地熱尾水回灌設備聯系方式

1. 地熱回灌方式

(一)按工程結構分為對井回灌、同井回灌、外圍回灌

對井回灌是施工兩眼或兩眼以上的深井,形成一采一灌或多采多灌,根據目的層的不同又分為同層采灌、異層采灌;同井回灌是同一眼井在上部熱儲中用較大口徑成井,再在下部熱儲層中用較小口徑成井,由套管固井隔離兩個熱儲層,可以下抽上灌或上抽下灌;外圍回灌指在開采區的外圍或上游施工回灌井向熱儲層回灌。目前在各國實施回灌開采熱儲流體時,採用最多的是同層對井回灌開采模式,對井中開采井以一定流量抽水,而回灌井則把經過換熱器提取熱能以後的原地熱流體回注入熱儲層中。這種對井開采方案使地下熱源開采、地面綜合利用、尾水回灌形成全封閉循環系統,只消耗熱能不消耗水量,補充單井開采造成的熱儲流體的虧空,減緩熱儲壓力場的下降,這樣不僅可以防止排放棄水污染環境,還能通過回灌流體在儲層中的再加熱,使蘊藏在岩石骨架中的熱能帶出來得以循環利用,延長熱田開發利用年限,保證地熱井長年穩定開采。同時,由於對井回灌開采採取嚴格的全封閉系統,保證回灌水做到「原汁原味」,也利於保護熱儲層原有水化學平衡。

實際對井回灌項目中,有的將開采井與回灌井倒替運行,這樣做管線控制是沒有問題的,但實施中要提前考慮以下幾點:(1)持續的回灌井在儲層中有穩定的滲流通道,如改為開采井,可能會對儲層造成傷害;(2)一般回灌井溫度低,如開采利用,是否適宜供暖系統參數的設計參數;(3)如果采灌對井井口距離較遠,之間水平管線也是一筆很大的費用;(4)回灌井井口有一套過濾、加壓裝置,開采井則沒有,如果想切換,需提前設計。

(二)按進水通道的不同,地熱回灌有3種方式

從泵管內進水,注入儲層(孔隙型地熱井經過濾水管滲入含水層);泵管外進水,流體從泵管與井管之間的環狀空間進水,滲入含水層;整個井管(泵管內、外)同時進水。在回灌壓力和儲層周圍水位保持不變的條件下,泵管內、外同時進水,水流斷面最大,水流阻力最小,回灌水量最大;當井管的直徑比泵管大較多時,泵管外水流斷面大於泵管內水流斷面,水流阻力小於泵管內,泵管外環狀空間回灌量大於泵管內回灌量;但泵管內進水方式能有效防止氣堵,依靠控制閥調節回灌量,由小到大逐漸增加,在較易產生氣體阻塞的沉積盆地型回灌井中普遍採用。

(三)按流體注入儲層的壓力方式不同,分為自然回灌、真空回灌和加壓回灌

依靠大氣壓力、井筒液位水柱壓力以及利用系統尾水壓力為驅動力進行回灌的方式為自然回灌。

真空回灌又稱負壓回灌,是在具有密封裝置的回灌井中,先開泵使井管和地面出水管路內充滿流體,然後停泵並立即關閉泵出口的控制閥門,此時由於重力作用,井管內地熱流體迅速下降,在管內的液面與控制閥之間造成真空度,在這種真空狀態下,開啟控制閥門和回灌水管路上的進水閥,靠真空缸吸作用,水迅速進入管內,並克制阻力向含水層中滲透。真空回灌運行時嚴禁空氣混入井管或輸送管路。

當自然回灌和真空回灌不能正常實施時,依靠外力(壓力泵等設備)作用在回灌系統中增加壓力,進行強迫回灌的方式為加壓回灌。加壓回灌是增加回灌量的一種補救措施,但是由於地層構造不同,特別是膠結較差的孔隙型地層結構,加壓回灌可能會造成對地層結構的破壞。原因是在強壓力推進時,回灌流速加大,地層中膠結較差的粉細砂將被搬運。隨著搬運距離延長、流速降低,在某一區域內粉細砂粒將會滯留。這種情況一旦發生,原本細小的砂岩孔隙將被緊密堆積,回灌堵塞的現象就此發生。因此,在採用加壓回灌時,通常需要考慮定期或不定期的空壓機氣舉或反抽回揚洗井,以清除附著在濾水管內表面上隨回灌流體進入的雜質,疏通濾層網眼和過水通道,減少回灌井管及周圍熱儲物理、化學阻塞,提高回灌能力。

自然回灌、真空回灌和加壓回灌方式主要是通過水壓驅動實現回灌,這一點在砂岩孔隙型地熱回灌井中表現的比較明顯。除此之外,依靠回灌流體與儲層中地熱流體的密度差異產生的重力作用來驅動,這一點在岩溶裂隙型地熱回灌井表現的比較明顯。

2. 地熱回灌技術的發展和現狀

1.國外地熱回灌技術發展概況

有關地熱回灌的研究及實際生產始於20世紀60年代末。在地熱資源豐富的日本,開采技術較成熟,通過回灌主要是解決棄水中有害物質含量過高等問題;而紐西蘭的布蘭德蘭茲地熱田「對井加壓封閉式回灌」則較好地解決了地熱發電後棄水所含的有害物質及余熱造成環境污染問題。

高溫地熱回灌最有代表性的實例是美國加州北部的Geysers地熱田。該地熱田有500多眼地熱井,建有世界上最大的地熱發電廠,總裝機容量超過2000MW。為了增加地熱蒸汽產量,從20世紀末開始架設用於回灌的輸水管線,將周圍幾個地區的棄水輸送至Geysers地熱田進行加壓回灌,在處理城鎮廢水的同時總計增產了100MW發電裝機容量。另外美國在利用地熱發電的地熱田(帶),採用多種方法回灌,保證發電廠正常運轉方面成績也較突出,如加利福尼亞州的一個地熱發電廠從80km外山區,落差700m引入中水回灌,保證了充足的地下高溫蒸汽發電。

法國則是低溫地熱回灌效果最顯著的國家。巴黎附近的Melunl』Almont早在1969年就建立了世界上第一個對井系統,將地下2000m深的、含鹽量較高的熱儲流體開采利用後通過另一眼同層深井回灌到熱儲中,1995年又開始嘗試二采一灌系統,至今已有70多對采灌井運行,並建立了相應的回灌數學模型,模擬回灌過程中溫度場的變化,具有一套完整的采-灌系統工藝和先進的回灌技術。

冰島Laugaland地熱田則在示蹤回灌技術方面經驗豐富。利用示蹤試驗方法定量研究采、灌井之間的水力聯系;對不同采、灌量條件所引起的開采井溫度變化進行定量模擬;結合熱流體化學成分、性質等動態特徵長期跟蹤監測資料,進行水化學質量平衡模擬計算,判斷開采井中回灌流體的回採率等。

據2008年度亞洲地熱資源直接利用國際研討會有關資料,目前德國在回灌工作中進行了以下方面廣泛的研究和試驗:①對含水層宏觀(斷裂影響、分布、垂向結構變化)、微觀(孔隙度、孔徑、顆粒排列)等特徵進行研究,如確定砂岩回灌儲層應具備有效孔隙度大於20%、滲透率大於0.5μm²、砂層厚度大於20m、0.063mm以下粒徑(泥砂和粉砂)的比率不能超過10%～12%、平均膠合率不超過8%～10%等特點;②對流體的化學組成(流體自身的性質、流體-流體的混合作用、流體-岩石的反應)、懸浮物、流體中所含氣體、井口流體的溫度、回灌溫度等進行測試,在詳細了解一系列參數後開始對回灌作出可靠的預測和試驗。德國回灌效果較好的代表性項目有 Waren,Neuruppin,Klaipeda,Neubrandenburg等,回灌量多在50m³/h左右,最大的可達到150m³/h。

