國內外地熱回灌發展現狀及啟示

曹倩 方朝合 李云 王漢雄 方群 史向陽

1.中國石油勘探開發研究院；2.中國石油華北油田公司

近年來，我國大力推進生態文明建設，不斷調整優化能源結構，北方地區由于清潔能源供暖比例偏低，存在著嚴重的霧霾污染，為地熱開發利用帶來了機遇。《地熱能開發利用“十三五”規劃》明確指出：“十三五”時期，新增地熱能供暖(制冷)面積11×108m2，新增地熱發電裝機容量5×108W［1-2］。

地熱資源是一種無污染、可再生的清潔能源，在開發利用過程中，不回灌或因技術問題導致回灌困難的情況普遍存在，制約了地熱能源的可持續發展。結合熱儲特征進行地熱回灌，可以避免產能下降、熱儲壓力下降、采出液溫度下降、尾水隨意排放對環境造成污染等問題，是維持地熱資源可持續性開發的必由之路［3］。

1 全球地熱回灌發展現狀

1.1 發展歷程

回灌工作開始于上個世紀60年代后期，目前，在美國、德國、法國、冰島、新西蘭、意大利、日本、菲律賓等國家都得到了不同程度的應用。第一個高溫地熱田回灌項目1969年在薩爾瓦多Ahuachapan地熱田進行了實施，同年第一個中低溫地熱田回灌項目也在法國巴黎盆地進行了實施。自1970年后，全球的地熱回灌項目開始增加［4］。意大利Larderello地熱發電站是世界上第一座地熱發電站，為了處理蒸汽冷凝水，1974年開始采用回灌技術，長期試驗表明，回灌可使儲層壓力有所回升，產量顯著增加［5］。

美國Geysers地熱田是世界上最大的地熱田，針對熱儲壓力下降過大導致的地熱田產汽量和發電能力嚴重下降的問題，同時為了處理蒸汽冷凝水，1970年開始進行回灌，結果表明回灌明顯改善了地熱田的產能［6］。因此，該地熱田對回灌的重視程度越來越高，目前除了用冷凝水進行回灌，還可用地表水和處理過的城市污水。在美國大約20%的地熱項目回灌時遇到過采出液溫度下降、產量下降、地下水污染等問題，但這些問題大多可以通過精心的勘探選址、合理的開發設計和謹慎的現場作業來避免，即使意外發生此類問題，也可以通過調整回灌設計來緩解［7］。

法國巴黎盆地地熱回灌是中低溫熱儲進行長時間開發和回灌的成功案例之一，巴黎盆地是沉積盆地型中低溫地熱田，地熱資源豐富，主要熱儲層為道格統灰巖含水層，水溫高于50 ℃，埋深1 700～1 800 m，流量每小時達150 t。主要利用方式是冬季供暖，地熱水經過地面換熱后直接輸送到市區建筑群為居民用戶供熱(包括采暖、飲用及生活用水)，部分熱水還可輸送到工廠作為工業用水。由于地熱水含鹽度高達35～40 g/L，隨意排放會破壞土壤，因此需要進行回灌。該地熱田1969年建立了世界上第一個“對井”地熱生產系統，包含1口采水井和1口回灌井，通過地面換熱可為3 000間房屋供暖；1995年又建成一口新的地熱井，開始進行“兩采一灌”，供暖房屋增加到5 200間，這一地熱供暖系統至今仍在運行。該地區生產井和回灌井的井距一般為1 000 m，持續30～40年的開發數據表明，沒有一口井出現溫度下降情況，目前法國正在運行的地熱供暖系統有61個, 其中41個在巴黎盆地［8-9］。

全球對地熱回灌的研究重點一直放在高溫地熱田，盡管許多國家都出臺了法規要求中低溫地熱利用項目尾水必須回灌，但仍有許多項目未按規定進行尾水回灌。冰島從上世紀70年代后期開始大規模開發地熱，但1997年才開始進行中低溫地熱項目的回灌工作，主要原因是冰島大多數中低溫熱儲的地熱水礦化度較低，對環境構成的威脅相對較小，而且由于地質構造環境的特殊性，地下水補給充足。

1.2 研究現狀

Kamila、Diazr、Kaya等學者在2011—2019年的研究表明，回灌對生產的影響取決于其熱力狀態、地質構造和水文環境等因素，應該按照項目的熱儲特征來評估回灌系統，將熱儲分為5種類型(表1)［10-12］。

