河南蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘤绊懸蛩胤治黾皩Σ?/h1>
2022-12-06 06:50:26王攀科馬青坡上官銳
鉆探工程 2022年6期
陳 瑩，王攀科，吳 燁，馬青坡，于 麗，上官銳
（1.河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450053；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州 450053；3.河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；4.河南省地質(zhì)職工學(xué)校，河南 鄭州 450053）
0 引言
地?zé)豳Y源具有清潔環(huán)保、儲(chǔ)量巨大等特點(diǎn)。因地制宜開發(fā)利用地?zé)豳Y源對改善能源結(jié)構(gòu)具有積極意義，也是助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的具體舉措。截止2021年底，我國中深層地?zé)峁┡ㄖ娣e5.82億m2［1］?；毓嗍潜Ｕ纤疅嵝偷?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，影響回灌的因素有多種，包括地質(zhì)條件（裂隙通道、地下水運(yùn)移通道順暢程度等）、地?zé)崴|(zhì)、回灌井成井工藝［2］、井管腐蝕結(jié)垢、回灌堵塞（物理、化學(xué)、微生物、氣體）等［3-4］。本文結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)特點(diǎn)、井管材質(zhì)，室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)和PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件分析，從地?zé)峋毓嗟幕瘜W(xué)沉淀堵塞和腐蝕、鉆井與成井工藝等方面，分析了蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘤绊懸蛩睾蛯Σ摺?/p>
1 地質(zhì)及地?zé)峄毓喔艣r
蘭考縣位于河南省東北部，是國家能源局批復(fù)的全國首個(gè)農(nóng)村能源革命試點(diǎn)建設(shè)示范縣，也是河南省地?zé)崮芮鍧嵐┡?guī)?；迷圏c(diǎn)地區(qū)之一。蘭考地區(qū)主要斷裂為新鄉(xiāng)—商丘大斷裂（F3）、聊蘭斷裂的次級(jí)斷裂（F6）及推測斷層（F7、F8）（如圖1）。自2000年起，蘭考地區(qū)早期建設(shè)的井深1000m左右、以洗浴為主要用途的地?zé)峋鸩疥P(guān)停［5］。目前，蘭考地區(qū)中深層水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)深度為1500～2200 m，主要利用新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層，熱儲(chǔ)巖性上部為淺棕色砂礫巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層，下部為雜色砂礫巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層含水層。井口出水溫70℃左右，水量一般為80～120 m3/h，主要用途為地?zé)峁┡?/p>
圖1 蘭考城區(qū)主要斷裂分布Fig.1 Distribution of main faults in Lankao
根據(jù)資料收集和現(xiàn)場調(diào)查，蘭考地?zé)峁┡?xiàng)目中抽水井與回灌井的比例一般為1∶1、1∶2或1∶3［6］，地?zé)峁┡?xiàng)目開采井與回灌井深度基本相同，滿足同層回灌的要求［7］。在自然回灌條件下，蘭考地區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)地?zé)峋畣尉毓嗔?0～115 m3/h不等。位于F6斷裂東側(cè)與F3斷裂結(jié)合處附近的地?zé)峁┡到y(tǒng)，開采井及回灌井都位于F6斷裂東側(cè)即下盤位置，在自然回灌條件下，回灌效果不理想；位于F6斷層西側(cè)即上盤位置的地?zé)峁┡?xiàng)目回灌效果較好，有實(shí)例表明，此區(qū)域內(nèi)單井回灌量達(dá)114.8 m3/h，加壓回灌量可達(dá)到170 m3/h。
2 回灌影響因素分析
2.1 流體特征及化學(xué)沉淀
根據(jù)蘭考地區(qū)現(xiàn)場取樣化驗(yàn)和以往收集到的地?zé)崴|(zhì)分析結(jié)果，該地區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型分別為：新近系明化鎮(zhèn)組上部（約300～800 m）以HCO3·Cl-Na型為主；新近系明化鎮(zhèn)組下部（約800～1300 m）以HCO3·Cl-Na型 為 主，還有少數(shù)HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系館陶組（約1300～2200 m）以Cl-Na型為主。通過對23組地表水、淺層地下水及地?zé)崴|(zhì)的匯總分析，主要指標(biāo)的垂向水化學(xué)類型特征變化趨勢為（圖2）：隨埋深增加，Cl-、Na+、溶解性總固體TDS呈增大趨勢，2000 m以深處呈小幅波動(dòng)狀態(tài)；Ca2＋、Mg2＋含量先降低后增加，2000 m以深小幅波動(dòng)；微量元素F-的含量淺層地下水含量較高，隨深度增加呈降低趨勢。
圖2 蘭考地區(qū)地?zé)崃黧w主要組分含量Fig.2 Main components of geothermal fluids in Lankao
