豫北某城區地熱水人工加壓回灌實驗研究

張海嬌

摘要：為研究豫北地區地熱水回灌的可行性及適合的回灌模式，本文以豫北某城區地熱井加壓回灌試驗為例進行了試驗研究，結果表明：在豫北地區地熱水中開展加壓回灌是可行的;通過分析加壓前后回灌能力的變化、壓力與回灌量之間的關系以及回灌量與出水量之間的聯系，說明加壓回灌可以有效提高回灌能力，增大回灌量。此外，對抽灌井合理井距進行了計算，可為條件類似地區實施回灌工程提供有益借鑒。

關鍵詞：地熱;加壓回灌;地熱尾水;井距;豫北地區

地熱水資源作為一種清潔型能源，對發展經濟、改善能源結構、保護環境及實施可持續發展戰略意義重大，是經濟一能源一環境可持續發展戰略中的一個重要組成部分。

白20個世紀80年代，國內地熱資源開發利用蓬勃興起，地熱水已廣泛應用于醫療、洗浴、游泳，部分用于礦泉水開發及地熱供暖，產生了積極的社會、經濟和環境效益。但由于開采井數和開采量的不斷增加，且長期只采不灌，使得部分地區熱儲層水位快速下降，形成了較大范圍的降落漏斗，且漏斗中心區的地熱水井出現了掉泵和不能連續供水的情況。目前認為回灌可以有效地解決地熱開發利用所帶來的諸多問題。為進行地熱回灌技術研究，為地熱資源的可持續開發利用提供技術支撐，在豫北某縣某小區開展了地熱水加壓回灌試驗研究。

1.回灌試驗概況

1.1實驗場地及實驗井概況

××城區位于內黃凸起東北端，新生界地層呈向東南緩斜的單斜層，傾角6°～8°。地熱類型主要為傳導型，熱儲為層狀熱儲。本次地熱試驗井（N01、N02）兩井相距315m，均為近2年新成地熱井，其成井T藝、取水層段、靜水位埋深、地熱流體溫度等均非常接近，為典型的同層位回灌對井。

1.2熱儲層特征

回灌熱儲以新近系館陶組為主。該熱儲埋深981m—1375.8m，熱儲介質為細砂巖、中細砂巖、砂礫巖等，厚度140m—155.lm，孔隙度為0.22，富水性較好。該層地熱流體化學類型為SO42-·Cl--Na+，pH值7.73—8.22，屬弱堿性水;硬度為374.Omg/L—577mg/L，屬硬水、極硬水;可溶性總固體約1924mg/L—2881mg/L。

1.3回灌模式及回灌工藝

回灌方式采用“多壓力對井同層、同溫回灌試驗”。回灌試驗采用一抽一灌的形式，先從N01井抽水，對N02井進行回灌，然后從N02井抽水，對N01井進行回灌。每次均進行4個壓力回灌試驗（常壓2次、加壓2次），與之相對應，抽水井為四個落程。

本次回灌工藝流程為：地熱流體由潛水泵從開采井抽出后依次經過除砂器、粗過濾器、細器過濾，將水中的固體懸浮顆粒及部分微生物過濾，然后經過排氣罐排氣，再由變頻加壓泵加壓，最后回灌到地熱回灌井中。

2.試驗結果分析

2.1回灌實驗成果

本次回灌試驗共2組。其中N01抽、N02灌試驗歷時212h，共完成回灌水量10089.84m3，回灌試驗成果見表l。

N01灌、N02抽試驗歷時152h，共完成回灌水量7408.08m3回灌試驗成果見表2。

實驗表明，在常壓狀態下，可實現的回灌量為40.56m3/h，在加壓（0.25MPa）狀態下，回灌量可達60.9m3/h，表明在豫北孔隙型熱儲層中進行地熱流體回灌是可行的。

2.2加壓前后回灌效果對比

對比自然回灌和加壓回灌后單位回灌量的變化可以得出，加壓回灌可以有效增加回灌量，且增加的程度與所施加的壓力成正相關關系。自然回灌時最大穩定回灌量為40.56m3/h，加壓回灌后，隨著壓力的增大穩定回灌量也逐漸增大，當施加壓力在0.25MPa—0.28MPa時，穩定回灌量較自然回灌時提高了50.15%。對比自然回灌和加壓回灌時的單位回灌量可知，由于加壓在一定程度上打開了熱儲層的流體通道并加快了流體遷移的速度，使得回灌流量有所加大;而所加壓力越大，回灌流體的速度越快，從而使得回灌量越大。

