孔隙型地熱資源回灌模式研究
——以天津市濱海新區(qū)為例

王光輝，趙娜，唐永香，李嫄嫄，沈健

（1.天津市國土資源和房屋管理局地質事務中心，天津 300042；2.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

孔隙型地熱資源回灌模式研究
——以天津市濱海新區(qū)為例

王光輝1，趙娜2，唐永香2，李嫄嫄2，沈健2

（1.天津市國土資源和房屋管理局地質事務中心，天津 300042；2.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

孔隙型地熱資源回灌模式的研究對于實際回灌操作具有重要的指導意義。通過對濱海新區(qū)南部孔隙型熱儲層進行不同回灌模式的回灌試驗研究，筆者認為“回揚-回灌”的循環(huán)運行方式可以保證該系統(tǒng)回灌的持續(xù)性，是現(xiàn)階段最適宜孔隙型回灌系統(tǒng)的運行方式。對于灌量較小的地熱井，應根據(jù)實際情況確定最佳回揚時間及回灌率，必要時采用加壓回灌，才能更大地發(fā)揮地熱回灌井的回灌作用，保障區(qū)域地熱資源可持續(xù)發(fā)展。

孔隙型；地熱資源回灌；回揚-回灌；加壓回灌；濱海新區(qū)

天津地熱屬于沉積盆地型地熱資源，回灌開采歷史長、規(guī)模大。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),2013年度回灌量近1087.49×104m3/a,整體回灌率近40%，其中基巖回灌率達57%,回灌效果明顯。相對而言，孔隙型熱儲回灌工作率不足6%[1，2]，究其原因是由于各種因素引起的堵塞致使回灌量衰減過快，回灌率太低。地熱回灌實質上是熱流體的壓縮，儲層巖性、巖土顆粒、地層的孔隙率和滲透性對于回灌起著非常重要的作用[3，4]。但對儲層巖性為粉細砂巖，顆粒粒徑較小，孔隙小的熱儲層，回灌難度較大，表現(xiàn)為：回灌量小，難以做到連續(xù)穩(wěn)定的回灌，長期開采而缺乏有效回灌，導致這些地區(qū)儲層水力平衡破壞，因此在這類地區(qū)回灌持續(xù)性尤為重要。而回灌模式的采用和回灌的操作方法是影響回灌持續(xù)進行的一個重要因素。本文將從不同回灌模式的回灌試驗入手，通過對濱海新區(qū)南部BH-49B地熱井回灌試驗的數(shù)據(jù)分析和后期運行狀況，研究自然回灌、“回揚-回灌”及加壓回灌三種回灌模式對孔隙型地熱回灌井的回灌效果。

1 地熱地質條件及地熱井概況

1.1 地質構造特征

BH-49B地熱井處于板橋凹陷內（圖1）。板橋凹陷位于黃驊坳陷的中部，北以海河斷裂為界，西以滄東斷裂為界。凹陷分布呈NE向，中心部位在官港附近。基巖頂板埋深1500～5200 m。凹陷區(qū)發(fā)育了巨厚的新生界[5-8]。

1.2 地層特征

BH-49B地熱井地層從上到下為：第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組，基本情況見表1。

1.3 熱儲層特征

館陶組在濱海新區(qū)南部發(fā)育普遍，巖性穩(wěn)定，旋回性強，是大港區(qū)一個重要的熱儲層。一般厚度為300～350 m，底板埋深為1820～1930 m。根據(jù)濱海新區(qū)地熱普查工作成果，該組熱儲層一般開采層主要為館Ⅰ和館Ⅲ[4]。BH-49B回灌井的回灌目的層為館Ⅲ。

BH-49B地熱回灌井館陶組熱儲層聲波孔隙度16.19%～29.21%，平均26%左右，滲透率（105.84～664）×10-3μm2，砂巖泥質含量7.06%～22.73%（表2），整體來講，儲層孔隙度、滲透率均相對較低，泥質含量偏高，回灌難度也相對較大。熱流體礦化度1961.8 mg/L，水化學類型為Cl·HCO3-Na型，pH值8.38。

圖1 天津地區(qū)濱海新區(qū)地質構造圖Fig.1 Geo logica l struc tu re o f Tian jin Binhai New Distric t

1.4 井身結構

一開：采用Φ444.5 mm三牙輪鉆頭鉆進至孔深308.8 m，下入Φ339.7 mm套管至308.8 m?；毓嗑斫Y構如圖2所示。

二開：采用Φ241.3 mm三牙輪鉆頭鉆至孔深1892 m完鉆,下入Φ177.8 mm技術套篩管總長1618.64 m（其中篩管總長112.35 m，有效長度88.93 m），在892.77 m對技術套管進行了水泥封固。技術套管排列：Φ177.8 mm套管×1487.39 m+Φ 177.8 mm篩管×112.35 m+Φ177.8 mm沉砂管×18.9 m。

BH-49B在回灌目的層采用下入兩種不同篩管的成井結構，1659.9 m～1840.5 m為4組籠式篩管，底部為2組單絲篩管。

表1 BH-49B回灌井揭露地層簡表[9]Table 1 Litho logica l section o f the we ll BH-49B

表2 BH-49B回灌井回灌熱儲層段測井解釋成果表Table 2 Geophysica l logging resu lt o f the w e ll BH-49B

