① 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);ρβw,ρaβa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。
② 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(
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?
③ 東營市地熱資源開發利用與保護研究
李明
（山東省東營市國土資源局，東營257091）
作者簡介：李明（1967—），男，高級工程師，從事地礦管理工作。
摘要：本文闡述了東營市地熱資源的基本情況及開發利用現狀，指出其地熱資源開發利用與管理上存在的主要問題，並提出了地熱資源勘查開發利用和保護的措施與建議。
關鍵詞：地熱資源；開發利用；保護
東營市地熱儲量巨大，是繼油氣資源的第二大能源礦產。地熱作為一種新的、替代能源，具有其他能源無法具備的優勢，除了具有的熱能外，還具有醫療和保健功效。其開發利用可用於居民供暖、生活洗浴、溫泉理療、溫池游泳、溫室花卉、養殖等。在能源緊缺的今天，大力開發地熱資源，對於緩解能源緊張、減少環境污染、促進經濟的可持續發展具有重要意義。近幾年來，東營市委、市政府對地熱資源的勘查和開發非常重視，採取多項措施促進地熱資源開發利用，並取得了顯著成效。
1 地熱資源概況及開發利用現狀
東營市地熱資源是勝利油田在鑽探油氣資源過程中發現的，為進一步探明東營區域內地熱資源情況，幾年來投資325 萬元，先後組織實施了「東營市（東城）地熱資源普查」、「黃河三角洲地區地熱資源調查」、「東營市城區地熱資源評價」等項目。調查結果表明，東營市地熱資源自上而下有三個熱儲層組：館陶組熱儲層組、東營組熱儲層組、寒武系—奧陶系熱儲層組。埋深1000～1800m，熱儲溫度55～95℃，地熱水礦化度5～20g/L，單井出水量1000～2000m3/d，水化學類型為Cl-Na型，富含偏硅酸、溴、碘、鍶、鋰等有益化學組分。經測算，黃河三角洲地區三個熱儲層內積存的熱水量為4600×108m3，資源總量為3.60×1020J，摺合標准煤123×108t；可采熱水量為7.50×1010m3，資源量為7.85×1019J，摺合標准煤27×108t。
目前，東營市開發利用地熱井14口，其中東西城區地熱井7口，河口區地熱井7口，用於集中供暖的9口，供暖面積達4×105m2。地熱資源的開發帶動了房地產、旅遊和服務業的發展。如東營賓館作為東營市重要接待場所，開發利用地下熱水，興建集室內游泳、溫泉洗浴、理療為一體的多功能浴療中心，使地熱溫泉療養成為我市接待工作的一張名片，提高了服務檔次和競爭能力。同時，年節約費用150萬元，取得了良好的經濟、環境和社會效益。
2 地熱資源保護管理情況
眾所周知，地熱資源是有限的，再生能力差，若過量開采，超過允許開采強度，將導致資源的枯竭。為保障資源的可持續利用，東營市深入貫徹中央人口、資源、環境的基本國策，堅持「在保護中開發，在開發中保護，資源開發與節約並舉，把節約放在首位」的原則，在開發規劃、監督管理、地熱井監測、資源保護方面採取有力措施，加強對地熱資源的監督管理，有效保護了有限的地熱資源。
2.1 做好地熱資源的規劃工作
按照「綜合規劃，逐步實施，穩定推進」的原則，結合《東營市礦產資源總體規劃》的編制工作，進行了「東營市地熱資源開發利用規劃研究」，明確了地熱井的井間距等布局要求，避免了地熱資源破壞與浪費、生態環境污染等現象，使地熱資源得到合理開發利用，資源環境得到有效保護。近年來，東營市委、市政府對地熱資源的保護工作非常重視，2004年3月18日，市政府組織有關部門對天津市地熱開發保護工作進行了考察學習。為做到地熱資源的統一規劃、統一管理、合理布局、綜合利用，按照市政府要求，正在編制《東營市地熱資源開發利用保護規劃》。
