中深層砂巖熱儲層高效回灌研究

王俞文，，牛海瑞，王茜，賈艷雨，劉藝

（1.中石化新星河南新能源開發有限公司，河南鄭州，450000；2.中石化新星山東新能源有限公司，山東東營，257200；3.中石化新星（北京）新能源研究院有限公司鄭州分公司，河南鄭州，450000；4.中石化新星新疆新能源開發有限公司，新疆烏魯木齊，830011）

在地熱能資源相對豐富的區域，以集中與分散相結合的方式推進地熱能清潔供暖，對優化清潔低碳的綠色能源消費結構，改善生產生活用能條件具有重要的現實意義。2021年9月，八部門聯合發布《關于促進地熱能開發利用的若干意見》，標志著地熱能產業高質量發展全面進入了國家戰略層面。據國家能源局數據，截至2021年底，在地熱能資源相對豐富的區域以集中與分散相結合的方式推進地熱能清潔供暖，對優化清潔低碳的綠色能源消費結構，改善生產生活用能條件具有重要現實意義。據國家能源局數據，截至2021年底，全國31個?。▍^、市）淺層地熱能供暖建筑面積8.1億平方米，中深層地熱能供暖建筑面積5.82億平方米，總面積13.92億平方米。

在地熱供暖項目運營中，地熱尾水回灌是保障地熱田可持續開發，維持地熱井合適的地層壓力，保護當地生態環境的重要技術手段。但多個地熱供暖運營周期后，部分地熱井出現回灌效率衰減情況，表現為回灌壓力高，回灌量減少。為保障地熱資源采灌均衡須通過熱泵、天然氣鍋爐等其他熱源補充熱量，導致地熱供暖項目運營成本急劇上升。

該文主要針對河南省蘭考縣館陶組孔隙型砂巖熱儲尾水回灌工程，對中深層砂巖回灌的地質條件、堵塞機理、完井工藝等進行研究，形成了中深層砂巖熱儲高效回灌技術。

1 蘭考縣回灌條件評價

1.1 區域地質基本情況

河南省蘭考縣位于開封凹陷構造單元，呈北北東走向，該縣城城區處于新鄉—商丘大斷裂和蘭考—聊城深斷裂及次級構造單元的復合部位，構造作用強烈，其主控蘭考—聊城斷層為近期仍在活動的深大斷裂，蘭考—聊城斷層及其控制的低序級斷層提供了地殼深部熱流上涌的通道條件，也形成了地下水循環的流通環境詳見圖1。

圖1 蘭考區域周邊斷裂分布

1.2 主力熱儲層評價

根據目前已有地質和地熱井資料，其主要地熱熱儲開發層系為新近系館陶組，巖性以棕紅色泥巖、灰白色細砂巖為主。熱儲埋深介于1 350—1 950 m之間，厚度介于500—700 m之間，中上部主要發育砂泥巖薄互層，底部主要發育有一整套含細礫砂巖，厚度100 m左右。根據對蘭考縣南北兩口地熱探井的技術資料分析，結合區域地震剖面，認為該套儲層為典型的河流相沉積特征，橫向展布穩定詳見圖2。

圖2 蘭考縣館陶組熱儲儲層深度和厚度

對蘭考地區已鉆地熱井取樣分析，其地層物性好，孔隙度15%~35%，平均孔隙度22%，平均滲透率560 mD，整體屬于中孔中高滲儲層，是良好的地熱水儲層詳見圖3。

圖3 ZYXY2井樣品試驗物性分布

通過對蘭考地區地熱資料綜合評價，認為蘭考縣地熱田為中低溫傳導型地熱田，縱向上儲蓋齊全，熱源主要來自地殼深部的熱流傳導；其地熱儲層新近系館陶組下段橫向展布穩定，無阻水斷裂錯層，平均孔隙度超過22%，平均滲透率超過400 mD， 利用數值模擬，在理想情況下，蘭考區域單井的回灌能力為139 m3/h，具有良好的回灌能力。

2 蘭考地區回灌現狀及低效原因分析

2.1 蘭考地區回灌現狀

2019—2020年供暖季，蘭考地區地熱能清潔供暖共投運項目6個，運行地熱井12口，各項目均配備一口采水井和一口回灌井，通過潛水泵抽取地下熱水，在地面完成換熱過程后，通過回灌井將熱交換后的地熱尾水排入同一地層。其中有4口回灌井井口壓力達到0.4 MPa以上，目前實際生產中采用加壓回灌工況條件，綜合回灌率達到99%以上。在井口不加壓的情況下開展自然回灌回灌實驗，個別井回灌率不到76%，詳見表1。