從各國不同目的、不同方式的回灌實踐來看,地熱回灌到現階段已發展成一項較為成熟的實用技術。但是世界各地的回灌工作主要是在高溫裂隙型地熱田中進行,中低溫孔隙型熱儲中則普遍存在回灌量衰減等問題。

2.國內地熱回灌技術的發展和現狀

地熱回灌於20世紀70年代開始。伴隨著地熱資源規模化、商業化的開發利用,熱儲壓力下降過快和日益嚴重的環境熱污染問題突出表現出來。為此,逐步開始了深部對井和多井原水加壓、自然采灌或集中回灌,通過多年實踐,逐漸掌握了回灌工藝和回灌關鍵技術,並取得了較好的效果。1979年江西宜春溫湯熱田用河水在震旦系變質砂岩斷層交叉帶進行人工回灌,以抬高生產井的水位、增大水量、增高溫度。1986～1987年華北石油管理局水電廠在河北省任丘市新近系館陶組孔隙熱儲進行了單井回灌試驗,主要研究吸水指數變化規律及注水溫度對吸水指數的影響和解堵措施。北京地區為解決長期開采地熱流體引起的水位下降,於1980～1981年在東南城區地熱田26號基岩井用冷水進行了單井回灌試驗,研究回灌對抬高地熱田區域水位的作用,探索了不同回灌量對熱儲層的溫度效應。2001年在小湯山地熱田開始進行地熱回灌,2004年回灌井數增加到6個,回灌量達到102.7×10⁴m³/a,占當年熱田開采量的36.5%,2006年回灌量達到132.27×10⁴m³/a,占當年熱田開采量的56.6%。目前北京市地熱回灌總量超過150×10⁴m³/a,通過控制開采量,增大回灌量,主要開采層霧迷山組熱儲層水位下降幅度近年逐漸減小,甚至在2005年還出現熱儲壓力回升現象,地熱回灌效果明顯。其他城市如杭州、西安、德州、福州、南昌等也陸續開展了相關回灌技術的開發和試驗研究工作。

天津地區對地熱資源回灌研究最早開始於20世紀80年代,經歷了以下幾個階段:①1982年天津地礦局為維持新近系明化鎮組熱儲水頭壓力就開始對井回灌、多井回灌數值模擬及回灌理論研究;②1990年天津地熱院、大港石油管理局和南開大學數學系在大港油田水電廠對新近系館陶組熱儲進行回灌試驗,通過試驗證明在中低溫孔隙型熱儲中進行回灌是可行的;③1995年以後開始基岩熱儲回灌研究,開展了示蹤試驗,成立了專門回灌研究部門,總結出了同層對井采灌、同層二采一灌、異層對井采灌、定向對井采灌等模式的實踐經驗,在回灌規劃布局、回灌井鑽井技術和成井工藝、回灌方式、地面防阻防堵配套工藝及處理設備、回灌系統地面工程建設、日常回灌運行規范性操作以及采灌前後水動力場、水化學場、溫度場跟蹤監測、示蹤試驗、數值模擬等方面,進行了深入研究,具有了成熟的回灌技術和理論成果。目前天津地熱回灌已經具有一定規模,回灌率以5～7個百分點逐年遞增,2008年度回灌量達到586×10⁴m³,占當年地熱資源總開采量的22.5%。尤其是基岩熱儲層回灌效果較好,其中主要開采層霧迷山組2008年地熱回灌率為33.4%,而奧陶系熱儲層由於有異層采灌致使年度回灌量大於開采量, 2006年至2008年的回灌率分別為122.5%,147.9%,138.8%,在回灌井附近熱儲層水位埋深明顯高於其他區域,且水位年降幅呈逐年減小之勢。天津在改進和完善新技術回灌,新方法的開發運用方面成果非常突出,建立了一大批梯級利用,在保護中開發地熱資源的示範工程。

雖然全國各地均進行了大量的回灌探索和研究,地熱回灌的作用和意義也已得到了各界的認同和廣泛關注,但總的來說,地熱回灌在全國推廣程度還比較低,沒有從根本上解決孔隙型熱儲可持續回灌問題以及基岩熱儲回灌量不穩定、井管腐蝕等問題。尤其是孔隙型熱儲層,開展回灌研究最早,回灌試驗最多,地面凈化系統精度最高,但目前對回灌流體運移機理、灌量衰減處理措施仍然沒有明確的認識和解決辦法,未能實現持續的、生產性回灌。

根據天津、北京、陝西等城市地熱田開發經驗,回灌工作應該在地熱田大規模開采出現問題之前開展。從未來的發展趨勢看,回灌無論是保護環境,還是保持熱儲壓力,保證地熱資源可持續開發都將起到重要作用。

3. 地熱回灌布井技術要求

一個地熱田內的回灌布局主要取決於熱儲資源開采強度、規模與熱儲條件,要做到統籌規劃、兼顧全局。由於地質構造特點、沉積環境、儲層結構、邊界條件對地層吸水能力影響較大,直接影響地熱井的回灌量和回灌效果,因此熱儲特徵是決定所採用不同回灌方式、回灌類型、回灌壓力的重要因素。據天津市多年回灌資料統計:沉積盆地型地熱田中,岩溶裂隙發育的基岩回灌井可灌性一般在70%左右;而位於深大斷裂帶附近的回灌井,由於斷裂使儲層岩石破碎,岩溶裂隙非常發育,回灌最易於進行,可灌性能達100%;但新近系孔隙型熱儲層由於滲透率小、岩石粒徑細,回灌效果相對就不算理想。

為了防止回灌過程中地熱田內熱儲產生較快熱突破和熱儲流體水質突變,集中開采區群井回灌布局考慮以下5方面因素。

1.儲層特徵和地質條件

在一個地質單元,由於較厚熱儲層的吸水能力更有利於回灌,因此回灌井一般應布設於相對較厚且穩定的儲層上,應避開儲層的較薄地區和邊緣地帶;另外,在基岩岩溶裂隙熱儲層中,如果采、灌井之間存在岩溶裂隙管道竄流,那麼回灌所產生的熱突破即熱儲流體的冷卻降溫現象可能性較大,因此為避免回灌在短時間內對熱儲層溫度場造成較大影響,回灌井不應布設在與開采井同一主構造方向的強徑流帶上。

示蹤技術在獲取儲層方向性非均質特徵和回灌流體運移規律方面有較大優越性:可分析熱儲層滲流場特徵、探索回灌流體質點運移特點、采灌井之間的水力聯系、預測采灌井之間熱突破出現的可能性及時間等,同時也可以採用示蹤劑試驗並結合熱儲地質條件分析、抽水試驗等方法,來判斷采、灌井間是否存在裂隙管道竄流關系,變更和調整不宜運行的采灌系統方案,為地熱田開發提供幫助,正確指導和優化規劃采、灌井的合理布局。用作地熱回灌的示蹤劑主要有:化學示蹤劑、放射性同位素和穩定同位素示蹤劑、活性示蹤劑、熒光染色示蹤劑。需要考慮的問題有:試驗井場的地質條件、熱儲特徵、示蹤劑種類、注入劑量、試驗周期、取樣制度、分析方法、本底背景、檢出精度、安全性等。