2.2 加強地熱資源的監督管理工作
在地熱開發初期，為加強地熱資源的監督管理，合理開發、永續利用地熱資源，東營市邀請山東省內外有關專家對地熱資源的開發、地熱井的布設進行了研討論證，根據論證結論，東營市國土資源局於2003年印發了《東營市地熱資源管理暫行規定》。嚴把地熱井審批關，對不符合規劃的地熱井一律不予審批，保證了東營市地熱資源的合理開發利用。為進一步規范東營市地熱資源的開發利用，推進地熱資源的規模開發，市政府已將《東營市地熱資源管理辦法》納入2005年市政府規范性文件制訂計劃。
2.3 嚴格地熱資源開發規程
在地熱資源管理中，東營市嚴格執行地熱勘查開發規程，加強對地熱企業准入條件、礦產資源開發利用方案、地熱井施工隊伍、地熱井施工設計的審查，強化地熱施工監理和地熱井流量、水溫、水位變化情況的監測，要求采礦權人安裝設置流量表和觀測孔，及時掌握地熱井動態變化，為科學管理提供數據和參數，同時促使企業採用梯級綜合利用，提高地熱資源利用率。
2.4 注重生態環境的保護工作
在地熱資源開發利用的同時，加強對地熱尾水的排放管理。一是棄水溫度：嚴格按照《地熱資源開發利用方案》進行審查，尤其對地熱尾水的排放進行了規定，要求符合國家環保規定和標准，地熱尾水排放溫度不得高於25℃。二是礦化度：目前所開發利用的地熱井礦化度較高，在10～20 g/L之間。規定地熱尾水排放不能進入城市污水處理管網，一律進入雨水排放管網。
2.5 積極推進地熱回灌試驗工作
地熱回灌可改善或恢復熱儲的產熱能力，提高地熱資源的再利用效率，有效避免生態環境污染。為此，我們投資60 萬元，正在組織實施《東營市城區地熱資源人工回灌調查》項目。並立項開展「山東省東營市地熱資源潛力調查與保護」項目，項目的實施將對加快東營市地熱產業化步伐，改善能源結構，保證地熱資源的合理開發利用與資源環境的有效保護，推動東營市地熱產業的發展，具有重要意義。
3 存在的主要問題
3.1 地熱勘查程度有待進一步提高
雖然對東營市的地熱資源進行了多次勘查，但還沒有達到C＋D級地質儲量。因此，要進一步加大地熱地質勘查投入，加強地熱勘查、地熱資源量計算、地熱資源綜合評價、地熱綜合管理和地熱開發利用等方面的研究，提高資源儲量級別，保障地熱資源的可持續供給。
3.2 地熱資源利用率低，浪費資源的現象比較嚴重
部分地熱開發企業資源節約意識不強，工藝流程落後，技術力量薄弱，經營粗放，不採取綜合利用措施，資源利用率低，造成尾水排出溫度過高，既污染了環境，又浪費了有限的資源。
3.3 地熱資源開發與管理存在薄弱環節
地熱管理法規、政策、規劃和標准體系尚不完善，對地熱資源的破壞浪費缺乏強有力的法律約束，對地熱資源開采造成的生態地質環境問題難以進行有效監督；探礦權、采礦權市場尚不健全，采礦權人保護和節約資源的自我約束意識尚未形成。
4 措施與建議
4.1 強化地熱資源勘查開發利用的監督管理
堅持日常監管和集中整治相結合，加大執法監察和監督管理力度，嚴厲查處各類違法勘查開采和破壞浪費地熱資源的行為。嚴格執行地熱井的審批制度、設計審查、施工管理、鑽探監理、開采監測和水量控制等一系列監督管理工作制度，切實保護好、開發利用好地熱資源。
4.2 加強規劃實施管理
嚴格執行地熱資源規劃，強化對規劃的落實和管理，對地熱資源實行年度計劃開采，嚴格控制開采總量。及時、准確掌握城區地熱資源量變化，自覺接受社會對規劃實施的監督。