根據(jù)地下水中化學(xué)平衡反應(yīng)的質(zhì)量作用定律和質(zhì)量守恒原理，運(yùn)用PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，對于館陶組的回灌水源能采用的有地表水、淺層水、明化鎮(zhèn)組上部、明化鎮(zhèn)組下部和館陶組同層水源，選取的“可能礦物相”，計(jì)算各水樣點(diǎn)礦物的飽和指數(shù)及淺層地下水到深層地?zé)崴窂缴系V物（氣體）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趨勢，選擇石英、鈉長石、鈣長石、鉀長石、鈣蒙脫石、方解石、白云石、石膏、螢石、巖鹽、高嶺石和伊利石為水文地球化學(xué)反應(yīng)可能的礦物相。在不考慮不同含水層相互污染的情況下，計(jì)算采用不同回灌水源混合后，回灌地層中主要礦物成分的飽和指數(shù)SI。飽和指數(shù)是水文地球化學(xué)研究中應(yīng)用最多的一個(gè)指標(biāo)，它研究的是礦物在地下水的飽和狀態(tài)。飽和指數(shù)反應(yīng)了礦物組分與地下水之間的相對狀態(tài)，即地下水化學(xué)組分溶解-沉淀的趨勢以及內(nèi)在的水動(dòng)力和化學(xué)條件。當(dāng)SI=0時(shí)，礦物在水溶液中處于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI＜0時(shí)，表明礦物在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；當(dāng)SI＞0時(shí)，表示該礦物相對水溶液處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。由計(jì)算結(jié)果繪制圖3。
圖3 不同熱儲(chǔ)層中主要礦物的飽和指數(shù)SIFig.3 Saturation index（SI）of main minerals in different geothermal reservoirs
通過模擬，在淺層水中，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、白云石、螢石、石膏、石鹽、伊利石、高嶺石、云母、石英的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；方解石的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，將發(fā)生沉淀。
明化鎮(zhèn)組上部和下部地?zé)崴?，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、螢石、石膏、石鹽、伊利石、云母、高嶺石的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；石英的飽和指數(shù)SI上部為-0.19、下部為0.09，在水溶液中處于基本平衡狀態(tài)；方解石、白云石的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。
館陶組地?zé)崴?，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、螢石、石膏、石鹽、伊利石的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；高嶺石、石英、方解石、白云石、云母的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。
2.2 井管的腐蝕性
蘭考地區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w的水化學(xué)類型為Cl-Na型，抽取的5個(gè)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果中Cl-、溶解性總固體含量分別為7569～11131、13669～18954 mg/L，地?zé)崴哂械V化度高、硬度大、Cl-含量很高、水質(zhì)較差、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。長期在這種水質(zhì)條件下，在地?zé)峋淖儚郊耙陨喜课弧⒕芙涌?、水泵等處存在腐蝕現(xiàn)象，如圖4所示。
圖4 井管腐蝕情況Fig.4 Corrosion on well pipes
考慮到蘭考地區(qū)水質(zhì)情況，特別是其Cl-、溶解性總固體等指標(biāo)偏高，為初步觀察蘭考地區(qū)地?zé)崴诓煌榫诚碌母g與沉淀情況，分別采用普通鐵絲纏繞在試片（鐵片）上的方式浸泡在不同溫度條件下的蘭考地區(qū)采集的地?zé)崴驮ㄗ詠硭┲羞M(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，并分別記錄了30、60、90 d的變化情況，不同的組合條件見表1。
表1 腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)分組情況Table 1 Grouping of corrosion observation experiments
根據(jù)室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)過程，溫度越高，燒杯內(nèi)的沉淀物越多，鐵片和鐵絲的腐蝕情況也越嚴(yán)重。普通鐵絲和不銹鋼鐵絲在不同溫度條件下的地?zé)崴蜃詠硭h(huán)境中的變化情況見圖5、圖6和表2。
圖6 不銹鋼鐵絲在不同條件下的的室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)情況（90 d）Fig.6 Indoor observation experiment of stainless steel wire in different situations（90d）
