PHREEQC模擬寶坻區(qū)地表水回灌霧迷山組地?zé)峋轿?/h1>

2015-10-13 10:11:16夏雨波劉東林田光輝宗振海

華北地質(zhì)訂閱 2015年4期 收藏

關(guān)鍵詞：水質(zhì)

王　冰，夏雨波，劉東林，田光輝，蔡　蕓，宗振海

（1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250；2.中國地質(zhì)調(diào)查局，天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；）

PHREEQC模擬寶坻區(qū)地表水回灌霧迷山組地?zé)峋轿?/p>

王冰1，夏雨波2，劉東林1，田光輝1，蔡蕓1，宗振海1

（1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津300250；2.中國地質(zhì)調(diào)查局，天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；）

天津市蘊(yùn)藏著豐富的中低溫地?zé)豳Y源，但是近年來地?zé)峒虚_采區(qū)內(nèi)熱儲壓力持續(xù)下降，為了提高地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用強(qiáng)度，對地?zé)峄毓喾椒ǖ难芯縿菰诒匦?。本文從水文地球化學(xué)角度入手，分析了不同比例地表水與地?zé)崃黧w混合后流體主要離子組分的變化情況及結(jié)垢性，并以潮白河河水回灌寶坻區(qū)霧迷山組地?zé)峋˙D-02井）為例，采用PHREEQC軟件對混合作用進(jìn)行了不同比例模擬，結(jié)果顯示混合比例達(dá)到1∶1時，主要離子組分含量穩(wěn)定，未對原地?zé)崃黧w水質(zhì)造成影響。河水與地?zé)崃黧w混合時，碳酸鹽礦物、含鐵礦物、溫石棉和滑石的飽和指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，不會出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，回灌能長期穩(wěn)定進(jìn)行。

PHREEQC；河水回灌；霧迷山組地?zé)峋唤Y(jié)垢性

天津市蘊(yùn)藏著豐富的中低溫地?zé)豳Y源，是我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用較早的地區(qū)之一，但是隨著需求的不斷增加，地?zé)豳Y源開采量也不斷加大，造成熱儲壓力明顯下降，影響了地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用。目前，地?zé)崃黧w回灌是維持地球資源持續(xù)開發(fā)利用的一種有效措施［1-3］。由于天津地?zé)豳Y源開發(fā)利用時間較早，存在較多的只采不灌的單井系統(tǒng)，導(dǎo)致每年的開采量遠(yuǎn)高于回灌量，造成地?zé)峒虚_采區(qū)內(nèi)熱儲壓力呈持續(xù)下降的趨勢，且地?zé)峋捎趫龅氐仍蚰壳耙呀?jīng)無法補(bǔ)建回灌井，在此情況下，探索對井回灌之外新的回灌方法，提高地區(qū)的回灌補(bǔ)給量，以滿足地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用，成為天津市地?zé)峄毓嘌芯康囊粋€新的方向。東麗湖溫泉度假旅游區(qū)利用湖水回灌已經(jīng)取得了成功［4］，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為其它地區(qū)地表水回灌地?zé)崃黧w提供了參考依據(jù)。

潮白河流經(jīng)天津市寶坻區(qū)境內(nèi)，河水清澈，水量豐富，尤其每到汛期，河水接受降水的補(bǔ)給量大，水位上漲迅速，由于無法進(jìn)行有效利用，最終只能排入渤海。如能將豐水期的潮白河河水進(jìn)行科學(xué)處理，使其成為滿足地?zé)峄毓嘁蟮乃?，能夠增加本地區(qū)地?zé)崃黧w的回灌量，為地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用做出貢獻(xiàn)。