2 地面回灌過濾系統(tǒng)

在回灌系統(tǒng)中增加了回灌過濾設備（圖3），其具體流程為：經過間接換熱后的地熱尾水進入回灌站房后，先經過加壓泵

進行加壓，再進行過濾，過濾分為粗效過濾和精密過濾兩部分,其中粗效過濾器的過濾精度達到50μm，精過濾器的過濾精度達到3～5μm，過濾后的尾水進入排氣裝置，排除由于壓力變化而從地熱水中析出的氣體，最后從回灌井井口裝置進入回灌井。

3 回灌試驗

3.1 回灌試驗過程

回灌試驗自2008年1月7日開始，至3月21日結束，持續(xù)時間共計75天，進行了四組13次比較完整的試驗，取得了大量珍貴有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)（表3）。

第一組：自然間歇回灌試驗

本組共進行了三次回灌試驗，均為自然回灌。當水位接近井口時，判定此次試驗結束。當回灌井以自然間歇方式恢復水位24小時后開始進行下一次試驗，以判斷自然間歇情況下該井的回灌能力。

第二組：定流量“回揚－回灌”試驗

本組共進行了4次回灌試驗，全部為自然回灌，回灌量控制在20 m3/h左右，每次試驗開始前先進行一段時間的回揚，以判斷不同回揚量對回灌能力的

影響。

表3 回灌試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表[10]Table 3 Data o f the rein jection test

第三組：大流量“回揚－回灌”試驗

本組共進行了4次回灌試驗，全部為自然回灌，每次試驗開始前仍先進行一段時間的回揚，而回灌量則以30 m3/h為目標逐漸增加，以判斷“回揚－回灌”模式下的最大回灌能力。

第四組：加壓回灌試驗

本組共進行了兩次加壓回灌試驗，壓力均為0.2 MPa，每次試驗開始前仍先進行一段時間的回揚，然后進行自然回灌，當水位漲至井口后開始加壓回灌，加壓回灌開始時將流量直接調至40 m3/h，以判斷壓力對回灌效果的影響。

3.2 吸水指數(shù)

為了解回灌后地層吸水能力的變化情況，我們在此引入“吸水指數(shù)”這個參數(shù)，吸水指數(shù)即單位時間的灌水量與井底壓差的比值。它是衡量回灌井吸水能力的重要指標。

式中：

Q—回灌量（m3/h）；P2—灌水后的井底壓力（MPa）；P1—灌水前的井底壓力（MPa）；

3.3 自然回灌模式分析

自然間歇模式回灌，平均灌量為16 m3/h，回灌持續(xù)時間均在24小時。若以吸水指數(shù)來比較的話，如圖4，曲線1-1、1-2、1-3的走勢說明了在自然間歇模式下，儲層吸水能力逐漸減小，水位短時間內接近井口，回灌持續(xù)時間較短。

3.4 “回揚－回灌”模式分析

3.4.1 回揚對回灌效果的影響

圖4 吸水指數(shù)歷時變化曲線圖Fig.4 Index o f the absorb water for the BH-49B

在經過第一次回揚4小時后，BH-49B井的回灌能力得基本恢復到了回灌初期的水平（圖4曲線2-1）。而經過第二次回揚8小時后，BH-49B井的回灌能力得到了顯著的提升，在灌量基本穩(wěn)定的情況下，回灌延續(xù)時間也大大增強（圖4曲線2-2）。第三次回揚4小時后，BH-49B井的回灌能力與前一次相比有了一定程度的下降，雖然受當時回灌量不穩(wěn)定的影響導致曲線2-3在一段時間內發(fā)生波動，但總體而言，其回灌效果仍然好于前4次回灌試驗。

通過回灌試驗的對比，可以看出BH-49B回灌井在自然間歇模式下回灌能力有限，要使回灌持續(xù)進行，必須定期進行回揚?；負P的方法可以比較明顯的恢復甚至提高回灌井的回灌能力，但隨著回灌量的不斷累計，在回揚量不變的情況下，回揚的效果會逐漸減弱。

3.4.2 回揚率的確定

一次“回揚－回灌”實際上就是回灌能力的一次“恢復-消耗”的過程，在回揚-回灌模式下，引入“回揚率”這一參數(shù)，即一次回揚量與回揚后能夠灌入的水量的比值，來評估不同“回揚-回灌”模式的效果。回揚率越低，說明回灌能力消耗的越緩慢，回灌效果越佳。表3為第二組和第三組不同模式下的回揚率對比表。從中我們可以得到如下結論：

（1）當回揚率在20%～30%左右時，平均回灌量在20 m3/h左右，回灌持續(xù)時間最長，累計灌量最大。前提條件當回揚率超過這個范圍時，應及時重新回揚，以避免地層的可灌能力過度消耗，影響回灌的持續(xù)。

