山東省菏澤市城區(qū)巖溶熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)

馬哲民，仝路，賈琛，宋帥良

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

菏澤市地?zé)豳Y源豐富，但開采井過(guò)度集中在城區(qū)附近，導(dǎo)致供暖期集中開采區(qū)水位下降速度過(guò)快。目前，菏澤市奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)峋饕植加诙ㄌ諈^(qū)、鄄城縣、鄆城縣及菏澤等城區(qū)及附近地區(qū)，利用方式以供暖為主、洗浴次之[1-2]，冬季供暖期開發(fā)利用尾水排放量較大,已導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地?zé)崴淮蠓陆?，熱污染、化學(xué)污染等問(wèn)題也較為突出，若長(zhǎng)期只采不灌，不但會(huì)造成地?zé)豳Y源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致地?zé)崴坏募铀傧陆?，從而產(chǎn)生開發(fā)利用成本增加、取水困難等問(wèn)題。針對(duì)上述地?zé)豳Y源開發(fā)利用所產(chǎn)生的問(wèn)題，有必要進(jìn)行地?zé)嵛菜毓?。地?zé)峄毓啾还J(rèn)為是一種減緩地?zé)崴幌陆档挠行侄蝃3]，在菏澤市實(shí)行灌采結(jié)合的高效、合理開采方式，可以人為地增加地?zé)崴Y源的補(bǔ)給量，維持熱儲(chǔ)壓力，延緩地?zé)崴幌陆邓俣?，避免地?zé)嵛菜苯优欧乓鸬臒嵛廴竞突瘜W(xué)污染，從而保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用[4]。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地層

菏澤市及附近大部分地區(qū)均被第四系、新近系覆蓋，據(jù)現(xiàn)有鉆孔揭露地層資料，從新到老的地層有新生界第四系、新近系、古近系及古生界石炭-二疊系和奧陶系(圖1)。

1.2 構(gòu)造

菏澤市地處華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)菏澤潛凸起(Ⅴ)構(gòu)造單元內(nèi)。歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成該區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，斷裂按其展布方向分為近EW向和近SN向斷裂2組。

2 地?zé)崴纬蓷l件

地?zé)崴男纬梢话闩c熱源和熱水補(bǔ)給源、熱儲(chǔ)、蓋層(保溫層)及導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造等因素有關(guān)。據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件，將復(fù)雜的、不規(guī)則的多斷塊的地質(zhì)形態(tài)，簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的幾何形態(tài)，建立如下熱儲(chǔ)模型(圖2)。

1—古近系；2—白堊系；3—侏羅系；4—石炭-二疊系；5—奧陶系；6—寒武系；7—新太古界；8—太古宙侵入巖；9—古元古代侵入巖；10—斷裂；11—工作區(qū)范圍圖1 菏澤地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

圖2 菏澤地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)模型示意圖

2.1 熱源

該區(qū)的熱源主要來(lái)自正常的地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流。區(qū)內(nèi)斷裂除了本身產(chǎn)生一定的摩擦熱能外，主要是溝通了上地幔的巖漿熱源。地殼深部的熱能通過(guò)斷裂導(dǎo)能、熱的傳導(dǎo)和地下水的深循環(huán)對(duì)流作用，將熱能輸送至奧陶系熱儲(chǔ)層，遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫，使熱能儲(chǔ)存下來(lái)。

2.2 水源

該區(qū)地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源主要為梁山北部山區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給，另外，新近系底部與奧陶系直接接觸的地段可能有明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)地?zé)崴搅餮a(bǔ)給奧陶系熱儲(chǔ)。

2.3 蓋層

奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)層的蓋層由第四系、新近系和石炭-二疊系構(gòu)成[5]。

根據(jù)該次回灌工作施工的2眼地?zé)峋昂蕽墒谐菂^(qū)已有地?zé)峋@探資料，區(qū)內(nèi)新近系底板埋深在900～1000m，其中第四系厚度400m左右。第四系主要是沖洪積黃色粘土、粉質(zhì)粘土夾混粒砂；新近系厚度511～600m，主要以棕色為主的粘土巖夾粉質(zhì)粘土巖和粉、細(xì)砂巖。石炭-二疊系厚度經(jīng)揭露為5.85～131.24m，巖性為泥巖、頁(yè)巖、砂巖及少量灰?guī)r和煤層。巨厚的以粉質(zhì)粘土、粘土、泥巖為主的不透水層，結(jié)構(gòu)較致密，熱導(dǎo)率低，切斷了含水層間的垂向運(yùn)移，防止地下熱能的擴(kuò)散，形成了該區(qū)地?zé)崽锪己玫纳w層。

