孔隙型地热资源回灌模式研究——以天津市滨海新区为例

王光辉，赵娜，唐永香，李嫄嫄，沈健

（1.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042；2.天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

孔隙型地热资源回灌模式研究
——以天津市滨海新区为例

王光辉1，赵娜2，唐永香2，李嫄嫄2，沈健2

（1.天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心，天津 300042；2.天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

孔隙型地热资源回灌模式的研究对于实际回灌操作具有重要的指导意义。通过对滨海新区南部孔隙型热储层进行不同回灌模式的回灌试验研究，笔者认为“回扬-回灌”的循环运行方式可以保证该系统回灌的持续性，是现阶段最适宜孔隙型回灌系统的运行方式。对于灌量较小的地热井，应根据实际情况确定最佳回扬时间及回灌率，必要时采用加压回灌，才能更大地发挥地热回灌井的回灌作用，保障区域地热资源可持续发展。

孔隙型；地热资源回灌；回扬-回灌；加压回灌；滨海新区

天津地热属于沉积盆地型地热资源，回灌开采历史长、规模大。据统计数据,2013年度回灌量近1087.49×104m3/a,整体回灌率近40%，其中基岩回灌率达57%,回灌效果明显。相对而言，孔隙型热储回灌工作率不足6%[1，2]，究其原因是由于各种因素引起的堵塞致使回灌量衰减过快，回灌率太低。地热回灌实质上是热流体的压缩，储层岩性、岩土颗粒、地层的孔隙率和渗透性对于回灌起着非常重要的作用[3，4]。但对储层岩性为粉细砂岩，颗粒粒径较小，孔隙小的热储层，回灌难度较大，表现为：回灌量小，难以做到连续稳定的回灌，长期开采而缺乏有效回灌，导致这些地区储层水力平衡破坏，因此在这类地区回灌持续性尤为重要。而回灌模式的采用和回灌的操作方法是影响回灌持续进行的一个重要因素。本文将从不同回灌模式的回灌试验入手，通过对滨海新区南部BH-49B地热井回灌试验的数据分析和后期运行状况，研究自然回灌、“回扬-回灌”及加压回灌三种回灌模式对孔隙型地热回灌井的回灌效果。

1 地热地质条件及地热井概况

1.1 地质构造特征

BH-49B地热井处于板桥凹陷内（图1）。板桥凹陷位于黄骅坳陷的中部，北以海河断裂为界，西以沧东断裂为界。凹陷分布呈NE向，中心部位在官港附近。基岩顶板埋深1500～5200 m。凹陷区发育了巨厚的新生界[5-8]。

1.2 地层特征

BH-49B地热井地层从上到下为：第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组，基本情况见表1。

1.3 热储层特征

馆陶组在滨海新区南部发育普遍，岩性稳定，旋回性强，是大港区一个重要的热储层。一般厚度为300～350 m，底板埋深为1820～1930 m。根据滨海新区地热普查工作成果，该组热储层一般开采层主要为馆Ⅰ和馆Ⅲ[4]。BH-49B回灌井的回灌目的层为馆Ⅲ。

BH-49B地热回灌井馆陶组热储层声波孔隙度16.19%～29.21%，平均26%左右，渗透率（105.84～664）×10-3μm2，砂岩泥质含量7.06%～22.73%（表2），整体来讲，储层孔隙度、渗透率均相对较低，泥质含量偏高，回灌难度也相对较大。热流体矿化度1961.8 mg/L，水化学类型为Cl·HCO3-Na型，pH值8.38。

图1 天津地区滨海新区地质构造图Fig.1 Geo logica l struc tu re o f Tian jin Binhai New Distric t

1.4 井身结构

一开：采用Φ444.5 mm三牙轮钻头钻进至孔深308.8 m，下入Φ339.7 mm套管至308.8 m。回灌井井身结构如图2所示。

二开：采用Φ241.3 mm三牙轮钻头钻至孔深1892 m完钻,下入Φ177.8 mm技术套筛管总长1618.64 m（其中筛管总长112.35 m，有效长度88.93 m），在892.77 m对技术套管进行了水泥封固。技术套管排列：Φ177.8 mm套管×1487.39 m+Φ 177.8 mm筛管×112.35 m+Φ177.8 mm沉砂管×18.9 m。

BH-49B在回灌目的层采用下入两种不同筛管的成井结构，1659.9 m～1840.5 m为4组笼式筛管，底部为2组单丝筛管。

表1 BH-49B回灌井揭露地层简表[9]Table 1 Litho logica l section o f the we ll BH-49B

表2 BH-49B回灌井回灌热储层段测井解释成果表Table 2 Geophysica l logging resu lt o f the w e ll BH-49B

