慶云縣地熱回灌存在問題淺析

朱利民，宋偉華，白通，戰靜華，張航星

(1.山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊,山東省魯北地質工程勘察院,山東 德州 253072；2.山東省地熱清潔能源探測開發與回灌工程技術研究中心，山東 德州 253072)

慶云地熱資源豐富，熱儲為館陶組，開發利用始于2004年，近年來隨著城區地熱資源開發加劇，地熱井數量不斷增加，開采強度不斷增大，出現了地熱水位、熱儲壓力逐年持續下降，地熱尾水回灌效率不斷降低，供暖效果不理想等問題[1-2]，影響了全縣綠色可持續發展、建設資源節約型社會進程。該文對慶云某典型小區(以下簡稱小區A)的生產性地熱尾水回灌試驗展開研究，根據一個供暖季的開采、回灌數據，分析回灌系統的總體運行情況，查找存在的問題，為實現地熱資源統一規劃、合理布局、采灌結合、保護環境的目標提供參考，對提高地熱資源利用效率，保障地熱資源的可持續利用，充分發揮地熱資源的綜合效益具有一定的借鑒意義(1)山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，慶云縣地熱回灌總結報告，2018年6月。。

1 研究區概況

1.1 研究區范圍

慶云縣位于山東省西北部，隸屬于山東省德州市，地處濱州、滄州、德州交會處。北以漳衛新河為界，與河北省的鹽山縣、海興縣隔河相望，東與無棣縣毗鄰，南與陽信縣接壤，西與樂陵市交界，位于華北、勝利、大港三大油田中心，是連接華南華北、東北、北京、天津的重要交通樞紐，素有“京津門戶”和“山東北大門”和德州“橋頭堡”之稱，地處國務院規劃的環渤海經濟帶內。

慶云全縣均開采新近紀館陶組砂巖裂隙孔隙層狀熱儲，目前全縣共有12眼地熱開采井，分布在城區、尚堂鎮、東辛店鎮、徐園子鄉及常家鎮，其中在城區分布較為集中。小區A位于慶云縣城中心，目前，該小區建筑面積5萬m2，供暖面積約1.2萬m2(圖1)。

1—慶云現有地熱井編號；2—小區A位置圖1 慶云現有地熱井分布圖

1.2 地質概況

根據區域鉆孔資料及地熱井成井資料，區內地層自下而上分為新太古代泰山巖群，古生代石炭-二疊系，新生代古近系，新近紀黃驊群館陶組、明化鎮組，第四紀平原組(表1)[3-10]。

(1)新太古代泰山巖群(Art)

根據巖屑錄井與物探測井資料結合分析，所揭露地層為灰白色片麻巖，片麻狀結構，可見云母及角閃石等礦物。揭露厚度為8.37～13.90m，未穿透。

(2)古生代石炭-二疊系(C-P)

主要分布在慶云縣西北部。隱伏于新生界之下，頂板埋深在1100～1300m。石炭系主要巖性為泥巖、砂巖夾薄層灰巖及煤層；二疊系主要巖性為砂巖、頁巖及雜色黏土巖夾薄煤層。

(3)新生代古近系(E)

東營組(E3d)：分布于區內東部，部分地區缺失，主要為砂巖與泥巖互層沉積，與沙一段呈整合接觸，厚度200～230m。

(4)新生代新近系(N)

館陶組(N1g)：全區皆有分布，根據巖屑錄井資料，地層巖性上部為泥巖、中砂巖互層，泥巖為灰綠色、棕黃色夾棕紅色，質純，性軟，含石膏晶體。中砂巖，灰白色，分選磨圓一般，泥質膠結；中部為泥巖、砂礫巖互層，泥巖為灰綠色夾棕紅色，含少量鈣核。砂礫巖，灰白色，主要成分石英，長石次之，分選中等；下部以灰白色砂礫巖為主，夾灰綠色、棕紅色泥巖，底部為灰黑、灰白、灰黃色角礫巖。砂礫巖主要成分為石英，長石次之，分選中等，角礫巖成分以石英、長石為主，夾灰巖碎塊，見黑燧石，磨圓差、分選差。厚度216～261m。

表1 區域新生代地層劃分

明化鎮組(N2m)：全區皆有分布，據區域資料，結合本鉆孔巖屑錄井資料，地層巖性以土黃色、棕黃色、棕紅色、黃綠色泥巖和灰色、灰綠色泥質砂質巖為主。上部泥巖成巖性差、見水膨脹、易造漿；下部泥巖成巖性較好、質純、性較脆，含鈣核。泥質砂巖顆粒均勻，泥質含量高。厚度520～565m。