寶坻區(qū)地?zé)衢_發(fā)程度較高，但由于大部分地?zé)峋恢碧幱谧粤鳡顟B(tài)，無法實(shí)現(xiàn)回灌，尚未大規(guī)模地開展地?zé)峄毓喙ぷ?，隨著地?zé)衢_發(fā)程度不斷加深，地?zé)峋粤鲏毫φ谥鹉杲档?，地?zé)崴Y源量呈現(xiàn)下降的趨勢，使得該地區(qū)地?zé)峄毓喙ぷ髯兊糜l(fā)重要，回灌技術(shù)的研究工作迫在眉睫。本文以潮白河河水回灌天津市寶坻區(qū)霧迷山組地?zé)峋˙D-02井）作為研究對象，采用PHREEQC軟件對混合作用進(jìn)行不同比例模擬，用以了解并預(yù)測河水回灌過程中發(fā)生的化學(xué)作用，從水文地球化學(xué)角度為地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用和保護(hù)提供依據(jù)，為探索地表水回灌奠定基礎(chǔ)。

2　 PHREEQC模型及原理簡介

PHREEQC是由美國地調(diào)所開發(fā)的水文地球化學(xué)模擬軟件，它是C預(yù)言編寫的進(jìn)行低溫水文地球化學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序。PHREEQC選擇用戶輸入的某些命令來描述相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程，然后對這些方程組成的方程組，采用改進(jìn)的牛頓-拉斐遜（Newton-Raphson）方法進(jìn)行迭代求解。PHREEQC其數(shù)據(jù)的輸入是通過定義一系列的關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)模塊進(jìn)行的，而每一個關(guān)鍵字都能給出特定類型的相關(guān)信息，對各種地溫下的地球化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行演算。PHREEQC以離子聯(lián)系的水化學(xué)模型為基礎(chǔ)，可以推算生成物和飽和系數(shù)，用來判斷礦物溶解/沉淀的趨勢。國內(nèi)目前對PHREEQC的應(yīng)用多限于進(jìn)行化學(xué)組分的分析［5-7］。

3　 BD-02井概況

BD-02井位于天津市寶坻區(qū)里自沽農(nóng)場內(nèi)，主要用于建筑供暖。BD-02井是一眼中元古界薊縣系地?zé)峋? 968.27m，熱儲層巖性為霧迷山組三、四段白云巖。該井自成井后，一直處于自流狀態(tài)，BD-02井自流量為139.30m3/h，井口水溫為100℃左右，2014年開采量為2.72×104m3。BD-02井與BD-02B井構(gòu)成一對采-灌系統(tǒng)，但回灌的BD-02B井自從成井以來，一直處于自流狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)回灌。雖然BD-02井一直處于自流狀態(tài)，但該井每年的自流壓力正在逐年降低［8］，距其不遠(yuǎn)的BD-04井目前已于2015年1月停止自流，靜水位埋深為35m，水溫為54℃，說明隨著地?zé)崃黧w的不斷開采，該地區(qū)熱儲壓力呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

BD-02井和BD-02B井構(gòu)造位置位于滄縣隆起北部的王草莊凸起和冀中坳陷北部武清凹陷的東部斜坡帶之上，基巖主體構(gòu)造為西南部的凹陷和東北部的背斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂主要有北西向的大口屯-漢沽斷裂、北西西向的周良莊斷裂、北北東向的牛蹄河斷裂和王草莊斷裂、北北西向的楊碼頭斷裂（圖1）。

圖1　 BD-02、BD-02B地?zé)峋畼?gòu)造位置圖Fig.1 The structure location map o f BD-02 and BD-02B geotherma lwe ll

表1　 BD-02井和潮白河河水水質(zhì)表Tab le 1W ater qua lity tab le o f BD-02we ll and ChaobaiRiver

4　 PHREEQC混合模擬分析

表1是BD-02井地?zé)崃黧w和潮白河河水水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以看出兩種水質(zhì)的主要組分含量相差不大，主要區(qū)別在于潮白河河水溫度較低，僅為16℃，而BD-02井地?zé)崃黧w水溫高達(dá)104℃。由于歷年BD-02井水質(zhì)變化不大，因而采用2014年的水質(zhì)與潮白河河水進(jìn)行混合模擬。

