山東省惠民縣淄角地區砂巖熱儲地熱尾水回灌研究

王兆林 劉蘇哲 紀洪磊 夏影 蒙永輝

摘要： 在闡述山東省惠民縣淄角地區地熱資源開發利用現狀及其地熱資源類型和主要熱儲特征的基礎上，對本次工作采集的熱儲巖心測試結果進行分析，研究了熱儲層巖性、孔隙度、砂巖顆粒直徑及滲透性能對回灌的影響。對本次工作開展的砂巖熱儲地熱尾水自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四組定壓力回灌試驗進行分析，重點針對回灌壓力對回灌量的影響進行了研究，為研究區開展地熱資源生產性回灌和進一步加快地熱回灌的推廣提供了參考。

關鍵詞： 地熱資源；砂巖熱儲；地熱尾水回灌；山東省惠民縣

中圖分類號： P641.12 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.011

引文格式： 王兆林，劉蘇哲，紀洪磊，等.山東省惠民縣淄角地區砂巖熱儲地熱尾水回灌研究［J］.山東國土資源，2023，39（3）：72 78.WANG Zhaolin， LIU Suzhe， JI Honglei， et al. Study on Geothermal Tail Water Reinjection of Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area in Huimin County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：72 78.

0 引言

山東省地熱資源非常豐富，是全國利用地熱較早的省份之一［1］，但是長期以來粗放的開采利用方式，造成了資源嚴重浪費、地熱水位大幅下降、熱儲層壓力不斷降低、地表環境污染等問題，而進行地熱尾水回灌則可以有效解決這些難題［2 7］。地熱回灌是人工將利用過的地熱尾水或常溫地下水、地表水灌回到熱儲中。目前省內對地熱回灌試驗進行了大量研究，但是地熱回灌示范工程相對較少。尤其是濱州地區，地熱資源開發利用較晚，利用程度較低，目前尚未建立地熱回灌示范工程［8 11］。

為了解決地熱資源開發利用帶來的一系列問題，實現地熱水資源的清潔開發和持續利用，推進地熱回灌試驗研究，為地熱資源生產性回灌提供技術支撐，進一步加快地熱回灌的推廣，在濱州地區起到示范引領作用，開展了本次地熱回灌研究。

1 研究區概況

惠民縣淄角地區地熱資源開發利用始于2005年，在惠民縣淄角鎮美孚德食品公司院內鉆探地熱井1眼，用于供暖，現已停用。截至2022年6月，研究區共有地熱井16眼，其中開采井6眼，回灌井9眼，停用1眼。地熱井井深1298～1500m，開采層位均為新近紀館陶組熱儲層，井口水溫50～52℃，單井涌水量80～85m3/h，水位埋深約50m左右，地熱尾水自然回灌條件下平均回灌量約60m3/h。

當前孔隙型砂巖熱儲難以回灌的現狀嚴重的制約了地熱資源的開發，本次工作在吸取國內、省內外同類熱儲回灌的經驗與教訓的基礎上，進行地熱回灌試驗，獲取不同回灌壓力條件下回灌量，改進回灌技術方法。

2 地熱資源類型及熱儲特征

2.1 地熱資源類型

研究區位于魯西北平原，在地質構造上為基底上發育起來的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運動的影響，沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地熱水主要富集在古、新近紀層狀砂巖的孔隙 裂隙和古生代石灰巖的巖溶裂隙內。本區地熱資源主要賦存于新生代新近系和古近系碎屑沉積巖中，地表無熱流顯示。按地熱資源的形成條件，研究區地熱資源屬于沉積盆地傳導型地熱資源［12］，熱儲類型為層狀孔隙 裂隙型熱儲。研究區已有地熱井的測溫資料表明，地熱水的溫度大多小于90℃，根據地熱資源溫度分級標準，屬于低溫地熱資源、溫水—熱水型［13 18］。

