天津市大港區地熱井回灌模式探討

  天津大港區目前館陶組熱儲開(kāi)采井數量多達40余眼，長(cháng)期的集中開(kāi)采造成該區域地下水位埋深不斷下降，年降幅逐年增加，為實(shí)現地熱資源的可持續利用，緩解地熱熱儲壓力下降的有效途徑就是回灌。地熱回灌就是在地熱流體利用后把尾水通過(guò)自然或加壓方式回注到開(kāi)采的熱儲層中，它是解決過(guò)量地熱流體開(kāi)采造成地下水位持續下降與尾水排放造成污染的最有效方法。通過(guò)多年回灌試驗，基巖裂隙型熱儲層回灌問(wèn)題已基本解決，但砂巖層的熱儲層回灌問(wèn)題依然存在，主要是回灌量偏低，回灌持續時(shí)間短。

 

  1 試驗條件和方法

 

  1． 1 試驗條件

 

  DG － 49B 井是目前大港區唯一的一眼孔隙型地熱回灌井，該井井深1 892 m，熱流體溫度62℃，成井初期流量為85 m3 /h，靜水位埋深77 m。對地下熱流體進(jìn)行深部回灌實(shí)質(zhì)上是對熱流體的壓縮，熱儲層地層的巖性、巖石顆粒大小、巖石顆粒之間的空隙大小、地層的孔隙度和滲透率對回灌起著(zhù)非常重要的作用。

 

  DG － 49B 井聲波測試孔隙度為16． 19% ～29． 21%，平均為26%，滲透率為( 105． 84 ～ 833． 9) ×10 － 3μm2，砂巖泥質(zhì)含量7． 06% ～ 22． 73%，熱流體礦化度1 961． 8 mg /L，水化學(xué)類(lèi)型為Cl·HCO3 － Na 型，pH 值8． 38。

 

  1． 2 試驗方法

 

  回灌試驗以DG － 49 開(kāi)采井抽水向DG － 49B 回灌井中進(jìn)行回灌。自2008 年1 月7 日開(kāi)始，至3 月21日結束，試驗期間處于供暖期，DG － 49 井開(kāi)采量為50～ 65 m3 /h。試驗采用井管與泵管的環(huán)狀間隙回灌，回灌井內下入潛水泵，下入深度110 m。試驗過(guò)程中通過(guò)閥門(mén)控制注水水量，以電磁流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和自動(dòng)水位控制儀等電子監測裝置觀(guān)測試驗過(guò)程中的各項參數。

 

  試驗共進(jìn)行了4 組，即自然間歇回灌、定流量“回揚－ 回灌”、大流量“回揚－ 回灌”和加壓回灌試驗。

 

  前面3 組試驗都是在自然狀態(tài)下進(jìn)行回灌，其回灌壓力是靠回灌流體在自重條件下形成的，第4 組做了兩次加壓回灌試驗。

 

  2 試驗結果與分析

 

  2． 1 自然間歇模式與“回揚－ 回灌”模式比較表1 是6 次回灌試驗的結果對比。圖1、圖2 反映不同回灌情況下動(dòng)水位的變化，表明“回揚－ 回灌”模式下的回灌能力及可延續時(shí)間都要強于自然間歇模式。

 

  回灌后地層吸水能力的變化情況用吸水指數，即單位時(shí)間的灌水量與井底壓差的比值來(lái)表達，吸水指數是衡量回灌井吸水能力的重要指標。

 

  N = QP2 － P1

 

  ( 1)式中，Q 為回灌量，m3 /h; P2為灌水后的井底壓力，MPa; P1為灌水前的井底壓力，MPa。

 

  圖3 為吸水指數歷時(shí)變化曲線(xiàn)，圖3 中曲線(xiàn)Ⅰ －1、Ⅰ － 2、Ⅰ － 3 的走勢說(shuō)明在自然間歇模式下，DG －49B 井的回灌能力有限，在回灌量尚不足20 m3 /h 時(shí)，其回灌能力隨著(zhù)回灌量的累積而不斷減小。在經(jīng)過(guò)第1 次回揚后，DG － 49B 井的回灌能力得到了一定的改善，而經(jīng)過(guò)第2 次回揚后，DG － 49B 井的回灌能力得到了顯著(zhù)的提升，在灌量基本穩定的情況下，回灌延續時(shí)間也大大延長(cháng)( 圖4) 。到了第3 次回揚的時(shí)候，DG－ 49B 井的回灌能力與前1 次相比有了一定程度的下降，雖然受當時(shí)回灌量不穩定的影響導致曲線(xiàn)Ⅱ － 3在一段時(shí)間內發(fā)生波動(dòng)，但總體而言，其回灌能力仍然高于前4 次回灌試驗。

 

  通過(guò)回灌試驗對比可以看出，DG － 49B 回灌井在自然間歇模式下回灌能力有限，無(wú)法滿(mǎn)足正?；毓嘁?，要維持回灌的持續進(jìn)行，必須定期進(jìn)行回揚?；負P可以較明顯地恢復甚至提高回灌井的回灌能力，但隨著(zhù)回灌量的不斷累計，在回揚量不變的情況下，回揚的效果會(huì )逐漸減弱。

 

  2． 2 “回揚－ 回灌”模式分析

 

  2． 2． 1 20 m3 /h 與30 m3 /h 的回灌能力分析1 次“回揚－ 回灌”實(shí)際上就是回灌能力的1 次“恢復－ 消耗”的過(guò)程，在“回揚－ 回灌”模式下，可以用“回揚率”( 1 次回揚量與回揚后能夠灌入的水量的比值) 來(lái)評估不同“回揚－ 回灌”模式的效果。

