江蘇海安濱海新區(qū)砂巖熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)研究

平利姣， 丁小琴， 周 欣， 竇傳偉

(1. 地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210007；2. 海安市自然資源和規(guī)劃局，江蘇海安226600)

0 引 言

地?zé)峄毓嗍潜３值責(zé)崽锟沙掷m(xù)開發(fā)最有效的措施(Pan，2006；戴寶華，2017；鄭克棪等，2018；李文等，2019)，不僅可避免地?zé)釓U水直接排放引起的熱污染、化學(xué)污染等(劉久榮，2003；吳繼強(qiáng)等，2014；梁靜等，2016；畢雯雯，2019；張海嬌，2019)，還可使地?zé)醿?chǔ)層壓力回升，開發(fā)巖石骨架中的熱量(潘小平，2005)。

江蘇海安老壩港濱海新區(qū)地?zé)豳Y源豐富但開發(fā)滯后(王軍成等，2017)。該區(qū)地?zé)衢_發(fā)利用的理想層位為孔隙-裂隙型砂巖熱儲(chǔ)，砂巖儲(chǔ)層因粒徑較小、孔隙率及滲透率較低成為回灌工作的難題(孫穎等，2009；朱紅麗等，2011)。為促進(jìn)該區(qū)地?zé)豳Y源循環(huán)利用，了解鹽城組孔隙-裂隙型熱儲(chǔ)回灌能力，開展同層對(duì)井回灌試驗(yàn)并分析回灌可行性，為區(qū)內(nèi)鹽城組熱儲(chǔ)層地?zé)豳Y源循環(huán)開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 構(gòu)造條件

研究區(qū)位于海安凹陷，是在燕山晚期盆地基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新生代斷陷盆地，盆地沉陷中心在海安曲塘一帶，靖江—如皋斷裂為該盆地控制性斷裂，該斷裂穿過研究區(qū)，區(qū)域地?zé)岙惓Ｊ茉摂嗔芽刂泼黠@。研究區(qū)屬于具有相對(duì)較高大地?zé)崃髦档奶K北盆地，巖石圈厚度約100 km，居里面(560 ℃)深度約為30 km，大地?zé)崃髦禐?0 mW/m2。

1.2 熱源

主要來自地下深處經(jīng)自然增溫而形成的熱源，通過巖石的熱傳導(dǎo)和熱水的對(duì)流作用傳遞到地表淺部，包括地下深處的熱包幔源熱和地殼中放射性元素衰變長(zhǎng)期積累的熱量(趙劍畏等，1997)。根據(jù)地?zé)峋疁囟葴y(cè)量結(jié)果，1 km以淺地溫梯度為每100 m 2.8～3.0 ℃。

1.3 熱儲(chǔ)層

熱儲(chǔ)層為新近系鹽城組下段砂巖熱儲(chǔ)，頂板埋深為770～810 m，底板埋深約1 130 m。有2個(gè)沉積旋回：上旋回(即上段)含水層巖性上部為灰白色泥巖夾含細(xì)礫中粗砂巖，下部為淺灰、棕灰色砂巖；下旋回(即下段)含水層巖性上部為棕紅色、咖啡色粉砂質(zhì)泥巖，中部為蘭綠、灰綠色粉細(xì)砂巖、砂巖及含礫砂巖，底部為塊狀巨厚(厚48 m)灰色、淺灰綠色砂礫巖及中礫石層。該儲(chǔ)層埋藏深、厚度較大，水溫高、水量大、水質(zhì)復(fù)雜，單井涌水量為1 000～2 000 m3/d，富水性較好。礦化度<1 000 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na型，地?zé)崴疁囟葹?0～45 ℃。

1.4 蓋層

研究區(qū)地?zé)嵘w層主要為第四系(Q)—新近系(N)上部地層，厚度>800 m，其中黏土、亞黏土層熱導(dǎo)率低，所含泥巖、頁巖熱導(dǎo)率低，起到了很好的隔熱保溫作用。

2 砂巖熱儲(chǔ)地?zé)峄毓?/h2>

2.1 試驗(yàn)條件

對(duì)井回灌試驗(yàn)抽水井為已有井川港1井，取水層段為968～1 076 m；回灌井為施工地?zé)峋?，井間距為573 m，取水層段為959.92～982.16 m；取水層對(duì)象為中-粗砂巖、細(xì)礫巖等含水層(表1)；試驗(yàn)為同層回灌，回灌井為填礫成井，填礫結(jié)構(gòu)更有利于回灌(沈健等，2016)。

