東營市河口區砂巖熱儲回灌試驗研究

摘要：地熱是一種清潔能源，可用于居民供暖、生活洗浴、溫泉理療、溫池游泳、溫室花卉和養殖。大力開發地熱資源，對緩解能源緊張，減少環境污染，促進經濟可持續發展具有重要意義。尾水回灌是砂巖熱儲開發利用面臨的主要難題，尾水的大量外排會污染周邊地表水及土壤，不利于地熱資源的可持續利用，文中以東營市河口區為例，對回灌試驗進行了分析研究，為地熱資源的可持續利用提供參考。

關鍵詞：地熱；清潔能源；砂巖熱儲；回灌試驗；東營市河口區

中圖分類號："P314"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.005

引文格式：宋新強，高延華，謝發菊.東營市河口區砂巖熱儲回灌試驗研究［J］.山東國土資源，2024，40（11）：33-36.SONG Xinqiang， GAO Yanhua， XIE Faju. Study on Sandstone Thermal Storage Recharge Experiment in Hekou District in Dongying City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：33-36.

0引言

地熱資源是一種清潔低碳、安全穩定、開發技術先進的非碳基能源［1］，但地熱資源的安全穩定是建立在取熱不耗水或取熱不取水的基礎上。地熱水的大規模開采外排，會造成集中開采區水位下降和資源浪費［2-6］。東營市河口區地熱資源十分豐富，有20余年的開采歷史，為保障地熱資源的可持續開采，2019年，在河口區西側開展了回灌研究工作，取得了豐富的試驗數據。

1地質背景

東營市河口城區在構造單元劃分上，位于華北板塊華北拗陷區濟陽坳陷沾化潛斷陷沾化潛凹陷。中生代以來，受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，一直緩慢下降，沉積了巨厚的新生代地層［7-10］。區內熱儲類型為層狀孔隙型熱儲，屬低溫地熱資源，主要熱儲層為新近紀館陶組［11-15］。館陶組地層發育較穩定，頂板埋深1115～1340m，底板埋深1900～1962m，與下伏古近紀東營組呈不整合接觸，熱儲砂層厚度為100～150m，分上下兩段，下段巖性以灰白色含礫粗砂巖及礫巖為主，夾棕紅色泥巖、含礫砂巖等，砂巖分選性較好，磨圓度中等，呈微膠結狀。上段多為紫紅色泥巖、砂質泥巖或泥巖砂巖互層，泥巖質純、性軟，遇水膨脹，顆粒呈次圓狀、次菱角狀，分選較好，膠結性差，偶見灰綠色中砂巖，成分以石英為主，長石次之，富含暗色礦物，顆粒呈次圓狀，膠結性差。館陶組平均孔隙度30%，熱儲溫度60～75℃，單井涌水量大，一般超過80m3/h，地熱水礦化度小于10g/L，水化學類型為Cl-Na型。

2回灌試驗

2.1回灌條件

地熱回灌試驗研究采用了該區域內一口勘探井的試驗數據，回灌井編號ZK01，回灌井成井深度1750m，采用大口徑填礫工藝，孔徑450mm，井壁管規格為177.8mm×8.05mm，濾水管總長102.6m，利用有效熱儲約103m，降深5.2m時，涌水量為100m3/h，回灌目的層為新近紀館陶組，回灌水源采用自來水。

2.2設備組成

回灌設備有除砂器、粗（精）效過濾器、排氣裝置、儲水袋（儲備自來水、調增回灌量）、井口裝置、潛水泵等（圖1）。除砂器為一級過濾裝置，主要去除回灌水中的粗顆粒物。采用兩臺過濾器關聯安裝，兩級過濾不僅可以去除回灌流體中的懸浮物，還可以將部分微生物濾掉，有效防止井內回灌時物理堵塞和生物堵塞。過濾器進出口兩端安裝有壓力監測儀器，可隨時監測壓力變化，保證過濾效果。排氣裝置為放氣閥，設置的主要目的是釋放回灌尾水中的多余氣體，避免回灌過程中產生氣體堵塞。儲水袋用于補充自來水，正常自來水量僅有15m3/h，利用儲水袋不斷進行儲水，以便增加回灌量。