傳統的抽水試驗也是一種經濟有效的方法,如果計劃用作回灌的地熱井抽水時周邊某一方位開采井水位出現持續下降情況,說明回灌井與該方位開采井的水力聯系較大,這樣的對井是不適宜作采灌對井之用的,應及時變更或調整采灌系統方案。

2.采、灌井合理井距

井距包括采、灌井井口距離和目的熱儲層內的井底距離兩方面,兩種距離均要科學合理。回灌流體注入儲層後的運移情況非常復雜,且不同熱儲類型運移方式不同,如孔隙型熱儲注入流體在目的熱儲層中主要以水平徑流為主;而基岩熱儲中回灌流體進入基岩儲層後,首先以垂直向下徑流為主,增溫後水平運移、上返,情況復雜。可以說回灌流體在儲層中的運移方式,直接影響著采灌井的布局。

天津地區多年回灌經驗表明:采、灌對井的地面井口距離不應過大,井口裝置及監測控制系統適宜建在一個站房內,這樣更便於操作管理、有效監控,同時可縮短地面輸水管網,節省相應資金投入。保證對井井底合理井距則是更重要的一項布井原則:井距過大,注入流體對開采儲層的壓力維持作用不明顯,無法取得理想的回灌效果;而井距過小,尤其同層采灌對井,在構造條件復雜、流體動力場活躍的儲層中,若采、灌對井水力聯系較好,水流速度較快,相對低溫的回灌流體會沿裂隙發育通道較快進入開采區域,很快就會產生開采井的降溫現象,出現熱突破,這樣的采灌系統是不適宜運行的。

地熱采、灌對井的井底合理距離,主要取決於冷、熱流體混和鋒面自回灌井向開采井的運移時間和速度,並與儲層水文地質條件有關。根據AndreMENJOE等(1979)推導公式整理得知,各相均質同性、完整地熱采、灌對井井距遵循以下數學關系:

沉積盆地型地熱田勘查開發與利用

式中:D為地熱對井井底距離(m);ρβ_w,ρ_aβ_a為流體和儲層的熱容(MJ/m³·℃);Q為總回灌量(m³/d);b為熱儲層有效厚度(m);t為冷熱流體混和鋒面到達開采井的時間(d)。

從關系式可看出這一理論井底距離主要與對井所處地質條件、儲層特徵和回灌規模有關。實際設計孔隙型地熱采、灌對井布局時,為避免相互干擾或過早出現熱突破現象,同層對井井底之間的距離應不小於合理井底距離計算值D。設計裂隙型地熱采灌對井布局時,在進行地質構造條件分析的基礎上,常採用垂直主裂隙發育方向布井,進行類比,分在兩個地質構造單元或通過完成的一眼井進行抽水試驗,分析曲線類型後再布第二眼井。

如果場地條件無法滿足這一要求,或地熱井分布較集中的地區,在布設對井時可以考慮適當減小井底間距,但應加大回灌井的深度,一般掌握比對應的開采井深200m左右的原則。因為回灌流體的水溫相對較低,密度相對較大,回注入儲層後由於重力流而向下運移,與地熱開采井在開采時流體運動特徵正相反。這種布井方式可以有效減緩由於回灌流體與熱儲層內流體溫度差產生強烈對流作用,從而避免對熱儲層溫度場造成影響和破壞。

3.布設回灌井的場地條件

一般早期地熱田的開發,利用模式較為單一、粗放,多以單井開采為主,尤其在熱儲條件較優越、經濟建設較發達的城市中心,開采強度規模均較大,多數形成了集中開采區,且地熱井的布局也較密集。但隨著時間的延續,一方面是開采條件已不樂觀,回灌勢在必行;另一方面是回灌井的布設受市政道路、建築設施、施工場地以及采灌井合理井間距等諸多因素影響。因此一個地熱田在開發伊始,回灌布局規劃就應未雨綢繆;而處於開采中後期的地熱田,受施工場地、地質條件等客觀條件限制,如果補建回灌井,可能由於井距較近,需要布設定向井來保證目的層的距離滿足采、灌井之間的合理井距要求,才能做到開采、回灌互不幹擾。定向井施工要根據現有地熱井的布局來確定合理的井方位角、井底水平位移和井斜角,根據地質條件設計井身結構滿足定向井施工需要。

4.可操控性

回灌布局規劃需具有很好的可操作性,這樣才能為下一步的回灌實施工作提供技術支持。可操作性主要體現在以下幾個方面:地質條件滿足、場地條件具備、技術經濟可行、符合各方利益。

5.回灌流體水質

充分回收利用後的地熱尾水是回灌的主要目的之一,但前提是不能破壞原始儲層性質和流體特性。由於不同水質的流體相混,在溫度較高、壓力較大的深部儲層所引起的化學反應及生成的沉澱物往往難以預測,所以進行地熱回灌時應遵循原水同層回灌的原則,且應對地下水流性質和不同溫度下水岩相互作用進行評價;不能做到同層回灌的異層采灌系統,開采層的流體水質應好於回灌層,要求水質類型一致,pH值、礦化度相近,主要離子含量差異不大。同時應在回灌之前進行兩種(或多種)不同水質的配伍試驗,對水質混合和水岩相互作用作出評價,證實兩種(或多種)流體的配伍性好,對儲層無傷害方可注入,防止回灌水源對儲層水質和儲層滲透性的傷害,以免造成不可逆轉的有害影響。

4. 建立地熱能實驗室需要哪些設備

以上僅供參考

5. 地熱回灌目的

地熱資源利用總是以集中開采方式出現。當持續開采或開采強度逐漸增大專時,會出現屬補給能力小於開采強度,發生熱儲壓力下降等不良地質環境問題。為了減緩開發地熱資源對地質環境的不良影響,保持地熱田的可持續開發,地熱回灌是積極、有效的措施。

地熱回灌是將利用後溫度降低了的地熱流體或其他水源,經過水質處理後通過回灌井重新注入熱儲層的一項技術工程。它不僅僅是回收處理供熱循環尾水、減少排放,更重要的意義是灌入儲層的低溫流體可以從岩石骨架中再獲熱能,增加熱儲壓力,達到循環利用地熱資源的目的。有效的回灌對延長熱田使用壽命、減少供熱尾水排放對環境污染、預防因開采而引起地面沉降具有十分重要的意義。目前採取回灌式開采地熱資源已得到共識,有的國家已將回灌作為地熱勘查開發和地熱資源管理的一個重要組成部分。

6. 孔隙型地熱回灌典型實例分析

天津地熱田屬典型的沉積盆地型地熱資源,回灌開采歷史長、規模大。據統計數據,2008年度回灌量近600×10⁴m³/a,整體回灌率近23%,其中基岩回灌率達41%,效果明顯。相對而言,孔隙型熱儲回灌工作進展緩慢,回灌率不足2%。究其原因是由於各種因素引起的堵塞致使回灌量衰減過快,回灌率太低,難以做到連續穩定的回灌,這些問題一直是阻礙其回灌工作快速發展的重要因素。影響回灌效果的原因很多,除了孔隙型儲層「先天存在缺陷、後天易受損害」的特徵外,主要有三個方面:一是成井過程對儲層造成傷害,包括井身結構選擇,鑽井液、洗井方式和成井工藝等;二是地面回灌系統,包括地面凈化系統、回灌方式、采灌井間距及回灌井的定期維護;三是回灌流體進入儲層以後與儲層及地熱流體的物理作用、化學作用等。謝玉洪等將其歸納為儲層的外在傷害因素(鑽井、開采、修井引起)和內在傷害因素(儲層空間、礦物、岩石表面、強度,應力及環境變化)。在實際進行回灌操作時,如果能較好的解決對儲層傷害問題,且回灌運行操作技術措施得當,回灌率是有望得到提高的。