表1 熱儲分類Table 1 Classification of thermal reservoirs

地熱項目回灌系統具有獨特性，每個回灌工程都會因為地質條件不同而存在差異，但是同一類型熱儲中仍有相似之處。水熱型地熱系統通常需要回灌來維持地層壓力，避免壓降所帶來的產量下降，同時需要合理的井距來避免熱突破。以液體主導的汽-液兩相熱儲分為低焓、中焓和高焓三類，低焓系統特點是裂縫和滲透率相當高，當地層壓力下降時，這個系統會有來自邊界的強力水補給，在生產過程中不會耗盡水；中焓系統滲透率通常低于低焓系統，一般只有少數明顯裂縫，地層壓力下降時，井筒附近會發生局部沸騰，導致流體焓升高；高焓系統一般裂縫數量較少，巖層致密，滲透率較低，會在生產井筒附近發生局部沸騰。以蒸汽為主的兩相系統會生產蒸汽和大量不流動的水，由于儲層和邊界的滲透性，補水量有限，隨著生產過程壓力下降，需要回灌來維持地層中的液體含量。

據統計，截止到2019年，全球地熱發電裝機容量為1.43×1010W，其中中國地熱發電裝機容量為27.28×106W。全球以液體為主的汽-液兩相系統地熱田為74個，裝機容量占地熱發電總裝機容量的68%；而以蒸汽為主的地熱田僅有8個，但裝機容量占總裝機容量的20%；水熱型地熱田有58個，發電裝機容量僅占總裝機容量的12% (表2)［11］。中國羊易地熱田屬于高溫水熱型，羊八井地熱田屬于以液體為主的汽-液兩相低焓型。

Diazr對78個主要地熱田(裝機容量占全球73%)的數據分析見表3［11］，以蒸汽為主的汽-液兩相系統的回灌率是58%，回灌液包括冷卻塔中的殘余液態水和外部補水；以液體為主的汽-液兩相系統高焓回灌率為57%，中焓和低焓分別為68%和82%；水熱型地熱發電通常使用閉環系統，因此回灌率可達到98%，但是許多裝機容量小于5×106W的水熱型系統基本是全部排放。

表2 不同類型熱儲的裝機容量Table 2 Installed capacity of different types of geothermal reservoirs

表3 不同類型熱儲的總回灌量和回灌率Table 3 Total recharge amount and recharge rate of different types of geothermal reservoirs

2 國內地熱回灌發展現狀

2.1 發展歷程

我國地熱資源豐富，具有很大的開發潛力，水熱型地熱能年可采資源折合標煤18.651 1×108t，其中中低溫地熱能資源占比達95%以上。全球水熱型地熱能供暖裝機容量為7.556×109W，占世界地熱能直接利用總裝機容量的10.7%，我國近10年來水熱型地熱直接利用以年10%的速度增長，連續多年位居世界首位。北京從上世紀50、60年代開始地熱勘查和利用，90年代末開始進行初步的回灌試驗，2004年北京市地熱管理部門頒布多項政策限制開采、鼓勵回灌。天津地熱資源豐富，利用較早，出臺了一系列法規規范地熱回灌，通過審批控制和地熱水回灌資源費優惠等手段鼓勵地熱回灌，并建立了監管平臺。回灌試驗始于上世紀70年代末，分為四個階段，分別對淺部新近系孔隙型熱儲回灌、薊縣系霧迷山組基巖熱儲回灌、基巖生產性回灌試驗和新近系生產性回灌進行了試驗。近年來，隨著國家對地熱利用和地熱資源管理的重視，許多省市都出臺了相關法規，要求地熱尾水必須進行回灌，除北京、天津外，陜西、山東等地也實施了一些地熱回灌項目，并取得了一定成果［13］。

2.2 發展現狀

北京市截止到2013年，地熱水開采量為1.22×107m3，回灌量為0.56×107m3，回灌率接近50%，實施地熱監測后，地熱水位年下降速度均有所改善。2016年針對地熱井回灌衰減問題進行研究，取得了一些進展。

天津市截止到2018年，共有721口地熱井，其中回灌井235口，基巖熱儲回灌井163口，砂巖熱儲回灌井72口。2018年開采量5×107m3，回灌量0.62×107m3，砂巖熱儲回灌量約為0.19×107m3。而在回灌過程中，回灌井堵塞是造成回灌量有限的主要問題，尤其是孔隙性砂巖熱儲回灌井堵塞問題一直沒有解決［14-16］。