本次模擬分四個步驟：1）應(yīng)用潮白河河水主要離子含量數(shù)據(jù)，定義該回灌井水質(zhì)，之后考慮熱儲的CO2分壓使該流體在LogPCO2=-3下平衡。2）應(yīng)用BD-02井（2014年）中地?zé)崃黧w主要離子含量數(shù)據(jù)，定義開采井的水質(zhì)。3）將潮白河河水與BD-02井的地?zé)崃黧w以0.1/1～1/1比例混合，計(jì)算在不同混合比例的熱流體主要組分含量變化。4）分析河水回灌后，混合流體的各礦物飽和指數(shù)和結(jié)垢趨勢。

5　模擬計(jì)算結(jié)果分析

5.1混合后主要離子組分變化情況

應(yīng)用潮白河取樣的主要離子含量等數(shù)據(jù)，定義該回灌水水質(zhì)，考慮CO2分壓使該流體在LogPCO2=-3下平衡。將潮白河水樣與BD-02井的地?zé)崃黧w以0.1/1～1/1比例混合，計(jì)算在不同混合比例下地?zé)崃黧w的主要組分含量變化。

圖2為不同混合比例下混合流體中主要組分含量的變化圖，由模擬結(jié)果可以看出，在考慮PCO2的情況下，隨著混合比例的增加，Na+組分含量有較大程度的降低，HCO3-、Ca2+、Mg2+和Cl-組分含量逐漸增大，K+、Mg2+組分含量稍有降低，基本屬于相對穩(wěn)定狀態(tài)。主要是由于隨著混合比例的逐漸增大，混合流體中的各離子組分含量趨向于向河水水質(zhì)變化，當(dāng)混合比例為1/1時，達(dá)到了河水回灌地?zé)峋淖畲蟊壤?，混合流體中各種離子組分含量趨于穩(wěn)定。

圖2　　不同混合比例下混合流體中主要組分含量的變化圖Fig.2 The ma jor com ponent content transformation figure o fm ixed fluid in differentm ixing ratios

5.2混合后流體結(jié)垢性分析

當(dāng)混合水與熱儲層圍巖長期接觸后，發(fā)生水巖反應(yīng)，并最終和圍巖處于一種水巖平衡狀態(tài)。為了了解回灌過程中出現(xiàn)礦物沉淀而導(dǎo)致儲層堵塞的可能性，此次模擬針對熱儲層為閉系統(tǒng)時回灌過程中結(jié)垢狀況進(jìn)行分析。

在考慮存在PCO2的情況下，將BD-02井與混合后流體中的礦物飽和指數(shù)進(jìn)行對比（圖3）。從圖中可以看出，碳酸鹽礦物（文石、方解石和白云石）的飽和指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，結(jié)垢性逐漸降低，推斷采用河水進(jìn)行回灌，對于改善BD-02井的碳酸鹽結(jié)垢性具有一定的改善作用；含鐵礦物（針鐵礦和赤鐵礦）飽和指數(shù)升高，但它們主要是由Fe（OH）3（a）轉(zhuǎn)化而來，而Fe（OH）3（a）處于未飽和狀態(tài)。因而不容易析出；溫石棉和滑石飽和指數(shù)呈降低趨勢，也不容易析出。

6　結(jié)論及建議

圖3　　混合前后流體中各礦物飽和指數(shù)分布圖Fig.3 Sa tu ra ted exponen t d istribu tion o f each m ine ra l in the fluid be fo re m ixing and a fte rm ixing

（1）根據(jù)模擬結(jié)果，如采用潮白河河水對BD-02井進(jìn)行回灌，達(dá)到1/1混合平衡后，主要離子組分含量穩(wěn)定，河水回灌未對原地?zé)崃黧w水質(zhì)造成影響。

（2）河水與地?zé)崃黧w混合時，碳酸鹽礦物、含鐵礦物及溫石棉和滑石的飽和指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，不會出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，回灌能長期穩(wěn)定進(jìn)行。