4.3 做好地熱勘查開發利用的監測工作
嚴格執行每井一表一孔制度，做好地熱井地熱地質動態監測工作，及時分析監測資料，掌握地熱井相關指標的變化情況，及時調整開發利用方案，保護好地熱資源。同時，做好地熱資源的勘查開發利用的研究工作，保證地熱資源的可持續開發利用。
4.4 制定優惠政策，推動地熱開發
在法律法規允許的情況下，適當減免開發地熱資源補償費，免收水利方面的規費，推動地熱資源的開發利用。同時，積極開展地熱資源回灌試驗研究工作，通過優惠政策措施，鼓勵地熱開采企業利用地熱尾水回灌補源。
4.5 完善探礦權和采礦權市場，推進地熱資源有償使用
積極完善和規范探礦權與采礦權市場，充分發揮市場配置資源的作用，引入市場競爭機制，對符合條件的推行通過招標、拍賣和掛牌等方式出讓探礦權和采礦權，逐步建立起礦業權人自覺保護和節約地熱資源的自我約束機制。
4.6 建立地熱開發資金，走以熱養熱的路子
從每年還返的礦產資源補償費中，拿出部分資金，建立地熱開發利用專項資金，主要用於地熱開發初期資源的勘查、評價、規劃、設計論證等，走以熱養熱的路子，促進地熱產業的蓬勃發展。
④ 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。
⑤ 地下水的人工補給
大氣降水的入滲補給、河流的滲漏補給等是在沒有人為因素影響下進行的，通常也是不可人為控制的，屬於地下水的天然補給。相對於天然補給，有時需要對地下水進行人工補給。地下水的人工補給指的是在人為有計劃的操縱下把水從地面轉移到地下含水層中的過程。人工補給是可以人為控制的。人工補給又稱為人工回灌、人工注水等。
人工補給地下水的目的在於補充和儲存地下水量，抬高地下水位或恢復含水層壓力，調節和改善地下水開采條件等。為了一些專門目的，有時也要進行人工補給地下水。例如為了防止海水入侵，保持地下熱儲層的熱能，在含水層中儲存熱能提供冷、熱水源，改善地下水質等。潛水含水層可以看作是巨大的儲水場所，當地形和地質條件適宜時，也可以看成是一個地下水庫。在豐水季節在地表水源充足時，可以將水儲存在含水層空隙中，以備日後開采使用。例如平面上面積為100km2、給水度為0.20的潛水含水層，通過人工補給使地下水位抬高5m，就可以儲存多達1×108m3的水。由於地下水運動是緩慢的，其蒸發排泄也很有限，只要合理調配，就可以回收利用絕大部分人工補給的水。
圖3.7 人工補給示意剖面圖
a—入滲坑；b—入滲池；c—入滲渠；d—大口徑入滲井；e—承壓含水層回灌井；f—加壓深井回灌
人工補給地下水的方式大體上分為兩類。一類稱為地表引滲法，是將需要回灌的水引流到地形低窪的滲水窪地、池塘、砂坑以及專門開挖的溝、渠、池中，讓水通過其底部下滲補給潛水含水層（圖3.7a，b，c），通過這種方法可以起到儲水和凈化水質的作用。例如，可以將雨季的洪水引滲補給地下水，作為旱季灌溉所用，起到水量調節作用。水流通過滲水池底部以下細顆粒物質時，細顆粒物質對水可以起到過濾作用。地表引滲法一般選擇在沖洪積扇和沖積平原中的潛水含水層。另一類稱為井灌補給法，是利用已有的抽水井或專門建造的注水井將水回灌到地下（圖3.7d，e，f），可以補給潛水含水層，也可以補給承壓含水層。井水回灌時可以自由灌注，也可以加壓進行灌注。對於淺層潛水含水層，可以通過大口徑井自由注入，對於深層承壓含水層，可以利用深井加壓進行回灌。
人工補給地下水遇到的困難有水源問題和堵塞問題。欲進行人工補給，必須具備足夠的回灌水源。通常是在豐水期及洪水期間將水匯集、引滲和回注。對於深層地下熱水開采井，可以在開采井附近打一口回灌井，利用地熱尾水回灌。堵塞現象既可以在滲水池中發生，也可以在回灌井中發生。既有物理堵塞、化學堵塞，也有生物堵塞，堵塞嚴重時可以大大降低滲水池的滲漏量，甚至使回灌井不能回灌。一般在細顆粒鬆散沉積物和碎屑岩含水層中進行回灌時容易出現堵塞。回灌水在向地下回灌之前一般都要進行沉澱、過濾等預處理，以便盡可能減輕堵塞。
