基于林甸地熱田砂巖孔隙熱儲回灌的初步分析

仝紅偉，陳正國，孔登鋒

(1.黑龍江省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，哈爾濱 150030;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

基于林甸地熱田砂巖孔隙熱儲回灌的初步分析

仝紅偉1，陳正國1，孔登鋒2

(1.黑龍江省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，哈爾濱 150030;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

為控制、預防地熱開發(fā)帶來的環(huán)境地質(zhì)問題，保證資源可持續(xù)利用，進行地熱回灌是一種直接有效的措施。文章從回灌井結(jié)構(gòu)、熱儲特征、回灌壓力、回灌工藝等方面重點研究，分析研究林甸熱田砂巖孔隙熱儲回灌的回灌模式及地熱回灌對水質(zhì)、水量、水溫的影響，初步分析地熱回灌量與回灌壓力之間的相關(guān)關(guān)系，提出回灌過程中的諸多建議。

林甸熱田;砂巖熱儲;加壓回灌;回灌工藝;回灌量;影響分析

地熱作為一種清潔型新能源，對發(fā)展經(jīng)濟，改善能源結(jié)構(gòu)，保護環(huán)境及實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略意義重大，是經(jīng)濟－能源－環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中一個重要的組成部分。

林甸地熱資源自20世紀70年代發(fā)現(xiàn)以來，至今已使用30余年，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。但該地熱資源一直停留在簡單的低水平開發(fā)利用狀態(tài)，沒有注意對環(huán)境的保護，尾水隨意排放，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成一定程度上的破壞。為使地熱資源在我省得到有效、有序利用，確保經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，減輕環(huán)境污染，防止地熱資源的過度開發(fā)引發(fā)地面沉降及對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，進行地熱回灌是一種行之有效的技術(shù)措施。本區(qū)熱儲原始水頭高，孔隙度低，因此宜采用加壓回灌方式。

1 概況

1.1回灌層位

林甸熱田屬于沉積盆地型地熱田，孔隙型熱儲，地熱系統(tǒng)屬對流型與傳導型復合成因的類型。其熱儲層主要為中生代沉積巖孔隙熱儲層，以各類砂巖為主。熱儲類型屬Ⅱ類1型(Ⅱ－1)，熱儲呈層狀分布。

本次回灌采用對井同層回灌方式，主要回灌目的層位為白堊系上統(tǒng)青山口組、泉頭組孔隙熱儲。回灌試段埋深1 235.20～1 953.60 m，熱儲層累計厚度182.4～192.9 m，地溫46℃ ～85℃，巖性多為中細砂巖、粉砂巖。熱儲砂巖層與隔水泥質(zhì)巖層呈互層狀，分布較均勻見圖1。

能否成功持續(xù)回灌與熱儲層孔隙度、滲透率有著直接關(guān)系。根據(jù)國外回灌經(jīng)驗，較好接受回灌的砂巖含水層孔隙度應＞20%，滲透率＞0.5 μm2。本區(qū)回灌熱儲層以河流相為主，由中細砂巖、粉砂巖組成。熱儲層孔隙度一般為23.16%，滲透率一般為280.5×10－3μm2，非均質(zhì)分布，回灌條件較差。

1.2 回灌工藝

回灌水源經(jīng)過除砂器、排氣閥通過Φ159 mm主管線到達回灌井泵房，連接管道加壓泵導入井內(nèi)，井口使用彎頭，井口處有蓋板，覆蓋住井口并與彎頭、井口焊接密封，回灌水源注入回灌井中見圖2回灌工藝流程圖。加壓泵前安裝流量表及示蹤劑的吸入口，在加壓泵至井口的水平管段上安裝熱電阻溫度表(XMZ數(shù)顯儀)、壓力表、排水閥門。Φ159 mm管上設有Φ1吋取水口(帶水截門)。全系統(tǒng)保持嚴格密封，防止氣體的混入及水體的污染變質(zhì)。

試驗按照如下順序進行:單井抽水試驗→回灌裝置的設計安裝→對井抽灌試驗→正式回灌(同時研究不同壓力及不同水質(zhì)對回灌量的影響，并選擇穩(wěn)定狀態(tài)進行示蹤試驗)→回揚→水質(zhì)分析→數(shù)據(jù)處理、成果匯編。