2.2 主要熱儲及其埋藏分布

按熱儲所處地層的時代，研究區1300m深度內自上而下主要劃分為2個熱儲層組：明化鎮組熱儲層組—新近紀明化鎮組含水層組和館陶組熱儲層組—新近紀館陶組含水層組，其中新近紀館陶組熱儲是本次工作重點。明化鎮組熱儲在全工作區皆有分布，其頂板埋深250～340m，底板埋深900～1040m，厚度600～800m。明化鎮組下段熱儲巖性以細砂、粉細砂及中細砂為主。含水層單層厚度為1.6～9.2m，可采用層數一般13～15層，累計厚度70～105m。該熱儲分布廣泛，厚度穩定，單井涌水量1000～1500m3/d，溶解性總固體1000mg/L左右，水化學類型主要為HCO3 Na和HCO3·SO4 Na型，水溫35～40℃。由于溫度較低，可做為館陶組熱儲的蓋層。新近紀館陶組熱儲層分布于惠民縣全境內，熱儲埋藏深度自南部、東部向中部及西北部逐漸加深，厚度也逐漸增大，局部地區略有變化（圖1）。新近紀館陶組熱儲含水層巖性為細砂巖及中砂巖，約占熱儲層總厚度的17.63％～38.74％。熱儲頂界面埋深900～1040m，底界面埋深1000～1300m，厚度100～300m，熱儲巖性為中砂巖、細砂巖，熱儲砂層厚度一般50～150m。熱儲中心溫度50～60℃，單井出水量900～2800m3/d，水化學類型Cl Na型，溶解性總固體7～16g/L。富含對人體有益的多種微量及放射性元素。

3 回灌過程

3.1 回灌試驗方法

本次回灌試驗采用同層對井回灌模式，回灌井的注水層與開采井的取水層都位于新近紀館陶組熱儲層。回灌方法采用密封加壓回灌，先進行自然無壓回灌，在水溫一定的條件下進行，控制灌入流量，以20m3/h的回灌量梯度增量進行回灌。回灌量較小時通過加壓泵加壓進行回灌。本次回灌壓力取0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，壓力由小到大逐步調節到適宜壓力，直至回灌能正常運行。回灌時間為一個供暖期（約4個月），每個壓力回灌時間不少于1月。回灌水源以農業大棚種植供暖后地熱尾水作為回灌水源。

3.2 回灌試驗過程及結果

本次回灌為館陶組熱儲同層回灌。回灌方式為自然回灌和加壓回灌。試驗前，回灌井水位埋深52.00m，開采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗采用壓力階梯回灌的方式進行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進行地熱回灌試驗。回灌水溫23.6～50.1℃。累計回灌量170269m3。

本次無壓回灌試驗于2021年11月9日開始，2021年12月10日結束。回灌水溫25～50℃。回灌33日，99臺班，累計回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水溫度28℃，回灌井穩定水位埋深10.0m左右時，開采井穩定水位埋深63.90m，開采量58m3/h，穩定回灌量為58m3/h；回灌井井口壓力為0，階段回揚2次。

0.1MPa回灌于2021年12月10日開始，2022年1月9日結束，回灌30日，90臺班，累計回灌量76862m3，該壓力段回灌量39582m3。開采井穩定水位64.5m，開采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩定回灌量為65.0m3/h，階段回揚2次。

0.2MPa回灌于2022年1月9日開始，2022年2月4日結束，回灌27日，81臺班，累計回灌量112701m3，該壓力段回灌量35839m3。開采井穩定水位65.5m，開采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩定回灌量為70m3/h，階段回揚1次。

0.3MPa回灌于2022年2月4日開始，2022年3月5日結束，回灌30日，90臺班，累計回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開采井穩定水位66.8m，開采量72.8m3/h；回灌井井口壓力0.3MPa，穩定回灌量為73m3/h，階段回揚2次。

試驗過程中及結束后對回灌井回揚，達到水清為止。受井深和回揚流量等因素影響一般回揚開始后約60min回揚熱水較為渾濁，呈褐色—黑褐色，120min后水逐漸清澈。

根據回灌試驗檢測數據顯示，在回灌過程中，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩定時，回灌壓力也趨于穩定，回灌量輕微變化對回灌壓力基本沒有影響，說明回灌入滲穩定，含水層較為通暢。