（3）本文只是簡單模擬了潮白河水回灌地?zé)峋蟮責(zé)崃黧w結(jié)垢性的變化情況，若要付諸實(shí)踐，還需對潮白河水進(jìn)行脫鹽、除溶解氧等處理，使其滿足回灌水水質(zhì)要求。

（4）進(jìn)行河水回灌時，需要實(shí)時監(jiān)測地?zé)崃黧w的水質(zhì)，與模擬水質(zhì)進(jìn)行同步對比，可以利用Q聚類分析比較模擬結(jié)果與實(shí)測值的相關(guān)性。

（5）利用地表水對熱儲層進(jìn)行回灌補(bǔ)給屬于新興研究課題，仍有許多機(jī)理、影響因素等問題有待進(jìn)一步探討，如回灌流體在熱儲層中的運(yùn)移特征、熱儲層在長期回灌條件下的動態(tài)變化特征等，這些都需要在今后的工作中進(jìn)一步研究和探索。

［1］劉久榮.地?zé)峄毓嗟陌l(fā)展現(xiàn)狀［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，3:100-104.

［2］林黎，趙蘇民，王心義.天津地?zé)崴_發(fā)利用狀況及保護(hù)對策研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25 （2）:105-110.

［3］林建旺，劉小滿，高寶珠，等.天津地?zé)峄毓嘣囼?yàn)分析及存在問題［J］.地?zé)崮埽?006，6:3-7.

［4］天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院.天津市濱海新區(qū)東麗湖地區(qū)基巖熱儲地?zé)豳Y源保護(hù)工程結(jié)題報(bào)告［R］.天津：天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，2013.

［5］馬駿.反向模擬在PHREEQC程序中的實(shí)現(xiàn)［J］.中國科技信息，2008，17:43-44.

［6］馬曉敏，劉翔，Barry D A.PHREEQC在地下水溶質(zhì)反應(yīng)-運(yùn)移模擬中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，2: 20-24.

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［8］劉學(xué)領(lǐng)，馬建英，李一兵.地?zé)衢_發(fā)對王3、王4井水化學(xué)動態(tài)的影響及其原因分析［J］.地震地質(zhì)，2009，31（3）: 526-535.

Analysison PHREEQC Simulating SurfaceW ater Reinjection of Jxw GeothermalW ells in BaodiDistrict，Tianjin

WANG Bing1，XIAYu-bo2，LIUDong-lin1，TIANGuang-hui1，CAIYun1，ZONG Zhen-hai1

（1.Tianjin GeothermalExp loration and Development-Designing Institute，Tianjin 300250，China；2.Tianjin Center，China GeologicalSurvey，Tianjin 300170，China）

Tianjin contains abundant low-temperature geothermal resources，but geothermal exploitation thermal storage pressure declined continually in recentyears.Itis imperative toexploring new reinjectionmethods for improving the sustainable utilizationof geothermal resources.From the pointof the hydrological geochem ical aspects，thispaperanalyzed themain iron composition changes and trendof scaling after surfacewater and geothermal fluidm ixing w ith different proportions.Itused the example that ChaobaiRiver reinjects Jxw geothermalwell in BaodiDistrict（BD-02 well），and used PHREEQC software tosimulate them ixing actionof different ion proportions.The results show that themain ion concentration is stable and had noeffecton the water qualityof the original geothermal fluid when them ixture ratioreached 1:1.W hen thewaterwasm ixed w ith geothermal fluids，carbonate m inerals，iron bearing m inerals，and the saturation indexof asbestos and talc showed a decreasing trend，and therew illnotbea phenomenonofscaling.Reinjection can be stable fora long time.

PHREEQC；riverwater reinjection；Wum ishan Formation geothermalwell；trendof scaling

P314

A

1672－4135（2015）04－0317-04

2015-08-18

天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測（國土房任［2014］13號）

王冰（1985-），女，碩士，工程師，2011畢業(yè)于吉林大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，從事水文地質(zhì)與地?zé)峥辈檠芯抗ぷ?，E-mail: wangbingdry@126.com。

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