表1 蘭考地區自然回灌條件下回灌實驗

為保證地熱資源開發過程“采灌平衡”，實際

生產開發過程中，回灌壓力較低的井采取重力回灌方式，利用回灌水位和靜水位之間的壓力差自然回灌；對回灌壓力高的井配備加壓泵，從而保持穩定回灌速度，但會對松散的砂巖層施加壓力，易造成地層垮塌。該區地層滲透率好，孔隙度高，回灌量衰減的主要原因是由于回灌井水流通道發生堵塞，根據堵塞機理分為化學堵塞和物理堵塞。

2.2 化學堵塞機理研究

回灌井的化學堵塞是由于回灌水灌入地層后，由于溫度、PH值、壓力的迅速變化而產生的化學物質由于析出的臨界溫度壓力達到過飽和狀態沉淀而堵塞地層孔隙的喉道，常見的化學堵塞沉淀物有碳酸鹽類礦物、硫酸鹽類礦物、鐵類礦物等。

礦物加工領域細磨以前主要利用球磨機來完成，隨著細嵌布共生礦物的逐漸開采和選別，傳統球磨機很難達到節能高效細磨和再磨的目的［1］。在此背景下，立磨機（即立式螺旋攪拌磨機）逐漸被研制和開發，其最初用于非金屬礦物的粉磨，后逐漸引入到有色礦物的細磨中，并取得了較為廣泛的應用。

選取回灌壓力較高的回灌井WLC2井和XCHY2井，取回灌井現場水樣進行取樣分析，確定蘭考地區化學堵塞機理。

蘭考區域水質偏堿性，pH值達到7.26左右，水型為氯化鈣水型，氯離子含量很高，將近10 000 mg/L，詳見表2。

表2 WLC2井和XCHY2井水質分析結果

根據取樣水質在不同溫度下進行結垢趨勢預測，定量分析蘭考地質條件下化學堵塞程度及其變化規律（按如下工況進行模擬：液量2 000 m3/天，井口與井底溫度分別為50、80℃，壓為分別為0.1、20 MPa），結果表明：蘭考兩口回灌井的全井筒有碳酸鈣析出，WLC2井碳酸鈣析出量從井口的26.32 mg/L增加到井底的41.13 mg/L；XCHY2井碳酸鈣析出量從井口的35.79 mg/L增加到井底的52.13 mg/L；碳酸鈣析出量從井口到井底呈遞增趨勢，詳見圖4。

圖4 WLC2井和XCHY2井結垢趨勢預測

蘭考地區化學堵塞形成的碳酸鈣結晶是造成蘭考地區長期運營情況下回灌壓力升高，回灌效率降低的主控因素，需根據蘭考地熱水質制定科學解堵措施，提高回灌效率。

2.3 物理堵塞機制分析

地熱井物理堵塞主要形式為固體懸浮物堵塞。固體懸浮物堵塞根據懸浮物來源分為外來固體懸浮物和內生固體懸浮物。外來固體懸浮物為地熱水經過一網進回水管線、板式換熱器換后回灌至回灌井時攜帶的固體小顆粒；內生固體懸浮物為裸眼完井情況下近井儲層在水動力作用和水化學作用下產生的固體顆粒。堵塞機理是物理吸附作用，由于固體懸浮物和回灌井筒內地熱水密度不同，重力影響顯著，由于慣性作用、水力影響導致固體懸浮物附著于砂巖表面，堵塞儲層孔隙吼道導致儲層滲透率下降，回灌壓力上升，回灌效率下降。緩解地熱回灌井固體懸浮物物理堵塞須綜合考慮完井濾水工藝、地面過濾流程等。

對于蘭考館陶組的半固結砂巖，完井濾水工藝是影響回灌效率的重要因素之一。2019年以前完鉆的蘭考地熱井均采用三開井身結構，一開、二開為水泥固井，三開則采用懸掛80目的包網纏絲濾水管，裸眼完井，擋砂精度0.178 mm。蘭考地區熱儲由于地層壓實作用較好，實際運行中地熱井不出砂。統計蘭考地區投運的地熱井完井數據，該地區包網纏絲濾水管最少493.44 m，最大自然回灌量140 m3/h以上，尚不存在由于濾水管過流面積過小導致的回灌壓力升高的情況，但通過優化井身結構、濾水管選型設計來提高回灌效率仍有很多提升空間。

圖5 WLC2井固態懸浮物粒徑大小體積密度統計

3 高效回灌的策略初探

根據制約回灌效率的多種因素，按照“以防為主，以治為輔”原則，采取防止堵塞手段；對于回灌壓力高的井采取相應解堵措施；對于新鉆井，從井位設計開始至生產運行全生命周期詳細記錄井史、采灌基礎數據，為后期修井、同區域回灌制定解決方案提供依據。

