蘭考縣地熱回灌影響因素分析及對策

回灌是保障水熱型地熱資源可持續開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節之一，影響回灌的因素有多種，包括地質(zhì)條件（裂隙通道、地下水運移通道順暢程度等）、地熱水水質(zhì)、回灌井成井工藝、井管腐蝕結垢、回灌堵塞（物理、化學(xué)、微生物、氣體）等。

1 地質(zhì)及地熱回灌概況

蘭考縣位于河南省東北部，是國家能源局批復的全國首個(gè)農村能源革命試點(diǎn)建設示范縣，也是河南省地熱能清潔供暖規?；迷圏c(diǎn)地區之一。蘭考地區主要斷裂為新鄉—商丘大斷裂（F3）、聊蘭斷裂的次級斷裂（F6）及推測斷層（F7、F8）（如圖1）。自2000年起，蘭考地區早期建設的井深1000m左右、以洗浴為主要用途的地熱井逐步關(guān)停[中深層水熱型地熱資源開(kāi)發(fā)深度為1500～2200 m，主要利用新近系館陶組孔隙熱儲層，熱儲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，主要用途為地熱供暖。

根據資料收集和現場(chǎng)調查，蘭考地熱供暖項目中抽水井與回灌井的比例一般為1∶1、1∶2或1∶3，地熱供暖項目開(kāi)采井與回灌井深度基本相同，滿(mǎn)足同層回灌的要求[熱儲地熱井單井回灌量20～115 m3/h不等。位于F6斷裂東側與F3斷裂結合處附近的地熱供暖系統，開(kāi)采井及回灌井都位于F6斷裂東側即下盤(pán)位置，在自然回灌條件下，回灌效果不理想；位于F6斷層西側即上盤(pán)位置的地熱供暖項目回灌效果較好，有實(shí)例表明，此區域內單井回灌量達114.8m3/h，加壓回灌量可達到170 m3/h。

 圖1 蘭考城區主要斷裂分布

2 回灌影響因素分析

2.1 流體特征及化學(xué)沉淀

根據蘭考地區現場(chǎng)取樣化驗和以往收集到的地熱水水質(zhì)分析結果，該地區地熱水化學(xué)類(lèi)型分別為：新近系明化鎮組上部（約300～800 m）以HCO3·ClNa型為主；新近系明化鎮組下部（約800～1300 m）以HCO3·Cl-Na型為主，還有少數HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系館陶組（約1300～2200 m）以Cl-Na型為主。通過(guò)對23組地表水、淺層地下水及地熱水水質(zhì)的匯總分析，主要指標的垂向水化學(xué)類(lèi)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。

根據地下水中化學(xué)平衡反應的質(zhì)量作用定律和質(zhì)量守恒原理，運用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、明化鎮組上部、明化鎮組下部和館陶組同層水源，選取的“可能礦物相”，計算各水樣點(diǎn)礦物的飽和指數及淺層地下水到深層地熱水路徑上礦物（氣體）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趨勢，選擇石英、鈉長(cháng)石、鈣長(cháng)石、鉀長(cháng)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)反應可能的礦物相。在不考慮不同含水層相互污染的情況下，計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SI。飽和指數是水文地球化學(xué)研究中應用最多的一個(gè)指標，它研究的是礦物在地下水的飽和狀態(tài)。飽和指數反應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-沉淀的趨勢以及內在的水動(dòng)力和化學(xué)條件。當SI=0時(shí)，礦物在水溶液中處于平衡狀態(tài)；當SI<0時(shí)，表明礦物在水溶液中未達到飽和狀態(tài)；當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。

圖2 蘭考地區地熱流體主要組分含量

3 提高地熱回灌效果的對策

鑒于蘭考地區地熱水水質(zhì)Cl-、溶解性總固體含量高的特點(diǎn)，隨著(zhù)地熱回灌井使用時(shí)間的增加，井管內腐蝕結垢現象有極大可能會(huì )對回灌產(chǎn)生影響。結合蘭考地區地熱資源開(kāi)發(fā)利用情況、地熱水水質(zhì)的分析以及室內腐蝕觀(guān)察實(shí)驗，提高蘭考地區地熱回灌效果可從以下幾個(gè)方面著(zhù)手。