2.3回灌過程

通過人工控制閥門調整回灌量的大小，共開展3個階段的回灌試驗，結果顯示，隨著回灌量的增加，回灌井的水位升高幅度也逐漸增加。初始水位29.7m，當回灌量11.1m3/h時，水頭高度降至32.25m，當回灌量19m3/h時，水頭高度升至24.56m左右，當回灌量增加至27m3/h時，水頭高度升至20.5m左右（表1）。

3試驗結果分析

3.1回灌量與水頭變化

通過回灌過程數據可以看出，回灌量的變化引起回灌水頭的變化，基本規律是回灌水頭隨著回灌量的增加而升高，二者線性關系近似見公式（1）：

△H=-0.0328q2+1.9675q-20.346（1）

式中：△H—水頭升降（m）；q—回灌量（m3/h）。

如將回灌看作抽水的逆過程，可推算該井的最大自然回灌量約62m3/h。

自然回灌初期，水位波動較大，主要表現為試驗開始后的前17h內，水位出現下降趨勢，隨著回灌量增加又出現上升趨勢，一是回灌之初，要打破回灌層地熱流場原平衡狀態，回灌水需要一定的能量積累，即回灌水進入地下流場有一定的滯后性，從而造成回灌井內水位快速上漲；二是由于回灌水溫度較低，而井內“原水”溫度相對較高，自來水溫度較低，兩者混合后有一個溫度逐漸升高的過程。當回灌量達到一定程度后，回灌井水位能夠保持一定的狀態，此時達到了一個新的平衡。最后隨著回灌量的增加，水位不斷增加，基本保持正相關關系。本次回灌未采用加壓的方式，但根據回灌效果推測，如果采用加壓方式，最終還會達到一個理想狀態，也是回灌目的層的另一個平衡狀態，回灌壓力繼續增大，回灌量基本保持穩定。

3.2水質、水溫變化

對比回灌前后熱儲層水質情況，各離子濃度均有較大的變化。通過表2可以看出，除HCO-3、NO-3濃度增加外，其他離子濃度均減少。Mg2+、HCO-3、F-濃度變化小于50%，其他離子濃度變化率均超過了50%。回灌后、回灌前井口出水溫度未發生變化［16］。

試驗后取樣時間距離試驗結束約20d，水質分析結果與自來水水質更為接近，從側面說明了熱儲層中地熱水的運移并非理想中的那樣通暢，造成這種運移緩慢的原因不排除與回灌水質和溫度有一定的關系。回灌前后的出水溫度是一致的，說明熱儲的賦存條件好，使灌入的低溫水源短期內得到了熱量補給。

4回灌影響因素分析

4.1回灌量

根據山東省內及該次回灌試驗數據結果，一定時間內，回灌井筒的壓力［17-20］隨回灌水量的增加逐漸增大，當回灌水量超過一定數值，回灌水量與水頭之間的關系將產生變化，這種變化是復雜的，與熱儲特征條件、回灌水源有關，甚至關系到回灌井的成井工藝。

4.2水化學

水化學條件的變化是復雜的，它會改變地熱水的密度，單考慮溫度、壓力條件改變時，以Ca2+為例，參照CaCO3溶解度曲線（圖2），CaCO3在一定壓力下，隨溫度升高，溶解度呈降低趨勢，如果過飽和狀態，也就是在壓力釋放條件下，還是會發生結垢反應的，這里可以按照《地熱資源地質勘查規范》（GB11615—2010）中水質評價要求，參照工業上用鍋垢總量來衡量二氧化硅、鈣和鐵等組分因溫度變化是否產生結垢，回灌井水質分析成果顯示，鍋垢總量要遠大于500，回灌水屬鍋垢很多的流體。也就是說，如果采用原水回灌，回灌水在回灌擾動、管道輸送及其他工藝流程能夠發生結垢現象，堵塞管道。回灌量不變的情況下，單一的溫度變化對水化學特征影響較小，但由于溫度、壓力的改變發生結垢現象，造成化學堵塞，會影響回灌效果。