（2）在第三組大流量“回揚-回灌”模式下，回揚率大于50%，回灌的整體效益不好?？梢耘卸?，BH-49B回灌量無法滿足30 m3/h的要求。

（3）在回灌的具體操作中我們發(fā)現(xiàn)，在開始時應以小流量回灌，在兩小時之后再以額定流量回灌，這樣可有效延長回灌的持續(xù)時間，降低回揚率。

3.5 加壓回灌模式分析

在自然回灌試驗的基礎上，進行了兩次加壓回灌試驗，即利用加壓泵增加回灌壓力進行回灌。加壓壓力均為0.2 MPa。在壓力額定的條件下，兩次試驗都出現(xiàn)了回灌逐漸衰減的狀況（圖5），第一次在50 h內從40 m3/h左右衰減到34 m3/h左右，第二次在49 h內從40 m3/h衰減到30 m3/h左右。從曲線中也可以看出，回灌量衰減的趨勢逐漸趨于平緩，預計當衰減到30 m3/h左右時趨于穩(wěn)定。通過兩次加壓

試驗可以得出，在0.2 MPa壓力下，遵循“回揚－加壓回灌”模式，BH-49B的回灌能力在30 m3/h左右。

3.6 實際生產回灌運行

為了驗證回灌試驗分析結果，回灌試驗結束后，對該井又進行了一次生產性試驗，回灌方式與之前的回灌試驗相同，首先進行自然回灌，當動水位漲至井口后，封閉井口進行帶壓回灌。結果證明采用自然回灌與加壓回灌相結合的方式，以兩天為周期，遵循“回灌44 h－回揚4 h”的定時循環(huán)運行方式，其平均灌量可提升至25 m3/h左右。

圖5 加壓回灌歷時曲線圖Fig.5 Pressurized in jection test

4 試驗結果

自然回灌，回灌量小，回灌持續(xù)時間極短，而采用“回揚－回灌“模式時，系統(tǒng)具備20m3/h的回灌能力；采用自然回灌與封閉井口帶壓回灌方法相結合時，該系統(tǒng)具備25m3/h的回灌能力；采用加壓回灌方法，在管道壓力額定為0.2MPa時，系統(tǒng)具備30m3/h的回灌能力?？紤]到回灌運行成本，采用自然回灌與有壓回灌相結合的方法最為經濟可行。在實際運行時應遵循自然回灌與封閉井口帶壓回灌相結合，以25m3/h定流量回灌，應以2天為周期，遵循“回灌44h－回揚4h”的定時循環(huán)運行方式，可以保證回灌的持續(xù)性。

5 結論與建議

孔隙性熱儲回灌量小且衰減嚴重，影響地熱回灌工作的全面開展，這也是世界性難點問題，尤其對于粉細砂巖巖熱儲層，回灌量小，回灌持續(xù)性差是其回灌主要特征。此類熱儲層所處地區(qū)長期的地熱開采而缺乏有效回灌，導致熱儲壓力持續(xù)下降，開采成本逐漸增加，直接影響地熱資源的可持續(xù)開發(fā)，因此這類地區(qū)回灌的持續(xù)性是保障回灌進行的關鍵?；負P對于回灌的可灌性具有促進作用，可增大回灌量，延長回灌持續(xù)時間，回揚的時間與回揚率需根據(jù)回灌試驗確定。加壓回灌在一定程度上能夠增大回灌量，但考慮回灌運行成本，采用“回揚－回灌”與“加壓回灌”相結合的方式，操作性、經濟性較強，是現(xiàn)階段最適宜的回灌運行方式。而在供暖嚴寒期開采高峰期，地熱流體開采量較大時，也可直接采取封閉井口加壓回灌模式與回揚模式相結合的方式，更好的應對地熱開采高峰期，減少資源浪費。

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Research on GeothermalReinjection M odeof Neogene in the BinhaiNew Area，Tianjin

WANG Guang-hui1,ZHAO Na2,TANGYong-xiang2,LIYuan-yuan2,SHEN Jian2,

(1.Tianjin Bureau of Land,Resourcesand Real Estate Management,Center ofGeology,Tianjin,300042,China; 2.Tianjin Geothermal Exploration DevelopmentDesigning Institute,Tianjin,300250,China)

Research on the reinjectionmode of Neogenegeothermal resources isan importantguidance for the actual injection operation.This article mainly discribe reijection experiments w ith different rechargemode in the southern part of the BinhaiNew Area.The result shows that the cycle of"pump lifting-recharge"mode can ensure continuous reinjection for pooreffectof geothermal reinjetion.The rate and time of pump lifting should determ ine by the actual situation，and themethod of pressurized injection should be adopted if necessary.The reinjection well of Neogene can play greatest injection capacity by thismethod,and this aslo can guarantee the sustainable developmentof regionalgeothermal resources.

Neogene;geothermal resouces;reinjection;pump lifting-injection;pressurized injection；Binhai New Area

P314.1;P641.25

A

1672－4135（2014）02－0155-06

2014-04-18

天津市礦產資源節(jié)約與綜合利用項目（國土房地熱任字[2008]008號）

王光輝（1981-），男，學士，工程師，2004年畢業(yè)于石家莊經濟學院，現(xiàn)從事水工環(huán)和地熱地質工作，E-mail：tjdrzn@126.com。