表2 不同材質(zhì)鐵絲在蘭考地?zé)崴械母g變化情況（90 d）Table 2 Corrosion of iron wires of different materials in Lankao geothermal water(90d)
通過對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了X射線衍射和衍射圖譜的分析（如圖7～9），其中蘭考地?zé)崴⑵胀ㄨF絲組中，主要產(chǎn)物分別為：70℃實(shí)驗(yàn)條件下為NaCl，50℃條件下為CaCO3、Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3，常溫實(shí)驗(yàn)條件下為CaCO3、FeOOH。蘭考地?zé)崴?、不銹鋼鐵絲組中，主要產(chǎn)物分別為：70℃實(shí)驗(yàn)條件下為NaCl或鐵-硅-氧-金屬化合物，50℃實(shí)驗(yàn) 條 件 下 為Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3，常 溫 實(shí) 驗(yàn) 條 件 下 為Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3、CaSi2O7F2、CaPO3（OH）·2H2O、FeOOH。不同溫度條件下，蘭考地?zé)崴挟a(chǎn)生的腐蝕主要沉淀物不同，初步分析，由于溫度不同，腐蝕沉淀生成物也不盡相同，地?zé)崴毓噙^程中，由于回灌水溫度降低，一些沉淀物隨著溫度的變化溶解度降低而產(chǎn)生。
圖7 70℃蘭考地?zé)崴g產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.7 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 70℃
圖8 50℃蘭考地?zé)崴g產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.8 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 50℃
2.3 鉆井與成井工藝的影響
圖9 常溫實(shí)驗(yàn)條件下腐蝕產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.9 XRD diffraction pattern of corrosion products at room temperature
鉆井與成井過程中鉆井液、孔內(nèi)事故、過濾器（直徑、類型、材質(zhì)、位置、長度等）、礫料規(guī)格及厚度、洗井等都會(huì)對未來使用過程中的地?zé)峄毓嘈十a(chǎn)生影響。蘭考地區(qū)地?zé)峋@井工藝以泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)為主，長時(shí)間的鉆進(jìn)過程形成的泥皮容易堵塞地?zé)醿?chǔ)層，若成井過程中泥皮清除不徹底，就會(huì)對回灌效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在該地區(qū)工程實(shí)踐中，普通膨潤土鉆井液體系在蘭考地區(qū)地?zé)峋@井過程中易發(fā)生卡鉆事故，通過采用低固相高潤滑雙聚鉆井液體系能夠較好地解決上述問題［8］。有案例表明，蘭考地區(qū)已建成的地?zé)峄毓嗑ㄟ^洗井可以提高回灌量，但其持續(xù)時(shí)間和回灌效果還有待通過項(xiàng)目的持續(xù)運(yùn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié)。
3 提高地?zé)峄毓嘈Ч膶Σ?/h2>
鑒于蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)Cl-、溶解性總固體含量高的特點(diǎn)，隨著地?zé)峄毓嗑褂脮r(shí)間的增加，井管內(nèi)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象有極大可能會(huì)對回灌產(chǎn)生影響。結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用情況、地?zé)崴|(zhì)的分析以及室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч蓮囊韵聨讉€(gè)方面著手。
3.1 地?zé)崴奶幚?/h3>
通過PHREEQC軟件模擬，蘭考地區(qū)明化鎮(zhèn)組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是白云石和方解石；館陶組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是云母、白云石、方解石、高嶺石和石英。通過室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)中沉淀物的XRD衍射分析，不同溫度條件下，主要腐蝕沉淀產(chǎn)物包括鐵化物、NaCl、Ca-CO3、CaSi2O7F2、CaPO3（OH）·2H2O中的一種或幾種。建議蘭考地區(qū)地?zé)崴毓嗲斑^濾沉淀物、堵塞物，針對上述化學(xué)沉淀或腐蝕沉淀產(chǎn)物選擇環(huán)保型的阻垢劑、除垢劑等，有效去除井管材料的腐蝕產(chǎn)物，降低化學(xué)沉淀堵塞的發(fā)生，提高回灌效率。
3.2 井管材料選擇
與其他地區(qū)地?zé)崴|(zhì)相比，蘭考地區(qū)水質(zhì)Cl-、溶解性總固體、Na+含量高，屬于鹽水，具有較高的腐蝕性。耐腐蝕是該地區(qū)井管材料選擇的重點(diǎn)之一，建議選擇耐腐蝕、耐高溫的管材，就目前的主流成井管材，推薦使用J55石油套管，不宜使用螺旋鋼管、無縫鋼管作為成井管材?？紤]電偶腐蝕作用［9］，并結(jié)合本次蘭考地?zé)崴g觀察實(shí)驗(yàn)中，鐵片上捆綁不銹鋼鐵絲時(shí)其鐵片的腐蝕速率均高于或基本相當(dāng)于鐵片上捆綁普通鐵絲（見圖10），盡量避免使用不同材質(zhì)或材質(zhì)差別過大的井管和過濾管作為成井材料，否則易形成局部電勢差，加快電偶腐蝕。
