河南新鄉(xiāng)地熱回灌試驗及可行性分析

梁靜，郭全成

（新鄉(xiāng)市節(jié)約用水辦公室，河南新鄉(xiāng)453000）

河南新鄉(xiāng)地熱回灌試驗及可行性分析

梁靜，郭全成

（新鄉(xiāng)市節(jié)約用水辦公室，河南新鄉(xiāng)453000）

回灌是解決地熱水過度開采引發(fā)的一系列問題的有效辦法，也是地熱開發(fā)管理中最重要的手段之一。在對新鄉(xiāng)市地熱井回灌試驗的基礎上，從回灌空間、回灌能力和開采量3個方面對回灌的可行性進行分析，探討了回灌時間、回灌水源、回灌場地和回灌方式等地熱回灌的注意事項。

河南新鄉(xiāng)；地熱井；回灌試驗；可行性分析；注意事項

0 引言

地熱資源是一種寶貴的清潔能源。積極開發(fā)利用地熱資源對緩解我國能源資源壓力，實現(xiàn)非化石能源目標，促進生態(tài)文明建設具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。但是，由于地熱資源形成歷史漫長，地熱水補給途徑遠，徑流緩慢，再生能力較弱［1］，如果長期大規(guī)模開采，不僅會降低熱儲溫度和壓力，也會造成資源的嚴重浪費，并產(chǎn)生環(huán)境污染問題，更有可能加劇地面沉降。

新鄉(xiāng)市地熱田位于安陽湯陰縣凹陷沉積盆地埋藏型地熱田南部，地熱類型以沉積盆地型（傳導型）為主，熱儲類型為層狀熱儲，熱源供給主要是大地熱流傳導及深部熱能沿斷裂通道對流兩種形式。目前，新鄉(xiāng)市已有地熱井50余眼，井深為900～1 500m，單井出水量為20～60m3／h，年地熱水開采量約為90× 104m3，主要用于供暖、洗浴等。隨著周邊地熱開發(fā)持續(xù)發(fā)展，地下水位不斷下降。為預防并解決新鄉(xiāng)市地熱水給本地環(huán)境帶來的問題，2014年，新鄉(xiāng)市節(jié)水辦和河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘探局合作，開展了地熱井回灌試驗。（A3）為試驗井。試驗井的基本信息如表1所示。

表1 試驗地熱井基本信息表Tab.1 Test geothermal well basic information

1 地熱井回灌試驗

1.1 試驗目的

地熱井回灌試驗的目的是了解回灌量與涌水量、回灌水頭及滲透系數(shù)等參數(shù)的關系。

1.2 試驗井基本情況

該回灌試驗選取向陽路與和平大道交叉口常青藤小區(qū)地熱井（A1）、振中路師大嘉苑小區(qū)地熱井（A2）、健康路與解放路交叉口翰林國際小區(qū)地熱井

1.3 繪制回灌曲線

回灌試驗采用同層回灌?；毓嗨?jīng)由水量控制閘閥和計量表回灌入井內(nèi)。A1回灌井的回灌試驗于2014年7月31日8時開始，至2014年8月4日08時結(jié)束，總計96 h，回灌量Q為15.2m3／h。A2回灌井的回灌試驗于2014年10月13日11時開始，至2014年10月18日07時結(jié)束，總計116 h，回灌量Q為30.1m3／h。A3回灌井的回灌試驗于2014年11月29日6時開始，至2014年12月3日07時結(jié)束，總計97 h，回灌量Q為30.1m3／h。根據(jù)3眼地熱井的穩(wěn)定回灌觀測資料，繪制回灌曲線如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，在回灌期間，A1回灌井水頭共升高20.41m，回灌量穩(wěn)定時間在60 h以上；A2回灌井水頭共升高49.08m，回灌量穩(wěn)定時間在40 h以上；A3回灌井水頭共升高76.28m，回灌量穩(wěn)定時間在50 h以上。

1.4 回灌參數(shù)計算

地熱水回灌是抽水的逆過程。對于同一含水層而言，地熱水抽水的理論公式同樣適用于地熱水回灌［2］。本試驗采用公式（1）計算水文地質(zhì)參數(shù)。計算時，取水頭近似穩(wěn)定時段回灌水量平均值代替出水量，用回灌水頭近似穩(wěn)定時段內(nèi)水頭升高平均值代替抽水過程中的水位降深。

圖1 A1井回灌曲線Fig.1 A1 well reinjection curve

圖2 A2井回灌曲線Fig.2 A2 well reinjection curve

圖3 A3井回灌曲線Fig.3 A3 well reinjection curve

式中：K為滲透系數(shù)，m／d；H為水頭升高，m；Q為抽水井流量，m3／d；R為影響半徑，m，取600m；M為含水層厚度，m；r為地熱井半徑m；

經(jīng)計算，各回灌井的回灌參數(shù)如表2所示。

表2 地熱井回灌試驗與抽水試驗對比表Tab.2 Geotherm al w ell reinjection test and water pum ping test com parison

