超深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理

马致远，侯 晨，席临平，贠培琪，闫 华，孙彩霞

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077；3.陕西省咸阳市国土资源局，陕西 咸阳 712000；4.陕西绿源地热能源开发有限公司，陕西 咸阳 712000）

超深层地下热水作为开发地热能的载体被越来越多的国家广泛利用，并视其为一种宝贵的可替代的清洁能源及战略储备能源［1］。然而，超深层地下热水基本属不可再生资源，大量开采引发的区域性环境地质问题尤为突出，严重制约着社会经济与环境的和谐发展。鉴于此，除节制性开采之外，更为积极、主动的方式则是实施地下热水资源的回灌［2］。国内外众多地热田调查考证结果显示:有80%的孔隙型热储回灌井出现了堵塞，部分回灌井被迫停滞［3］。回灌难及回灌过程的堵塞问题目前仍是制约超深层孔隙型地下热水可持续开发利用的世界性难题。为此，系统开展超深层孔隙型热储尾水回灌堵塞机理研究属当务之急，具有重要的理论及实际意义。

迄今为止，Gallup等认为硅酸盐垢在世界多数地热田中普遍存在，在中等pH和中等总溶解性固体的地热田中尤为明显［4］；Mackay等在巴西北海地热田发现硫酸盐垢物导致地热水回灌堵塞严重［5］；Thomson等探讨了热储中氧化-还原以及酸碱反应等化学过程对碳酸盐沉淀的影响［6］。此外国内众多学者在地下热水回灌堵塞机理研究方面也做了积极、有益的探索。本文在超深层热储水-岩-气-微生物-沉淀物作用过程及相互关系模拟研究的基础上，尝试性展开对超深层孔隙型热储尾水回灌堵塞机理的室内模拟及水文地球化学模拟耦合研究，以此深化及丰富对超深层孔隙型热储尾水回灌堵塞机制的认识，为可持续开发利用超深层孔隙型地下热水资源提供理论依据。

1 研究区概况

咸阳地热田属关中盆地地热资源最为丰富的地区之一，其分布广、储量富、水温高、水质优且后备资源丰沛，具有广阔的开发利用前景。咸阳市区地处渭河中、下游关中盆地的腹心地带。研究区以渭河北岸断裂为界大致划分为南、北部，分属于西安凹陷和咸礼凸起构造区块，具渭河河漫滩，一、二、三级阶地和五陵塬黄土台塬区等地貌单元特征(图1～2)。研究区内地下热水资源开发已初具规模，现有30眼开采井及1眼回灌井，集中开采蓝田灞河组和高陵群组热储，目前主要用于采暖、房地产、洗浴和医疗等领域［7］。

2 堵塞机理研究

实验岩心及回灌尾水、原地层水均取自研究区回灌1号井蓝田灞河组热储层2319.47～2320.27m处。

2.1 物理堵塞

图1 咸阳城区取样点分布Fig.1 Sampling points distribution in the Xianyang urban area

图2 西安凹陷、咸礼凸起示意剖面图Fig.2 Cross-section showing the Xi’an depression and Xianli uplift

研究区主要回灌目的层为新近系蓝田灞河组，其特征为:地压大、胶结疏松、粘土含量高、渗透率低、水循环差，极易发生悬浮物、颗粒运移、粘土膨胀等物理堵塞。

2.1.1 悬浮物

悬浮物堵塞是回灌井中最为常见的堵塞类型［8］。模拟实验中，以热储原水水样测初始渗透率K0，以地热尾水驱替用原水饱和的岩心且测得渗透率Kd，进而求出岩心堵塞率(K0－Kd)/Ko。

结果表明:当模拟温度分别为50、70、90℃时，经脱气、杀菌步骤，在排除化学堵塞影响仅有悬浮物堵塞的情况下，其岩心堵塞率随温度升高呈上升趋势，分别为1.4%、8.4%、18.5%(图3)，且同一温度下，随驱替持续进行岩心堵塞率先缓慢升高再趋于平稳(图4)。可见，温度和驱替时间共同影响着悬浮物堵塞，且温度是主导因素。

图3 含悬浮物尾水驱替热储堵塞实验结果Fig.3 Displacement experiment results for used geothermal water with suspended matter

图4 不同温度下悬浮物堵塞实验结果Fig.4 Results of suspended matter clogging test under different temperatures

回灌实践表明:悬浮物进入储层的深度和数量取决于固相颗粒直径和储层喉道直径的匹配程度，即“1/3～1/7”定律［9］。实验岩心喉道直径与悬浮物粒径的匹配程度差，61.5%的悬浮物颗粒分布于1/3～1/7喉道直径中最易堵塞区域；38.5%的悬浮物颗粒分布于＞1/3喉道直径区域，在热储周围形成滤饼，阻止悬浮物颗粒的继续侵入；粒径小于1/7喉道直径的悬浮物颗粒会随水流进入更深的地层，一般不会对储层渗透性能有太大的影响。由此可见，粒径分布在“1/3～1/7”喉道直径范围内的悬浮物颗粒将构成悬浮物堵塞的主体。