3.1 化學堵塞解堵技術措施

科學洗井除垢。酸化洗井是最直接的解決回灌低效的措施方法。制定洗井方案時，充分考慮回灌地層有效厚度、孔滲性等因素，同時考慮加壓回灌造成的井徑擴大的影響，確保劑量滿足整個回灌井段除垢用量。實際操作中按照由下向上原則，單段控制長度不超過150米、注入點避開砂巖厚層、孔滲性好、泥巖隔層薄層段，盡量選擇泥巖隔層、砂巖厚度薄、孔滲性差層位，結合井口壓力現場情況確定酸化洗井排量。2018—2020蘭考區域共酸化洗井5井次，酸化后效果較好，充分說明了該區域存在碳酸鹽化學堵塞，詳見表3。

表3 蘭考地區地熱井洗井效果

添加阻垢措施。以根據蘭考區域地熱水水質和結垢類型，選用環保式阻垢劑，消除地熱水中可形成碳酸鈣結晶的條件。通過實驗前后水的鈣硬度，對多種穩鈣效果較好的藥劑復配使用，開發出適合蘭考地區本地的阻垢藥劑，對回灌壓力高的WLC2井進行穩鈣實驗，穩鈣率達到98.82%，有效防止碳酸鈣沉淀形成，詳見表4。

表4 蘭考地區阻垢劑實驗效果

3.2 物理堵塞解堵技術措施

優化完井工藝。對新鉆井砂巖熱儲層進行取芯，優選回灌目的層位，同時開展砂粒粒徑分析，根據不同層段的砂粒粒徑，分級配置濾水管規格，通過優化熱儲層層位和濾水管，節約成本的同時增加回灌過流通道面積，提高回灌效果。2020年新完鉆的FHC2井，取水層段由500 m縮減為352 m； 1 800 m以下濾水管由80目包網纏絲設計為60目包網纏絲，2 050 m以下包網纏絲濾水管變更為打孔套管，實際運營過程中井口壓力為負壓，回灌量效率高，自然回灌量達到120 m3/h。

常態化回揚措施。回揚措施可以認為是回灌的反流程，科學合理的回揚頻率和時間可以有效疏通近井地帶暫時性物理堵塞。2020年非供暖季組織回揚措施22次，其中SYZX2井于2020年3月22日開始回揚作業，連續抽水至3月28日，出現斷流后停泵；4月10日進行回灌實驗，開始10分鐘后回灌壓力由0.95 MPa驟降至0.05 MPa，回灌量112 m3/h，后回灌壓力基本穩定在0.1 MPa，回揚后效果顯著。2021年非供暖季組織回揚3井次，回揚水內均觀測到黃色固體沉淀，表明回揚措施可排出回灌井內固體懸浮物，詳見表5。

表5 2021年非供暖季回揚情況

改善過濾流程。根據地熱水懸浮物粒度分析，在地熱水進入板式換熱器前的預處理階段去除水中懸浮物，特別是物理小顆粒和化學過飽和析出的結晶。在目前雙室過濾器5 μm的基礎上，制定合理的地面除砂過濾流程，增設高精度除砂設備，減小固態懸浮物對儲層滲透性能的影響。

3.3 其他高效回灌措施

增加排氣裝置。在回灌工藝中系統壓力高點設置排氣閥，利用地熱水氣液固分離裝置，替代以往使用的除砂器及排氣罐，可有效排出伴生氣，降低氣體堵塞巖石喉道發生的概率。

提高地熱系統密封性。采水井、回灌井井口密封不嚴導致地熱系統進氧，存在氧腐蝕和部分好氧細菌滋生風險。地熱系統內尤其是回灌井底的厭氧菌需進一步研究并采取針對性抑制措施。

4 結論

在地熱井回灌過程中，回灌效率降低是物理、化學等多種因素復合的體現，單個因素的研究往往具有片面性，需要對阻塞形成機理深入研究，有效消除低效回灌現象，恢復地層原生狀態。針對中深層砂巖熱儲高效回灌，通過該文研究得出以下結論：（1）應加強地熱井鉆完井及生產過程中的泥漿性能及防砂研究，保持近井地帶地層穩定；（2）應建立完整水質處理系統，不定期檢查水質處理設備及尾水水質，保證水質達標；（3）應使用高強度非金屬材質的管網和泵管，減少和杜絕腐蝕結垢造成的堵塞物沉淀；（4）不建議采用加壓回灌方式，避免壓力過高將堵塞物壓進儲層孔隙深部造成回灌能力下降，此過程是不可逆的。

在“雙碳”背景下，地熱能利用作為國家清潔能源戰略重要組成，長期運營中砂巖熱儲回灌壓力升高、回灌量下降的問題嚴重制約地熱能推廣。隨著近期國家能源局、生態環保部等多部門各項關于科學利用地熱能政策的出臺，如何開展地熱井高效回灌已成為廣大科研工作者和地熱從業專業人員的重要研究方向。該文通過對影響地熱回灌效率的不同因素進行系統性總結，根據實際項目運行情況對完井工藝、過濾流程、解堵防堵等方面進行研究，為我國北方同類型地質條件的中深層砂巖熱儲高效回灌提供了科學參考。