砂巖熱儲地熱尾水回灌懸浮物堵塞研究

高宗軍，夏 璐，何雪琴，張平平，秦耀軍

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590 ；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；3.山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 253000))

隨著地熱水的大量開采，引發了一系列像熱污染、化學污染、水資源浪費、熱能資源浪費、地熱水位下降、潛在的地質災害和資源枯竭等環境問題，給人民的生活帶來了嚴重的影響。據國內外相關文獻[1-5]，地熱水人工回灌方法是解決上述環境問題的有效措施之一。地熱水的人工回灌是指將已經利用過的地熱尾水再次回注入熱儲層中，這樣不僅避免了地熱尾水在隨意排放后造成的污染問題，還可有效恢復地下熱水的水位，使地下熱水的開發利用得以良性循環。我國早在20世紀70年代就在北京、天津、河北的保定、滄州、衡水、陜西的西安、咸陽、河南開封、山東的德州、東營、等地相繼進行了砂巖熱儲地熱回灌方面的相關探索，但是基于對砂巖熱儲回灌綜合技術難點的認知程度低、開發條件差，鉆探施工和地面配套工藝設計不合理和運行過程中缺乏合理方案和措施，致使發生了回灌井堵塞的問題[6-7]。

堵塞是指由物理、化學、生物因素而導致的滲透介質孔隙度和滲透性降低的現象，按其成因的性質，可分為物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞三大類[8-9]。物理堵塞是地表回灌系統和深井回灌系統發生堵塞的最常見情況。由物理作用所導致的的現象叫物理堵塞，其中的物理作用又可分懸浮物累積、氣體充填和壓力變化3種。其中懸浮物堵塞是回灌系統中最突出最典型的堵塞現象[10-11]。通過查閱相關文獻看出[12-15]，研究懸浮物堵塞主要是實驗室條件下砂槽砂柱試驗，這往往與現場實際地層存在很大差異。所以本文在前人研究的基礎上，結合德州市德城區魯北院內地熱回灌井實際地層粒徑特征，以相同粒徑石英砂作為入滲介質，粘性土顆粒為懸浮物，開展定水頭條件下所含懸浮物對含水層堵塞的影響。可見本文開展砂巖熱儲地熱尾水回灌物理懸浮物堵塞研究具有重要的理論及實際意義。

1 研究區概況

地熱井回灌試驗場地位于德州市德城區魯北地質工程勘察院院內。德州市位于山東省西北部，黃河下游北側，北以漳衛新河為界，與河北省滄州市為鄰；西以衛運河為界，與河北省衡水市毗連；西南與聊城市接壤；南隔黃河與濟南市相望；東臨濱州市。該井回灌目的層為新近紀館陶組細砂巖，其層段為1 290.40～1 494.40 m。該層段細砂巖發育，單層厚度較大，最大厚度81.40 m，滲透性及富水性較好，地層水礦化度較高。主要巖性為上部以灰白、淺灰色細、細砂巖及棕紅色夾灰綠色泥巖為主，呈交互層狀。下部為灰白色細砂巖及中砂巖為主，夾棕紅色泥巖。與下伏沙河街組成角度不整合接觸。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗材料及回灌水源

根據研究區熱儲介質巖性與粒徑分布特征，本研究供試砂樣采用標準石英砂，該石英砂的SiO2含量在99%以上，粒徑范圍在0.125～0.180 mm。

為真實模擬研究區地熱尾水中懸浮物特征，研究以現場尾水中懸浮物粒徑分布為依據，配制實驗室回灌水的方法。回灌水包括兩部分：水源為市政自來水；懸浮物為粘性土顆粒，回灌水中加入10 ml/L的次氯酸鈉，消除微生物的影響。

2.2 試驗裝置

試驗裝置由有機玻璃制成，高30 cm，內徑6 cm，外側設有1個溢流口、5個測壓孔，測壓孔自上而下依次間距2 cm、2 cm、2 cm、10 cm，砂柱實際填充高度18 cm(見圖1)。

圖1 一維砂柱裝置示意圖

2.3 實驗步驟與方法

(1)裝樣：將清洗風干的砂樣分層裝入有機玻璃柱，按等容重將其壓實，過程中向砂柱緩慢注入自來水，逐步完成飽水裝柱過程。

(2)連接側壓排：將測壓板與對應的五個沙柱測壓孔連。

(3)飽水和測壓管校正：從沙柱頂部緩慢注水，直至測壓板上五個測壓管水位在同一水平面(偏差小于±3 mm)。若不在同一水平面上說明此時沙柱中測壓管堵塞、有氣泡存在或者儀器有漏水。這時需要進行排氣或者重新連接儀器來進行校正。

(4)回灌水配制：分別配制懸浮物濃度為0 mg/L 、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水，進行不同懸浮物濃度實驗。配制懸浮物粒徑為0.050 mm和0.038 mm的回灌水進行不同懸浮物粒徑實驗。

(5)回灌：測試滲透系數變化：實驗保持進、出水水頭差(ΔH)為19 cm，用濃度為0 mg/L消毒水對實驗砂柱進行回灌，監測測壓板水位及出口流量，記錄下滲透系數，以此作為懸浮物回灌時的介質的初始滲透系數(K0)。然后打開曝氣泵攪動，盡量使配置的懸濁液濃度保持穩定，避免懸浮物過量下沉而影響實驗結果。每隔一段時間讀取各測壓管的水頭值，用秒表和量筒讀取出水口流量。計算回灌過程中不同時段砂柱各層的滲透系數K；待滲透系數K穩定后，終止試驗。其中，滲透系數K用達西定律(式(1))求得：

