天津市中心城區(qū)老舊地熱回灌系統(tǒng)技術(shù)改造方法探析

沈健，王連成，趙艷婷

（天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津300250）

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天津市中心城區(qū)老舊地熱回灌系統(tǒng)技術(shù)改造方法探析

沈健，王連成，趙艷婷

（天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津300250）

摘要：天津市中心城區(qū)部分地熱回灌井運行時間較長，井下堵塞情況普遍，很多井的回灌效果出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象。為了保證回灌井的回灌能力，可以采用酸化洗井、增加過濾設(shè)備等措施對老舊回灌系統(tǒng)進行技術(shù)改造。此措施能有效避免回灌物理堵塞，減緩回灌量衰減，提高回灌率、維護回灌井的持續(xù)有效運行，并能滿足更高標準的兩采一灌的回灌需求，從而為解決周邊地熱單井的地熱尾水回灌需求創(chuàng)造有利條件。

關(guān)鍵詞：地熱資源，回灌，基巖熱儲，水質(zhì)過濾，酸化洗井

天津地區(qū)蘊藏豐富的沉積盆地型中、低溫地熱資源，其開發(fā)利用已有近八十年的歷史。隨著地熱資源開發(fā)利用規(guī)模的擴大，導致熱儲壓力不斷降低，尤其是以中心城區(qū)為代表的地熱集中開采區(qū)，由于地熱開采井井群密度較大，已出現(xiàn)較為明顯的熱儲壓力降落漏斗［1］。水位的持續(xù)下降，直接影響著地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用。多年來國內(nèi)外在地熱開發(fā)利用領(lǐng)域經(jīng)驗探索出了一系列新的技術(shù)方法，其中最重要的手段就是進行回灌開發(fā)利用［2］。所以在天津市中心城區(qū)應(yīng)該加大地熱回灌的力度，采取措施解決現(xiàn)有地熱單井的回灌問題，以實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)發(fā)展。

中心城區(qū)的地熱單井大多成井時間較早，近年來隨著城市建設(shè)的發(fā)展，若為這些單井補建回灌井，大多受到經(jīng)濟、施工場地和地質(zhì)構(gòu)造等條件的制約，落實難度很大［3］。因此，如果充分利用中心城區(qū)現(xiàn)有的地熱回灌井，對具備條件的地熱單井進行合理的資源整合，將原有的對井回灌系統(tǒng)改造成兩采一灌系統(tǒng)，既避免了新建回灌井面臨的場地困難問題，又能減少新建井的鉆探施工費用，還可以達到地熱尾水回灌的目的。近年來，天津市采用對井回灌開發(fā)利用模式，已經(jīng)相繼建成了百余處對井回灌系統(tǒng)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，一采一灌的對井運行效果普遍較好，但由于這些地熱回灌井運行時間較長，井下堵塞情況普遍，很多井的回灌效果出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象，難以滿足更高標準的兩采一灌的回灌需求。因此，如何對這些老式回灌井進行技術(shù)改造，提高其回灌能力，就顯得尤為重要。由于這些老式回灌井的目的層多為基巖熱儲的薊縣系霧迷山組熱儲層，因此，筆者主要針對該類熱儲層的回灌井系統(tǒng)改造問題進行分析研究。

1　地熱回灌井主要堵塞因素

懸浮物通常是指在水中不溶解而又存在于水中不能通過過濾器的固體物質(zhì)［4］。地熱流體的懸浮物堵塞是影響回灌的重要因素，懸浮固體顆粒隨回灌流體進入地層后充填于熱儲層中與其中白云質(zhì)、灰質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，從而造成儲層堵塞。此外，地熱井在長期使用過程中管道、井管的銹蝕物會隨著回灌流體注入含水層中，也是造成回灌井堵塞的重要因素。

1.2化學沉淀作用

地熱流體的化學沉淀是影響回灌效果的重要因素之一。通過以往對部分霧迷山組地熱井的流體垢樣品的鑒定可知，沉淀的主要成分包括CaCO3、SiO2、Fe2O3等化合物，主要元素有O，Si，F(xiàn)e，Al等［5］。

開采-回灌過程中，由于溫度、壓力的變化，地熱流體中的化學組分發(fā)生變化：

（1）HCO3-含量較高的流體會發(fā)生下列（1）式的化學反應(yīng)而釋放一定量的CO2氣體，從而產(chǎn)生CaCO3或MgCO3沉淀：

（2）SiO2沉淀主要是可溶性SiO2在溫度低于50℃時，在熱流體中的溶解度與溫度呈明顯的負線性相關(guān)關(guān)系，各種形式的降溫過程都會導致沉淀生成。

（3）Fe氧化產(chǎn)生Fe2O3沉淀，因此，懸浮物堵塞與化學堵塞存在著交叉重疊部分，懸浮物中包含著化合物組份，而化學反應(yīng)生成物質(zhì)多以懸浮物的形式出現(xiàn)。