圖10 捆綁不同材質(zhì)鐵絲時(shí)試片的腐蝕速率Fig.10 corrosion rate of iron sheet wound with steel wire of different materials
3.3 優(yōu)化鉆井與成井工藝
蘭考地區(qū)地?zé)峁┡l(fā)展較快，在地?zé)徙@井之前應(yīng)做好當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)、地?zé)峋F(xiàn)狀的技術(shù)資料收集，吸取此前地?zé)峋ň^程的經(jīng)驗(yàn)，掌握更為詳盡的區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料。采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝時(shí)，建議結(jié)合蘭考地區(qū)使用膨潤土鉆井液體系鉆進(jìn)時(shí)在1200 m處發(fā)生粘附卡鉆事故及其處理經(jīng)驗(yàn)，提前做好預(yù)案，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系。目前，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在河南、北京、遼寧、貴州、天津等地區(qū)的地?zé)峋@井中都有成功應(yīng)用［10-14］，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝較鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝具有更強(qiáng)的攜帶巖屑能力，對孔壁的堵塞作用小，有助于提高回灌效率。石油鉆井工藝的理念是利用大泵量、高壓力、適當(dāng)?shù)沫h(huán)空間隙，使巖石呈體積破碎并以較高的速度上返，避免巖屑重復(fù)破碎、保持井底干凈，實(shí)現(xiàn)高效率的鉆井的目的。在鉆井工藝優(yōu)化方面，建議探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝在該地區(qū)地?zé)徙@井中的應(yīng)用。
地?zé)峋删康膶泳畯?、礫料類型和填充厚度、洗井是否充分等均會(huì)對回灌產(chǎn)生影響。充分的洗井是保障回灌效果的基礎(chǔ)。借鑒國內(nèi)砂巖熱儲(chǔ)回灌的研究，大口徑填礫成井工藝不易造成熱儲(chǔ)孔隙的堵塞，可以保證回灌的長期正常運(yùn)行［15］。
3.4 回灌溫度的平衡
目前，蘭考地區(qū)地?zé)峁┡?xiàng)目的回灌溫度在40℃左右。通過初步的室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嗾{(diào)查情況，在分析蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)、結(jié)垢趨勢、腐蝕性評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)上，溫度越高腐蝕速度越緩慢、腐蝕產(chǎn)物越少，有助于提高回灌率?；毓鄿囟韧ㄟ^改變回灌壓力對回灌量產(chǎn)生影響，理論上溫度越低回灌效果越佳［16］。建議在實(shí)際工作中，優(yōu)化地?zé)峁┡\(yùn)行過程，找到最優(yōu)的回灌溫度，保證回灌效果。需要結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)情況，做好前期工作，如有針對性的進(jìn)行回灌水水質(zhì)的處理，將低溫對回灌的影響降至最低，保證回灌效率。
3.5 項(xiàng)目做好選址
結(jié)合蘭考地區(qū)主要斷裂帶分布情況以及現(xiàn)有地?zé)峋毓嗲闆r，在項(xiàng)目可行性研究階段，應(yīng)結(jié)合地?zé)衢_發(fā)利用情況前期做好勘查工作，盡可能地充分利用主要斷裂帶進(jìn)行項(xiàng)目選址，場地條件不允許時(shí)，可采用定向井方式，從地質(zhì)設(shè)計(jì)上提高回灌效果。
4 結(jié)論
通過蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)分析、室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)、軟件模擬等方式，蘭考地區(qū)地?zé)崴g結(jié)垢趨勢、回灌影響因素及對策總結(jié)如下：
（1）蘭考地區(qū)地?zé)崴瓹l-、溶解性總固體含量高，腐蝕性高。通過PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，明化鎮(zhèn)組地?zé)崴蟹浇馐自剖鹊V物易發(fā)生化學(xué)沉淀；館陶組地?zé)崴懈邘X石、石英、方解石、白云石、云母等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀。
（2）蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч挠绊懸蛩刂饕ǎ旱責(zé)崴|(zhì)的高腐蝕性、地?zé)崴瘜W(xué)沉淀產(chǎn)物，鉆井過程中鉆井液材料對含水層堵塞，洗井不徹底，回灌溫度、回灌井選址等。