天津東部的濱海新區大港某職業學院內,有孔隙型地熱井兩眼,目的層均為館陶組,開采井DG-49為校區宿舍、教學樓及辦公大樓提供供暖熱源和生活熱水,回灌井DG-49B用於循環尾水回灌。該供暖系統運行狀況不理想,能耗大、資源利用效率低;回灌系統不規范,同時,該地區館陶組儲層泥質含量大,多為粉細砂,導致回灌量較小,回灌持續時間短,資源浪費嚴重。針對存在問題對供暖系統和回灌系統進行多種技術改造後,資源利用率和回灌率得以提高,最大限度的減少了資源消耗。

1.原對井回灌系統存在的問題

開采井DG-49於2005年成井,目的層為新近系館陶組下段,井口流體溫度61℃,成井初期最大流量為81m³/h,實際平均開采量為64m³/h,供熱面積9×10⁴m²;回灌井DG-49B目的層館陶組下段,井深1892m,出水溫度62℃,成井初期流量為85m³/h。該項目建成之初,開采井和回灌井泵房均處於地下,DG-49B井泵房內長期積水,井口設備受到強烈的腐蝕,井房大小為3m×2m×3m,空間狹小,沒有任何監測儀器,地熱換熱後直接進行回灌,沒有任何水質處理措施及加壓等其他配套設施,回灌效果差,回灌量僅10～15m³/h。

2.回灌系統改造

鑒於該項目回灌效果不佳的狀況,依據《天津市地熱回灌地面工程建設標准(DB29—187—2008)》和《天津市地熱回灌運行操作規程》(2006年)等地方工程建設標准和行業規程,對回灌系統進行整體改造。將開采井井口改造修建成景觀亭台式地下泵房,進一步完善泵房功能,泵房室內面積近40m²,高2.6m,泵房地面及四周牆壁均做了防水處理,泵房屋頂提供井泵檢修及提、下泵所需的活動井泵孔,室內有0.8m×0.8m×0.8m的集水坑,集水坑內設置潛水排污泵,棄水可通過潛水排污泵提升到室外排水處。回灌井DG-49B的改造包括提升井口,在地面修建了空間較大的井泵房,並安裝了溫度變送器(0～50℃,L=100mm)、壓力變送器(0～1.6MPa)、電磁流量計、自動水位監測儀等一系列監測裝置,同時安裝了下位機,建立了智能遠程式控制制系統;為了與智能化監測系統結果相互校核,更准確、更穩定的觀測回灌運行參數,同時在井口安裝人工監測裝置,包括熱水表、溫度表(0～50℃)、壓力表(0～1.0MPa)、水位測管,用以監測流量、溫度、壓力、水位等動態參數;回灌井泵房內安裝有具備反沖洗功能的精度為50μm的粗效過濾器(DL3P-2S)和精度達到3μm的精密過濾器(LGFN-125-1.0B),配備反沖泵、反沖儲水箱、排氣灌、加壓泵等各種設備,用於對回灌流體進行地石凈化處理和加壓;在房頂安裝了電動葫蘆,用於方便提下泵;同時設置有排水溝及排水地漏,用於收集地面散水或設備溢流;各類輸水管網均採用普通鋼管並進行防腐防垢處理,同時選用厚為30mm的聚氨酯保溫層、外包0.5mm鍍鋅鋼板保溫。

改造後回灌系統中,地熱循環尾水先行經過粗效-精密兩道過濾流程後,再通過排氣裝置進行排氣處理,流體最後從回灌井注入儲層。同時加壓泵的設置能隨時在回灌量不理想時啟動,進行加壓回灌試驗和壓力回灌。

3.回灌試驗

回灌試驗在冬季供暖期進行,進水方式為井管與泵管的環狀間隙,回灌量通過閥門控制。為方便回揚,回灌井中下置潛水泵。試驗中的各項參數由電磁流量計、溫度感測器、壓力感測器和自動水位監測儀等進行實時監測。共進行4組試驗,持續時間75天共1800小時,試驗具體數據見表7-4。

表7-4 DG 49B井回灌試驗相關數據

第Ⅰ組:自然間歇回灌試驗。依靠流體自重進行的自然回灌,當回灌井內水位接近井口時則停止,以自然間歇方式恢復水位24小時後開始進行下一次試驗,反復多次以判斷自然間歇情況下回灌井的回灌能力。

第Ⅱ組:定流量「回揚—回灌」試驗。回灌量控制在20m³/h左右的自然回灌,每次試驗開始前先進行一段時間的回揚,以判斷不同回揚量對回灌能力的影響。

第Ⅲ組:大流量「回揚—回灌」試驗。試驗前先進行一段時間的回揚,回灌量以30m³/h為目標逐漸增加的自然回灌試驗,以判斷「回揚—回灌」模式下回灌井的最大回灌能力。

第Ⅳ組:加壓回灌試驗。回揚後先自然回灌,當水位漲至井口後開始加壓回灌,額定壓力穩定在0.2MPa,加壓後將回灌量上調至40m³/h,以此判斷壓力對回灌效果的影響。

從試驗數據可知:DG 49B回灌井在自然間歇模式下回灌能力是有限的,沒有回揚的第Ⅰ組試驗較其他3組回灌量要明顯偏小,且間隔24小時之後的每次試驗回灌量出現遞減,無論從回灌持續時間還是累計回灌量上,均清楚地反映出「回揚—回灌」模式下的回灌能力強於自然間歇模式。

圖7-1是此次第Ⅰ、第Ⅱ組試驗的回灌效果圖(吸水指數指單位時間內回灌量與井底壓差之比值,為衡量回灌井回灌能力和效果的重要指標),對比圖上各曲線形態可發現:經過第一次回揚4小時後, DG-49B井回灌能力能基本恢復到回灌初期的水平(曲線Ⅱ-1);再經過第二次回揚8小時後,回灌能力得到了顯著提升,在灌量基本穩定的情況下,回灌延續時間也大大延長(曲線Ⅱ-2);到了第三次回揚4小時後,DG-49B井的回灌能力與前一次相比有了一定程度下降,並在一段時間內回灌量不穩定出現大幅波動(曲線Ⅱ-3),但總體而言,其回灌效果仍好於前4次試驗。由此表明定期回揚措施可以使回灌井的回灌能力,得以逐步恢復,但隨著回灌量的不斷累計,在回揚量不變的情況下,回揚的效果會逐漸減弱。

「回揚—回灌」實際上是回灌能力「恢復—消耗」的過程。在「回揚—回灌」模式下,回揚率(即一次回揚量與回揚後能夠注入的水量比值)越低,說明回灌能力消耗越緩慢,回灌效果越佳。從試驗數據分析:回揚率在20%～30%時,平均回灌量可維持在20m³/h左右,回灌持續時間最長,累計灌量也較大。但應避免回揚率過大,防止儲層可灌能力過度消耗,影響回灌的持續,如第Ⅲ組大流量「回揚—回灌」模式下,回揚率大於50%時,回灌的整體效果就不太理想了。從實際運行數據來看,回灌操作時應以小流量開始,在一定時間後再以額定流量回灌,這樣可有效延長回灌的持續時間,降低回揚率。

