灌水間的電場作用，降低結垢離子在回灌過程中的結垢。

3 回灌系統的工藝流程

供暖系統循環后排放的地熱尾水通過回灌泵及回灌管線，進入旋流除砂器，去除大顆粒泥沙、鐵銹塊等機械性雜質，然后進入袋式過濾器，進一步除掉尾水中懸浮物和膠體等雜質。之后地熱尾水進入一級管式分離膜過濾器，過濾精度10μm，除掉大部分懸浮物、微生物、鐵銹和膠體。接著進入二極管式分離膜過濾器，過濾精度1μm，除掉剩余的懸浮物、微生物、細菌等雜質，此時出水基本達到回灌水的指標要求。然后進入脫氣罐，除掉地熱尾水中空氣和氣泡，如果氣泡進入地熱井，會堵塞熱儲通道。脫氣后的地熱尾水經過金屬防垢器，減少易結構的離子，最后經過處理的地熱尾水回灌至地熱井。

4 回灌效果評估

（1）回灌試驗

回灌試驗前測得靜水位埋深121m，對應液面溫度27℃。

第一組試驗累計持續回灌37.5h，回灌地熱尾水溫度37℃，穩定回灌量40m?/h，穩定動水位96m，穩定時間12h。

第二組試驗累計持續回灌28.1h，回灌地熱尾水溫度40℃，穩定回灌量65m?/h，穩定動水位78m，穩定時間20h。

第三組試驗累計持續回灌65h，回灌地熱尾水溫度39℃，穩定回灌量84m?/h，穩定動水位58m，穩定時間50h。

根據試驗數據，通過相關公式計算，單井回灌量約為92m?/h，與開采量比較滿足回灌要求。

（2）水質分析

為了確定回灌系統的處理效果，分別對過濾前、過濾后的地熱尾水進行了取樣分析，分析項目包括腐生菌、懸浮物、鐵細菌及粒徑等，分析化驗結果表明，地熱尾水經過過濾，里面的懸浮物含量由9.33mg/L降至0.4mg/L，腐生菌由1300個/mL將至0.0，鐵細菌由13個/mL將至0.0，經過處理后的細菌、腐生菌等各項目的含量滿足回灌水質要求。

粒徑分析表明，過濾前地熱尾水的粒徑在0.10μm至5.0μm左右，過濾后地熱尾水的粒徑在0.12μm左右。由分析結果可知，過濾后懸浮物的顆粒的粒徑滿足回灌水標準。

（3）回灌系統的先進性

回灌系統密閉，消除了地熱尾水的溫度、壓力等因素變化而產生沉淀導致熱儲層堵塞的現象。

管式分離膜處理技術利用過濾精度高的管式分離膜為分離介質，能夠有效過濾了懸浮物、細菌等雜質，保證地熱尾水符合回灌水質要求。管式分離膜表面光潔度好，不易被雜質堵塞，保證過濾器處理的地熱尾水流量穩定。同時，采用管式分離膜技術，能夠實現自動反洗，保證回灌系統穩定安全運行。

5 經濟效益

根據現在的天津市礦產資源補償費的優惠政策，對采取回灌方式進行開發利用的單位，回灌部分的礦產資源費只收取正常費用的30%，并且地熱水回灌部分可以免繳納排污費，單井按年開采量20m?×104m?計算，可節約46萬元。

6 社會效益

目前天津市部分早期進行地熱利用的單井系統地熱尾水直接排放，而且排放溫度較高，造成地熱資源嚴重浪費。東沽回灌井經過新回灌技術的應用，實現了地熱尾水大量回灌，達到了保護地熱資源的目的，緩解了熱儲壓力的下降速率，延長了地熱井的使用壽命，也為其他地區地熱井回灌提供了實踐依據。

結語

管式分離膜回灌技術的成功實施，獲得了較高的經濟效益和社會效益。減少了地熱尾水排放造成的資源浪費，避免了地熱尾水直接排放引起的熱污染，有效地保護了生態環境。此技術如在地熱供暖行業中大力推廣，必然成為地熱回灌的主要技術。

參考文獻

[1]彭新明，張勇.國內地熱回灌模式淺議[J].西部探礦工程，2006（2）：143-144.

[2]劉志明，梁繼運，劉春雷.地熱回灌條件下流體可采量評價方法[J].地下水，2016，38（2）：61-63.