從表2可以看出，滲透系數(shù)與單位回灌量呈正相關關系，滲透系數(shù)越大，則相應單位回灌量越大。采用穩(wěn)定流計算公式計算的回灌滲透系數(shù)為0.283～0.482m／d，抽水滲透系數(shù)為0.47～1.2m／d，前者是后者的40%～60%。于是，對于單井回灌來說，長時間回灌將導致井溫下降，用水水溫得不到保障。因此，單井回灌運行基本不可取。

1.5 回灌量、單位回灌量與水頭升高關系

回灌井回灌水量與水頭升高關系曲線如圖4所示，單位回灌量與水頭升高關系曲線如圖5所示。

由圖4可知，回灌水量與水頭升高呈正相關性，大致符合指數(shù)函數(shù)關系。但是，隨著回灌量的增大，水頭升高幅度要大大快于回灌量增大幅度。

由圖5可知，回灌井單位回灌量與水頭升高呈負相關關系，變化趨勢大致呈對數(shù)函數(shù)類型。

1.6 熱儲溫度場變化分析

圖4 回灌水量與水頭升高關系曲線圖Fig.4 Reinjection water quantity and waterhead elevate relation s

圖5 單位回灌量與水頭升高關系圖Fig.5 Unit reinjection quantity and waterhead elevate relation

回灌對原熱儲含水層熱水溫度的影響主要取決于水源水與回灌熱儲層中熱水之間溫度差的大小。同時，還與回灌量及回灌過程間隔時間長短有關。溫度差大，回灌量大，回灌過程連續(xù)或間斷時間短，回灌水對熱儲層水溫度影響就大，影響時間也長；反之，對熱儲中熱水溫度影響也就小，影響持續(xù)時間也短。

由于試驗井附近沒有可供監(jiān)測熱儲溫度的觀測井，因此，不能從平面上具體掌握回灌水對熱儲水溫度影響范圍和影響程度究竟有多大。理論上，隨著回灌的進行，水源水與熱儲含水層水交界面向外逐步推移，靠近回灌井處，熱儲中水溫與水源水溫度接近，向遠處，則與原熱儲水溫度相仿。因此，以回灌井為中心，向外影響程度越來越小。具體到本次回灌試驗，A1、A2、A3回灌井出水口溫度分別為64℃、40℃和42.7℃?；毓嗔肯鄬τ邶嫶蟮牡叵聼崴畠α浚⒑跗湮?。因此，短期回灌不會對熱儲層熱水溫度產(chǎn)生明顯影響。

2 回灌可行性分析

2.1 回灌空間

新鄉(xiāng)市熱儲層水位埋深為56～157m，特別是市中心一帶，水位埋深大，回灌自然水頭大，有較大回灌空間。因此，具備回灌條件。

據(jù)天津、北京、河北等省市地熱回灌情況，當熱水水頭埋深降到60m左右后，進行回灌比較適宜?？紤]到新鄉(xiāng)市地熱開發(fā)實際情況，建議地熱水頭埋深降低到60m應進行回灌，降低到80m必須進行回灌。

2.2 回灌能力

2.2.1 自然回灌模式

根據(jù)試驗，在自然回灌條件下，A1井回灌水量為15.2m3／h，水頭升高20.41m，單位回灌量為0.745 m3／（h·m）；A2井回灌水量為30.1m3／h，水頭升高49.08m，單位回灌量為0.613m3／（h·m）；A3井回灌水量為52.0m3／h，水頭升高76.28m，單位回灌量為0.682m3／（h·m）。但是，隨著回灌時間的延長，回灌井通常會發(fā)生堵塞，熱儲層回灌滲透系數(shù)大大減小，回灌能力隨之大幅度降低。

2.2.2 加壓回灌模式

據(jù)天津、北京等地地熱加壓回灌研究情況，加壓回灌會比自然回灌取得較明顯效果。

2.3 開采量

目前，新鄉(xiāng)市有50余眼地熱生產(chǎn)井，年開采量約90×104m3。不論是從已開發(fā)的地熱井數(shù)量，還是從地熱水現(xiàn)狀開采量上來看，相對于整個地熱田，還有一定的開發(fā)潛力。

3 回灌應注意問題

3.1 回灌時間

地熱井回灌時間易選在供暖期，可保障有充足的熱棄水水源。另外，在供暖期，地熱水開采量最大，水位埋深增大，有相對較大的回灌水頭差。因此，確定回灌時間宜在當年11月至來年3月。