圖7-1 DG-49B井吸水指數歷時曲線

圖7-2 DG-49B井加壓回灌歷時曲線

孔隙型熱儲層中要想增加回灌量,「回揚—加壓回灌」方式是一種不錯的選擇。DG-49B井在加壓到0.2Mpa時,回灌量盡管也出現衰減,但最終衰減趨勢趨於平緩,並可逐漸穩定在30m³/h左右(圖7-2),加壓回灌量最大可增加20%左右。

該項目供暖期的生產性回灌採用封閉井口的帶壓回灌,以2天為一周期,遵循「回灌44小時—回揚4小時」的定時循環運行方式,其回灌量可提升至25m³/h左右。

4.試驗分析

綜合天津地區典型回灌實例,可以得出以下結論:

(1)正確認識儲層特點,選擇合理的采灌對井布局,有助於對回灌系統的長期運行。以孔隙型儲層為例,布置在古河道中的采灌對井自然回灌效果就好,天津塘沽、武清下朱庄館陶組回灌井回灌能力都在100m³/h以上;布置在深大斷裂下降盤、快速堆積的深凹陷區回灌效果就差,天津白塘口凹陷館陶組回灌井回灌能力在40m³/h左右。德國總結出用於地熱回灌的砂岩層應具備條件值得我們借鑒。

(2)回灌依靠抬高井口壓力使回灌水克服阻力向井筒外圍運動,而井口壓力又是各種因素綜合影響的結果。在一切條件均相同的情況下,回灌量隨井口壓力增大而增加。但兩者之間是一種非線性關系,可以根據回灌時的具體情況找出最佳灌量時的最佳井口壓力。

(3)造成地熱井回灌能力下降的主要原因是阻塞。當循環尾水被回灌到原熱儲層之後,化學的不相容性短期內不會起太明顯的作用,但有相當量的固體懸浮物質是由抽出的流動水體攜帶向回灌井的,從過濾截留材料中發現的斜長岩、鉀長石、石英,以及由劣質套管(潛水泵、測管、輸水管網)氧化而新形成的鐵-鋅氧化物與硫化物是引起堵塞、回灌困難的主要原因。

(4)孔隙型儲層厚度較大,熱能近70%賦存於岩石骨架,且一個采灌期僅為一年的1/3。以熱儲溫度77℃,回灌量50m³/h,回灌水溫38℃,76℃為冷鋒面為例,用二維流數值模擬結果顯示,回灌30年冷鋒面半徑為360-375m,最大冷水動力鋒面為570m,溫度場運移速度大約是水動力場運移速度的2/5。若生產井壽命為30年,回灌井距抽水井800-1000m,抽水井溫度不會受到影響(歐陽矩勤,1994)。

(5)盡管孔隙型熱儲回灌目前還是一個世界性的難題,但人們在不斷的實踐中也探索出了一些寶貴的經驗,如:「回揚—回灌」循環運行方式可以在一定程度上保證回灌的持續性;灌量應從小到大逐漸遞增;當地熱井的回揚率低於20%時,及時回揚反抽洗井是保證回灌持續的關鍵。天津地區的回灌實踐經驗只具有借鑒作用,對於不同的沉積盆地,應視熱儲層地質條件的不同,地熱井的成井技術、地面處理工藝、運行操作而異進行探索和完善。

7. 地熱回灌操作技術

經過在沉積盆地型地熱田中多年回灌實踐和探索,總結出一套回灌運行操作技術方法。它不僅是國內外其他地區類似地熱田回灌開采運行中成功的先進技術,同時也是結合當前國家地熱勘查、評價相關規范和法規,充分考慮回灌工作的發展趨勢而形成的。回灌是一項系統的復雜工程,實際日常生產運行中,綜合影響因素和注意事項較多,各環節都應有科學合理和可操作性強的技術要求和規程,才能使相關工作都做到有章可循,以規避各類隨意行為,防止事故發生,提高地熱回灌率。

1.回灌前准備工作的技術要求

(1)合理選擇適宜的回灌方式

為了保證回灌系統在真空密封狀態下進行,宜採取通過回灌水管內進水的方式進行回灌(需要反復進行回揚方式除外),回灌管應下至回灌井內靜水位以下5～10m的深度,整個運行系統應嚴格密封。地熱回灌應遵循原水同層回灌(成井目的層相同)的原則;不能做到同層回灌的異層采灌系統,回灌流體質量應好於回灌層的流體質量,保證回灌水對熱儲層無傷害。

(2)回灌系統管路檢查

地熱回灌管網系統應保持密閉狀態,且應始終保持正壓,各種監測儀表、儀器的運轉正常,過濾器的精度須達到規定要求。回灌運行前,要對整個系統管網系統進行徹底沖洗,保證系統管道及設備在充分清潔後再使用,以消除系統管路內的雜質被傳輸到回灌井內,影響回灌效果。

2.回灌啟動時的技術要求

在回灌運行正式啟動時灌量不宜過大,應從小到大逐漸增加灌量,如一開始就採用大流量回灌,容易造成井下濾層破壞。並且注入量由小到大可以盡可能的排除井管內的空氣,避免井管內空氣由於來不及逃逸而隨回灌流體壓入儲層內,產生氣堵。密切觀測回灌過程中壓力變化,調節回灌量,以壓力表、水位數據的變化情況來判斷回灌能力,待確認回灌通暢時,再逐漸增加灌量,直至正常運行。加壓回灌時,壓力也應從小到大逐漸增加。在運行一段時間後,回灌井內水位基本穩定(波動范圍在5～10cm/30min)或水溫無明顯變化時,分別在開采井井口、回灌井井口同時取樣送檢進行流體質量化驗分析。

3.回灌運行中的技術要求

在回灌運行過程中,應確保整個回灌系統的密閉狀態,對管網中的介面部分應隨時進行密封檢修。回灌運行時要密切監視開采井、回灌井的水位、開采量、回灌量、水質及過濾器兩端壓力、管路壓力等數據變化情況,正確判斷回灌系統的運行狀況,針對各種堵塞情況及時採取有效措施,如對於回灌管路的堵塞,可直接用連續反沖洗方法處理;對於回灌井本身產生的堵塞,可用間歇停泵空壓機氣舉洗井或回揚反沖洗的方法進行處理。

回灌運行時如果灌量隨著時間的延長而逐漸下降,同時反沖洗井效果不甚理想時,可採用加壓回灌、間歇回揚方式,以增加回灌量。在常壓自然回灌的基礎上,待回灌水管和放氣閥溢水後,關閉放氣閥從小到大緩慢加壓進行壓力回灌運行操作。如果壓力回灌時,灌量仍在不斷減小,說明系統堵塞嚴重或回灌井濾水管內表面上隨回灌流體進入的雜質不斷增加,回灌阻力增大,需要暫時停止回灌操作而採取間歇回揚洗井措施來疏通濾層,清除井下集聚沉澱的雜質,恢復回灌能力。當回灌井出水量恢復至初始出水量及水清砂凈後,停止回揚,再進行下一次常壓回灌與加壓回灌。抽水回揚後由於井內流體動水位下降,井管內充滿空氣,需要及時排氣。

4.停灌期間系統設施的養護

在地熱回灌系統停止使用期間,要認真封閉開采井、回灌井井口,對系統各部分進行密封處理,並且利用自動控制的氮氣保護裝置,將停用的地熱井液面以上的井管部分充滿惰性氣體,隔絕空氣,防止空氣滲入井管,造成氧化腐蝕。