（3）提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч?，建議通過化學(xué)、物理方式進(jìn)行阻垢除垢、減少腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物對回灌井的堵塞作用；選擇如J55石油套管等耐腐蝕成井材料，降低腐蝕堵塞產(chǎn)物對回灌效果的影響；采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系，探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝等鉆井工藝的應(yīng)用，減少鉆井過程泥皮對含水層的堵塞，保證回灌效果。
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地?zé)豳Y源具有清潔環(huán)保、儲(chǔ)量巨大等特點(diǎn)。因地制宜開發(fā)利用地?zé)豳Y源對改善能源結(jié)構(gòu)具有積極意義，也是助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的具體舉措。截止2021年底，我國中深層地?zé)峁┡ㄖ娣e5.82億m2［1］?；毓嗍潜Ｕ纤疅嵝偷?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，影響回灌的因素有多種，包括地質(zhì)條件（裂隙通道、地下水運(yùn)移通道順暢程度等）、地?zé)崴|(zhì)、回灌井成井工藝［2］、井管腐蝕結(jié)垢、回灌堵塞（物理、化學(xué)、微生物、氣體）等［3-4］。本文結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)特點(diǎn)、井管材質(zhì)，室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)和PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件分析，從地?zé)峋毓嗟幕瘜W(xué)沉淀堵塞和腐蝕、鉆井與成井工藝等方面，分析了蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘤绊懸蛩睾蛯Σ摺?/p>
1 地質(zhì)及地?zé)峄毓喔艣r
蘭考縣位于河南省東北部，是國家能源局批復(fù)的全國首個(gè)農(nóng)村能源革命試點(diǎn)建設(shè)示范縣，也是河南省地?zé)崮芮鍧嵐┡?guī)?；迷圏c(diǎn)地區(qū)之一。蘭考地區(qū)主要斷裂為新鄉(xiāng)—商丘大斷裂（F3）、聊蘭斷裂的次級(jí)斷裂（F6）及推測斷層（F7、F8）（如圖1）。自2000年起，蘭考地區(qū)早期建設(shè)的井深1000m左右、以洗浴為主要用途的地?zé)峋鸩疥P(guān)停［5］。目前，蘭考地區(qū)中深層水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)深度為1500～2200 m，主要利用新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層，熱儲(chǔ)巖性上部為淺棕色砂礫巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層，下部為雜色砂礫巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層含水層。井口出水溫70℃左右，水量一般為80～120 m3/h，主要用途為地?zé)峁┡?/p>
圖1 蘭考城區(qū)主要斷裂分布Fig.1 Distribution of main faults in Lankao
根據(jù)資料收集和現(xiàn)場調(diào)查，蘭考地?zé)峁┡?xiàng)目中抽水井與回灌井的比例一般為1∶1、1∶2或1∶3［6］，地?zé)峁┡?xiàng)目開采井與回灌井深度基本相同，滿足同層回灌的要求［7］。在自然回灌條件下，蘭考地區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)地?zé)峋畣尉毓嗔?0～115 m3/h不等。位于F6斷裂東側(cè)與F3斷裂結(jié)合處附近的地?zé)峁┡到y(tǒng)，開采井及回灌井都位于F6斷裂東側(cè)即下盤位置，在自然回灌條件下，回灌效果不理想；位于F6斷層西側(cè)即上盤位置的地?zé)峁┡?xiàng)目回灌效果較好，有實(shí)例表明，此區(qū)域內(nèi)單井回灌量達(dá)114.8 m3/h，加壓回灌量可達(dá)到170 m3/h。
2 回灌影響因素分析
2.1 流體特征及化學(xué)沉淀
根據(jù)蘭考地區(qū)現(xiàn)場取樣化驗(yàn)和以往收集到的地?zé)崴|(zhì)分析結(jié)果，該地區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型分別為：新近系明化鎮(zhèn)組上部（約300～800 m）以HCO3·Cl-Na型為主；新近系明化鎮(zhèn)組下部（約800～1300 m）以HCO3·Cl-Na型 為 主，還有少數(shù)HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系館陶組（約1300～2200 m）以Cl-Na型為主。通過對23組地表水、淺層地下水及地?zé)崴|(zhì)的匯總分析，主要指標(biāo)的垂向水化學(xué)類型特征變化趨勢為（圖2）：隨埋深增加，Cl-、Na+、溶解性總固體TDS呈增大趨勢，2000 m以深處呈小幅波動(dòng)狀態(tài)；Ca2＋、Mg2＋含量先降低后增加，2000 m以深小幅波動(dòng)；微量元素F-的含量淺層地下水含量較高，隨深度增加呈降低趨勢。
圖2 蘭考地區(qū)地?zé)崃黧w主要組分含量Fig.2 Main components of geothermal fluids in Lankao