⑥ 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。
⑦ 影響我國地熱事業發展的主要問題
我國是地熱能利用最早的國家之一，應用歷史可以追溯到2000多年以前。但真正科學地大規模開發、研究始於本世紀70年代（1970年），比美國晚十年，比日本晚四年，比大多數發展中國家如菲律賓、印尼等還早幾年，四分之一世紀過去了，我們與世界的差距不是在縮小而是在拉大，這不僅體現在科技水平上，也體現在地熱能在全國能源構成中的位置。我們在20多年的研究發展之後，基本形成了地熱利用的主格局，即天津為重點城市供熱、羊八井為重點的發電利用。近期又計劃在騰沖建立萬千瓦級地熱電站。中國的地熱專家曾稱，地熱能為21世紀能源，但現在國家的投資方向又充分表明，作為替代能源的地熱能，有被再一次替代的可能。「八五」期間國家投入400萬元開展地熱研究，但到「九五」國家不曾為地熱研究投入一分錢。雲南騰沖以股份制開始運作，這也可能是發展中國地熱事業的一條新途徑，但就國家的總投入來說是在逐年減少。但從另一方面觀察，近兩年全國各地在中低溫地熱資源直接利用方面，利用地方資金如雨後春筍般崛起。總之，我們的技術水平還很低，這是差距，也是潛力所在。
影響我國地熱事業發展的主要因素包括以下幾個方面：
一、地熱能開發的環境效應
地熱能一直以「清潔能源」而著稱，但在開發利用中也會引起一些環境問題，這些問題包括：地面破壞、噪音、熱污染和化學污染等。
1.地面破壞
地熱能發電均在地熱田附近進行，不像火力發電廠需要運輸車輛、廢料處理等，需要很大的面積，因此地熱發電對地面的破壞是很小的。
2.化學污染
地熱開發的化學污染主要是地熱流體中的可溶固體、非凝結氣體如NH3和H2S氣體等。
在溫度低於150℃的低溫地熱田，地熱流體的礦化度變化從幾十或幾萬個ppm，這主要取決於熱儲的岩性。在火山岩或結晶岩地區，地熱流體的化學組分含量很低，大多數可以直接利用，甚至適合於飲用，這些水的開發不存在化學污染問題。另一方面，若熱儲由某些沉積岩組成，熱水的化學成分含量較高，需要熱交換器間接提取熱能利用，地熱尾水要回灌到地下，腐蝕和結垢會很嚴重。地熱流體含有多種氣體，主要為CO2、H2S及少量NH3和氡等。H2S對人類健康影響不大，主要問題是它可以引起腐蝕。
3.噪音
噪音污染主要發生在地熱電站。
4.地面沉降
當從地熱儲中抽取地熱流體後，改變了原系統的壓力分布，從而產生地面沉降，沉降與地質條件密切相關。在冰島的SUARTSENGI和義大利的LARDERELLO地熱田，年平均沉降分別為11mm和32mm，而在紐西蘭的WAIRAKEI地熱田，開采區外的一個小區域內年沉降量高達400mm。
5.熱污染
熱污染主要發生在地熱棄水排放之後，若將地熱棄水回灌到地下，則可完全避免熱污染。
總之，地熱開發對環境影響不大，在目前狀態下，對我國地熱開發影響很小。但在西方國家，已比較重視地熱開發的環境效應。我國應在開發的初期就注意此類問題，做到高起點、高技術、高效益、低成本。
二、資金短缺
由於我國尚屬發展中國家，經濟相對落後，國家財力不足，這就決定了國家不可能拿出可與西方國家均衡的資金開發地熱資源。另外，地熱資源開發的初期投入較大，這也是西方國家地熱開發資金短缺的一個主要原因。
三、地熱資源在地域分布上的不均衡