4 回灌研究

4.1 熱儲層巖性對回灌影響研究

地層結構對回灌量的影響主要體現在熱儲砂巖厚度和熱儲層物理性質。累計厚度越大和單層厚度越大，地層中砂巖厚度占比越高，回灌性能越好，回灌量越大［19］。相反，累計厚度小，熱儲砂巖厚度占比小的地層回灌性能較差，回灌量也越小。工作區砂巖熱儲厚度為80～120m，約占地層總厚度的30%～50%，熱儲厚度較大，回灌性能良好。本次鉆探采取新近紀館陶組熱儲巖心30m，熱儲巖性主要為砂巖，對采集的熱儲巖心進行了顆粒分析（圖2），顯示顆粒粒徑集中在0.075～0.5mm之間，上部顆粒較粗，底部顆粒變細，0.075～0.25mm之間的顆粒占30%～65%，0.25～0.50mm之間的顆粒占21%～37%；0.5～2mm的顆粒在1.3%～7.3%左右，其中0.075～0.25mm顆粒所占比例較大，最大可達65.2%；1077～1249m深度處孔隙比為0.492～0.737，含水率為12.9%～22.8%，密度為1.88～2.05g/cm3，比重2.66～2.71。

4.1.1 孔隙度

魯北地區館陶組熱儲回灌層孔隙度基本在25%以上，屬于極好的。相同地熱井成井工藝、回灌工藝的條件下，分別對本次回灌井與鄰區2眼館陶組大口徑填礫回灌井進行回灌試驗分析（表1），2014—2015年度在平原魏莊社區進行的地熱尾水回灌試驗，2014—2015年供暖季在德州市開發區進行的地熱尾水回灌試驗，回灌試驗井結構與回灌工藝相同，德州市城區地熱回灌井館陶組熱儲層巖性為中砂巖，孔隙度為26.9%，平原縣回灌井館陶組熱儲巖性為砂礫巖，孔隙度為32.51%，本次回灌井館陶組巖性為中砂巖，孔隙度為38.8%，采用同水位升幅條件下的單位濾水管面積回灌量進行比較可看出，本次試驗井回灌能力最強，平原魏莊社區回灌能力次之。

4.1.2 顆粒直徑及滲透性能

砂巖孔隙型熱儲回灌率低的主要原因為回灌堵塞嚴重，不同地區的熱儲巖性在垂向和水平向上都有一定差距，理論上來說砂巖熱儲厚度、顆粒粒徑和孔隙度越大，滲透性也就越好，越利于回灌。本次試驗與德州開發區、武城二中三組回灌試驗進行對比，3個回灌井采用相同的成井工藝，惠民淄角館陶組砂巖熱儲為0.5～5mm粒徑的中砂巖，滲透率為101.5×10 3～859.4×10 3μm2；德州開發區館陶組砂巖熱儲為0.5～2mm粒徑的粗細砂巖和砂礫巖，滲透率為225.3×10 3～391.7×10 3μm2；武城二中回灌井館陶組砂巖熱儲為2～5mm粒徑的砂巖和砂礫巖，滲透率為265.74×10 3～906.62×10 3μm2，三者最大自然回灌量分別為73m3/h、40m3/h、60m3/h，單位面積最大回灌量分別為0.658m3/h·m2、0.407m3/h·m2、0.628m3/h·m2。

4.2 回灌壓力對回灌量影響研究

本次回灌為館陶組熱儲同層回灌，回灌方式為自然回灌和加壓回灌。試驗前，回灌井水位埋深52.00m，開采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗采用壓力階梯回灌的方式進行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進行地熱回灌試驗，回灌水溫23.6～50.1℃，累計回灌量170269m3。

無壓回灌水溫25～50℃，回灌33日99臺班，累計回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水溫度28℃，回灌井穩定水位埋深10.0m左右時，開采井穩定水位埋深63.90m，開采量58m3/h，穩定回灌量58m3/h，階段回揚2次（圖3）。