根據(jù)地下水中化學(xué)平衡反應(yīng)的質(zhì)量作用定律和質(zhì)量守恒原理，運(yùn)用PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，對于館陶組的回灌水源能采用的有地表水、淺層水、明化鎮(zhèn)組上部、明化鎮(zhèn)組下部和館陶組同層水源，選取的“可能礦物相”，計(jì)算各水樣點(diǎn)礦物的飽和指數(shù)及淺層地下水到深層地?zé)崴窂缴系V物（氣體）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趨勢，選擇石英、鈉長石、鈣長石、鉀長石、鈣蒙脫石、方解石、白云石、石膏、螢石、巖鹽、高嶺石和伊利石為水文地球化學(xué)反應(yīng)可能的礦物相。在不考慮不同含水層相互污染的情況下，計(jì)算采用不同回灌水源混合后，回灌地層中主要礦物成分的飽和指數(shù)SI。飽和指數(shù)是水文地球化學(xué)研究中應(yīng)用最多的一個(gè)指標(biāo)，它研究的是礦物在地下水的飽和狀態(tài)。飽和指數(shù)反應(yīng)了礦物組分與地下水之間的相對狀態(tài)，即地下水化學(xué)組分溶解-沉淀的趨勢以及內(nèi)在的水動(dòng)力和化學(xué)條件。當(dāng)SI=0時(shí)，礦物在水溶液中處于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI＜0時(shí)，表明礦物在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；當(dāng)SI＞0時(shí)，表示該礦物相對水溶液處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。由計(jì)算結(jié)果繪制圖3。
圖3 不同熱儲(chǔ)層中主要礦物的飽和指數(shù)SIFig.3 Saturation index（SI）of main minerals in different geothermal reservoirs
通過模擬，在淺層水中，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、白云石、螢石、石膏、石鹽、伊利石、高嶺石、云母、石英的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；方解石的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，將發(fā)生沉淀。
明化鎮(zhèn)組上部和下部地?zé)崴?，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、螢石、石膏、石鹽、伊利石、云母、高嶺石的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；石英的飽和指數(shù)SI上部為-0.19、下部為0.09，在水溶液中處于基本平衡狀態(tài)；方解石、白云石的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。
館陶組地?zé)崴?，鈉長石、鈣長石、蒙脫石、螢石、石膏、石鹽、伊利石的飽和指數(shù)SI＜0，在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；高嶺石、石英、方解石、白云石、云母的飽和指數(shù)SI＞0，在水溶液中處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。
2.2 井管的腐蝕性
蘭考地區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w的水化學(xué)類型為Cl-Na型，抽取的5個(gè)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果中Cl-、溶解性總固體含量分別為7569～11131、13669～18954 mg/L，地?zé)崴哂械V化度高、硬度大、Cl-含量很高、水質(zhì)較差、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。長期在這種水質(zhì)條件下，在地?zé)峋淖儚郊耙陨喜课弧⒕芙涌?、水泵等處存在腐蝕現(xiàn)象，如圖4所示。
圖4 井管腐蝕情況Fig.4 Corrosion on well pipes
考慮到蘭考地區(qū)水質(zhì)情況，特別是其Cl-、溶解性總固體等指標(biāo)偏高，為初步觀察蘭考地區(qū)地?zé)崴诓煌榫诚碌母g與沉淀情況，分別采用普通鐵絲纏繞在試片（鐵片）上的方式浸泡在不同溫度條件下的蘭考地區(qū)采集的地?zé)崴驮ㄗ詠硭┲羞M(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，并分別記錄了30、60、90 d的變化情況，不同的組合條件見表1。
表1 腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)分組情況Table 1 Grouping of corrosion observation experiments
根據(jù)室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)過程，溫度越高，燒杯內(nèi)的沉淀物越多，鐵片和鐵絲的腐蝕情況也越嚴(yán)重。普通鐵絲和不銹鋼鐵絲在不同溫度條件下的地?zé)崴蜃詠硭h(huán)境中的變化情況見圖5、圖6和表2。
圖6 不銹鋼鐵絲在不同條件下的的室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)情況（90 d）Fig.6 Indoor observation experiment of stainless steel wire in different situations（90d）
表2 不同材質(zhì)鐵絲在蘭考地?zé)崴械母g變化情況（90 d）Table 2 Corrosion of iron wires of different materials in Lankao geothermal water(90d)