2.4 熱儲(chǔ)層

菏澤市城區(qū)的主要熱儲(chǔ)層為奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙熱儲(chǔ)。根據(jù)已有地?zé)岬刭|(zhì)勘查及地?zé)峋@探巖屑錄井資料，奧陶系熱儲(chǔ)層的巖性以棕灰、灰色灰?guī)r為主，厚至中厚層狀，結(jié)構(gòu)致密，夾少量淺灰色、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及泥灰?guī)r等。根據(jù)回灌井HD1及開采井HD2測(cè)井資料，奧陶系熱儲(chǔ)巖溶裂隙較發(fā)育，巖溶裂隙發(fā)育深度1058～1324.50m，厚度143.00～152.30m；根據(jù)距回灌地?zé)峋?HD1)約7.5km的千禧園小區(qū)地?zé)峋疁y(cè)井資料，1400m以淺奧陶系熱儲(chǔ)巖溶發(fā)育段共13層，厚度253.30m，孔深1400～1700m以深?yuàn)W陶系熱儲(chǔ)巖溶發(fā)育段共21層，厚度211.40m；孔隙度3.38%～10.4%，平均孔隙度6.03%，滲透率(0.1～6.74)×10-3μm2，平均1.77×10-3μm2。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析結(jié)果，該熱儲(chǔ)層地?zé)崴畣挝挥克繛?.21～7.46m3/h·m，地?zé)崴V化度為3.63g/L，pH值6.91，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Na型水。

3 巖溶熱儲(chǔ)尾水回灌

3.1 采灌井井組配置

菏澤城區(qū)回灌工作施工了2眼奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)峋?，一眼為地?zé)岢樗?，一眼為地?zé)峄毓嗑?，成井深度均?400m左右，兩井間距381.41m(圖3)。

圖3 開采井與回灌井成井結(jié)構(gòu)示意圖

回灌井HD1實(shí)際成井深度為1406.18m(圖3)。該地?zé)峋挥诤蕽墒虚L(zhǎng)城路與桂棱路交匯處東北角。鉆進(jìn)至971.33m時(shí)進(jìn)行了第一次綜合測(cè)井工作。共下入石油套管972.13m，其中φ273.05mm石油套管長(zhǎng)199.79m；φ193.68mm石油套管長(zhǎng)772.34m。管口高出地面0.80m，石油套管實(shí)際下入深度971.33m。后進(jìn)行了水泥注漿，共使用兩罐車水泥約60t，水泥漿從井口返出。在水泥凝固72h后，φ168mm口徑鉆進(jìn)至1406.18m終孔，并進(jìn)行了第二次綜合測(cè)井工作。

開采井HD2實(shí)際成井深度為1402.19m(圖3)。該地?zé)峋挥诤蕽墒虚L(zhǎng)城路與桂棱路交匯處東南角。鉆進(jìn)至984.01m時(shí)進(jìn)行了第一次綜合測(cè)井工作。共下入石油套管985.61m，其中φ273.05mm石油套管長(zhǎng)186.37m；φ193.68mm石油套管長(zhǎng)790.03m。管口高出地面1.6m，石油套管實(shí)際下入深度984.01m。后進(jìn)行了水泥注漿，共使用兩罐車水泥約60t，水泥漿從井口返出。在水泥凝固72h后，φ168mm口徑鉆進(jìn)至1402.19m終孔，并進(jìn)行了第二次綜合測(cè)井工作。

3.2 試驗(yàn)情況

由于沒有利用后的地?zé)嵛菜?，僅進(jìn)行了原水回灌(HD2地?zé)峋?和混水回灌(第四系淺井水和HD2地?zé)峋旌突毓?2次自然回灌工作，首先進(jìn)行原水回灌，然后進(jìn)行混水降溫回灌，均按不同回灌量進(jìn)行3次回灌，回灌試驗(yàn)動(dòng)態(tài)曲線見圖4。