 

  回揚率越低，說(shuō)明回灌能力消耗的越緩慢，回灌效果越佳。

 

  回揚率受回灌量的影響很大，在第2 組回灌試驗中，回灌量普遍控制在20 m3 /h 左右，其回揚率普遍穩定在20%左右，而Ⅱ － 1 試驗的回揚率偏高可以歸因于回灌量相對偏大以及前3 次自然降壓試驗對其的影響。

 

  Ⅲ － 2、Ⅲ － 3、Ⅲ － 4 試驗中以30 m3 /h 為目標，在回灌開(kāi)始1 h 后，回灌量短時(shí)間內從20 m3 /h 增加到30 m3 /h，回灌所能持續的時(shí)間很短，回揚率很高，超過(guò)了50%，回灌的實(shí)際意義大為降低。

 

  Ⅲ － 1 試驗是第2 組試驗到第3 組試驗的過(guò)渡，本次試驗開(kāi)始后83% 的時(shí)間內將回灌量穩定在20m3 /h 左右，隨后逐漸增加到30 m3 /h，持續約20 h 水位漲至井口，本次試驗的回揚率為20． 9%。其回灌效果遠遠好于第3 組的其他幾次試驗。

 

  2． 2． 2 25 m3 /h 回灌能力的初步分析

 

  在Ⅳ － 1 試驗的自然回灌階段，以25 m3 /h 定流量為回灌試驗目標，先以定流量20 m3 /h 左右回灌91h，隨后將流量增至25 m3 /h，在此流量下回灌持續95h。這次試驗的回灌效果超過(guò)前面所有回灌試驗。圖3、4 中曲線(xiàn)Ⅳ － 1 的變化趨勢與曲線(xiàn)Ⅲ － 1 非常相似，延續時(shí)間甚至長(cháng)于Ⅲ － 1，說(shuō)明在Ⅳ － 1 試驗條件下具有良好的回灌能力。但是由于當時(shí)供暖期即將結束，為了保證有加壓回灌試驗的時(shí)間，25 m3 /h 的定流量回灌試驗只進(jìn)行這1 組，而Ⅳ － 1 試驗的條件并不具有普遍性。首先它并不是在試驗的開(kāi)始階段就以25m3 /h 進(jìn)行回灌，其次由于第3 組后3 次試驗延續時(shí)間很短，它們各自的回揚量是否對Ⅳ － 1 試驗產(chǎn)生了影響尚無(wú)法確定，因此只能確定該系統具備25 m3 /h的回灌能力，但如何進(jìn)行準確操作以保證其回灌的延續性還需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗嘗試。

 

  2． 3 加壓回灌模式分析

 

  對于兩次壓力額定在0． 2 MPa 的定壓試驗( 圖5、6) ，在壓力額定條件下都出現回灌量逐漸衰減，第1次在50 h 內從40 m3 /h 衰減到34 m3 /h，第2 次在49h 內從40 m3 /h 衰減到30 m3 /h?；毓嗔克p的趨勢逐漸趨于平緩，預計當衰減到一定量時(shí)會(huì )趨于穩定。

 

  通過(guò)兩次加壓試驗，在0． 2 MPa 壓力下，遵循“回揚－加壓回灌”模式，DG － 49B 井的可回灌能力約為30m3 /h。

 

  2． 4 回灌流體溫度對回灌效果的影響

 

  在以往的回灌試驗中，回灌流體溫度對回灌效果的影響表現為流體溫度越高，回灌效果越佳，流體溫度越低，回灌效果越差［4］，其原理為不同溫度下流體密度及動(dòng)力粘滯系數對其的影響。而本次回灌試驗的結果則與之相反，在壓力、水位皆為定值時(shí)，回灌量與溫度表現出了明顯的相反關(guān)系，即流體溫度越高，回灌量越低，流體溫度越低，回灌量越高。初步分析該熱儲層中有可能在一定溫度下產(chǎn)生水化學(xué)反應或生物反應，其影響效果超過(guò)了動(dòng)力粘滯系數的影響，從而影響了回灌效果。

 

  3 結論與建議

 

  ( 1) 在自然間歇條件下，DG － 49B 井的回灌延續時(shí)間短，可灌能力不佳，無(wú)法滿(mǎn)足正常持續的回灌要求。建議今后在回灌過(guò)程中應以“回揚－ 回灌”模式為主。

 

  ( 2) “回揚－ 回灌”模式下DG － 49B 井的回灌量可滿(mǎn)足20 m3 /h，但當回揚率降至20% ～ 30%時(shí)，應重新回揚，以避免地層的可灌能力過(guò)度消耗，影響接下來(lái)的回灌。相同條件下回揚時(shí)間越長(cháng)，回灌延續時(shí)間越長(cháng)。

 

  ( 3) 回灌操作方式對系統回灌能力有很大影響。

 

  該系統在Ⅳ － 1 自然回灌試驗階段具備25 m3 /h 的回灌能力，但其延續性還需進(jìn)一步驗證。在“回揚－ 回灌”模式下進(jìn)行加壓回灌時(shí)，當壓力額定在0． 2 MPa時(shí)，DG － 49B 井的可灌量在30 m3 /h。

 

  ( 4) 建議在今后的回灌過(guò)程中，在開(kāi)始階段應遵循流量從小到大逐漸增加的原則，切忌一開(kāi)始就以額定流量回灌，以延長(cháng)回灌的延續時(shí)間。