通過對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了X射線衍射和衍射圖譜的分析（如圖7～9），其中蘭考地?zé)崴⑵胀ㄨF絲組中，主要產(chǎn)物分別為：70℃實(shí)驗(yàn)條件下為NaCl，50℃條件下為CaCO3、Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3，常溫實(shí)驗(yàn)條件下為CaCO3、FeOOH。蘭考地?zé)崴?、不銹鋼鐵絲組中，主要產(chǎn)物分別為：70℃實(shí)驗(yàn)條件下為NaCl或鐵-硅-氧-金屬化合物，50℃實(shí)驗(yàn) 條 件 下 為Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3，常 溫 實(shí) 驗(yàn) 條 件 下 為Fe6（OH）12CO3、Fe2（OH）CO3、Fe（OH）3、CaSi2O7F2、CaPO3（OH）·2H2O、FeOOH。不同溫度條件下，蘭考地?zé)崴挟a(chǎn)生的腐蝕主要沉淀物不同，初步分析，由于溫度不同，腐蝕沉淀生成物也不盡相同，地?zé)崴毓噙^程中，由于回灌水溫度降低，一些沉淀物隨著溫度的變化溶解度降低而產(chǎn)生。
圖7 70℃蘭考地?zé)崴g產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.7 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 70℃
圖8 50℃蘭考地?zé)崴g產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.8 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 50℃
2.3 鉆井與成井工藝的影響
圖9 常溫實(shí)驗(yàn)條件下腐蝕產(chǎn)物XRD衍射圖譜Fig.9 XRD diffraction pattern of corrosion products at room temperature
鉆井與成井過程中鉆井液、孔內(nèi)事故、過濾器（直徑、類型、材質(zhì)、位置、長度等）、礫料規(guī)格及厚度、洗井等都會(huì)對未來使用過程中的地?zé)峄毓嘈十a(chǎn)生影響。蘭考地區(qū)地?zé)峋@井工藝以泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)為主，長時(shí)間的鉆進(jìn)過程形成的泥皮容易堵塞地?zé)醿?chǔ)層，若成井過程中泥皮清除不徹底，就會(huì)對回灌效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在該地區(qū)工程實(shí)踐中，普通膨潤土鉆井液體系在蘭考地區(qū)地?zé)峋@井過程中易發(fā)生卡鉆事故，通過采用低固相高潤滑雙聚鉆井液體系能夠較好地解決上述問題［8］。有案例表明，蘭考地區(qū)已建成的地?zé)峄毓嗑ㄟ^洗井可以提高回灌量，但其持續(xù)時(shí)間和回灌效果還有待通過項(xiàng)目的持續(xù)運(yùn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié)。
3 提高地?zé)峄毓嘈Ч膶Σ?/h2>
鑒于蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)Cl-、溶解性總固體含量高的特點(diǎn)，隨著地?zé)峄毓嗑褂脮r(shí)間的增加，井管內(nèi)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象有極大可能會(huì)對回灌產(chǎn)生影響。結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用情況、地?zé)崴|(zhì)的分析以及室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч蓮囊韵聨讉€(gè)方面著手。
3.1 地?zé)崴奶幚?/h3>
通過PHREEQC軟件模擬，蘭考地區(qū)明化鎮(zhèn)組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是白云石和方解石；館陶組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是云母、白云石、方解石、高嶺石和石英。通過室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)中沉淀物的XRD衍射分析，不同溫度條件下，主要腐蝕沉淀產(chǎn)物包括鐵化物、NaCl、Ca-CO3、CaSi2O7F2、CaPO3（OH）·2H2O中的一種或幾種。建議蘭考地區(qū)地?zé)崴毓嗲斑^濾沉淀物、堵塞物，針對上述化學(xué)沉淀或腐蝕沉淀產(chǎn)物選擇環(huán)保型的阻垢劑、除垢劑等，有效去除井管材料的腐蝕產(chǎn)物，降低化學(xué)沉淀堵塞的發(fā)生，提高回灌效率。
3.2 井管材料選擇
與其他地區(qū)地?zé)崴|(zhì)相比，蘭考地區(qū)水質(zhì)Cl-、溶解性總固體、Na+含量高，屬于鹽水，具有較高的腐蝕性。耐腐蝕是該地區(qū)井管材料選擇的重點(diǎn)之一，建議選擇耐腐蝕、耐高溫的管材，就目前的主流成井管材，推薦使用J55石油套管，不宜使用螺旋鋼管、無縫鋼管作為成井管材?？紤]電偶腐蝕作用［9］，并結(jié)合本次蘭考地?zé)崴g觀察實(shí)驗(yàn)中，鐵片上捆綁不銹鋼鐵絲時(shí)其鐵片的腐蝕速率均高于或基本相當(dāng)于鐵片上捆綁普通鐵絲（見圖10），盡量避免使用不同材質(zhì)或材質(zhì)差別過大的井管和過濾管作為成井材料，否則易形成局部電勢差，加快電偶腐蝕。
圖10 捆綁不同材質(zhì)鐵絲時(shí)試片的腐蝕速率Fig.10 corrosion rate of iron sheet wound with steel wire of different materials