圖4 回灌量與水位埋深、水位升幅動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線

(1)原水回灌

原水回灌的水源為HD2地?zé)峋?，抽出后沿輸水管道直接灌入HD1回灌井?；毓嚅_采量可分為65.23m3/h,78.72m3/h,48.51m3/h;回灌量相應(yīng)呈階梯型分為65.16m3/h,78.25m3/h,48.35m3/h。最大回灌量約78.25m3/h，連續(xù)時(shí)間達(dá)120h。

(2)混水回灌

混水回灌的水源為第四系淺井水與HD2地?zé)岢樗旌虾?，?jīng)除砂回灌HD1地?zé)峋?。目的是使回灌水溫與目前菏澤市地?zé)豳Y源開發(fā)利用尾水水溫基本一致，經(jīng)調(diào)查菏澤市地?zé)嵛菜呐欧潘疁匾话阍?6～41℃之間，平均38.5℃。因此，該次混水回灌的水溫基本控制在38～39℃之間。

混水回灌第一次開采量為熱水41.67m3/h,冷水18.5m3/h;第二次開采量為熱水53.32m3/h,冷水23m3/h;第三次開采量為熱水57.43m3/h,冷水24.08m3/h。對(duì)應(yīng)的回灌量分別為60.5m3/h,76.38m3/h,84.48m3/h，最大回灌量為84.48m3/h，持續(xù)時(shí)間達(dá)240h。

4 回灌影響因素分析

4.1 回灌壓力影響分析

該次回灌試驗(yàn)采用無(wú)壓的自然回灌方式，但也可以推出回灌與壓力的關(guān)系，即外加壓力統(tǒng)一到水頭變化上來(lái)。為進(jìn)一步研究回灌量與回灌井水位升幅、單位回灌量的關(guān)系，進(jìn)行回歸分析。

(1)回灌量與水位升幅

從圖5中可以看出，原水回灌與混水回灌在總體趨勢(shì)上均呈現(xiàn)出隨著回灌量的增加，回灌井的水位升幅也逐漸增加，回灌量與回灌井水位升幅呈正相關(guān)關(guān)系。

從圖5中亦可看出在相同回灌量的條件下，回灌水的溫度對(duì)水位升幅也有一定影響?；毓嗨谙鄬?duì)低溫的條件下，對(duì)回灌井水位升幅影響較小，使回灌井內(nèi)保持相對(duì)較大的回灌空間，更易于回灌。

圖5 回灌井水位升幅與回灌量關(guān)系圖

(2)回灌量與單位回灌量

抽水試驗(yàn)中單位涌水量是含水層出水能力大小的重要指標(biāo)?；毓嘣囼?yàn)中用單位回灌量來(lái)表征回灌層位回灌能力的大小。根據(jù)HD1回灌井原水和混水回灌試驗(yàn)的2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出(圖6)，回灌量隨著水頭的升高而增加，但單位回灌量卻不相同?；毓嗔吭黾拥倪^(guò)程對(duì)回灌水頭的影響，相當(dāng)于物理運(yùn)動(dòng)中的加速度的概念。也可以理解為，隨著壓力的增大，回灌量增加的加速度在減小。當(dāng)回灌量增加的加速度等于零時(shí)的壓力為最大壓力，這時(shí)再增大壓力回灌量反而減小。由圖6可以看出，無(wú)論是原水回灌還是混水回灌，單位回灌量都隨著回灌量的增大而減小。