0.1MPa回灌30日90臺班，累計回灌量76862m3，回灌量39582m3。開采井穩定水位64.5m，開采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩定回灌量為65.0m3/h，階段回揚2次（圖4）。

0.2MPa回灌27日81臺班，累計回灌量112701m3，回灌量35839m3。開采井穩定水位65.5m，開采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩定回灌量為70m3/h，階段回揚1次（圖5，表2）。

1—水溫；2—水位；3—水量；4—回灌量 ??圖5 0.2MPa壓力回灌狀態下開采井 回灌井水位、流量、溫度歷時曲線圖 ??????表2 不同回灌壓力回灌水文地質參數成果表 ????項目 ??試驗數據 成果數據 熱水水位/m 穩定水位/m 水位升幅/m 回灌量/（m3/h） 滲透系數/（m/d） 影響半徑/m 導水系數/（m2/d） ?自然回灌 42.00 10.00 32.00 58 0.39 200 49.9 0.1MPa 42.00 0 52.00 65 0.29 281 36.4 0.2MPa 42.00 0 62.00 70 0.26 316 31.6 0.3MPa 42.00 0 72.00 73 0.24 345 29.4 ?????0.3MPa回灌30日90臺班，累計回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開采井穩定水位66.8m，開采量72.8m3/h，回灌井井口壓力0.3MPa，穩定回灌量為73m3/h，階段回揚2次（圖6）。

回灌試驗可視為產能試驗的逆過程。回灌試驗的地熱地質模型和數學模型可利用產能試驗的模型進行相關研究和計算。利用本次回灌試驗，由小到大選取了四組不同累計回灌量時的回灌數據進行對比分析，研究隨著回灌量的持續增加對熱儲層水文地質參數的影響（表2）。

5 結論

（1）惠民縣淄角地區，地熱資源屬于傳導型地熱資源，熱儲類型為層狀孔隙 裂隙型熱儲。地熱資源開發利用近20年，地熱水水位下降，熱儲層壓力減小，具備地熱回灌的地質條件和空間。

（2）試驗結果表明，砂巖熱儲層顆粒粒徑、孔隙度越大，濾水管直徑越大，回灌能力就越強；砂巖熱儲的巖性顆粒粒徑越大，其滲透率也越大，越利于回灌的進行。

（3）在回灌過程中，壓力回灌優于自然回灌，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩定時，回灌壓力也趨于穩定，回灌量輕微變化對回灌壓力基本沒有影響，說明回灌入滲穩定，含水層較為通暢。滲透系數隨著水位增幅的增加逐漸減小，即滲透系數隨著回灌壓力和回灌量的增大逐漸減小并趨于穩定。

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Study on Geothermal Tail Water Reinjection of ??Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area ??in Huimin County in Shandong Province

WANG Zhaolin1， LIU Suzhe2， JI Honglei2， XIA Ying2，MENG Yonghui1

（1.Shandong Provincial Land and Space Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan，250014，China;2.No.2 Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources （Lubei Geo-engineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072，China）

Abstract： On the basis of describing present condition of geothermal resources development and utilization in Zijiao area in Huimin county in Shandong province， as well as the types of geothermal resources and main characteristics of thermal reservoirs， the core test results of thermal reservoirs collected in this work have been analyzed， and the effects of thermal reservoir lithology， porosity， sandstone particle diameter and permeability on reinjection have been studied. 4 groups of constant pressure reinjection test， such as under the natural reinjection， 0.1MPa， 0.2MPa and 0.3MPa， geothermal tailwater from sandstone thermal reservoir have been analyzed. The impact of reinjection pressure on reinjection volume has been studied. It will provide some references for carrying out productive reinjection of geothermal resources and further accelerating the popularization of geothermal reinjection in the study area.

Key words： Geothermal resources; Thermal reservoir in sandstone;geothermal tail water reinjection; Huimin county；Shandong province