(5)第四紀平原組(Qpp)

全區皆有分布，與下伏明化鎮組呈不整合接觸。地層巖性上部為土黃、褐黃、灰黃色砂質黏土和黏質砂土夾粉砂、粉細砂層，結構松散；下部為棕黃、灰綠、棕紅色砂質黏土夾細砂層，結構致密，并含鈣核。厚度260～300m。

1.3 地熱地質概況

研究區地熱井均開采新近紀館陶組砂巖裂隙孔隙層狀熱儲，熱儲巖性主要為河流相、沖積扇相的細砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖等，礫石呈半圓狀，磨圓度中等，在垂向上具有上細下粗的正回旋特征。在慶云城區，新近紀地層埋深1000～1100m，慶云東北部最大埋深可達1400m。砂巖熱儲厚度80～120m，占館陶組總厚度的37%～45%，單層厚度10～20m，單井涌水量70～120m3/h，屬溫熱水—熱水型低溫地熱資源(圖2)(2)山東省地質礦產勘查開發局，山東省地熱清潔能源綜合評價，2018年12月。。

1—古-新近紀砂巖裂隙孔隙層狀熱儲區；2—上部古-新近紀砂巖裂隙孔隙層狀熱儲區，下部寒武-奧陶紀灰巖裂隙巖溶層狀熱儲區；3—新近紀地層埋深等值線(m)；4—東營組缺失界線；5—隆起與拗陷(凸起與凹陷)界線；6—地層界線(虛線為推測)；7—斷層(虛線為推測)圖2 慶云縣地熱地質簡圖

1.4 地熱回灌系統概況

回灌場地位于慶云城區居民小區A內，地形平坦，地面海拔高程8.5m。目前，該小區建筑面積5萬m2，供暖面積約1.2萬m2，開采井開采量平均為76.95m3/h，井口出水溫度為46℃，年開采量約22萬m3。采用地板輻射供暖方式，地熱尾水供暖后進入回灌井中，回灌溫度為31±3℃。

小區A供暖回灌工程于2017年形成一采一灌的采灌井組，兩井井身結構對比如圖3所示。

開采井為豎井，于2015年10月6日施工完成，位于小區北部，井深1090m。成井時靜水位埋深17.14m，抽水降深13.91m時，井口涌水量114.0m3/h，出水溫度49.5℃。

回灌井為定向斜井，方位角156.78°，井斜29.83°，于2014年9月30日完成，位于小區中南部，井深1196m。成井時靜止水位埋深17m，抽水降深21.5m時，井口涌水量115m3/h，出水溫度49.5℃。開采井與回灌井地面直線距離133m，井底直線距離約500m(表2)。

根據開采井和回灌井完井報告可知，地熱回灌井的熱儲層巖性特征與開采井相似，開采垂深為904.55～1080.95m，回灌斜深為914.4～1121.2m，地球物理測井解釋6層含水層，熱儲層厚度178.5m；平均單層厚度29.75m，單層最大厚度50.8m，單層最小厚度10.2m。采用濾水管成井，取水段濾水管直徑177.8mm，回灌井各項參數見表3?；毓嘌b置包括除砂器、氣壓罐、管道循環泵、粗效過濾器、高效過濾器、板式換熱器、熱泵機組等。

回灌系統工藝：從開采井中抽取的地熱水，經除砂后，進入板換裝置換熱，再經過除污及粗效過濾器(50μm×3個×40m3/h)、精效過濾器(3μm×2個×50m3/h)兩級過濾，然后進入排氣裝置排氣后流入回灌井中；回灌方式為自然回灌(圖4)。

（1）未熔合及未焊透 未熔合是指焊接時焊道與母材坡口、上層焊道與下層焊道之間沒有完全熔化結合形成的缺陷。未焊透一般是指根部未熔合，由于長輸管道一般都是采用單面焊雙面成形，因此這種缺陷比較常見，未焊透對焊道的危害性很大，減小了焊道的有效截面積，造成應力集中，因此，在“金口”焊接中更要嚴格控制。

圖3 采灌井井身結構對比圖

井類別位置井深(m)熱儲層位取水段(m)降深(m)涌水量(m3/h)單位降深涌水量(m3/h·m)水溫(℃)開采井小區北部1090N1g904.55～1080.9513.911148.19649.5回灌井小區中南部1196N1g914.40～1121.2021.51155.34949.5

