超深層孔隙型熱儲地熱尾水回灌堵塞機理

馬致遠，侯 晨，席臨平，贠培琪，閆 華，孫彩霞

（1.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院，陜西 西安 710077；3.陜西省咸陽市國土資源局，陜西 咸陽 712000；4.陜西綠源地熱能源開發(fā)有限公司，陜西 咸陽 712000）

超深層地下熱水作為開發(fā)地熱能的載體被越來越多的國家廣泛利用，并視其為一種寶貴的可替代的清潔能源及戰(zhàn)略儲備能源［1］。然而，超深層地下熱水基本屬不可再生資源，大量開采引發(fā)的區(qū)域性環(huán)境地質(zhì)問題尤為突出，嚴重制約著社會經(jīng)濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。鑒于此，除節(jié)制性開采之外，更為積極、主動的方式則是實施地下熱水資源的回灌［2］。國內(nèi)外眾多地熱田調(diào)查考證結果顯示:有80%的孔隙型熱儲回灌井出現(xiàn)了堵塞，部分回灌井被迫停滯［3］?；毓嚯y及回灌過程的堵塞問題目前仍是制約超深層孔隙型地下熱水可持續(xù)開發(fā)利用的世界性難題。為此，系統(tǒng)開展超深層孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理研究屬當務之急，具有重要的理論及實際意義。

迄今為止，Gallup等認為硅酸鹽垢在世界多數(shù)地熱田中普遍存在，在中等pH和中等總溶解性固體的地熱田中尤為明顯［4］；Mackay等在巴西北海地熱田發(fā)現(xiàn)硫酸鹽垢物導致地熱水回灌堵塞嚴重［5］；Thomson等探討了熱儲中氧化-還原以及酸堿反應等化學過程對碳酸鹽沉淀的影響［6］。此外國內(nèi)眾多學者在地下熱水回灌堵塞機理研究方面也做了積極、有益的探索。本文在超深層熱儲水-巖-氣-微生物-沉淀物作用過程及相互關系模擬研究的基礎上，嘗試性展開對超深層孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理的室內(nèi)模擬及水文地球化學模擬耦合研究，以此深化及豐富對超深層孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機制的認識，為可持續(xù)開發(fā)利用超深層孔隙型地下熱水資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

咸陽地熱田屬關中盆地地熱資源最為豐富的地區(qū)之一，其分布廣、儲量富、水溫高、水質(zhì)優(yōu)且后備資源豐沛，具有廣闊的開發(fā)利用前景。咸陽市區(qū)地處渭河中、下游關中盆地的腹心地帶。研究區(qū)以渭河北岸斷裂為界大致劃分為南、北部，分屬于西安凹陷和咸禮凸起構造區(qū)塊，具渭河河漫灘，一、二、三級階地和五陵塬黃土臺塬區(qū)等地貌單元特征(圖1～2)。研究區(qū)內(nèi)地下熱水資源開發(fā)已初具規(guī)模，現(xiàn)有30眼開采井及1眼回灌井，集中開采藍田灞河組和高陵群組熱儲，目前主要用于采暖、房地產(chǎn)、洗浴和醫(yī)療等領域［7］。

2 堵塞機理研究

實驗巖心及回灌尾水、原地層水均取自研究區(qū)回灌1號井藍田灞河組熱儲層2319.47～2320.27m處。

2.1 物理堵塞

圖1 咸陽城區(qū)取樣點分布Fig.1 Sampling points distribution in the Xianyang urban area

圖2 西安凹陷、咸禮凸起示意剖面圖Fig.2 Cross-section showing the Xi’an depression and Xianli uplift

研究區(qū)主要回灌目的層為新近系藍田灞河組，其特征為:地壓大、膠結疏松、粘土含量高、滲透率低、水循環(huán)差，極易發(fā)生懸浮物、顆粒運移、粘土膨脹等物理堵塞。

2.1.1 懸浮物

懸浮物堵塞是回灌井中最為常見的堵塞類型［8］。模擬實驗中，以熱儲原水水樣測初始滲透率K0，以地熱尾水驅替用原水飽和的巖心且測得滲透率Kd，進而求出巖心堵塞率(K0－Kd)/Ko。