3.2 回灌水源

以淺層和深層地下水及可利用的地熱棄水相結(jié)合作為回灌水源，條件允許時，地熱棄水為優(yōu)先選擇。

3.3 回灌場地

（1）熱儲滲透性能好，回灌流暢地段。

（2）水源井與回灌井距離適中。盡量減少長距離輸水管道的鋪設，同時不宜太近，否則會過早造成熱突破，導致生產(chǎn)井水溫降低。

根據(jù)天津武清地熱田回灌資料研究，經(jīng)數(shù)學模擬預測，回灌水量為50.4m3／h時，冷鋒面運移到距離回灌井800m地方需要39年時間（熱儲平均厚度按12m計，熱儲總厚度的10%），即當生產(chǎn)井距離回灌井800m時，在20～30年內(nèi)不會引起熱突破。而實際操作過程中，回灌工作只在冬季取暖期進行，其余時段，回灌水將從巖體吸收更多的熱量，進一步減緩熱儲冷卻速度。由于新鄉(xiāng)市主要熱儲回灌層為館陶組，同天津武清地熱田具有相近地熱地質(zhì)條件，因此，新鄉(xiāng)市水源井與回灌井距離宜在800～1 000m。

（3）減少溶氣影響。熱儲中含有較多水溶氣時，使回灌水流運動受阻，徑流不暢，影響回灌井回灌能力。因此，回灌井盡量選在地熱井水中含水溶氣較少的地段。

（4）宜選在地熱井群分布密集、開采強度較大、地熱水徑流上游方向［3］。

3.4 回灌方式

宜采用自然結(jié)合壓力回灌?；毓嗄Ｊ讲捎猛瑢訉毓啵ɑ毓嗑⑺畬优c開采井取水層位于同一熱儲層）或同層兩采一灌（同一熱儲層位上布設2眼開采井和1眼回灌井）。

回灌期間注意回揚?；負P以每次抽完渾水后出清水為準，并注意密切關切生產(chǎn)井水溫、水質(zhì)和水頭等。

4 結(jié)語

（1）回灌井回灌水量與水頭升高呈正相關關系。在自然回灌條件下，單位回灌量為單位涌水量的40%～60%。因此，單井回灌運行基本不可取。

（2）新鄉(xiāng)市地熱水水位埋深40～147m，自然回灌產(chǎn)生的壓力差不同。其中，市中心一帶水位低，壓力差較大，有較大的回灌空間。因此，結(jié)合熱儲層水文地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀，建議在市中心開采較集中的區(qū)域開展回灌工作。

（3）加強地熱水動態(tài)監(jiān)測。所有地熱井安裝監(jiān)測設備（測水管、壓力表、流量表及溫度計等），對地熱井壓力、水溫、水量及水質(zhì)進行定期觀測，以便掌握地熱水水頭壓力場、流場、水化學場等動態(tài)變化特征。

（4）受條件限制，本次回灌試驗井數(shù)少，且時間較短。在適宜的條件下，建議開展生產(chǎn)性回灌試驗。在大規(guī)模的回灌工程之前，開展多次不同位置的規(guī)范化回灌試驗［4］，并進行以同層地下水為回灌水源及加壓回灌方面的嘗試。

［1］高宗軍，郭加朋，李哲，等.東營市城區(qū)地熱儲人工回灌條件及分區(qū)研究［J］.地下水，2009（5）：4－8.

［2］楊海軍，楊芳，茹爽英.深層地下水回灌試驗與研究［J］.投資與合作，2012（10）：206－207.

［3］張新文，胡彩萍，胡松濤，等.東營市中心城區(qū)地熱田地熱回灌可行性分析［J］.2009（8）：18－19.

［4］朱紅麗.開封市超深層地熱水人工回灌補源研究［D］.鄭州：河南理工大學，2011.

[責任編輯 楊明慶]

On Xinxiang Geothermal Reinjection Test and Feasibility Analysis

LIANG Jing，GUO Quan－cheng
（Water-saving Office of Xinxiang City，Xinxiang 453000，Henan，China）

Reinjection is an effective way to solve a series of the problem of excessive exploitation of geothermal water，is also one of the most important means of geothermal development and management.On the basis of Xinxiang geothermal well reinjection test，this paper analyzes the feasibility of reinjection from the reinjection space，reinjection ability and exploitation quantity three aspects，and discusses the matters needing attention of geothermal reinjection，such as the reinjection time and reinjection water，reinjection area and reinjection mode.

Xinxiang city of Henan province；geothermal well；reinjection test；feasibility analysis；attention matters

TV213.6

B

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.013

2016-04-27

梁靜（1976－），女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事節(jié)水和水資源管理方面的工作。