4.3回灌井結構

根據目前的鉆探固井工藝，在地熱開發方面，主要有3種井結構類型：一是變徑鉆探（二開、三開鉆進）、膠皮傘止水、黏土封井；二是大口徑鉆探、濾水層充填礫料、黏土止水封井；三是變徑鉆探、水泥固井，射孔開孔工藝。上述3種地熱井結構均有一定的優缺點，目前試驗性及后續的生產性回灌初級階段，適宜推廣的是大口徑、濾水層充填礫料、黏土止水封井的地熱井結構，該井工藝相對簡單、回灌層有較好的隔離空間，不易堵塞，回灌水不直接沖擊含水層，使用壽命長，可灌采靈活轉換。

4.4回灌方式

按照回灌水的注入方式，可將回灌分為自然回灌和加壓回灌，從經濟角度考慮，多采用自然回灌。回灌水的入井方式可分為從泵管進行回灌和環狀間隙進行回灌。從環狀間隙進行回灌容易帶大量氣體進入含水層，不利于回灌的進行，氣體的進入使得地熱水的回灌量減小，而從泵管進行回灌可以防止氣體進入含水層，回灌效果較好。

4.5地面設施

針對孔隙熱儲地熱回灌的堵塞問題，國內外嘗試很多方法欲加以解決，結合天津砂巖孔隙熱儲地熱回灌經驗，通過地面設施對回灌水進行除砂、粗、精二級過濾可有效防止物理堵塞和生物堵塞，對開采井和回灌井進行排氣、密封保護可有效防止氧化物沉淀的生成，并采用定期回揚等方式，達到理想的效果，采取合理的地面工藝進行回灌可以大大緩解堵塞現象的發生。

5結論

砂巖熱儲回灌與熱儲層自身條件緊密相關，熱儲含水層骨架的擠壓空間涉及顆粒大小、穩定性、應力釋放及礦物質沉積等物理及化學問題，較為復雜。另外，砂巖熱儲回灌還受回灌水源條件、回灌設備、回灌井結構等多方面的影響，在今后的地熱開發過程中，要加強回灌影響因素的研究，找到切實解決的辦法，從而實現地熱資源的可持續開發利用。

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Study on Sandstone Thermal Storage Recharge Experiment in Hekou District in Dongying City

SONG Xinqiang1， GAO Yanhua2， XIE Faju1

（1. Hekou Branch Bureau of Dongying Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Dongying 257200， China; 2. Shandong Geological and Mineral Engineering Group Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract： As a clean energy source， geothermal energy has advantages that other energy sources cannot possess. Geothermal energy can be used for heating residents， bathing in daily life， hot spring therapy， swimming in heated pools， as well as greenhouse gardening and aquaculture. Developing geothermal resources vigorously is of great significance for alleviating energy shortages， reducing environmental pollution， and promoting sustainable economic development. Tail water recharge is the main challenge faced by sandstone thermal storage development and utilization. The large amount of discharged tail water poses a threat of pollution to surrounding surface water and soil， which is not conducive to sustainable utilization of geothermal resources. "In this paper， taking Hekou district in Dongying city as an example， the recharge experiment has been studied and analyzed. It will provide some references for sustainable utilization of geothermal resources.

Key words：Geothermal energy; clean energy; sandstone thermal storage; recharge test;Hekou district in Dongying city

收稿日期：2024-05-08；修訂日期：2024-07-23；編輯："曹麗麗"基金項目："東營市自然資源和規劃局，東營市河口區城區地熱地質調查與回灌試驗"作者簡介："宋新強（1978—），男，山東東營人，高級經濟師，主要從事工程地質勘察工作；E-mail：wangdechao666@163.com