結果表明:當模擬溫度分別為50、70、90℃時，經(jīng)脫氣、殺菌步驟，在排除化學堵塞影響僅有懸浮物堵塞的情況下，其巖心堵塞率隨溫度升高呈上升趨勢，分別為1.4%、8.4%、18.5%(圖3)，且同一溫度下，隨驅替持續(xù)進行巖心堵塞率先緩慢升高再趨于平穩(wěn)(圖4)?？梢姡瑴囟群万屘鏁r間共同影響著懸浮物堵塞，且溫度是主導因素。

圖3 含懸浮物尾水驅替熱儲堵塞實驗結果Fig.3 Displacement experiment results for used geothermal water with suspended matter

圖4 不同溫度下懸浮物堵塞實驗結果Fig.4 Results of suspended matter clogging test under different temperatures

回灌實踐表明:懸浮物進入儲層的深度和數(shù)量取決于固相顆粒直徑和儲層喉道直徑的匹配程度，即“1/3～1/7”定律［9］。實驗巖心喉道直徑與懸浮物粒徑的匹配程度差，61.5%的懸浮物顆粒分布于1/3～1/7喉道直徑中最易堵塞區(qū)域；38.5%的懸浮物顆粒分布于＞1/3喉道直徑區(qū)域，在熱儲周圍形成濾餅，阻止懸浮物顆粒的繼續(xù)侵入；粒徑小于1/7喉道直徑的懸浮物顆粒會隨水流進入更深的地層，一般不會對儲層滲透性能有太大的影響。由此可見，粒徑分布在“1/3～1/7”喉道直徑范圍內(nèi)的懸浮物顆粒將構成懸浮物堵塞的主體。

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尾水懸浮物主要依賴于賦存環(huán)境，包括自身攜帶熱儲顆粒、管道腐蝕產(chǎn)物、化學沉淀產(chǎn)物以及微生物代謝產(chǎn)物等［10］。若不考慮外界賦存環(huán)境影響，尾水懸浮物與熱儲圍巖的礦物成分應基本一致。表1顯示兩者礦物含量差別較大，其主要原因為:回灌過程中，溫度、壓力等賦存環(huán)境發(fā)生變化，鎂鐵礦、方解石沉淀構成除回灌尾水自身攜帶熱儲顆粒外懸浮物堵塞的新生物源。可見，懸浮物堵塞的物源具有多樣性。

2.1.2 顆粒運移

孔隙熱儲中膠結性能差的微粒易脫落運移，在喉道處堆積造成堵塞，被稱之為顆粒運移。根據(jù)達西定律，在實驗設定的條件下改變流速，測定巖心滲透率并計算其變化值，以評價巖心堵塞程度。

結果表明(圖5a):巖心速敏損害指數(shù)［11］為0.62，為中等偏強速敏損害，臨界流量為0.75 mL/min，當回灌流量大于0.75mL/min時巖心堵塞率曲線開始急劇上升，流量繼續(xù)增加至1.5 mL/min后堵塞率緩慢增加。

表1 X衍射全巖定量分析結果Table 1 X-ray test results for minerals

2.1.3 粘土膨脹

回灌尾水進入熱儲使其環(huán)境有所改變，從而導致儲層中的粘土礦物發(fā)生膨脹、分散、脫落和運移，使儲層滲透率降低造成堵塞，被稱之為粘土膨脹。根據(jù)達西定律，在實驗設定條件下改變鹽度，測定巖心滲透率并計算其變化值，以評價巖心堵塞程度。

結果顯示(圖5b):用原水驅替巖心，由粘土膨脹引起的水敏損害指數(shù)為－0.45，根據(jù)水敏性評價指標［11］可知，該巖心段為無水敏現(xiàn)象，回灌中不會因粘土膨脹造成堵塞。

圖5 巖心速敏、水敏實驗結果Fig.5 Experiment results of velocity-sensitivity and water-sensitivity