中國大陸的高溫地熱資源主要分布在我國西南的西藏和雲南省，這兩個省區地處偏僻、交通不便、經濟較落後，加之雲南水利資源豐富，西藏風能和太陽能資源豐富，這在很大程度上制約了區內高溫地熱資源的開發。雲南西南部高溫地熱資源豐富，但由於區內氣溫較高，地熱能非電利用前景較差，因此，大量150℃以下的熱水白白流失，如1996年在雲南瑞麗完成兩個千米深孔，孔口溫度在110℃以上，但由於達不到發電溫度要求，至今尚未開發。
中低溫地熱資源主要分布在我國東南沿海、遼東及膠東半島，內陸地區主要分布在中新生代斷陷盆地，埋藏深度較大。而溫泉出露區大都處於地處偏僻的山區，交通不便，經濟落後，所有這些都增加了地熱開發的成本，限制了地熱資源的廣泛利用。
四、地熱開發技術問題
地熱投資的高低及資源利用是否合理，不僅直接與地熱前期勘探、鑽探、規劃等有關，而且與地熱利用技術存在密切關系。新技術新方法的使用不僅可以減少投資，而且可以大大節約資源，減少浪費現象。
如天津各地熱井普遍安裝高頻調速器，初步統計可節電20%～30%，節約地熱資源10%～20%；利用地熱水的二次循環或低溫大流量供熱，即提高了低溫地熱資源可利用性，又解決了地熱尾水排放溫度高的問題。這都是成功的經驗，我們可以借鑒，並不斷研究其他領域的可行方法，達到節約資源、省電、安全、高效的目的。
五、地熱資源管理
迄今，我國從國家到地方尚未建立健全的地熱資源管理體系，從而造成宏觀失控、資源浪費、技術開發力度不夠等問題，嚴重影響了地熱資源科學合理開發利用。
1.缺乏區域規劃
地熱資源屬於一種寶貴礦產資源，它的形成需要特定的地質構造環境，如果不在區域上進行全面的規劃管理，這一資源將會遭到嚴重破壞。地熱資源規劃的任務是：①研究地熱資源賦存規律；②地熱資源評價；③開采規劃及布井方案；④不同特徵地熱資源的利用方向；⑤為政府管理部門提供科學調控的有關數據。
2.地熱資源開發缺乏嚴格的審批制度
利用方向的盲目性，缺乏梯級綜合利用意識。
3.缺乏監測體系
在地熱資源開采過程中，應對地熱水的溫度、壓力、化學成分進行定期監測，從而評價熱田開采潛力，限制或規劃開采規模。
4.評價滯後於開發
開發成熱點，研究遭冷落。
⑧ 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。
⑨ 什麼是地熱尾水
地熱尾水就是地暖供暖經過住戶以後，流經管道之後又回到鍋爐裡面或者回收系統的水，叫尾水。統稱是供暖尾水，如果是地暖供熱的，就叫地熱尾水，也叫地暖尾水。想要了解更多關於供暖的知識，或者需要了解供暖臭味劑，防失水劑的話，直接搜索「欣格瑞」就行 。
⑩ 北京順義金漢綠港家園小區地熱井結合水源熱泵供暖工程
趙建康 張勇 鄒登亮 黃長軍 何運成 楊俊偉 石涵靜 李衛芳
（北京市地熱研究院）
摘要：文章介紹了北京順義金漢綠港家園小區地熱井結合水源熱泵供暖，以及提供溫泉洗浴的地熱資源綜合利用技術。結合該工程，作者給出了地熱井水量、水溫與供暖面積之間的關系式，此關系式對於地熱供暖工程的前期論證具有指導意義。本文著重對地熱井結合水源熱泵供暖技術的運行成本進行了詳細的分析。研究表明，地熱井結合熱泵技術供暖的運行成本為18元/m2，低於北京市集中供熱的採暖收費標准24元/m2，同時，溫泉洗浴比加熱自來水洗浴成本低得多。
1 前言
以往，對於中低溫地熱資源，尤其是50℃左右地熱水，通常只是提供溫泉洗浴和種植養殖，很少用於供暖。這主要是因為老式的暖氣片採暖的供回水溫度要求較高，一般為95℃/70℃，50℃的地熱水通過暖氣片供暖很難達到室溫要求。目前，隨著地板採暖技術、風機盤管技術以及輻射吊頂技術的發展，採暖所需的熱源溫度大大降低，一般40～45℃即可滿足供暖的需要。由此，給地熱直接供暖和地源熱泵技術供暖提供了廣闊的市場空間。