表3 小區A回灌工程回灌井地層及井身結構參數

圖4 回灌系統工藝流程示意圖

2 回灌數據研究及分析

2.1 回灌原始數據

慶云縣現已增加采灌井水位、水溫自計儀，另在每個開采井口、回灌井入水口、回揚口及排水管道口安裝流量自計儀，對水位、水溫、開采量、回灌量等進行全面同步監測，以全面掌握回灌系統運行情況，同時提高水位監測精度至0.01m，水量監測時間精確到小時，頻率24次/天，為回灌效果的評價提供完善的數據。

回灌現場人工記錄、監測系統導出的小區A開采及回灌監測數據較多，該次僅選擇部分數據列出(表4)。

2.2 水溫歷時曲線

開采井井口水溫46℃，自供暖期始末，水溫一直穩定，沒有發生變化?；毓嗑毓嗨疁?1±3℃左右；回灌溫度歷時曲線稍有波動。

11月21日至12月3日，回灌溫度為31±1℃；12月4日至2月28日，回灌溫度稍有降低，為30±1℃；3月1日至3月18日，隨著外界氣溫的回升，用戶側散熱器散熱效率降低，則供暖后的出水溫度就會升高，為33±1℃(圖5)。

2.3 開采量、回灌量歷時曲線

2017—2018年，供暖季總運行時間118d，總開采量19.46萬m3其中回灌監測期104d，監測期內開采量18.83萬m3，總回灌量15.60萬m3(圖6)。

2017年11月21日至2017年12月3日為試回灌期，未對采灌井瞬時流量數據進行監測，開采井累計開采量為0.6312萬m3；回灌井累計回灌量0.5010萬m3。

2018年3月1日至2018年3月18日，開采井開采量集中在65.0～75.0m3/h，平均70.19m3/h，總開采量2.80萬m3；回灌井回灌量集中在34.9～42.2m3/h，平均39.35m3/h，總回灌量1.57萬m3。

回灌過程中，隨著開采量下降，回灌量亦隨著下降，但回灌量下降幅度過大，主要原因是除砂排水及回灌管道排氣導致供暖后的回水減少。

表4 小區A開采及回灌數據

圖5 采、灌水溫歷時曲線

2.4 水位歷時曲線

開采井靜水位埋深54.0m，動水位埋深在63.81～73.64m，回灌井靜水位埋深54.0m，回灌動水位埋深在5～25m，回灌水位升幅基本平穩。如圖7所示。

圖6 開采量、回灌量歷時曲線

圖7 開采井、回灌井水位埋深與水位升幅歷時曲線

考慮地熱水在不同溫度下所對應不同密度，相同水柱高度對回灌井底壓力不同。即通過P=ρgh公式，溫度較低時，水的密度大，對井底壓力越大，相當于增加了回灌壓力，因此低溫水更容易回灌[11]。綜合水量、水溫歷時曲線可知，回灌后期，回灌水量減少，回灌溫度升高，回灌水位埋深未出現明顯下降。

2.5 回灌率歷時曲線

回灌率是指回灌流體的體積與待回灌流體的體積百分比。供暖回灌工程無洗浴等其他用途，供暖尾水需全部回灌，而回灌場地僅在設備中的除砂器和過濾器后安裝了電磁流量計，開采井口、回灌井口、回揚口未安裝流量計，無法精確了解實際開采量及實際入井流量，故計算中用灌采比來近似計算回灌率。

借用油田的概念，灌采比是指回灌井灌入液量(水、氣)的體積與開采井采出液量(水、氣)的體積之比，用來衡量灌采平衡情況[12]。

回灌受管道檢修、回灌操作、電業局停電影響時，采灌量就會發生變化，瞬時回灌率曲線波動明顯，主要集中在54.01%～97.39%，累計回灌率曲線平穩，主要集中在74.79%～94.18%，回灌能力有保證(圖8)。

圖8 采、灌井回灌率歷時曲線

11月15日至12月2日，平均回灌率未知，階段回灌率為79.1%；12月3日至2月28日，平均回灌率為83.75%，階段回灌率為84.40%；3月1日至3月17日，平均回灌率為56.10%，階段回灌率為56.43%。

2017年11月21日至2018年3月18日，小區A回灌工程總灌采比80.16%，監測期間總回灌率為82.85%，回灌水量產生少量損失，主要是回灌過程中停電，管道排氣、除砂排水、管道自然損耗等因素造成的。除管道維修及回揚洗井期間未回灌，其他時間供暖后尾水大部分灌入回灌井中。因此，實際回灌率要稍大于該次計算的回灌率。