3.1 地熱水的處理

通過(guò)PHREEQC軟件模擬，蘭考地區明化鎮組地熱水可能發(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是白云石和方解石；館陶組地熱水可能發(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(guò)室內腐蝕觀(guān)察實(shí)驗中沉淀物的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。建議蘭考地區地熱水回灌前過(guò)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

與其他地區地熱水水質(zhì)相比，蘭考地區水質(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(wú)縫鋼管作為成井管材?？紤]電偶腐蝕作用，并結合本次蘭考地熱水腐蝕觀(guān)察實(shí)驗中，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于鐵片上捆綁普通鐵絲，盡量避免使用不同材質(zhì)或材質(zhì)差別過(guò)大的井管和過(guò)濾管作為成井材料，否則易形成局部電勢差，加快電偶腐蝕。

3.3 優(yōu)化鉆井與成井工藝

蘭考地區地熱供暖發(fā)展較快，在地熱鉆井之前應做好當地水文地質(zhì)、地熱井現狀的技術(shù)資料收集，吸取此前地熱井建井過(guò)程的經(jīng)驗，掌握更為詳盡的區域地熱地質(zhì)資料。采用鉆井液回轉鉆進(jìn)工藝時(shí)，建議結合蘭考地區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，提前做好預案，及時(shí)調整鉆井液體系。目前，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在河南、北京、遼寧、貴州、天津等地區的地熱井鉆井中都有成功應用，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝較鉆井液回轉鉆進(jìn)工藝具有更強的攜帶巖屑能力，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、適當的環(huán)空間隙，使巖石呈體積破碎并以較高的速度上返，避免巖屑重復破碎、保持井底干凈，實(shí)現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地熱鉆井中的應用。

地熱井成井目的層井徑、礫料類(lèi)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。借鑒國內砂巖熱儲回灌的研究，大口徑填礫成井工藝不易造成熱儲孔隙的堵塞，可以保證回灌的長(cháng)期正常運行。

3.4 回灌溫度的平衡

目前，蘭考地區地熱供暖項目的回灌溫度在40℃左右。通過(guò)初步的室內腐蝕觀(guān)察實(shí)驗，結合蘭考地區地熱回灌調查情況，在分析蘭考地區地熱水水質(zhì)、結垢趨勢、腐蝕性評價(jià)等基礎上，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^(guò)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。建議在實(shí)際工作中，優(yōu)化地熱供暖運行過(guò)程，找到最優(yōu)的回灌溫度，保證回灌效果。需要結合蘭考地區地熱水水質(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 項目做好選址

結合蘭考地區主要斷裂帶分布情況以及現有地熱井回灌情況，在項目可行性研究階段，應結合地熱開(kāi)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)行項目選址，場(chǎng)地條件不允許時(shí)，可采用定向井方式，從地質(zhì)設計上提高回灌效果。

4 結論

(1）蘭考地區地熱水Cl-、溶解性總固體含量高，腐蝕性高。通過(guò)PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，明化鎮組地熱水中方解石、白云石等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀；館陶組地熱水中高嶺石、石英、方解石、白云石、云母等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀。

(2）蘭考地區地熱回灌效果的影響因素主要包括：地熱水水質(zhì)的高腐蝕性、地熱水化學(xué)沉淀產(chǎn)物，鉆井過(guò)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）提高蘭考地區地熱回灌效果，建議通過(guò)化學(xué)、物理方式進(jìn)行阻垢除垢、減少腐蝕結垢產(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；采用鉆井液回轉鉆進(jìn)時(shí)，及時(shí)調整鉆井液體系，探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝等鉆井工藝的應用，減少鉆井過(guò)程泥皮對含水層的堵塞，保證回灌效果。