北京順義金漢綠港家園小區，是我院承擔的一項利用中低溫地熱資源供暖和提供溫泉洗浴的地熱綜合利用工程。該工程室內末端採用地板輻射採暖，利用熱泵技術，用3口地熱井基本解決了23萬m2的住宅小區供暖和溫泉洗浴的需求，使低溫地熱資源得到了有效地用。使用清潔的地熱能源供暖、溫泉入戶，大大提升了住宅的品質，不但給小區居民提供了良好的生活環境和大氣質量，同時也給了開發商豐厚的回報。
2 工程概況
金漢綠港家園是集住宅、酒店、餐飲、娛樂於一體的大型綜合性住宅小區。建築總面積為63萬m2。一期建築為23萬m2，公建面積3萬m2。金漢·綠港家園總的供暖負荷及公建部分冷負荷如下：供熱負荷：冬季單位面積熱指標為41W/m2，總計9430kW；公建部分：夏季單位製冷指標為80W/m2，總計2400kW。
根據以上冷熱技術指標及該地地質條件，我院提出，冬季利用地熱溫泉井結合水源熱泵技術供暖和提供溫泉洗浴，供暖室內末端採用地板輻射採暖；夏季利用水源熱泵機組和冷水井給公建部分供冷，末端採用風機盤管。該工程是深部地熱能和淺部地熱能綜合利用的項目。
3 供暖製冷所需水量的確定
3.1 供暖製冷麵積與水量關系式的推導
根據能量守恆定律可以推導出供暖面積與所需地熱溫泉井的水量的關系式，由此，可以根據供暖面積確定所需的地下水量；同樣，也可以根據地熱井的出水量和水溫確定能夠供暖的面積。
a.直接供暖
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：S為供暖面積，m2；q為單位面積熱負荷，W/m2；J為熱功當量系數，4187焦耳/大卡；ρ為水的密度，1 T/m3；c為水的比熱容，1×103kcal/T·℃；Q為地熱井出水量，m3/h；t1為地熱井的出水溫度，℃；t2為供暖後尾水水溫度，℃。
b.結合熱泵技術供暖
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：cop為熱泵機組的供熱系數，一般為4；t3為通過熱泵提取熱量後尾水的溫度，℃。
由（1）、（2）關系式可以看出，地熱井供暖的面積和地熱水水量成正比。水量一定的情況下，與利用的溫差成正比，即利用溫差越大，供暖面積越大。
地熱井結合熱泵技術供暖，可以加大地熱水的利用溫差，相應減少了地熱水的需求量，從而達到地熱資源的集約利用的目的。如關系式（1）、（2）中的t2一般為40℃左右，而t3在10℃左右，提高利用溫差30℃。對於一口出水溫度70℃的地熱井，通過熱泵技術，可使1口地熱井發揮兩口地熱井的效能，不但節約了投資，同時也節約了寶貴的地熱資源。
3.2 所需地熱井水量的確定
已知該小區的供暖總負荷為9430kW；熱泵機組提取熱量後的尾水溫度可降低到7℃；根據可靠的地質資料分析推測地熱井的水量、水溫預測分別為水溫55℃，水量60m3/h，井深3000m，熱儲目的層為薊縣系霧迷山組。
根據以上已知數據，可得出所需地熱井水量為：126m3/h。
3.3 所需冷水井水量的確定
同樣，根據能量守恆定律，可得出公建部分供冷時的水量與供冷麵積關系式：
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：EER為熱泵機組的能效比，所得製冷量與輸入電能之比，一般取5；t1為冷水井的出水水溫，℃；t3為回灌時的水溫，℃。
已知供冷總負荷2400kW；冷水井的出水溫度為15℃，水量，井深；回灌溫度27℃。根據以上已知數據代入關系式（3），可得3萬m2公建部分所需水量為：206m3/h。
4 工程技術方案設計