3 回灌結果分析

該次回灌可劃分為前、中、后期3個階段：

第一階段為11月15日至12月3日，本階段為回灌前期，回灌系統處于調試階段，回灌系統不穩定，回灌量波動較大，監測數據少，階段開采量0.631萬m3，平均開采量約為71.6m3/h，開采井水位由靜水位54.00m下降至68.62m，降深為14.62m。階段回灌量為0.501萬m3，回灌量約為66.4m3/h，回灌井水位由靜水位埋深54.00m升至2.00m，升幅為52.00m，回灌水溫穩定，在31±1℃，階段回灌率為79.1%。

第二階段為12月4日至次年2月28日，本階段為回灌中期，回灌系統平穩，回灌效果好，數據記錄精準?？傞_采量16.03萬m3，開采量為78.31m3/h，開采井水位由靜水位埋深54.00m下降至72.33m，降深為18.33m。階段回灌量為13.53萬m3，回灌量為65.59m3/h，回灌井水位由靜水位埋深54.00m升至14.00m，升幅為40.00m，回灌水溫穩定，在30±1℃，平均回灌率為83.75%，階段回灌率為84.40%。

第三階段為3月1日至3月18日，本階段為回灌后期，隨著外界氣溫回升，供暖尾水溫度升高，此外長時間回灌可能導致熱儲層或回灌井周邊發生淤堵，回灌效果變差?？傞_采量2.80萬m3，平均開采量為70.14m3/h，開采井水位由靜水位埋深54.00m下降至66.48m，降深為12.48m。階段回灌量為1.58萬m3，回灌量為39.35m3/h，回灌井水位由靜水位埋深54.00m升至5.00m，升幅為49.00m，回灌水溫穩定，在33±1℃，平均回灌率為56.1%。階段回灌率為56.43%。

總之，小區A回灌工程采用自然回灌，回灌穩定后，回灌井內地熱水水位埋深14m，尚有一定的回灌上升空間，且回灌過程中管道壓力<0.02MPa，為管道自身壓力。自2017年11月21日起開始試灌，2017年12月4日起至2018年3月18日監測系統運轉，運行104d(約2496h)，期間停灌1.5d(約35h)，平均開采量76.95m3/h，平均回灌量61.03m3/h，總開采量19.46萬m3，總回灌量15.60萬m3，回灌曲線稍有波動，總回灌率在80.16%，住戶室內溫度在18℃～26℃左右，供暖、回灌效果良好。

4 優化建議

目前，慶云縣運行的8個地熱供暖工程回灌效果和A小區基本相同，回灌工藝均是除砂、過濾、排氣后的自然回灌(圖4)，尾水的回灌工藝符合德州模式，即“地熱水采灌均衡、取熱不取水、可持續供暖開采模式”，能夠保證回灌的順利運行，供暖效果可滿足小區居民需求。但回灌井回灌水溫在31±3℃左右，地熱尾水溫度較高，相比熱泵機組15℃尾水，熱利用效率明顯偏低。同時地熱尾水處理后直接回灌，已出現管道及暖氣片腐蝕的問題，影響了回灌和供暖效果。如何進一步降低尾水溫度，提高熱利用效率，保證供暖工程長期高效運行是急需解決的問題。根據國內外地熱回灌工藝研究，提出以下優化建議[14-15]。

(1)對于采用暖氣片供暖的小區，由于暖氣片多為鑄鐵散熱器，為減少對地熱水直供對其結垢的影響，采用換熱技術，供暖側采用軟化水循環。對于地板取暖的小區，由于地板輻射采暖一般采用塑料管道，可采用地熱水直接供暖方式。

(2)由于暖氣片采暖用戶建筑時間相對較長，保溫性能差，在溫差變動大的極寒天氣，室溫穩定性差，地板輻射采暖后30℃的地熱尾水，可通過二次換熱，將熱量通過熱泵機組提溫調峰后，作為補充熱源提供給暖氣片采暖用戶。熱泵機組的使用，降低了地熱尾水溫度，提高了地熱水熱利用率[13]。

5 結語

該文以慶云典型小區A一個供暖季的回灌原始數據為基礎，詳細闡述了砂巖熱儲區典型的回灌工程運行現狀，查清了目前工程的回灌效果，總結了存在的問題，提出了對回灌工程的優化建議，探求最合理的回灌方式，進一步的推廣應用地熱尾水回灌技術,為地熱尾水回灌工作提供參考。