“花儿”歌词在谋篇艺术上采用了大量的比兴表现手法，使花儿的语言更为含蓄风趣，形象更加鲜明生动，韵味也更是婉转深长[20]。在英译时对于大多数的比兴应尽量保留，如：

尾水悬浮物主要依赖于赋存环境，包括自身携带热储颗粒、管道腐蚀产物、化学沉淀产物以及微生物代谢产物等［10］。若不考虑外界赋存环境影响，尾水悬浮物与热储围岩的矿物成分应基本一致。表1显示两者矿物含量差别较大，其主要原因为:回灌过程中，温度、压力等赋存环境发生变化，镁铁矿、方解石沉淀构成除回灌尾水自身携带热储颗粒外悬浮物堵塞的新生物源。可见，悬浮物堵塞的物源具有多样性。

2.1.2 颗粒运移

孔隙热储中胶结性能差的微粒易脱落运移，在喉道处堆积造成堵塞，被称之为颗粒运移。根据达西定律，在实验设定的条件下改变流速，测定岩心渗透率并计算其变化值，以评价岩心堵塞程度。

结果表明(图5a):岩心速敏损害指数［11］为0.62，为中等偏强速敏损害，临界流量为0.75 mL/min，当回灌流量大于0.75mL/min时岩心堵塞率曲线开始急剧上升，流量继续增加至1.5 mL/min后堵塞率缓慢增加。

表1 X衍射全岩定量分析结果Table 1 X-ray test results for minerals

2.1.3 粘土膨胀

回灌尾水进入热储使其环境有所改变，从而导致储层中的粘土矿物发生膨胀、分散、脱落和运移，使储层渗透率降低造成堵塞，被称之为粘土膨胀。根据达西定律，在实验设定条件下改变盐度，测定岩心渗透率并计算其变化值，以评价岩心堵塞程度。

结果显示(图5b):用原水驱替岩心，由粘土膨胀引起的水敏损害指数为－0.45，根据水敏性评价指标［11］可知，该岩心段为无水敏现象，回灌中不会因粘土膨胀造成堵塞。

图5 岩心速敏、水敏实验结果Fig.5 Experiment results of velocity-sensitivity and water-sensitivity

2.2 化学堵塞

化学堵塞机理复杂，时空跨度大、反应过程慢，单一的室内模拟或理论模拟均有其不足，故应用室内模拟-水文地球化学模拟耦合方法展开研究。

地热尾水回灌过程是热流体温度、压力持续上升，尾水-原水-热储相互作用的复杂过程。利用PHREEQC软件对回灌1号井原水和尾水混合过程的模拟结果显示:当原水和尾水以6∶4混合时，沉淀量达最大值(图6)。其中方解石所占比例最大，SiO2和白云石次之(图7)。

图6 模拟不同比例水混合时的总沉淀量Fig.6 Total quantity of precipitates of simulation by mixing water with different proportions

图7 模拟不同比例水混合时沉淀矿物及含量Fig.7 Kinds and contents of simulated precipitated minerals by mixing water with different proportions

室内静态配伍实验显示:该井原水、尾水分别按10∶0、9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9、0∶10 比例混合并在50℃、70℃和90℃恒温水浴8h后，其离子浓度和浊度变化明显(图8、9)。计算结果表明:回灌1号井原水和尾水不配伍(配伍性标准［12］:100mg/L)，有轻微结垢产生且主要结垢矿物为方解石。随温度升高，总沉淀量增大，浑浊度亦增大。静态配伍实验与软件模拟结果基本一致，可见，冷锋面的形成应该在尾水与原水混合初期-中期，此时沉淀量最大。

图8 不同混配水中沉淀物总量Fig.8 Total quantity of precipitates in different ratios of mixed water

2.2.2 动态模拟实验

动态模拟实验能更加真实反映回灌过程中原水-尾水-岩心之间的复杂作用过程，将热储尾水注入中间容器，在模拟热储的温度及压力(Ti、Pi)下，流经原水饱和的岩心夹持器，并测定和计算饱和原始岩心的初始渗透率K0。经驱替时间t后，计算出瞬时岩心渗透率K、堵塞率(K0－K)/K0，同时观察驱替前后水质变化。

图9 原、尾水混配浊度变化图Fig.9 Turbidity variation trend in different ratios of mixed water

结果显示:随着温度升高，岩心渗透率减小，堵塞率增加。当过滤后尾水分别以50℃、70℃、90℃驱替岩心时，其堵塞率分别为13.8%、30.0%、34.0%(图10，表 2)。

2.2.3 耦合结果分析

室内模拟与理论模拟耦合是依据室内回灌模拟实验中50℃、70℃、90℃不同温度下尾水驱替前后的水质监测结果(表3)，利用PHREEQC软件模拟尾水驱替过程中矿物的溶解沉淀过程来实现的(表4，图11～12)。