5.地熱回灌系統中相關監測工作

為分析地熱回灌的綜合效應,其中一項較為重要而又基礎的研究內容就是對比分析回灌前後地熱井儲層參數的變化特徵。地熱回灌過程中的相關數據監測,並不僅僅局限於監測地熱田本身和地熱開發對熱儲層參數的影響,對與開采井、回灌井有關參數的定期監測應同時進行。水位、水溫、水質是最基本的監測內容。回灌運行前、停灌期間對開采井、回灌井進行靜水位及對應液面溫度觀測尤為重要。同時為保證回灌進展順利,在地熱回灌系統運行過程中,相關回灌開采動態信息也要定期實時監測,因為通過對運行數據的監測和數據分析,可以更多的掌握和分析出不同地層構造對回灌量的影響程度,回灌對維持儲層壓力、抬升區域水位的綜合影響。觀測項目要包括:回灌運行時開采井、回灌井動水位及對應液面溫度;開采量(開采總量和瞬時開采量)、回灌量(回灌總量和瞬時回灌量);井口壓力;過濾器進口與出口端壓力值及壓差;排氣罐口壓力、氣體組分和攜帶物、氣體釋放量、水質等。水位的監測頻率以每月1～2次為宜;各種壓力應隨時監測;氣體分析應在回灌初期進行。有些數據依靠普通的儀表儀器或常規取樣化驗即可獲得,但深層次的研究數據則需要特別手段,如懸浮物、細菌的定性定量分析需藉助油田精細檢測技術,深部熱儲層的溫度、壓力情況需通過井下測溫測壓技術等。

回灌流體的水質、儲層回灌前後流體化學性質及成分的變化是地熱回灌中需要重點長期監測的一項內容。地熱回灌各階段所獲得的水質跟蹤監測數據可及時發出警示,提醒及時採取相應防範措施。另外盡管在地面設施上已充分考慮了當溫度壓力變化可能造成的化學物理堵塞問題,但低溫回灌流體注入儲層後,與地層局部熱流體混合再發生的化學變化是一個很復雜很隱蔽問題,導致的潛在堵塞、腐蝕或結垢影響需作詳細地專項分析,長期跟蹤檢測。回灌系統水質監測項目應包括:全分析、酸性樣、鹼性樣、氣體樣、懸浮物、溶解氧含量、侵蝕性二氧化碳、過濾器殘渣樣、細菌樣(鐵細菌、硫酸鹽還原菌、腐生菌)等。回灌初期、中期各取樣監測一次;過濾器前、後要分別取樣;回揚早、中、晚期分別取樣;特殊情況如出現異常或專項試驗研究則要加密取樣和進行針對性取樣。

回灌對熱儲層地溫場的影響是在進行大規模回灌的情況下首先要監測的內容。由於地熱井開采時的流體溫度(即使是最大穩定流溫)也並不能完全真實地代表深部熱儲層的溫度,因此要取得地熱回灌對熱儲溫度場影響方面的實測數據,應有針對性的在某一回灌連續性較好的地點,在回灌停止時間段內,選取不同目的層的回灌井進行井下連續穩態測溫測壓工作,獲得熱儲層內各井段在一個停灌周期內的井溫、壓力資料。回灌井測井工作應從停灌後立即開始至下一次回灌來臨之前這一時間段內連續進行。最好每月進行一次;如考慮工作成本,也要做到每2個月測井一次。通過這些連續性的測井資料,才能更好的了解回灌後儲層溫度場、壓力場逐月變化情況和發展勢態。

8. 回灌流體水質處理措施

因為回灌流體中的固體懸浮顆粒、化學沉澱、微生物等是產生堵塞的主要因素,所以保證回灌流體的質量、減少懸浮物,避免形成微生物是解決堵塞的關鍵。

1.回灌水質基本要求

水質穩定,回灌水與儲層流體相混不應產生沉澱,不應使岩石礦物產生水化反應。

不得攜帶大量固體懸浮物,以防堵塞回灌井濾水管網或滲流裂隙通道。

不應是存放時間長、流經途徑過長,已滋生有各種細菌的二次污染水。

嚴格控制水中溶解氧的含量,對輸水管路、注水設施腐蝕性要小,如果回灌流體腐蝕率不達標時,應首先檢測溶解氧含量,因為當水中有溶解氧時可加劇腐蝕。

控制水中侵蝕性二氧化碳的含量。當水中侵蝕性二氧化碳等於零時此水穩定;大於零時此水可溶解碳酸鈣並對注水設施有腐蝕作用;小於零時此水有碳酸鹽沉澱出現。

限制回灌水中硫化氫的含量。系統中硫化物增加是細菌作用的結果,硫化物過高的水也可導致水中懸浮物增加。

回灌水的pH值應控制到7±0.5為宜。

控制回灌水中總鐵的含量,尤其是水源中亞鐵離子的含量,由於Fe²⁺的不穩定性或在鐵細菌作用可轉化為Fe³⁺而生成Fe(OH)₃沉澱,另外若水中含硫化物(S^2-)時,可生成FeS沉澱,使水中懸浮物增加。

表7 3是推薦的部分回灌流體主要控制指標。從中可看出,地熱回灌對水源質量要求非常嚴格,一般要求同層原水回灌,而且對其水質的要求也因熱儲層性質不同而異:孔隙型熱儲層的孔隙率雖然遠大於基岩裂隙率,但其孔隙直徑卻比裂隙小,迴流的懸浮物和化學沉澱更易聚集堵塞含水層,並極易滋生各類細菌,所以對水質要求更嚴格,一般要求回灌水質的鐵離子含量＜0.3mg/L,雷茲諾指數＞7.0,pH=8.0±,若地熱水中含有溶解氧,則應根據溶解氧的成分和含量對回灌水質提出相應要求。而在碳酸鹽岩類的基岩裂隙型熱儲層中回灌,除上述要求外,還要限制

的含量,防止磷酸鈣堵塞裂隙。

表7-3 地熱回灌水推薦主要控制指標

2.保證回灌水質的具體措施

(1)縮短水源循環路徑

水質較好、氯離子含量低的地熱流體可採用較為經濟、簡單的直接供暖方式,但由於地熱流體與供熱循環管網的金屬設備長期直接接觸,因此對其水質要求非常高,一旦系統漏氣或管道材質低劣,極易造成氧化、腐蝕,使循環水水質發生較大變化,因此直接供熱的尾水不宜作為回灌水源。對井系統一般要採用間接供熱方式,地熱流體通過換熱設備將所含熱量傳給供暖系統循環水,而換熱後地熱流體直接進入回灌系統,不直接接觸二次供暖循環系統,從而避免地熱流體與外循環管網直接接觸造成的水質污染,也避免地熱流體對外循環管網特別是室內散熱終端的腐蝕。地熱流體的變化主要是損失掉一部分熱量,溫度降低以及溫度降低後部分氣體的逸出,其他化學成分和性質基本不受影響,作為回灌水源通過回灌井注入熱儲層中,基本能做到「原水」回灌。

(2)回灌管網的材質

對井系統長期監測結果發現,如果回灌運行時採用直供鋼制管道,當地熱水流經鐵制管道和終端設備後,排放口處尾水中鐵離子的含量要大大高於地熱開采井出口處的含鐵量,並發現鐵細菌,當工作系統處於開口狀態時,系統腐蝕是較嚴重的。因此為有效防止腐蝕和物理、生物堵塞,在回灌輸水管道的材料上,應首選非金屬管材(玻璃鋼管材或PP-R管材)或內外塗塑復合鋼管,並做到回灌運行時全系統中應始終保持正壓,形成一個完整的嚴格密閉系統。