2.3回灌量與回灌壓力、回升水位關系分析

在各單次升程的回灌初期，回灌井內尚有部分空間且其中的空氣未全部排掉，地下熱水也未形成穩定的滲流場，所施加的壓力也未定，在回灌水量一定的情況下，綜合導致回灌初期回灌回升水位及波動范圍較大;當回灌井內全部充滿水后，孔內壓力就會明顯增加，此時所施加的壓力也逐漸趨于穩定，回升水位及其波動范圍明顯變小，回灌壓力穩定后，地熱水穩定滲流場也逐漸形成。因此，回灌中后期瞬時回升水位趨于相對穩定。

回灌壓力穩定后的回灌量與回灌壓力（回升水位）之間的關系為：回灌量隨著回灌壓力（回升水位）的增大而增大，單位回灌量隨著壓力（回升水位）的增大而減少，并均呈對數函數關系（見圖l和圖2）。

2.4灌抽比分析

將回灌量等同于抽水流量，回升水位等同于降深，單位回升回灌量相當于單位降深流量，以此來計算各試驗井組的灌抽比。結果表明，在相同降深情況下，回灌量小于抽水流量，其中N01井的灌抽比可達到86.8%，而N02井的最大灌抽比僅為28.9%。注：N01井抽水流量根據N01抽N02灌試驗時的抽水試驗數據取得的相關性公式Q=0.9039S+12計算得出;N02井抽水流量根據N01灌N02抽試驗時的抽水試驗數據取得的相關性公式Q=3.6541S+6.6246計算得出;回灌壓力lMPa=lOOm水柱。

3.抽灌井合理井距計算

在假設對井回灌系統工作50年的情況下對采、灌對井合理井間距進行計算分析。孔隙型熱儲地熱采、灌對井井距遵循以下數學關系式：

式中：D：對井井底距離（m）;Q：總回灌量（m3/d）;b：熱儲層有效厚度（m）;l1：熱儲層孔隙度（%）;t：按對井回灌系統工作50年。根據已有資料，公式中各項取值為：Q：取回灌量1461.6m3/d;（按最大回灌量60.9m3/h計）;b：熱儲層有效厚度取92.8-140m;n：熱儲層孔隙度取22%;t：按年，每年回灌時間以天計，取t=so×120—6000d。

由上述公式計算可得：D=522-641m，即設計回灌井與設計開采井的井底距離為641m時，冷、熱流體混合鋒面在50年后白回灌井到達開采井，產生熱突破。因此為避免相互干擾或過早出現熱突破現象，對井之間的合理井底距離應大于641m。

4.結語

（1）加壓回灌可以有效提高回灌能力，大幅增加回灌量，為切實解決地熱水回灌量小的問題提供了有效途徑。（2）回灌過程中所施加壓力越大，單位回灌量也就越大，說明加壓回灌在一定程度上可以疏通滲流通道，提高回灌（滲水）能力。（3）因回灌堵塞原因，地熱井灌采比較低，一般遠小于l。因此，為可持續開發地熱資源，應制定合理的采灌模式。（4）為避免回灌水過快到達抽水井，從而引起抽水井溫度的降低;同時，為避免回灌井距離開采井過遠，導致回灌水到達抽水井時間過長，不能起到保持熱儲壓力，穩定地熱井生產能力的作用，因此，確定灌采井的合理井距也非常重要。

參考文獻：

[1]吳繼強，張紀哲，李曉輝，et a1.西安市城區地熱水人工加壓回灌試驗研究[J].水資源與水工程學報，2014（5）：213-218.

[2]何滿潮，劉斌，姚磊華，et a1.地熱水對井回灌滲流場理論研究[J]中國礦業大學學報，2004，33（3）：245-248.

[3]周世海，楊詢昌，梁偉，et a1.德州市城區地熱水人工回灌試驗研究[J].山東國土資源，2007，23（9）.

[4]蔡義漢.地熱直接利用[M].天津大學出版社，2004.