2 地面回灌过滤系统

在回灌系统中增加了回灌过滤设备（图3），其具体流程为：经过间接换热后的地热尾水进入回灌站房后，先经过加压泵

进行加压，再进行过滤，过滤分为粗效过滤和精密过滤两部分,其中粗效过滤器的过滤精度达到50μm，精过滤器的过滤精度达到3～5μm，过滤后的尾水进入排气装置，排除由于压力变化而从地热水中析出的气体，最后从回灌井井口装置进入回灌井。

3 回灌试验

3.1 回灌试验过程

回灌试验自2008年1月7日开始，至3月21日结束，持续时间共计75天，进行了四组13次比较完整的试验，取得了大量珍贵有效的现场数据（表3）。

第一组：自然间歇回灌试验

本组共进行了三次回灌试验，均为自然回灌。当水位接近井口时，判定此次试验结束。当回灌井以自然间歇方式恢复水位24小时后开始进行下一次试验，以判断自然间歇情况下该井的回灌能力。

第二组：定流量“回扬－回灌”试验

本组共进行了4次回灌试验，全部为自然回灌，回灌量控制在20 m3/h左右，每次试验开始前先进行一段时间的回扬，以判断不同回扬量对回灌能力的

影响。

表3 回灌试验数据统计表[10]Table 3 Data o f the rein jection test

第三组：大流量“回扬－回灌”试验

本组共进行了4次回灌试验，全部为自然回灌，每次试验开始前仍先进行一段时间的回扬，而回灌量则以30 m3/h为目标逐渐增加，以判断“回扬－回灌”模式下的最大回灌能力。

第四组：加压回灌试验

本组共进行了两次加压回灌试验，压力均为0.2 MPa，每次试验开始前仍先进行一段时间的回扬，然后进行自然回灌，当水位涨至井口后开始加压回灌，加压回灌开始时将流量直接调至40 m3/h，以判断压力对回灌效果的影响。

3.2 吸水指数

为了解回灌后地层吸水能力的变化情况，我们在此引入“吸水指数”这个参数，吸水指数即单位时间的灌水量与井底压差的比值。它是衡量回灌井吸水能力的重要指标。

式中：

Q—回灌量（m3/h）；P2—灌水后的井底压力（MPa）；P1—灌水前的井底压力（MPa）；

3.3 自然回灌模式分析

自然间歇模式回灌，平均灌量为16 m3/h，回灌持续时间均在24小时。若以吸水指数来比较的话，如图4，曲线1-1、1-2、1-3的走势说明了在自然间歇模式下，储层吸水能力逐渐减小，水位短时间内接近井口，回灌持续时间较短。

3.4 “回扬－回灌”模式分析

3.4.1 回扬对回灌效果的影响

图4 吸水指数历时变化曲线图Fig.4 Index o f the absorb water for the BH-49B

在经过第一次回扬4小时后，BH-49B井的回灌能力得基本恢复到了回灌初期的水平（图4曲线2-1）。而经过第二次回扬8小时后，BH-49B井的回灌能力得到了显著的提升，在灌量基本稳定的情况下，回灌延续时间也大大增强（图4曲线2-2）。第三次回扬4小时后，BH-49B井的回灌能力与前一次相比有了一定程度的下降，虽然受当时回灌量不稳定的影响导致曲线2-3在一段时间内发生波动，但总体而言，其回灌效果仍然好于前4次回灌试验。

通过回灌试验的对比，可以看出BH-49B回灌井在自然间歇模式下回灌能力有限，要使回灌持续进行，必须定期进行回扬。回扬的方法可以比较明显的恢复甚至提高回灌井的回灌能力，但随着回灌量的不断累计，在回扬量不变的情况下，回扬的效果会逐渐减弱。

3.4.2 回扬率的确定

一次“回扬－回灌”实际上就是回灌能力的一次“恢复-消耗”的过程，在回扬-回灌模式下，引入“回扬率”这一参数，即一次回扬量与回扬后能够灌入的水量的比值，来评估不同“回扬-回灌”模式的效果。回扬率越低，说明回灌能力消耗的越缓慢，回灌效果越佳。表3为第二组和第三组不同模式下的回扬率对比表。从中我们可以得到如下结论：

（1）当回扬率在20%～30%左右时，平均回灌量在20 m3/h左右，回灌持续时间最长，累计灌量最大。前提条件当回扬率超过这个范围时，应及时重新回扬，以避免地层的可灌能力过度消耗，影响回灌的持续。