(3)過濾器

由於回灌水中的懸浮物、腐蝕後的生成物、沉澱物含量過高或細菌過多會堵塞多孔介質的孔隙,從而使井的回灌能力不斷減小直到無法回灌,因此通過預處理控制回灌水水質是防止回灌井堵塞、保證回灌效果的主要措施。

化學沉澱所引起的堵塞與懸浮物堵塞存在著交叉、重疊部分,某一方面的解決,也可能使另一問題迎刃而解。對這些問題提出理論上的合理解釋,有助於優化解決回灌中出現的不同原因的堵塞問題。回灌流體中的固體懸浮物質或化學沉澱物與液體的密度不同,重力作用影響明顯,比流體運動慢的顆粒就可能駐留在砂岩的某個位置而不隨流體運動,聚集到一定程度,就會以某種形式沉積下來,在儲層中尤其是砂岩地層中會堵塞多孔介質孔隙,從而使其回灌能力不斷減小直到無法回灌。井壁上吸附的細小顆粒或流體中所含的塊狀物雖然可通過回揚和酸處理的手段來消解,但地層內因顆粒駐留而形成的環狀阻塞區域則是反抽等措施不能完全消除的。另外地熱供暖系統長年運行,管道不可能經常更換,由於管路的老化、銹蝕,會使流經的地熱流體質量受到不同程度的影響,這種成分復雜的循環水作為水源來回灌,其效果必然會受到影響。在地熱回灌系統中增設過濾器是常用的水質凈化處理措施,可有效的除掉回灌流體中懸浮固相物、沉澱物和滋生的細菌,降低因水源質量不佳對回灌效果的不良影響。另外環境溫度或腐化等因素而在回灌流體中滋生的細菌所引起的堵塞較難處理,由於一般的加入消毒殺菌葯劑處理對熱儲層的影響較大,因此較好的辦法是採用超濾膜過濾掉水源中的細菌,這種過濾膜的濾徑級別精度要求較高,尤其適合運用於極易產生細菌堵塞的孔隙型熱儲回灌系統中。

目前在天津的基岩回灌工藝中,回灌水源經除砂處理後,在地面凈化措施上一般要求再增加濾徑不小於50μm的管道過濾或其他過濾裝置(粗濾),濾芯為第三代纏繞棒式或濾袋式,可多次沖洗重復使用,此種過濾裝置能有效將管道及系統殘留的相對直徑較大的顆粒過濾;而在孔隙型回灌井中則要求同時安裝精、粗兩級過濾系統,精過濾器精度應達到3～5μm,不僅要濾掉大部分懸浮顆粒,有效地減少物理堵塞,還可以有效地攔截或吸附一部分微生物,防止細菌堵塞。

(4)隔氧保護措施

由於地熱井內水位隨系統運行時間和采灌量變化影響較大,井內氣體空間容積有可能會變化幾倍,內部的壓力也會相應的變化。盡管採用再嚴格的隔氧措施,在井內容積變化較大時,閥門、孔板等截流部件可能出現局部負壓,如果閥門和截流器件密封不嚴,很難控制氧的滲入;同時地熱井投入運行後,管道和設備有含氧不凝氣體,其中的氧也有可能混入到地熱流體液面上的空間中。環空中長期有氧氣的存在,容易產生兩個方面的嚴重後果:一是井管的內壁、泵管的內外壁會慢慢生成銹片,當潛水電泵啟動引起井管和泵管震動時,這些銹片會脫落並掉入井底,可能堵塞井下濾水管和儲層通道,而且這種堵塞還可能是不可逆的,因為銹片的體積和重量較大,連回揚也很難將其抽出清除;二是泵管法蘭連接螺栓長期處於腐蝕環境中,加之泵管的震動,易斷裂使潛水泵脫落,造成事故。

氮氣保護是目前應用較多的地熱井防腐技術,利用自動控制的充氣裝置,將井內液面之上的井管充滿惰性氣體(如氮氣),以氮氣作為井封,可有效地維持井內壓力,阻止空氣中的氧氣滲入到井內。

(5)除砂器、除污器

為了保證地熱流體中裹攜的岩屑微粒尤其是新近系孔隙型儲層(因為岩性鬆散,細小的砂粒容易隨水流被吸出)的砂岩顆粒不被傳輸到回灌井口,生產井口處要求安裝除砂器、回灌井口增設除污器等水質處理措施,以減小過濾器的工作負擔。在天津的對井井口一般都安有這種裝置,效果較好。

(6)生活熱水不宜回灌

一般供應生活熱水的系統為了進行除鐵處理,需要設置曝氣裝置、過濾及儲水箱。由於流經途徑較多且長,可能會由於儲存時間過長或條件的變化滋生細菌或產生其他污染(停留在水箱中40℃左右的生活熱水溫度最適宜細菌滋生或促進細菌的繁殖),盡管這種生活熱水未進行任何化學處理,但由於系統原因,循環的生活熱水是不宜作為回灌水源的,應單獨設置管路直接排放。

(7)其他措施

因化學變化引起的水質問題較復雜,處理起來也很棘手,應根據所處地質條件和回灌流體水質具體分析可能的堵塞原因來制定相應的對策。運行中,視可能的堵塞原因運用機械的或是化學的辦法,對回灌井進行周期性的再生處理是保持其回灌能力的基本要求。其中可採用的機械方法有回揚反抽、空壓機氣舉射入高壓空氣或水以及分段沖洗等;化學方法包括加酸、加葯殺菌以及加入氧化劑等。

機械處理方法不難理解,也比較保險,例如定期對回灌井採取回揚洗井措施已成為多數回灌系統特別是孔隙型回灌系統保持回灌順暢的有效手段。但回揚反抽有可能會使儲層細顆粒重組而引起負面影響,需通過科學試驗制定出適宜合理的回揚方案。

化學處理方法針對回灌中的細菌堵塞具有一定效果。有些碳酸鹽地區通過加酸來改變流體的pH值,以防止化學沉澱的生成。為防止生物膜形成產生細菌堵塞,有效的方法是進行真空全封密回灌,避免水源在地面設備傳輸過程中受到污染,防止細菌入侵或空氣混入加速細菌滋生。但如果回灌井內流體已受到細菌污染或井管壁或濾水管網附近已滋生了細菌,那處理起來更為困難,這時地面的粗濾甚至精濾處理已起不到任何作用,這種井下細菌堵塞已形成時,常用的做法是採用回揚反抽等機械方法進行處理,但效果不想想時,只能採用化學滅菌處理方法去除井內流體中的有機質或進行消毒殺死微生物等手段,較常見的處理滅菌方法是向流體中加入氯消毒殺菌葯劑。但這種方法運用在地熱回灌中應特別謹慎,因為如果過量加入消毒葯劑會改變地熱水質,不相容的化學添加劑和抑制劑也會影響流體水質,有污染熱儲層的可能。

9. 地熱回灌示蹤試驗

示蹤試驗是獲取熱儲層滲流場特徵、回灌流體質點運移方向和速度、采灌井之間水力聯系以及研究回灌前後熱儲層溫度場、化學場動態變化的重要技術手段之一,在地熱資源開發利用中得到了廣泛的應用。一般而言,示蹤試驗的設計、操作和示蹤劑的選取因地熱田具體條件不同而有所差別,但其主要目的基本相同。

天津在1999年和2001年分別在同一井場、目的層均為薊縣系霧迷山組(Jxw)熱儲層中進行了化學示蹤和放射性示蹤試驗。選擇的試驗井場位置及各地熱井基本資料見圖7-3和表7-5。