(1)

式中：Q為出水口的流量(ml/s)；L為砂柱頂底兩測壓管之間的距離(cm)；Δh為頂底兩測壓管間的水頭差(cm)；d為砂柱的內徑。

為了更直觀，計算相對滲透系數K＇(式(2))來反映系統的堵塞程度。

K＇=K/K0

(2)

式中：K0為回灌前砂柱的初始滲透系數，K為回灌過程中任意時刻的砂柱滲透系數。

3 結果分析

3.1 懸浮物濃度

采用懸浮物濃度為50 mg/L，粒徑分別0.050 mm與0.038 mm的回灌水進行回灌實驗。圖2為熱儲介質滲透系數隨時間變化圖，其中空白試驗是以市政自來水回灌熱儲介質后的相對滲透系數變化曲線。由圖2可知，空白試驗熱儲介質整柱相對滲透系數基本不變，且回灌前期(0～51 h)，懸浮物粒徑為0.038 mm回灌水回灌的相對滲透系數從1降到0.35，而以懸浮物粒徑為0.050 mm的回灌水回灌相對滲透系數降低到0.25，均呈現快速下降趨勢，且明顯前者相對滲透系數降低幅度大于后者；回灌后期(51～99 h)回灌不同粒徑懸浮物回灌水后的熱儲介質其相對滲透系數均降低至0.05后基本維持穩定狀態。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲介質堵塞發生時間，懸浮物粒徑越大堵塞發生時間越早。

圖2 不同浮物粒徑下相對滲透系數隨時間變化圖

3.2 懸浮物濃度

配制懸浮物濃度為0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水進行回灌試驗。由圖3可知，整個回灌過程中，不同濃度的回灌水回灌熱儲介質后，除空白對照實驗外，其它整柱相對滲透系數均呈現“快速下降-基本穩定”趨勢，最終都穩定在0.2左右，但不同懸浮物濃度降至穩定相對滲透系數所需時間不同，100 mg/L、60 mg/L、50 mg/L、20 mg/L相對滲透系數穩定時間分別為33.8 h、47 h、70 h、82 h。回灌前期回灌水懸浮物濃度高，相對滲透系數降低幅度越大，堵塞用時越短，但最終都趨于穩定狀態。由此表明，在懸浮物造成的物理堵塞過程中，懸浮物濃度可以影響熱儲介質堵塞發生時間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發生時間越短。

圖3 不同懸浮物濃度下相對滲透系數隨時間變化圖

3.3 懸浮物堵塞位置

圖4(a)，(b)為不同懸浮物粒徑下深度0～2 cm和深度2～16 cm的相對滲透系數在回灌初期(0～30 h)變化圖，由圖可知，表層0～2 cm兩種粒徑的相對滲透系數分別從1降到0.4和0.3，而2～16 cm兩種粒徑的相對滲透系數分別從1降到0.7和0.6，對比圖(a)，圖(b)可以看出，不管哪種粒徑下，在相同時間內表層0～2 cm相對滲透系數下降幅度明顯大于2～16 cm。且對比圖5(c)、(d)不同懸浮物濃度下不同位置的兩個圖可以看出相同規律，相同時間下，表層0～2 cm相對滲透系數降幅速度明顯大于2～16 cm，表明堵塞主要發生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。

圖4 不同懸浮物粒徑下(a)表層(0～2 cm)；(b)表層(2～16 cm)相對滲透系數隨時間變化圖

圖5 不同懸浮物濃度下(c)表層(0～2 cm)；(d)表層(2～16 cm)相對滲透系數隨時間變化圖

4 結語

本文通過物理模擬試驗，可以得出如下結論：

(1)通過不同懸浮物粒徑回灌試驗：懸浮物粒徑的大小可以影響熱儲介質堵塞發生時間，懸浮物粒徑越大堵塞發生時間越早。

(2)通過不同懸浮物濃度回灌試驗：懸浮物濃度也可以影響熱儲介質堵塞發生時間，回灌水中懸浮物濃度越高，物理堵塞發生時間越短。

(3)回灌不同懸浮物粒徑與濃度試驗時，均可以看出，在相同時間內，表層0～2 cm相對滲透系數降幅速度明顯大于2～16 cm。表明堵塞主要發生在表層，在一定程度上抑制了顆粒向下遷移。

試驗對砂巖熱儲地熱尾水回灌懸浮物堵塞展開了研究，針對懸浮物堵塞試驗研究成果，結合研究區現狀，可引出一些針對性的治理措施：控制回灌水源中懸浮物濃度和懸浮物粒徑大小。首先可以設計一級除砂器來降低懸浮物濃度，即在尾水過濾之前先去除水中比重較大的懸浮物，這樣既可以減少過濾器的過濾壓力及過濾成本，也可以提高回灌速度。然后，尾水進入二級過濾器，因為粗除砂后尾水中比重或粒徑較小的顆粒依舊存在于尾水中，依然會造成物理堵塞。所以，設計尾水進入二級過濾器，二級過濾器依據所測得懸浮物粒徑范圍設計粗過濾器和精過濾器，粗過濾器的設計過濾級為50 μm，精過濾器的設計過濾級為10 μm，濾器的個數可以根據尾水回灌量確定。另外需要注意在尾水回灌中應盡量避免回灌量大于其最大允許回灌量，這樣才能保證回灌的效果。