水利工程項目實際建設(shè)中涉及范圍較廣，存在大量的質(zhì)量影響因素，為了實現(xiàn)各項建設(shè)工作的順利進行，必須實地調(diào)查水利工程建設(shè)區(qū)域，掌握建設(shè)區(qū)域或是施工現(xiàn)場的水質(zhì)環(huán)境、氣候環(huán)境、地形地貌和交通情況，形成區(qū)域調(diào)研數(shù)據(jù)，基于施工建設(shè)區(qū)域的實際情況，遵循水利工程建設(shè)的宏觀要求和設(shè)計要求，開展水利工程規(guī)劃活動，保證工程質(zhì)量。

2　老式地熱回灌系統(tǒng)技術(shù)改造方法及工程實例

2.1酸化洗井

.1.1工作原理

酸化洗井是靠酸液的化學溶蝕作用以及向地層擠酸時的水力作用來提高熱儲層滲透性能的工藝措施，注酸壓力高于熱儲層破裂壓力，酸液同時發(fā)揮化學作用和水力作用來擴大、延伸、壓裂和溝通裂縫，形成延伸遠、流通能力高的滲流通道［6］。

該方法以往多應(yīng)用于碳酸鹽巖熱儲層地熱井的增產(chǎn)，如今也逐漸應(yīng)用于地熱回灌井的解堵處理中。地熱回灌井在回灌過程中由于回灌流體進入熱儲層的壓力使污染物對裂隙越壓越密，導致流體需克服的阻力也越來越大，回灌量逐漸衰減。在熱儲層裂隙發(fā)育程度滿足的情況下，利用酸化壓裂的方法可以有效提高地熱井的產(chǎn)能，尤其在回灌井的施工和處理中，對提高回灌效果極為重要。對于提高地熱井的使用壽命和維持地熱資源的可持續(xù)發(fā)展效果顯著［7］。

酸壓處理中，主要工作介質(zhì)是鹽酸，其進入熱儲層縫隙后，將與巖石壁面發(fā)生化學反應(yīng)。以其主要成分—方解石（CaCO3）、白云石（CaMg（CO3）2）為例說明酸液注入后的主要化學反應(yīng)［8］，其化學反應(yīng)方程式為：

由此可知，酸壓處理后，熱儲層中大量的碳酸鹽巖被溶解，增加了裂縫的空間體積，從而有利于回灌通道的暢通。

.1.2工程實例

以HX-33井回灌改造工程為例［9］，該井位于天津河西區(qū)某小區(qū)內(nèi)，建成于1997年，目的層為薊縣系霧迷山組熱儲層，地熱井深2 762 m，其中熱儲層段厚460 m，該井成井時水溫81℃，出水量100 m3/h。該井與同層地熱井HX-24井為對井采灌系統(tǒng)，承擔著HX-24井地熱尾水的回灌需求，本次改造的目的是將周邊鄰近的同層HX-31井的地熱尾水接入采灌系統(tǒng)中，從而形成兩采一灌的運行模式。

然而根據(jù)HX-33井的回灌試驗數(shù)據(jù)（表1）以及多年的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，該井難以滿足兩采一灌的回灌方式。因此，經(jīng)過分析，決定對該井酸化洗井技術(shù)改造，從而提高其回灌能力。

（1）酸化洗井工藝方式及參數(shù)

1）酸化工藝：鹽酸酸壓工藝

2）擠注方式：正擠

3）濃度：22%

4）擠注壓力：≤20 MPa

5）排酸方式：汽化水排酸

（2）酸化洗井質(zhì)量評述

通過對HX-33井進行酸化洗井，清理了套管內(nèi)壁結(jié)垢附著物和沉積物，有效的拓展了回灌層薊縣系霧迷山組裂隙寬度，并對儲層裂隙進行了延伸，通過回灌試驗（表2）驗證，該井回灌效果提高了67%，從而滿足了未來兩采一灌的回灌要求。

表1　HX-33井酸化前回灌試驗數(shù)據(jù)表Tab.1　Reinjection test data table of HX-33 well before acidification

表2　HX-33井酸化后回灌試驗數(shù)據(jù)表Tab.2　Reinjection test data table of HX-33 well after acidification

2.2增加過濾設(shè)備

2.2.1工作原理

對回灌井堵塞原因的深入研究和分析發(fā)現(xiàn)，其影響因素是極其復雜的，其中固體懸浮顆粒、化學沉淀等是引起回灌量衰減的主要原因，所以保證回灌水的質(zhì)量、減少懸浮物和化學沉淀是解決堵塞的關(guān)鍵。因此，在回灌運行中，尤其是針對需要長距離管道輸送的地熱回灌尾水，更應(yīng)對回灌水源進行過濾凈化處理，除去顆粒較大的懸浮物固相物質(zhì)，保證回灌效果。