（2）在第三组大流量“回扬-回灌”模式下，回扬率大于50%，回灌的整体效益不好。可以判定，BH-49B回灌量无法满足30 m3/h的要求。

（3）在回灌的具体操作中我们发现，在开始时应以小流量回灌，在两小时之后再以额定流量回灌，这样可有效延长回灌的持续时间，降低回扬率。

3.5 加压回灌模式分析

在自然回灌试验的基础上，进行了两次加压回灌试验，即利用加压泵增加回灌压力进行回灌。加压压力均为0.2 MPa。在压力额定的条件下，两次试验都出现了回灌逐渐衰减的状况（图5），第一次在50 h内从40 m3/h左右衰减到34 m3/h左右，第二次在49 h内从40 m3/h衰减到30 m3/h左右。从曲线中也可以看出，回灌量衰减的趋势逐渐趋于平缓，预计当衰减到30 m3/h左右时趋于稳定。通过两次加压

试验可以得出，在0.2 MPa压力下，遵循“回扬－加压回灌”模式，BH-49B的回灌能力在30 m3/h左右。

3.6 实际生产回灌运行

为了验证回灌试验分析结果，回灌试验结束后，对该井又进行了一次生产性试验，回灌方式与之前的回灌试验相同，首先进行自然回灌，当动水位涨至井口后，封闭井口进行带压回灌。结果证明采用自然回灌与加压回灌相结合的方式，以两天为周期，遵循“回灌44 h－回扬4 h”的定时循环运行方式，其平均灌量可提升至25 m3/h左右。

图5 加压回灌历时曲线图Fig.5 Pressurized in jection test

4 试验结果

自然回灌，回灌量小，回灌持续时间极短，而采用“回扬－回灌“模式时，系统具备20m3/h的回灌能力；采用自然回灌与封闭井口带压回灌方法相结合时，该系统具备25m3/h的回灌能力；采用加压回灌方法，在管道压力额定为0.2MPa时，系统具备30m3/h的回灌能力。考虑到回灌运行成本，采用自然回灌与有压回灌相结合的方法最为经济可行。在实际运行时应遵循自然回灌与封闭井口带压回灌相结合，以25m3/h定流量回灌，应以2天为周期，遵循“回灌44h－回扬4h”的定时循环运行方式，可以保证回灌的持续性。

5 结论与建议

孔隙性热储回灌量小且衰减严重，影响地热回灌工作的全面开展，这也是世界性难点问题，尤其对于粉细砂岩岩热储层，回灌量小，回灌持续性差是其回灌主要特征。此类热储层所处地区长期的地热开采而缺乏有效回灌，导致热储压力持续下降，开采成本逐渐增加，直接影响地热资源的可持续开发，因此这类地区回灌的持续性是保障回灌进行的关键。回扬对于回灌的可灌性具有促进作用，可增大回灌量，延长回灌持续时间，回扬的时间与回扬率需根据回灌试验确定。加压回灌在一定程度上能够增大回灌量，但考虑回灌运行成本，采用“回扬－回灌”与“加压回灌”相结合的方式，操作性、经济性较强，是现阶段最适宜的回灌运行方式。而在供暖严寒期开采高峰期，地热流体开采量较大时，也可直接采取封闭井口加压回灌模式与回扬模式相结合的方式，更好的应对地热开采高峰期，减少资源浪费。

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Research on GeothermalReinjection M odeof Neogene in the BinhaiNew Area，Tianjin

WANG Guang-hui1,ZHAO Na2,TANGYong-xiang2,LIYuan-yuan2,SHEN Jian2,

(1.Tianjin Bureau of Land,Resourcesand Real Estate Management,Center ofGeology,Tianjin,300042,China; 2.Tianjin Geothermal Exploration DevelopmentDesigning Institute,Tianjin,300250,China)

Research on the reinjectionmode of Neogenegeothermal resources isan importantguidance for the actual injection operation.This article mainly discribe reijection experiments w ith different rechargemode in the southern part of the BinhaiNew Area.The result shows that the cycle of"pump lifting-recharge"mode can ensure continuous reinjection for pooreffectof geothermal reinjetion.The rate and time of pump lifting should determ ine by the actual situation，and themethod of pressurized injection should be adopted if necessary.The reinjection well of Neogene can play greatest injection capacity by thismethod,and this aslo can guarantee the sustainable developmentof regionalgeothermal resources.

Neogene;geothermal resouces;reinjection;pump lifting-injection;pressurized injection；Binhai New Area

P314.1;P641.25

A

1672－4135（2014）02－0155-06

2014-04-18

天津市矿产资源节约与综合利用项目（国土房地热任字[2008]008号）

王光辉（1981-），男，学士，工程师，2004年毕业于石家庄经济学院，现从事水工环和地热地质工作，E-mail：tjdrzn@126.com。