圖6 回灌量與原水(混水)單位回灌量對(duì)比圖

4.2 回灌水溫影響分析

針對(duì)回灌尾水水溫對(duì)回灌效果的影響，該次進(jìn)行了2種不同水溫條件下的回灌試驗(yàn)，即一是用HD2地?zé)衢_采井中的地?zé)崴?原水)做為回灌水源進(jìn)行回灌試驗(yàn)，回灌水源水溫為50℃；二是用HD2地?zé)衢_采井中的地?zé)崴c附近溫度為17℃左右的淺井水通過(guò)混水罐進(jìn)行混合后的水(混水)做為回灌水源進(jìn)行回灌試驗(yàn)，回灌水源水溫為39℃(基本與供暖尾水的水溫一致)。根據(jù)2種不同水溫的回灌試驗(yàn)資料對(duì)比，當(dāng)原水回灌水溫為50℃時(shí)，回灌量達(dá)78.25m3/h時(shí)，水位回升量為11.079m；當(dāng)混水回灌水溫為39℃時(shí)，回灌量達(dá)81.48m3/h時(shí)，水位回升量為9.332m，這說(shuō)明在回灌量相同的條件下，回灌尾水水溫越低，回灌的升幅越小，回灌量越大。分析其原因，考慮地?zé)崴诓煌瑴囟认滤鶎?duì)應(yīng)不同密度，相同水柱高度對(duì)回灌井底壓力不同。即通過(guò)P=ρgh公式，可以看出，同等水頭高度條件下，地?zé)崴拿芏仍酱?，?duì)井底壓力越大，相當(dāng)于增加了回灌壓力，回灌效果也就越好。

4.3 回灌水質(zhì)影響分析

回灌對(duì)熱儲(chǔ)水質(zhì)的影響取決于回灌水與原熱儲(chǔ)層熱水水質(zhì)間的差別。為不影響熱儲(chǔ)層水質(zhì)，該次回灌試驗(yàn)水源除采用同層地?zé)崴?，還利用了附近淺井地下水做為降溫的回灌水源，淺井地下水的水質(zhì)要好于地?zé)崴|(zhì)，從回灌試驗(yàn)過(guò)程中的4次水質(zhì)檢測(cè)以及抽水井成井時(shí)的一次水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比(表1)，回灌前后，4次水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果礦化度在3620.32～3815.04mg/L，水化類型均為SO4-Ca·Na型，對(duì)回灌井水質(zhì)化學(xué)含量影響較小。

表1 開采井HD2地?zé)崴锢砘瘜W(xué)特征(mg/L)

根據(jù)一個(gè)多月的回灌試驗(yàn)，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，說(shuō)明該區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)裂隙巖溶較發(fā)育，堵塞對(duì)回灌量的影響較小。但是從相鄰地區(qū)已進(jìn)行過(guò)的回灌試驗(yàn)看，堵塞問(wèn)題嚴(yán)重，需定期回?fù)P，因此分析堵塞原因。一般情況下因回灌造成堵塞的原因主要有以下4種[6-14]：

氣相堵塞：由于回灌裝置密封不嚴(yán)，回灌時(shí)攜帶大量空氣進(jìn)入造成。堵塞較輕時(shí)，回?fù)P水呈乳白色，夾有大量微小氣泡，嚴(yán)重時(shí)見大量氣泡并有很濃的臭味。

懸浮物堵塞：回灌水含有泥土、膠結(jié)物、有機(jī)物等雜質(zhì)。堵塞時(shí)回?fù)P水渾濁，攜帶雜質(zhì)和泥砂。

鐵細(xì)菌堵塞：鐵細(xì)茵在地下水以亞鐵鹽為養(yǎng)料，以含水氫氧化鐵形式積存在粘液表面或表面內(nèi)而造成堵塞。在回?fù)P時(shí)，水中含有大量棕紅色膠狀體粘著物并帶有臭味。

化學(xué)堵塞：回灌水中含有較高的溶解氧，其與地下水中的亞鐵離子作用，生成氫氧化鐵膠體物，沉淀于砂層孔隙及濾網(wǎng)周圍，而造成堵塞。在回?fù)P時(shí)，水呈黃褐色，有臭味，夾有氫氧化鐵沉淀物[15-18]。