图10 50℃、70℃、90℃时化学堵塞模拟实验结果Fig.10 Results of chemical clogging simulation under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

表2 温度对化学堵塞影响实验结果Table 2 Degree of temperature effect in chemical clogging

表3中离子浓度的增加代表矿物溶解过程，反之，代表矿物沉淀过程；表4中正值表示该矿物相发生溶解作用，反之，可能发生沉淀作用。

由理论模拟结果(表4和图11、12)可知:尾水在50℃时驱替岩心前后，发生沉淀的矿物有石膏、天青石和磁铁矿，发生溶解作用的矿物包括方解石、石英、萤石、岩盐、白云石；在70℃时，沉淀矿物有方解石、石英、萤石、盐岩、重晶石、针铁矿、白云石，溶解矿物包括天青石和石膏；在90℃时，沉淀矿物有方解石、石英、萤石、盐岩、重晶石、针铁矿、白云石，溶解矿物包括天青石和石膏。图11反映了不同温度下矿物总沉淀量的变化趋势:随温度升高，矿物总沉淀量增大，化学堵塞程度加重。图12表明，方解石为最主要的化学堵塞沉淀物。

表3 室内模拟50℃、70℃、90℃时驱替前后水样分析结果Table 3 Lab simulation results of water samples quality for before and after displacement experiment under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

综上分析，表明理论模拟与室内实验结果基本一致。

表4 理论模拟50℃、70℃、90℃时驱替前后水样矿物饱和状态的变化及矿物溶解沉淀量Table 4 Theoretical simulation results of minerals saturation state variation and dissolution-precipitation contents of water samples for before and after displacement experiment under the temperature 50℃，70℃ and 90℃

图11 不同温度下总矿物沉淀量变化趋势Fig.11 Variation trend of total quantity of precipitates under different temperatures

图12 不同驱替温度下各种矿物沉淀量Fig.12 Different kinds of mineral precipitation contents under different displacement temperatures

2.3 气体堵塞

气体堵塞实验结果(图13)显示:随着回灌持续进行，温度升高、压力增大，气体堵塞率呈下降趋势。温度与压力是影响气体堵塞的主要因素。

2.4 微生物堵塞

微生物检测结果显示:腐生菌大量存在，可能是造成回灌1号井微生物堵塞最主要的细菌类型；铁细菌总量少，而硫酸盐还原菌未检出。值得注意的是，在研究区南部热水井中发现有一种白色粘稠状异常逸出物，其常粘附在井口周围造成堵塞。分析测试结果显示:含有文石(X衍射占45%)和大量有机质(全碳5.322%、有机碳4.745%)，两者皆为生物化学作用的结果。

图13 温度对气体堵塞率的影响Fig.13 Influence of temperature on gas clogging ratio

3 回灌堵塞主控因素分析

在实验温度90℃，各单一回灌堵塞因素的贡献率依次为:颗粒运移57.5%、化学堵塞38.2%、悬浮物堵塞22.7%、气体堵塞 9.8%、粘土膨胀 －6.5%(图14)。由此可见，对回灌1号井而言:物理堵塞(包括颗粒运移、悬浮物，粘土膨胀在本区不影响)占主控地位，化学堵塞次之，而气体堵塞影响较小。另外，微生物大量存在，可能造成微生物堵塞。

图14 90℃各堵塞类型堵塞程度Fig.14 Comparision of different kinds of cloggings under 90℃

4 热储内部阻抗因素探讨

国内外深层孔隙型中低温地下热水回灌实践表明:热储层在自然回灌状态下稳定回灌量为正常采水量的1/3～1/5［13］。究其原因，除上述影响回灌率衰减的外部因素(回灌堵塞问题)外，包括储层物性特征、骨架收缩以及含水层的封闭程度等热储内部阻抗也是制约回灌的重要因素。不同的热储存在不同的只与储层相关的衰减曲线，并非所有的砂岩孔隙热储都适宜回灌。理论上，储层物性愈适宜，回灌成功率愈大。

5 结论

(1)造成研究区地热尾水回灌堵塞的外部影响因素依次为:颗粒运移、化学堵塞、悬浮物堵塞、气体堵塞、微生物堵塞、粘土膨胀。其内部因素有:热储物性、骨架收缩以及深部含水层的封闭性。

(2)地热尾水回灌物理堵塞主要形式有:颗粒运移、悬浮物堵塞、粘土膨胀。颗粒运移堵塞为研究区最主要的物理堵塞类型。

(3)地热尾水回灌化学堵塞主要沉淀物为碳酸盐垢，且当原水、尾水以6:4比例混合时，化学沉淀量最大。温度是化学堵塞的主控因素。

(4)90℃下，单因素对总堵塞率的贡献依次为:颗粒运移57.5%、化学堵塞38.2%、悬浮物堵塞22.7%、气体堵塞9.8%、粘土膨胀－6.5%。

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