此外，陜西關中盆地地熱資源豐富，從2002年至今，在西安、咸陽等地進行了多次回灌試驗。截止到2015年，西安共有地熱井227口，開采運行189口，回灌井8口；截止到2016年，咸陽有地熱井105口，回灌井8口。由于關中盆地主要熱儲層藍田灞河組孔隙熱儲埋深大，儲層原始壓力大，導致回灌量小、回灌持續時間短，使地熱回灌難以推廣［17-19］。

3 回灌面臨的問題

3.1 生產井溫度降低

回灌設計中需要避免回灌水過快地到達開采井，造成開采井溫度的降低。當采注井間距較小，或兩個井之間存在開放的裂縫等流動通道時，有可能會造成“熱突破”現象。菲律賓地熱田PN-26井發生過熱突破現象，1991年Malate和O’sullivan對此進行了評估，結果發現熱突破開始發生在回灌18個月后，4年內溫度迅速下降了50 ℃［20］。但目前全球觀察到的地熱回灌造成“ 熱突破”的情況很少，僅在少數的高溫地熱田被觀測到。小湯山兩口固定的代表性回灌井監測數據表明，通過長時間大規模回灌，回灌井周邊熱儲溫度會出現不同程度的下降，這與回灌水溫度和熱儲徑流條件有關，但對該地區生產井周邊的熱儲溫度場沒有產生影響。

3.2 回灌井結垢和腐蝕

低溫回灌水在回灌過程中會發生氧化反應，腐蝕井壁，產生鐵銹，同時隨著溫度下降，地熱水中礦物質成分溶解度降低會產生二氧化硅沉淀，附著在井壁形成水垢。隨著回灌時間加長，井壁形成的水垢增加，井徑變小，過水斷面變小，必然會對回灌形成阻力。井壁水垢脫落后如果落入井底，可能會對熱儲形成堵塞；如果落在變徑口上，可能會將井筒堵死，這些都會導致回灌的衰減和堵塞。通常使用阻垢劑來減少碳酸鹽沉淀，陜西渭河盆地2012年在室內進行的堵塞機理試驗結果表明，添加阻垢劑后可以明顯增加回灌量［21］。

3.3 砂巖熱儲回灌井井筒及周圍熱儲堵塞

砂巖熱儲由于其儲層特性，實施回灌時面臨的最大難題是堵塞問題，礦物組成特別是黏土礦物的含量和組成、孔徑大小以及固結程度等都可能成為堵塞發生的因素，很多專家對這一問題進行過研究，Bouwer在1991年對40個地熱田的回灌項目研究發現，80%的砂巖熱儲回灌井出現了不同程度和類型的堵塞，堵塞原因主要可分為6種，具體結果見表4［22］。

表4 堵塞原因統計Table 4 Statistics of blockage causes

4 回灌因素

4.1 井位選擇

回灌井與地熱井之間的井距是回灌設計中重要的一部分，回灌位置選擇不當會對地熱儲層造成影響。國外目前對高溫熱儲回注區域選擇做了一些研究，但尚無統一標準。Zarrouk等人在2006年提出根據注采井之間的連通程度將回灌區域分為內場(infield)回灌和外場(outfield)回灌［23］。Axelsson在2015年根據回灌井相對于產層的位置對內場回灌和外場回灌進行了分類，內場回灌是回灌井位于生產井之間，外場回灌是回灌井位于產層生產區之外［24］。Diazr等人在2016年進一步明確了內場回灌是指回灌井位置接近生產井和產層的電阻率邊界；外場回灌是回灌井位于地熱田邊界外，與生產系統沒有水力連通；邊緣(edgefield)回灌是回注井位于地熱田邊緣位置，在水力學上仍有部分連通［11］。對于需要依靠回灌來恢復地層壓力的熱儲，最好是在靠近生產井的地方進行內場回灌，同時要注意保持儲層壓力和熱突破之間的平衡。

中高焓兩相熱儲一般采取內場回灌，美國Geysers地熱田［23］、印度尼西亞Salak地熱田［25］、墨西哥的Los Humeros地熱田［26］、埃塞俄比亞Aluto-Langano發電項目［27］、冰島Reykjanes地熱田［28］的現場經驗都表明這種方式可以補給熱儲，降低地層壓力下降的速率。低焓熱儲層特點是裂縫分布廣泛，大量注水可能會嚴重干擾熱儲層，因此會將回灌井設計到離開發井稍遠的位置來降低熱儲冷卻的風險，如日本的大岳地熱田［23］、葡萄牙的亞速群島地熱田［23］。