2.2 化學堵塞

化學堵塞機理復雜，時空跨度大、反應過程慢，單一的室內(nèi)模擬或理論模擬均有其不足，故應用室內(nèi)模擬-水文地球化學模擬耦合方法展開研究。

地熱尾水回灌過程是熱流體溫度、壓力持續(xù)上升，尾水-原水-熱儲相互作用的復雜過程。利用PHREEQC軟件對回灌1號井原水和尾水混合過程的模擬結果顯示:當原水和尾水以6∶4混合時，沉淀量達最大值(圖6)。其中方解石所占比例最大，SiO2和白云石次之(圖7)。

圖6 模擬不同比例水混合時的總沉淀量Fig.6 Total quantity of precipitates of simulation by mixing water with different proportions

圖7 模擬不同比例水混合時沉淀礦物及含量Fig.7 Kinds and contents of simulated precipitated minerals by mixing water with different proportions

室內(nèi)靜態(tài)配伍實驗顯示:該井原水、尾水分別按10∶0、9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9、0∶10 比例混合并在50℃、70℃和90℃恒溫水浴8h后，其離子濃度和濁度變化明顯(圖8、9)。計算結果表明:回灌1號井原水和尾水不配伍(配伍性標準［12］:100mg/L)，有輕微結垢產(chǎn)生且主要結垢礦物為方解石。隨溫度升高，總沉淀量增大，渾濁度亦增大。靜態(tài)配伍實驗與軟件模擬結果基本一致，可見，冷鋒面的形成應該在尾水與原水混合初期-中期，此時沉淀量最大。

圖8 不同混配水中沉淀物總量Fig.8 Total quantity of precipitates in different ratios of mixed water

2.2.2 動態(tài)模擬實驗

動態(tài)模擬實驗能更加真實反映回灌過程中原水-尾水-巖心之間的復雜作用過程，將熱儲尾水注入中間容器，在模擬熱儲的溫度及壓力(Ti、Pi)下，流經(jīng)原水飽和的巖心夾持器，并測定和計算飽和原始巖心的初始滲透率K0。經(jīng)驅替時間t后，計算出瞬時巖心滲透率K、堵塞率(K0－K)/K0，同時觀察驅替前后水質(zhì)變化。

圖9 原、尾水混配濁度變化圖Fig.9 Turbidity variation trend in different ratios of mixed water

結果顯示:隨著溫度升高，巖心滲透率減小，堵塞率增加。當過濾后尾水分別以50℃、70℃、90℃驅替巖心時，其堵塞率分別為13.8%、30.0%、34.0%(圖10，表 2)。

2.2.3 耦合結果分析

室內(nèi)模擬與理論模擬耦合是依據(jù)室內(nèi)回灌模擬實驗中50℃、70℃、90℃不同溫度下尾水驅替前后的水質(zhì)監(jiān)測結果(表3)，利用PHREEQC軟件模擬尾水驅替過程中礦物的溶解沉淀過程來實現(xiàn)的(表4，圖11～12)。

圖10 50℃、70℃、90℃時化學堵塞模擬實驗結果Fig.10 Results of chemical clogging simulation under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

表2 溫度對化學堵塞影響實驗結果Table 2 Degree of temperature effect in chemical clogging

表3中離子濃度的增加代表礦物溶解過程，反之，代表礦物沉淀過程；表4中正值表示該礦物相發(fā)生溶解作用，反之，可能發(fā)生沉淀作用。

由理論模擬結果(表4和圖11、12)可知:尾水在50℃時驅替巖心前后，發(fā)生沉淀的礦物有石膏、天青石和磁鐵礦，發(fā)生溶解作用的礦物包括方解石、石英、螢石、巖鹽、白云石；在70℃時，沉淀礦物有方解石、石英、螢石、鹽巖、重晶石、針鐵礦、白云石，溶解礦物包括天青石和石膏；在90℃時，沉淀礦物有方解石、石英、螢石、鹽巖、重晶石、針鐵礦、白云石，溶解礦物包括天青石和石膏。圖11反映了不同溫度下礦物總沉淀量的變化趨勢:隨溫度升高，礦物總沉淀量增大，化學堵塞程度加重。圖12表明，方解石為最主要的化學堵塞沉淀物。