圖7-3 天津示蹤試驗井場位置圖

1—斷裂;2—井底位置及井號;3—對井井口位置;4—定向井方位角

(一)化學示蹤試驗

HX-25為開采井,HX-25B為回灌井。示蹤劑投放井為HX25B地熱回灌井,回灌流體為經板式換熱器間接供暖後的地熱循環尾水,回灌流量基本為100m³/h,回灌水溫60℃左右,回灌時間為一個供暖期。觀測井選擇其周圍的HX-25,HX-26,HX-14,HX-09共四眼生產井。示蹤劑為20kg的碘化鉀(KI)。投放時間為1999年1月5日。投入方法是示蹤劑加供熱尾水稀釋後直接用鐵皮桶灌入回灌井的測管中。在加入示蹤劑的第二天就開始在觀測孔中取熱水樣,每天一次,水樣當天送到化驗室,另外每周觀測一次各生產井的水位、水溫。延續一個月後,改為每周取3次樣直至採暖期結束。試驗結果見圖7-4(曾梅香,2008)。

表7-5 示蹤試驗井場各地熱井基礎資料

(資料源於《天津市基岩岩溶裂隙熱儲層回灌研究》,2001)

圖7-4 觀測井示蹤劑I^-響應曲線

從圖7-4中可以看出,I^-離子濃度基本在0.09～0.15mg/L之間波動,沒有出現峰值,原因可能有:

1)取樣延續時間較短,沒有觀測到峰值。由於受深部地熱地質構造、儲層結構的影響,溶於回灌井中的示蹤劑在岩石儲層中傳遞速度慢,使示蹤劑在較短時間內無法到達周圍各觀測孔中,並從觀測孔的熱水離子濃度中反映出來。例如HX-25井,根據1997年7月抽水資料求得的滲透系數為K=2.22m/d,HX-25生產井井底距回灌井HX-25B井底距離為850m,從回灌井HX-25B井中注入示蹤劑要到達HX-25井中的時間應在一個採暖期以上(120d);

2)回灌井與觀測孔之間基本沒有水力聯系或聯系微弱。以往的各種抽水、回灌試驗,都選取了觀測孔進行同期觀測,從監測的結果看,回灌對周圍觀測孔的溫度場、化學場影響微小,可能與低溫回灌流體進入儲層後並非水平流向周圍開采井有關。或者說是各井之間直接的水力聯系不明顯,而是回灌流體經深循環後與開采井存在間接的水力聯系。因此,在觀測孔中要檢測到引起熱水的某種離子濃度的明顯變化將比較困難;

3)相對較大的熱儲層水體而言,示蹤劑的加入劑量較少,在觀測孔的離子濃度劑量上示蹤劑離子峰值反映不出來。由於地熱水中普遍存在碘離子,選擇碘化鉀作為示蹤劑,示蹤結果只能依靠示蹤離子濃度的突變來表現示蹤劑是否達到,因此,示蹤劑的選擇是不適宜的或者投放量應該是大劑量的。

(二)放射性示蹤劑試驗

2001年11月天津地熱院和北京中國原子能科學研究院國家同位素工程技術研究中心工業應用實驗室合作,進行了地熱回灌示蹤試驗。示蹤劑投放井仍為HX-25B,觀測取樣井分別選HX-25,HX-26,HX-14,HX-13共4眼生產井。選用半衰期較短的同位素³⁵S(

=87d)作示蹤劑,其檢測靈敏度約為0.5Bq。2001年11月27日,通過分析試驗場地的熱儲條件和流體動態特徵,估算在HX-25B回灌井中投放³⁵S350mCi(約1.3×10¹⁰Bq)。取樣方法為用5L塑料筒從生產井口取5L水樣,取出後立即加1mL穩定劑,蓋緊瓶蓋,室溫放置。樣品由北京中國原子能科學研究院國家同位素工程技術研究中心工業應用實驗室進行分析。該試驗從2001年11月28日開始至2002年5月20日止,共取樣551個。

根據樣品分析結果,4個觀測取樣孔中只有HX-14井中分析出了³⁵S,其他3個觀測取樣孔均未分析出³⁵S。說明HX-14和HX-25井之間存在一定的水力聯系,而與其他幾眼地熱井之間不存在水力聯系。HX-14井³⁵S響應曲線見圖7-5。從圖上可以看出130天左右³⁵S濃度達到了峰值。

圖7-5 HX-14地熱生產井³⁵S響應曲線圖

根據此次示蹤試驗數據,結合場地地質條件分析,可得出如下經驗與認識:

1)此次試驗只在HX-14井中檢測出示蹤劑成分,說明HX-25B與HX-14地熱井在采灌條件下有一定的水力聯系,間接表明兩井之間(NW)有相對直接的聯系通道。分析該井場的地熱地質條件,海河斷裂是一條區域性的深大斷裂帶,走向NWW。兩試驗井之間的聯系通道除受熱儲本身裂隙發育、采灌水動力場影響外,主要還受海河斷裂帶的影響,推測海河斷裂南側影響寬度在2km以上。同時該試驗結果也給我們一個提示,在采灌對井布局時,應垂直於區域主構造斷裂帶走向,以避免低溫回灌水在短時間內對開采井的溫度場造成影響。

2)試驗結果顯示在HX-14井中檢測到的示蹤劑濃度最大隻有1.229Bq/L,不到總注入量(1.3×10¹⁰Bq)的十億分之一。盡管示蹤劑會被巨大的熱儲流場所稀釋,但從檢測到的濃度較低、時間較短可以看出,回灌流體進入儲層後,只有一小部分沿斷裂優勢方向,在130天左右到達了HX-14井,而絕大部分在因密度差產生的壓力下垂向深循環補給到了其他區域。歷年的動態觀測資料也表明,HX-14井的出水溫度多年來基本穩定,沒有出現降溫現象,表明HX-25B回灌井的低溫流體對區域溫度場影響甚微。

3)將近40年的勘探、開發表明,在天津地區所有深度在4000m以淺的霧迷山組地熱井均有穩定的高產地熱流體,而且凡鑽遇該層位(無論其在什麼構造部位)均出現鑽井液(清水)明顯漏失現象,出水量穩定(吳鐵鈞,2005),說明霧迷山組熱儲層微觀結構具岩溶裂隙型各向異性,但在宏觀上具有裂隙均一、各向同性的特徵,巨大的厚度和良好的滲透性能使霧迷山組成為天津地區最大的地熱流體儲集層。本次示蹤試驗霧迷山組HX-25B地熱回灌井與其他同層開采井在采灌條件暫未發現水力聯系,也說明它們之間無管道流現象,熱儲裂隙發育均一。

4)目前在地熱回灌中,用作示蹤劑的主要有:化學示蹤劑、放射性同位素和穩定同位素示蹤劑、活性示蹤劑、熒光染色示蹤劑。但無論哪種示蹤劑,都應具備以下要求。

示蹤材料在熱儲層中的本底低,樣品中產出情況可充分識別、檢驗分析靈敏度高;

在熱儲溫度、化學、壓力條件下,與儲層和地熱流體不發生反應,具足夠的穩定性;

溶於水但不被儲層岩石吸附;

與被示蹤流體流動特徵相似、配伍性好;

放射性同位素示蹤劑要有合適的半衰期,安全無毒,具有環保和安全性能;

價格合理,使用數量適中,現場可操作性強並具經濟性。

5)盡管示蹤試驗結果給我們認識沉積盆地地下熱流體運移的復雜性有一個判斷依據,但仍有一些問題需要我們去思考。比如,流體在儲層中運動,會有優勢水流問題,那麼用示蹤劑的試驗結果如何去反推地下水流動?