3.3 優(yōu)化鉆井與成井工藝
蘭考地區(qū)地?zé)峁┡l(fā)展較快，在地?zé)徙@井之前應(yīng)做好當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)、地?zé)峋F(xiàn)狀的技術(shù)資料收集，吸取此前地?zé)峋ň^程的經(jīng)驗(yàn)，掌握更為詳盡的區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料。采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝時(shí)，建議結(jié)合蘭考地區(qū)使用膨潤土鉆井液體系鉆進(jìn)時(shí)在1200 m處發(fā)生粘附卡鉆事故及其處理經(jīng)驗(yàn)，提前做好預(yù)案，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系。目前，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在河南、北京、遼寧、貴州、天津等地區(qū)的地?zé)峋@井中都有成功應(yīng)用［10-14］，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝較鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝具有更強(qiáng)的攜帶巖屑能力，對孔壁的堵塞作用小，有助于提高回灌效率。石油鉆井工藝的理念是利用大泵量、高壓力、適當(dāng)?shù)沫h(huán)空間隙，使巖石呈體積破碎并以較高的速度上返，避免巖屑重復(fù)破碎、保持井底干凈，實(shí)現(xiàn)高效率的鉆井的目的。在鉆井工藝優(yōu)化方面，建議探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝在該地區(qū)地?zé)徙@井中的應(yīng)用。
地?zé)峋删康膶泳畯?、礫料類型和填充厚度、洗井是否充分等均會(huì)對回灌產(chǎn)生影響。充分的洗井是保障回灌效果的基礎(chǔ)。借鑒國內(nèi)砂巖熱儲(chǔ)回灌的研究，大口徑填礫成井工藝不易造成熱儲(chǔ)孔隙的堵塞，可以保證回灌的長期正常運(yùn)行［15］。
3.4 回灌溫度的平衡
目前，蘭考地區(qū)地?zé)峁┡?xiàng)目的回灌溫度在40℃左右。通過初步的室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嗾{(diào)查情況，在分析蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)、結(jié)垢趨勢、腐蝕性評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)上，溫度越高腐蝕速度越緩慢、腐蝕產(chǎn)物越少，有助于提高回灌率?；毓鄿囟韧ㄟ^改變回灌壓力對回灌量產(chǎn)生影響，理論上溫度越低回灌效果越佳［16］。建議在實(shí)際工作中，優(yōu)化地?zé)峁┡\(yùn)行過程，找到最優(yōu)的回灌溫度，保證回灌效果。需要結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)情況，做好前期工作，如有針對性的進(jìn)行回灌水水質(zhì)的處理，將低溫對回灌的影響降至最低，保證回灌效率。
3.5 項(xiàng)目做好選址
結(jié)合蘭考地區(qū)主要斷裂帶分布情況以及現(xiàn)有地?zé)峋毓嗲闆r，在項(xiàng)目可行性研究階段，應(yīng)結(jié)合地?zé)衢_發(fā)利用情況前期做好勘查工作，盡可能地充分利用主要斷裂帶進(jìn)行項(xiàng)目選址，場地條件不允許時(shí)，可采用定向井方式，從地質(zhì)設(shè)計(jì)上提高回灌效果。
4 結(jié)論
通過蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)分析、室內(nèi)觀察實(shí)驗(yàn)、軟件模擬等方式，蘭考地區(qū)地?zé)崴g結(jié)垢趨勢、回灌影響因素及對策總結(jié)如下：
（1）蘭考地區(qū)地?zé)崴瓹l-、溶解性總固體含量高，腐蝕性高。通過PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，明化鎮(zhèn)組地?zé)崴蟹浇馐自剖鹊V物易發(fā)生化學(xué)沉淀；館陶組地?zé)崴懈邘X石、石英、方解石、白云石、云母等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀。
（2）蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч挠绊懸蛩刂饕ǎ旱責(zé)崴|(zhì)的高腐蝕性、地?zé)崴瘜W(xué)沉淀產(chǎn)物，鉆井過程中鉆井液材料對含水層堵塞，洗井不徹底，回灌溫度、回灌井選址等。
（3）提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч?，建議通過化學(xué)、物理方式進(jìn)行阻垢除垢、減少腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物對回灌井的堵塞作用；選擇如J55石油套管等耐腐蝕成井材料，降低腐蝕堵塞產(chǎn)物對回灌效果的影響；采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系，探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝等鉆井工藝的應(yīng)用，減少鉆井過程泥皮對含水層的堵塞，保證回灌效果。
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