表3 室內(nèi)模擬50℃、70℃、90℃時驅替前后水樣分析結果Table 3 Lab simulation results of water samples quality for before and after displacement experiment under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

綜上分析，表明理論模擬與室內(nèi)實驗結果基本一致。

表4 理論模擬50℃、70℃、90℃時驅替前后水樣礦物飽和狀態(tài)的變化及礦物溶解沉淀量Table 4 Theoretical simulation results of minerals saturation state variation and dissolution-precipitation contents of water samples for before and after displacement experiment under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

圖11 不同溫度下總礦物沉淀量變化趨勢Fig.11 Variation trend of total quantity of precipitates under different temperatures

圖12 不同驅替溫度下各種礦物沉淀量Fig.12 Different kinds of mineral precipitation contents under different displacement temperatures

2.3 氣體堵塞

氣體堵塞實驗結果(圖13)顯示:隨著回灌持續(xù)進行，溫度升高、壓力增大，氣體堵塞率呈下降趨勢。溫度與壓力是影響氣體堵塞的主要因素。

2.4 微生物堵塞

微生物檢測結果顯示:腐生菌大量存在，可能是造成回灌1號井微生物堵塞最主要的細菌類型；鐵細菌總量少，而硫酸鹽還原菌未檢出。值得注意的是，在研究區(qū)南部熱水井中發(fā)現(xiàn)有一種白色粘稠狀異常逸出物，其常粘附在井口周圍造成堵塞。分析測試結果顯示:含有文石(X衍射占45%)和大量有機質(zhì)(全碳5.322%、有機碳4.745%)，兩者皆為生物化學作用的結果。

圖13 溫度對氣體堵塞率的影響Fig.13 Influence of temperature on gas clogging ratio

3 回灌堵塞主控因素分析

在實驗溫度90℃，各單一回灌堵塞因素的貢獻率依次為:顆粒運移57.5%、化學堵塞38.2%、懸浮物堵塞22.7%、氣體堵塞 9.8%、粘土膨脹 －6.5%(圖14)。由此可見，對回灌1號井而言:物理堵塞(包括顆粒運移、懸浮物，粘土膨脹在本區(qū)不影響)占主控地位，化學堵塞次之，而氣體堵塞影響較小。另外，微生物大量存在，可能造成微生物堵塞。

圖14 90℃各堵塞類型堵塞程度Fig.14 Comparision of different kinds of cloggings under 90℃

4 熱儲內(nèi)部阻抗因素探討

國內(nèi)外深層孔隙型中低溫地下熱水回灌實踐表明:熱儲層在自然回灌狀態(tài)下穩(wěn)定回灌量為正常采水量的1/3～1/5［13］。究其原因，除上述影響回灌率衰減的外部因素(回灌堵塞問題)外，包括儲層物性特征、骨架收縮以及含水層的封閉程度等熱儲內(nèi)部阻抗也是制約回灌的重要因素。不同的熱儲存在不同的只與儲層相關的衰減曲線，并非所有的砂巖孔隙熱儲都適宜回灌。理論上，儲層物性愈適宜，回灌成功率愈大。

5 結論

(1)造成研究區(qū)地熱尾水回灌堵塞的外部影響因素依次為:顆粒運移、化學堵塞、懸浮物堵塞、氣體堵塞、微生物堵塞、粘土膨脹。其內(nèi)部因素有:熱儲物性、骨架收縮以及深部含水層的封閉性。

(2)地熱尾水回灌物理堵塞主要形式有:顆粒運移、懸浮物堵塞、粘土膨脹。顆粒運移堵塞為研究區(qū)最主要的物理堵塞類型。

(3)地熱尾水回灌化學堵塞主要沉淀物為碳酸鹽垢，且當原水、尾水以6:4比例混合時，化學沉淀量最大。溫度是化學堵塞的主控因素。

(4)90℃下，單因素對總堵塞率的貢獻依次為:顆粒運移57.5%、化學堵塞38.2%、懸浮物堵塞22.7%、氣體堵塞9.8%、粘土膨脹－6.5%。

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