圖2 回灌工藝流程圖

1.3 回灌模式

本次地熱回灌工程回灌模式采用同層對井回灌，回灌過程中采用梯級回灌，分別采取不同水量或壓力進行，研究壓力和回灌量關(guān)系。

1.4 回灌設備及安裝

本次回灌設備包括:熱水泵，井口裝置、測溫儀、精密壓力表、流量計、地熱水除砂器、排氣灌、加壓泵、逆止閥等，管道采用法蘭連接，井口焊接密封。利用變頻器控制加壓泵工作頻率，從而調(diào)節(jié)工作壓力及回灌量。設備采用機械安裝方法。

2 回灌動態(tài)特征

2.1 壓力—回灌量動態(tài)特征

回灌累計運行時間802 h，累計回灌量1 7965 m3。共完成3個量程回灌，平均回灌量分別為4.5 m3/h，25.5 m3/h，35～30 m3/h，壓力分別為0.34 MPa，1.22 MPa，1.5 ～2.5 MPa。各量程回灌情況如下:

利用管道壓力真空回灌，回灌壓力為0.34 MPa，一般回灌量為4.5 m3/h，運行時間91 h，穩(wěn)定時間86 h(圖3);開啟加壓泵，設定工作頻率28 Hz，回灌壓力由開始1.34 MPa減小為1.22 MPa，流量由24 m3/h增加為27 m3/h(圖4)，運行時間314 h;然后加壓泵設定工作頻率36 Hz，壓力呈階梯狀增長狀態(tài)，增長速度緩慢。壓力由開始1.5 MPa增大為2.5 MPa，流量由35 m3/h衰減為25 m3/h(圖5)，運行時間360 h。

圖3 回灌量—壓力歷時曲線1

圖4 回灌量—壓力歷時曲線2

圖5 回灌量—壓力歷時曲線3

2.2 回灌量及回灌壓力相關(guān)分析

通過運行曲線可以看出，在回灌初期，在回灌量＜27 m3/h條件下，壓力及回灌量相對穩(wěn)定。加壓泵在額定頻率狀態(tài)下，隨著回灌壓力(P)的增加，回灌量(Q′)也增大。根據(jù)相關(guān)分析判斷回灌量及回灌壓力呈對數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=13.91Ln(x)+20.591，相關(guān)系數(shù)R2=0.9675(圖6)。回灌量隨著回灌的進行有所增加，反應了含水層附近的細小顆粒隨著回灌的進行不斷被帶到遠處，形成回灌通道。后期回灌量的衰減反映了回灌層出現(xiàn)了一定程度的堵塞。

圖6 回灌量—壓力相關(guān)曲線

2.3 水質(zhì)動態(tài)特征

在回灌中期，回灌井水質(zhì)完全受到水源井水質(zhì)混合影響，陰、陽離子及微量元素含量隨回灌水源的高低而對應升高或降低，水化學類型亦出現(xiàn)改變，HCO3·Cl–Na變?yōu)镠CO3–Na型，這說明回灌水源回灌至含水層中并不能很快擴散和運移。

2.4 水溫變化

該次試驗回灌水源溫度為32℃ ～47℃，試驗結(jié)束后，在相同降深抽水情況下，回灌井與開采井水溫都無變化，說明回灌對熱儲水溫無明顯影響。由于地熱流體儲量大，回灌水占很小比例。因此，即使回灌水源溫度遠低于回灌熱儲層流體(地熱水)溫度，也不可能使熱儲層流體(地熱水)溫度有較大降低，對地熱井井口出水溫度也不會有較大影響。

3 地熱連通性分析

熱儲層中地熱水的運動狀態(tài)受熱儲孔隙結(jié)構(gòu)的控制?？紫缎蜔醿拥叵聼崴牧鲃右话銥榫鶆?qū)恿?，在注水井的水注入層流中，冷水以活塞式向外圍推移。而在裂隙熱儲層中為裂隙分散流。注水井的冷水沿裂隙向外散流，裂隙的冷水再向巖塊中的孔隙和微裂隙滲流。