表1 回灌井與觀察井結(jié)構(gòu)特征Table 1 Structure characteristics of the recharge well and the observation well

2.2 試驗(yàn)情況

回灌水采用當(dāng)?shù)孛裼米詠硭瑱z測(cè)主要陰陽離子以及污染物的含量，結(jié)果水質(zhì)良好，符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。回灌水溫度受氣溫影響有一定的變化，水溫為18.2～24.2 ℃。

川港1井的抽水與正式自然回灌同步開始，至第二次加壓回灌結(jié)束時(shí)停止。涌水量約為30 m3/h，水位降深平均為58.5 m，水溫42 ℃?；毓嗥陂g抽水井川港1井的水溫、水量、水位降深基本保持穩(wěn)定，變化幅度較小。

試驗(yàn)分無壓回灌(即自然回灌)和加壓回灌2種方式，試驗(yàn)前均進(jìn)行了試回灌，最終選擇3種流量進(jìn)行正式試驗(yàn)。為保護(hù)含水層，試回灌和正式回灌時(shí)回灌流量由小到大逐步調(diào)節(jié)，加壓<0.3 MPa，自然回灌及2次加壓試驗(yàn)完成后進(jìn)行了水位恢復(fù)試驗(yàn)，停灌后水位能較快恢復(fù)到靜水位。

回灌統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)顯示：自然回灌試驗(yàn)回灌量為17.5 m3/h，累計(jì)回灌時(shí)間為5 910 min，累計(jì)回灌量為1 718.17 m3(圖1)；第一次加壓回灌量為24.0 m3/h，穩(wěn)定壓力為0.17 MPa，累計(jì)回灌時(shí)間為6 480 min，累計(jì)回灌量為2 611.13 m3；第二次加壓回灌量為28.0 m3/h，穩(wěn)定壓力為0.27 MPa，累計(jì)回灌時(shí)間為6 240 min，累計(jì)回灌量為2 919.03 m3(圖2)。

陳雷強(qiáng)調(diào)，扎實(shí)做好新形勢(shì)下的水利財(cái)務(wù)工作，一要進(jìn)一步落實(shí)中央水利投入政策，二要進(jìn)一步擴(kuò)大公共財(cái)政投入規(guī)模，三要進(jìn)一步加大水利資金監(jiān)管力度，四要進(jìn)一步加快水利預(yù)算執(zhí)行進(jìn)度，五要進(jìn)一步規(guī)范水利基建財(cái)務(wù)管理，六要進(jìn)一步加強(qiáng)水利預(yù)算績(jī)效管理，七要進(jìn)一步強(qiáng)化水利國(guó)有資產(chǎn)管理，八要進(jìn)一步健全水價(jià)合理形成機(jī)制。陳雷強(qiáng)調(diào)，要全面落實(shí)水利財(cái)務(wù)工作各項(xiàng)保障措施，確保水利財(cái)務(wù)工作各項(xiàng)任務(wù)落到實(shí)處。

圖2 加壓試驗(yàn)曲線Fig. 2 Pressure test curves

表2 回灌井與觀察井回灌情況Table 2 Recharge data of the recharge well and the observation well

圖1 自然回灌試驗(yàn)曲線Fig. 1 Natural recharge test curves

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

自然回灌試驗(yàn)時(shí)，由于研究區(qū)靜水位埋深淺，尚未大規(guī)模開采，儲(chǔ)層壓力保持較好，在自然狀態(tài)下水柱壓力過小，無法達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，回灌水位緩慢上升直至溢出。在2次加壓試驗(yàn)期間，回灌量和回灌壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，加壓回灌效果良好，回灌結(jié)束后觀察井和回灌井水位均能迅速恢復(fù)至初始靜水位，回灌過程并沒有對(duì)抽水井的涌水量、水位及水溫造成影響。

2.4 回灌可行性分析

由回灌試驗(yàn)可知，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，回灌過程未影響開采，因此邊開采邊回灌在研究區(qū)切實(shí)可行。

由于靜水位埋深淺，在開采量不大的情況下采取自然回灌的方式進(jìn)行，并采用間歇回灌的方式進(jìn)行短暫水位恢復(fù)，保證回灌的長(zhǎng)期可持續(xù)性。