分析其原因，由于整個(gè)回灌裝置處于密閉狀態(tài)，因此回灌時(shí)不可能攜帶大量空氣進(jìn)入，且回?fù)P時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)大量微小氣泡，所以不可能造成氣堵；而回灌時(shí)對(duì)回灌水進(jìn)行除砂處理，因此不可能因回灌水本身造成懸浮物堵塞；但分析由于回?fù)P與回灌是一個(gè)互為逆過(guò)程，因此在回灌時(shí)會(huì)使一些原本沉積下來(lái)的細(xì)顆粒在水力的反復(fù)作用下重新懸浮，然后就有可能沉積在砂層的孔隙中，這樣就造成了水力通道的淤堵；而區(qū)內(nèi)少數(shù)地區(qū)地?zé)崴嬖谝兹軞?，在回灌過(guò)程中，存留在砂層孔隙中，也造成了水力通道的淤堵；另外還有一種可能就是回灌水中含有少量的溶解氧，它與回灌井水中溶解的亞鐵離子相互作用，生成氫氧化鐵膠體物，沉淀于砂層孔隙而造成堵塞。

通過(guò)以上分析可以看出，回灌會(huì)對(duì)水力通道造成一定的堵塞，隨著回灌時(shí)間的延續(xù)回灌量會(huì)逐漸衰減。因此，地?zé)峄毓嘣囼?yàn)過(guò)程中對(duì)地面凈化設(shè)施進(jìn)行了完善，除進(jìn)行了基本的除砂、排氣等，還需在設(shè)備安裝時(shí)注意接口的密閉性，以防止管道中空氣的混入。

4.4 熱儲(chǔ)巖性影響分析

對(duì)奧陶系熱儲(chǔ)而言，熱儲(chǔ)層的巖性、地層的巖溶裂隙率和滲透性對(duì)回灌率起到非常重要的作用，巖溶裂隙發(fā)育程度越高，滲透性越好，回灌率就越高，且不易產(chǎn)生堵塞，需要回?fù)P的時(shí)間較長(zhǎng)；巖溶裂隙發(fā)育程度越差，滲透性越差，回灌率就越低，且易產(chǎn)生堵塞，需要回?fù)P的時(shí)間較短。

對(duì)孔隙型熱儲(chǔ)層的地層巖性、巖土顆粒大小、地層的孔隙率和滲透性對(duì)回灌起非常重要的作用。砂巖孔隙型熱儲(chǔ)回灌率低的主要原因?yàn)榛毓喽氯麌?yán)重，不同地區(qū)的熱儲(chǔ)巖性在垂向和水平向上都有一定差異，理論上來(lái)說(shuō)砂巖熱儲(chǔ)厚度、顆粒粒徑、孔隙度越大，滲透性好越利于回灌，另外砂巖膠結(jié)程度對(duì)回灌也有一定的影響，特別是在回?fù)P和回灌過(guò)程中易引起熱儲(chǔ)層砂巖顆粒的脫離巖石處于懸浮狀態(tài)，堵塞回灌通道[19-20]。

5 討論

該次研究熱儲(chǔ)層為奧陶紀(jì)碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)，據(jù)該次地?zé)峋@探資料及抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，熱儲(chǔ)層孔隙度較大，滲透性好，有利于地?zé)崴毓唷?/p>

在整個(gè)回灌試驗(yàn)過(guò)程中，可連續(xù)回灌不須回?fù)P，且原水(回灌水溫50℃)回灌量維持在78.25m3/h，穩(wěn)定回灌水位埋深還有21.60m，當(dāng)混水(回灌水溫39℃)回灌量維持在81.48m3/h，穩(wěn)定回灌水位埋深還有23.365m。根據(jù)前述的回灌量與水位升幅關(guān)系，推測(cè)當(dāng)回灌水位到達(dá)井口時(shí)的最大回灌量為110～130m3/h，經(jīng)調(diào)查目前供暖過(guò)程中，地?zé)峋钠骄畲蟮拈_采量為90m3/h左右，完全可1∶1進(jìn)行回灌，回灌能力有保證。

綜上，菏澤市城區(qū)奧陶系回灌效果良好，回灌潛力巨大，在菏澤市奧陶系熱儲(chǔ)中進(jìn)行回灌是可行的。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)回灌試驗(yàn)，說(shuō)明該區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)回灌效果良好，回灌潛力較大，據(jù)回歸分析推測(cè)當(dāng)回灌水位達(dá)到地面時(shí)，最大自然回灌水量達(dá)110～130m3/h。

(2)回灌對(duì)水溫、水質(zhì)影響不大。在回灌量相同的條件下，回灌尾水水溫越低，回灌的升幅越小，回灌量越大。