大多數水熱型熱儲采用內場回灌，如德國的Bruchsal地熱田［29］、日本大治地熱田［23］、美國Brawley地熱田［30］和美國Steamboat Springs地熱田［23］，現場數據證明內場回灌對維持儲層壓力、水位和地熱田生產能力具有積極作用。但也在一些地熱田出現了熱突破現象，如俄羅斯勘察加地熱田、美國Beowawe地熱田、美國Lightning Dock地熱田、美國Casa Diablo地熱田和美國Tuscarora地熱田，為了減少這些影響，正在進一步研究尋找合理的回灌點［12］。由于熱儲具有獨特性，因此各個地熱田之間的井距參數不具普適性。根據對80多個地熱回灌項目的統計，得到了每種系統回灌井和生產井的井距范圍，如表5所示［10］。

表5 生產井與回注井的距離范圍和平均距離Table 5 Distance range and average distance between production well and reinjection well

中國許多研究人員也針對井距選擇問題進行了研究，孔彥龍等人［31］2017年通過對中國北方某碳酸巖型地熱開發進行了數值模擬分析，明確了回灌井布置在上游還是下游對熱儲壓力下降的影響區別很小，而開采井溫度對回灌井的位置更加敏感，布置在開采井下游熱儲溫度下降更慢，以50年為期限，當采灌井距大于300 m的時候，溫度變化對井距變化不敏感，并從經濟角度出發，提出最優井距是400 m。王鵬等［32］2018年針對山東樂陵砂巖熱儲的有效厚度和相關參數，通過理論計算結合示蹤實驗結果，提出該地區合理的采灌井距是500 m。

4.2 回灌溫度

注入流體的溫度是地熱回灌設計里的另一個重要參數，流體溫度可以改變地層裂縫中的熱力學性質，從而改變地層的回灌能力，回灌溫度的確定取決于回灌水的結垢能力［33］。2012—2013年在陜西渭河盆地利用一口開采井和一口回灌井進行回灌試驗，將原水和過濾后的地熱尾水進行配伍實驗，測試水樣在配伍后的濁度，實驗結果表明回灌溫度在50 ℃和30 ℃時，原水和尾水配伍較好(沉淀量小于100 mg/L)，50 ℃時石膏僅有輕微的沉淀趨勢，而方解石和白云石基本不結垢，隨著溫度升高沉淀開始增多。巖心驅替化學堵塞模擬實驗也表明，化學堵塞會隨著溫度升高而增加。全球63個地熱項目回灌溫度的范圍、平均溫度和與儲層之間的溫差數據見表6［11］。

表6 回灌溫度與儲層間平均溫差Table 6 Reinjection temperature and average temperature difference between reservoirs

4.3 回灌速度

回灌速度同樣是地熱回灌的關鍵因素，巖石速敏作用會對儲層的滲透性產生影響。2013年秦俊生［34］通過室內實驗證明回灌速度越大，水力阻力越大，回灌難度就越大。菲律賓Tongonnan地熱田、肯尼亞Olkaria地熱田、菲律賓Mak-Ban地熱田和美國Patua地熱田的現場數據也表明，當回灌井和生產井距離很小或地層有連通時，降低速度對緩解儲層降溫至關重要［23］。

4.4 開發模型

為了保障采灌均衡，很多人對地熱開發進行了數值模擬研究，模擬方面常用的軟件包括基于有限體積法的TOUGH 軟件和基于有限元的OpenGeoSys、COMSOL、FEFLOW等。Philip［35］總結了飽和帶多孔介質中熱量運移的主要途徑，并建立了多孔介質骨架能量守恒方程。Freedman等［36］建立了地下水滲流與熱傳遞耦合模型，分析了地熱利用對地熱儲層熱環境的影響。Panday等［37］給出了多孔介質中能量運移非穩定流模型的一般表達式。Nam等［38］通過數值模擬方法，分析了地熱儲層中的水遷移和熱傳遞過程。薛禹群等［39］利用Douglas-Brain ADI法對熱量輸送模型和水流模型進行耦合求解。薛傳東等［40］建立了考慮溫壓和越流條件的昆明地熱田，深層基巖地下熱水系統中水流和溶質運移的準三維非穩定流數學模型。曲占慶等學者［41］將地熱儲層視為由基質巖體與離散裂縫組成的雙重介質結構，并基于該雙重介質結構建立了溫度-滲流-應力全耦合模型。肖鵬等［42］建立了三維增強型地熱系統水平井平行多裂隙模型，并采用該模型分析了不同注水流量條件下增強型地熱系統的運行性能。魏凱等［43］通過考慮滲流對地熱儲層傳熱過程的影響，建立了含裂縫地熱儲層的滲流-傳熱弱耦合模型。