若開采量在400 m3/d以上，欲達(dá)到100%回灌需要采取加壓措施。為保證熱儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，建議回灌壓力≤0.50 MPa，如有必要可以考慮增加回灌井?dāng)?shù)量。

3 回灌影響因素分析

3.1 熱儲(chǔ)層孔隙度及滲透率

熱儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率對(duì)回灌效果起著重要的作用(高志娟等，2012)，回灌效果與熱儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率呈正相關(guān)關(guān)系，孔隙度和滲透率越大，回灌效果越好。根據(jù)RHA2井鉆探及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，該井熱儲(chǔ)層平均孔隙度為30.05%，平均滲透率為808.21×10-3μm2(表3)，熱儲(chǔ)層孔隙度和滲透率均較大，該井回灌效果較好與其儲(chǔ)層的滲透率和孔隙度較大有良好的對(duì)應(yīng)性。

表3 RHA2井熱儲(chǔ)層參數(shù)Table 3 Thermal reservoir parameters of Well RHA2

水位上升高度換算公式：

靜水位

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算水位上升高度以及與回灌量相對(duì)應(yīng)的抽水條件下的水位降深，以更好地說明回灌效果(表4)。

表4 地?zé)峋克颗c回灌量對(duì)比Table 4 Comparison of water inflow and recharge in geothermal wells

由表4可見，無論是在自然條件還是加壓條件下，當(dāng)涌水量和回灌量相同時(shí)，回灌的水位上升高度均小于抽水時(shí)的水位降深。

3.2 水位與壓力

地?zé)峄毓噙^程中回灌壓力的變化對(duì)回灌量的影響即為井筒底部壓強(qiáng)的變化對(duì)含水層吸水能力的影響。若回灌井中水位未達(dá)地表，井筒底部壓強(qiáng)變化的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)為水位的變化，所以壓力的影響分為水位和壓力罐罐壓2部分。采用自然回灌和加壓回灌2種方式，為方便對(duì)比，將壓力罐壓力換算成水位上升高度(表5)，繪制水頭上升高度與回灌量關(guān)系曲線(圖3)。

表5 地?zé)峄毓鄩毫Q算Table 5 Geothermal recharge pressure conversion

圖3 水頭上升高度與回灌量的關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve between water head rise and recharge amount

圖3顯示，隨著水位上升，井筒底部壓力增大，含水層吸水增強(qiáng)，回灌量逐漸增大。

根據(jù)非穩(wěn)定流抽水理論，抽水流量與水頭降深成正比，即回灌流量與水頭升高值成正比；但隨著回灌總量增加，滲透系數(shù)逐漸變小，要灌入等量的水，水頭升高值會(huì)逐漸變大，水頭上升高度與回灌量成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

為進(jìn)一步了解回灌量與壓力的關(guān)系，將水柱壓力統(tǒng)一換算為相對(duì)于靜水位的壓力(表5)，并繪制回灌量與壓力關(guān)系曲線(圖4、圖5)。圖4顯示，回灌量與水柱壓力呈正相關(guān)，水柱壓力越大，回灌量越大。圖5顯示，單位壓力回灌量與水柱壓力呈負(fù)相關(guān)，水柱壓力越大，單位壓力回灌量越小，且隨著壓力的增加而迅速減小。

圖4 回灌量與壓力的關(guān)系Fig. 4 Relationship between recharge amount and pressure

圖5 單位壓力回灌量與壓力的關(guān)系Fig. 5 Relationship between pressure rechargeamount per unit and pressure

4 結(jié) 論

(1)江蘇海安老壩港濱海新區(qū)砂巖熱儲(chǔ)層易于回灌，由于自然狀態(tài)下水柱壓力過小，回灌量不大時(shí)可采取間歇回灌的方式進(jìn)行短暫水位恢復(fù)，以保證回灌的長(zhǎng)期可持續(xù)性；若回灌量>400 m3/d，可采取加壓措施。

(2)當(dāng)前試驗(yàn)條件下未見回灌對(duì)抽水井的涌水量、水位、水溫產(chǎn)生影響，即回灌未對(duì)開采造成影響，邊抽邊回灌在研究區(qū)切實(shí)可行。

(3)影響地?zé)峄毓嗟囊蛩刂饕泻畬涌紫抖燃皾B透率、水位與壓力?；毓嘈Чc含水層孔隙度和滲透率呈正相關(guān)，回灌量與水柱壓力呈正相關(guān)，單位回灌量與水柱壓力呈負(fù)相關(guān)。