示蹤劑在多孔介質(zhì)中的運動機理，同注入流體是一樣受對流作用和水動力學彌散作用的控制。對流作用是受達固定律支配的流體整體運動，這種流動是由作用于該系統(tǒng)上的壓力梯度產(chǎn)生的。在壓力回灌條件下，混合作用主要受機械彌散的控制。

在試驗中期選擇穩(wěn)定階段在回灌井中連續(xù)投放示蹤劑，同時在水源井及觀測井中觀測示蹤劑離子濃度。采樣周期:12～24 h。經(jīng)過了兩個月的觀測，兩觀測井均未出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值。說明在回灌井和抽水井之間沒有形成熱突破。

該區(qū)熱儲厚度較大，井距遠，示蹤劑是擴散到回灌井井底一個較大的儲層空間，同時薄層泥巖隔水層和微小斷裂的阻水作用也將阻礙回灌流體運移到開采區(qū)域，也是示蹤離子沒有在開采井中大量增加的原因之一。

4 回灌量影響因素分析

1)根據(jù)本次試驗結(jié)果，受含水層滲透性等因素影響，隨著回灌的延續(xù)，回灌層回灌能力逐漸降低，瞬時回灌量逐漸變小。階段回灌結(jié)束后地層壓力恢復緩慢，說明含水層的回灌能力受熱儲層滲透性、影響半徑的影響。

2)回灌量減小的另一個重要原因是孔隙堵塞?？紫缎蜔醿Φ亩氯Ｒ姷氖丘ね恋V物遷移所造成的，此外還有水中懸浮物及氣泡的影響。同水質(zhì)，全封閉回灌情況下化學沉淀作用及微生物作用影響微弱?；毓嗑亩氯F(xiàn)象一般在初期以物理堵塞(氣相、懸浮物)堵塞為主;在中期以化學沉淀堵塞(鐵質(zhì)、鈣質(zhì)鹽類沉淀)堵塞為主;在后期則以生化堵塞(鐵細菌、硫酸鹽、還原菌、排硫桿菌、脫氮硫桿菌等生化作用而產(chǎn)生)堵塞為主。

5 小結(jié)

1)同層對井加壓回灌模式是林甸熱田近階段比較合宜的回灌模式，在合理井距的前提下，不會形成熱突破。

2)回灌對溫度場影響微弱，回灌水源的溫度在30℃ ～50℃對回灌能力沒有明顯影響。

3)在本區(qū)實現(xiàn)100%回灌率是十分困難的，同時在短期內(nèi)無法實現(xiàn)自然回灌，必須靠增加壓力來實現(xiàn)這一過程。在回灌過程中既要保持回灌水質(zhì)無污染、無雜質(zhì)，還要保證管道的密封性和清潔性。

［1］ 王立志，王俊偉.低溫地熱技術(shù)在工程中的應用探討［J］.黑龍江水利科技，2008，36(4).

Primary Analysis of Sandstone Pore Geothermal Reserve Reinjection Based on Lindian Geothermal Field

GONG Hong-wei1，CHEN Zheng-guo1，KONG Deng-feng2

(1.No.2 Hydrogeology Engineering Investigation Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150030，China;2.Heilongjiang Province water Conservancy and Hydropower Investigation，Design＆ Research Institute，Harbin 150080，China)

The geothermal reinjection is an effective and direct measurement to guarantee sustainable use for resources in order to control and prevent the environmental geological problems due to the geothermal development.The structure of reinjection well，characteristics of geothermal reserve，pressure of reinjection，technology of reinjection are researched in priority in this study，by analyzing and researching the effect on water quality，water amount and water temperature brought by recharge model and geothermal recharge of Lindian geothermal field sandstone voids，the correlate relationship between the amount of geothermal recharge and recharge pressure are analyzed primarily，and a lot of suggestions are put forward during the process of recharge.

Lindian geothermal field;geothermal reserve of sandstone;reinjection under pressure;systemic technology;reinjection technology;reinjection amount;effect and analysis

TK52

A

1007－7596(2011)05－0010－02

2010－12－31

仝紅偉(1978－)，男，山東金鄉(xiāng)人，工程師;陳正國(1978－)，男，四川綿陽人，工程師;孔登鋒(1977－)，男，寧夏銀川人，工程師。