2.2.2工程實例

以HD-26井回灌改造工程為例［10］，HD-26地熱開采井主要為周邊小區(qū)進行供暖，由于未開鑿回灌井，每年約15萬m3的地熱尾水直接排放，造成了地熱資源的極大浪費。與該井相隔不遠有一處地熱采灌系統(tǒng)即HD-35、HD-35B地熱對井系統(tǒng)，同屬碳酸鹽巖熱儲層，熱流體水質(zhì)相似，因此，為了保護地熱資源，實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用，將HD-26地熱開采井并入HD-35、HD-35B地熱對井系統(tǒng)中，形成兩采一灌開發(fā)利用模式，既可增加地熱水資源回灌量、維持熱儲壓力，又可減少尾水排放，降低對環(huán)境的影響。

由于HD-26井的地熱尾水需要經(jīng)過600 m的鋼質(zhì)管道輸送至HD-35B回灌井，為了保證回灌水質(zhì)，需要對回灌站房進行技術(shù)改造，保證回灌水質(zhì)的過濾精度達到回灌要求（圖1）。

根據(jù)對過濾前后的回灌流體的取樣分析，HD-26井回灌流體中的懸浮物平均粒徑由過濾前的263.551μm（最大粒徑約411μm）降至過濾后的0.792μm（圖2）。有效地除去了顆粒較大的懸浮物固相物質(zhì)，保證了回灌效果。

為了驗證改造后HD-35B回灌井能否滿足實際回灌要求，進行了約200小時的回灌試驗。本次試驗的歷時曲線如圖3所示，穩(wěn)定回灌量140 m3/h，與HD-35B成井之初的回灌能力相當。證明通過增加過濾設(shè)備后，HD-26地熱尾水的回灌未對HD-35B回灌井的回灌能力產(chǎn)生不利影響，從而保證了回灌系統(tǒng)的長期穩(wěn)定使用。

圖1　升級改造后的回灌系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Reinjection system flow chart after upgrading

圖2　回灌流體過濾前后懸浮物粒度分析對比圖Fig.2 Comparison chart of suspended solids grain size analysis between unfiltered and filtered reinjection fluid

3　結(jié)論

為了實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)在天津市中心城區(qū)加大地熱回灌的力度，采取措施解決現(xiàn)有地熱單井的回灌問題，但由于補建回灌井往往受到經(jīng)濟、施工場地和地質(zhì)構(gòu)造等條件的制約，落實難度大，因此，將地熱單井就近與現(xiàn)有老舊回灌系統(tǒng)整合是解決回灌的一種可行性方法。為了保證這些老舊回灌系統(tǒng)的回灌能力，根據(jù)工程經(jīng)驗，可采用酸化洗井、增加過濾設(shè)備等措施對老舊回灌系統(tǒng)進行技術(shù)改造，從而有效避免回灌物理堵塞，減緩回灌量衰減，提高回灌率、維護回灌井的持續(xù)有效運行，使其滿足更高標準的兩采一灌的回灌需求。

圖3　HD-35B井回灌試驗歷時曲線圖Fig.3 Reinjection test’s duration curve of the HD-35B well

參考文獻：

1］天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院.地熱集中開采區(qū)回灌開發(fā)布局和資源整合規(guī)劃研究報告［R］.2009.

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［10］天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院.天津市河東區(qū)HD-26井和HD-35井、HD-35B井地熱資源保護工程總結(jié)報告［R］.2014.

資助項目：天津市礦產(chǎn)資源補償費地質(zhì)項目：“天津市地熱資源整合和補建回灌井項目（國土房任［2014］23號）"

中圖分類號：P314

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4135（2016）02-0153-04

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：沈?。?983-），男，工程師，畢業(yè)于長安大學水文與水資源工程專業(yè)，主要從事水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)、地熱回灌等專業(yè)技術(shù)工作，Email：shenjian0216@hotmail.com。

Exploration and analysis of technical transformation on the old
geothermal reinjection systems in the central city of Tianjin

SHEN Jian，WANG Lian-cheng，ZHAO Yan-ting
（Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design，Tianjin 300250，China）

Abstract：Some geothermal reinjection wells in the central city of Tianjin have been used for a long time，and lugging is so general in the wells，even attenuation of reinjection result appeared in a lot of wells.In order to nsure the reinjection ability of the wells，we carried out technical transformation on the old geothermal einjection systems by acidifying well，increasing filtration equipment and other measures.This can prevent hysical plug of reinjection effectively，alleviate attenuationa of reinjection amount，increase the rate of recharge，maintain continued and effective operation of reinjection wells，and meet the reinjection needs of higher system which is formed by two production wells and one reinjection well.Thus，it creates favorable conditions for the einjection of surrounding single well’s geothermal tail water.

Key words：geothermal resources；reinjection；bedrock heat reservoir；water filtration；acidify well