由于地熱儲層環境復雜，不同熱儲地質條件下的回灌效果差異很大，特別是含裂縫的熱儲，多孔基質與裂縫的雙重介質屬性會導致地熱回灌過程中的滲流和傳熱現象較為復雜，目前尚無成熟的開發數學模型。

4.5 回灌技術

4.5.1 定期回揚

為解決砂巖熱儲產層的堵塞問題，Axelesson［4］提出在回灌井中下入泵，在回灌能力開始下降時逆開采幾個小時，這種回揚技術在中國也得到了推廣和應用。《地熱回灌技術要求》NB/T 10099—2018提出在回灌井堵塞時，宜用回揚的方法處理，恢復至初始單位開采量后方可進行回灌；《城鎮地熱供熱工程技術規程 》CJJ 138—2010提出停灌后應及時回揚洗井。回揚技術現在山東、河北、遼寧、陜西、山西等地區的地熱回灌項目得到了推廣和應用，每口回灌井回揚次數和回揚持續時間各不相同，主要由含水層顆粒大小和滲透性決定［44-46］。

4.5.2 真空回灌

1984年在丹麥Thisted地熱田提出無氧回灌，利用一個復雜的閉環系統和精細過濾系統(過濾精度小于1 μm)來減少化學沉淀堵塞，檢測確定回灌水達到無氧狀態后再進行回灌。該技術在德國北部的諾伊施塔特-格萊沃砂巖地熱田中已得到應用，在中國林甸、天津等地的地熱開發中也得到了應用。2014年天津利用該技術，對舊的回灌系統進行改造，增加了過濾設備和排氣罐對回灌液體進行處理，達到了地熱尾水回灌保護地熱資源的目的［47-50］。

4.5.3 熱儲改造技術

水力噴射壓裂被用于油氣開發行業，適用于低滲透油藏直井、水平井的增產改造，是低滲透油藏壓裂增產的一種有效方法。通過水力噴射技術，在產層形成一定直徑和深度的孔眼，改善熱儲的滲透率，減小了回灌流體運動的阻力，提高了回灌能力。這種技術在地熱領域進行了一些現場試驗，印尼Wayang Windu地熱田、法國La Bouillante地熱田和委內瑞拉Las Pailas地熱田的試驗結果表明，水力噴射技術可以改善熱儲的滲流條件，提高回灌量［12］。

我國在河北、天津、陜西、山西等地也進行過試驗，2011年在陜西砂巖儲層S井進行了“水力加砂壓裂”改造試驗，改造后自然回灌排量達到40～70 m3/h，回灌能力顯著提高。山西碳酸鹽巖水力“噴射+酸化”試驗同樣證明，改造后熱儲層吸水能力大幅提升，1.5 MPa下的回灌排量提高約6倍［51］。北京通州地區薊縣系霧迷山組白云巖熱儲京通4號地熱井進行酸化壓裂試驗后，單位涌水量增加了約1.73倍，單位回灌量增加了約3.9倍，回灌量增加了約1.4倍，增灌效果顯著［52］。

5 結論

(1)應加強熱儲水文地質研究和地熱資源精細評價研究，通過示蹤劑等技術研究回灌水在熱儲中的運移規律，通過熱儲建模等技術提高開發方式和熱儲的匹配度。

(2)地熱回灌效果高度依賴熱儲條件，在生產性回灌之前應進行回灌試驗，嚴格按照保持熱儲層壓力和避免造成熱突破的原則進行回灌設計，針對熱儲地質特點和水質情況，來確定回灌井位、回灌溫度、回灌水水質、回灌速度等參數，確保回灌系統的長時間平穩運行。

(3)設置動態監測系統，對地熱井液位、壓力、溫度等數據進行監測，了解實際的開采和回灌情況，通過生產數據來完善地質模型和開發模型，作為后期開發的參考。

(4)要實現長期穩定回灌，需要對回灌井完井方式、回灌水處理技術、回灌過濾系統等技術進行創新研發，提高尾水回灌量，實現經濟效益的最大化。