該工程供暖需要溫度55℃地熱水流量為126m3/h，根據已知的水文地質資料可知，兩口地熱井即能滿足水量的需要。該地區地熱井回灌情況良好，1 口回灌井即能滿足需要。因此，該供暖工程設計利用3口「地熱井-熱泵機組」（兩抽一灌）滿足一期建築23萬m2建築面積的供暖要求和小區居民的溫泉洗浴。
公建部分的供冷需冷水井水量為206m3/h，而地區井深100m，水量可達80m3/h，因此3口抽水井即能滿足需要。該地區回灌情況一般，抽灌比例為1∶2，因此，冷水井的總數量為9口。利用冷水井-熱泵機組滿足公建部分夏季供冷的需要。室內末端採用地板採暖技術，公建部分末端採用風機盤管。
為滿足水源熱泵機組蒸發器側進出水溫度的要求，同時因地熱井水不能夠直接進入機組使用，因此將地熱井水通過板式換熱器進行換熱使用，板式換熱器一次側進水流量為120噸/小時，溫度為55℃，出水溫度為9℃，二次側（水源熱泵機組側）水流量約為750噸/小時，進水溫度為7℃，出水溫度為15℃。二次側水量能夠滿足機組全部運行時的總水量的要求。
5 運行費用分析
5.1 機房內主要設備及配電量（表1）
表1 機房內主要設備及配電量
其他設備總計暫估為150kW。總配電量暫估為2880.2kW。冬季的最大用電量為2880.2kW，夏季最大用電量為300kW。
5.2 運行費用成本分析
供暖運行成本主要包含以下幾項內容：用電成本、人員工資及福利、設備折舊費、年維修費各種稅費等。
運行6台熱泵機組可以滿足最大荷載，6台機組冬季可以提供的最大熱量為9504kW，冬季機組滿載運行時，機組本身和其相關輔助配套設備總用電功率為2880.2kW。
根據以上功率（2880.2kW）負荷計算冬季運行費用，設每天的平均滿載運行時間為12小時。水源熱泵中央空調冷熱源方案設備的年運行電費為：240.56萬元（冬季）。
由於本工程採用自動控制技術因此運行時需要6 人維護即可（三班倒），人員工資為：
6人×4月×1600元/（人月）＝3.84萬元
所有設備的使用年限為15年，水井為15年，則每年的折舊費用為：設備，77萬元/年；水井，83萬元/年；總計160萬元。每年維修費為10萬元。總計414.40萬元。摺合每平米的年運行費用為18 元/m2。目前北京市集中供暖的價格為24 元/m2，天然氣採暖的為30元/m2，因此，利用地熱井結合水源熱泵技術進行城市供暖不但技術上是可行的，而且具有價格優勢。
該小區地熱井不但作為供暖的熱源，還可提供小區的溫泉洗浴。使用電熱水器加熱一噸自來水需23元，燃氣熱水器需14元，而家用地熱溫泉水洗浴只需每噸交納3.5元的礦產資源稅。遇到極端寒冷天氣，供暖和洗浴用水發生沖突時，可以啟動冷水井進行調峰。
6 結論和啟示
利用地熱井結合水源熱泵技術進行城市供暖和提供溫泉洗浴，技術上是完全可行的，運行成本相對於燃氣也占優勢。更重要的是地熱資源是一種近乎可再生的清潔能源，無任何廢氣、廢料的排放，非常有利於改善城市的大氣質量。
地熱井結合熱泵技術供暖相對於普通的水源熱泵供暖，還具有以下幾個優點：
（1）在供暖的同時，可以兼顧提供溫泉洗浴；
（2）由於水溫較高，相應降低了對水量的要求，進而減少了水井的數量，減少了佔地；
（3）地熱井深度一般在3000m左右，開採的熱水一般為基岩裂隙水，對地面沉降幾乎無任何影響；冷水井一般80m左右，大部分抽取的是第四紀含水層中的承壓水，相對影響稍大。
缺點主要是地熱井的造價較高，鑽井的風險也較大。
地熱井結合水源熱泵供暖技術，為低溫地熱用於供暖提供了一條新思路。我國大部分城市都具有這種低溫地熱資源，如能廣泛利用，對於解決城市大氣污染、節能、節約佔地等都有非常積極的意義。
參考文獻
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