天津市地热供热单井回灌整合方法探析——以河西区某井为例

甄垣津，曾小强，沈 健，王光辉，牛伟达

(1. 天津市广视房地产开发公司 天津300204；2. 天津地热勘查开发设计院 天津300250；3. 天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心 天津300042)

天津市地热供热单井回灌整合方法探析
——以河西区某井为例

甄垣津1，曾小强1，沈 健2，王光辉3，牛伟达2

(1. 天津市广视房地产开发公司 天津300204；2. 天津地热勘查开发设计院 天津300250；3. 天津市国土资源和房屋管理局地质事务中心 天津300042)

天津是我国地热资源开发较早的地区之一，但是随着需求的不断增加，地热资源开采量不断加大，影响了地热资源的可持续开发利用。地热供暖单井的资源整合是地热资源保护的重要工作之一，通过对河西区某井的地热资源整合，实现了地热资源的回灌开采模式，年新增地热回灌量37×104,,m3，为今后地热资源的整合工作起到了示范作用。

地热资源 地热单井 回灌 整合

0 引 言

天津是我国地热资源开发较早的地区之一，地热开发利用规模和水平均走在全国前列。[1]然而，随着需求的不断增加，地热资源开采量不断加大，出现了热储压力持续下降、排放尾水温度过高、地热资源利用率降低等问题，影响了地热资源的可持续开发利用。近年来，天津市在地热供暖项目上采用对井采灌开发利用模式，建成了多处地热对井采灌系统，从实际运行看，效果较好。[2]但早期形成的一些地热供暖利用系统仍为单井开采，若为这些项目补建回灌井，大多受到经济、施工场地和地质构造等条件的制约，落实难度很大。对现有的地热单井进行合理的资源整合，组成采灌系统，既可以减少补建回灌井的钻探施工费用，又可以加强回灌，提高地热利用率，还符合政府回灌补贴政策，一举多得；从区域上看，可以有效缓解热储压力下降，促进天津市地热可持续开发利用和环境保护工作。

1 地热单井回灌整合可行性分析

地热单井回灌整合一般有两种方式：①在两眼开采单井相距较近，且供热面积较小的情况下，将其中一眼开采单井改造为回灌井，通过管路连接将原有的两个单井开采系统改造为一个对井采灌系统，实现地热单井的回灌。②开采单井与周边现有回灌井相距较近，可通过管路连接将该井的地热尾水回灌至回灌井中，实现地热单井的回灌。

本项目符合第2种情况，H-1地热开采井位于河西区友谊北路附近(见图1)，该井成井于1996年。开采热储层为中新元古界蓟县系雾迷山组，该井年平均开采量为20×104,m3，主要为居民小区进行集中供暖。由于是单井开采形式，温度高达50,℃的地热尾水直接排放到市政污水管网，不但造成了地热资源的极大浪费，也对市政管网的水处理形成了较大的负担。

图1 地热井交通位置图Fig.1 Traffic location map of geothermal wells

H-4、H-3地热井与H-1地热井相距较近(见图1)。两井热储层均为蓟县系雾迷山组，目前H-4井与H-3井为一对采灌系统，年均回灌量约为17×104,m3，回灌率100%,。

根据两个系统的运行记录：H-1井在供暖季最大开采量为100,m3/h左右，H-1井的流体未来可回灌至H-3井的最大量为60～80,m3/h，回水温度为45～50,℃；H-4井的流体回灌至H-3井的最大量为80～120,m3/h，回水温度约为45～48,℃。因此整合后最大回灌量为140～200,m3/h左右。

H-3井回灌能力一直较为稳定，始终未出现明显的衰减现象。以2014年为例，供暖季平均回灌量在80,m3/h左右，该井稳定动水位为110,m，回灌率达到100%,。说明该地区蓟县系雾迷山组热储层岩溶裂隙发育，回灌能力较强。H-3经过科学的技术改造后具备满足“两采一灌”的回灌潜力。

根据2014天津地区地热资源动态监测数据显示，该区域雾迷山组水位每年下降4～5,m。为了保护地热资源，实现可持续开发利用，本整合项目将H-1地热开采单井并入H-4与H-3地热井系统中，形成“两采一灌”开发利用模式，既可增加地热水资源回灌量、维持热储压力，又可减少尾水排放，降低对环境的影响。

2 回灌整合工作

2.1 地热回灌井技术改造

在热储层裂隙发育程度满足的情况下，利用酸化压裂的方法可以有效提高地热井的产能，尤其在对老旧回灌井修复处理中，对提高回灌效果极为重要，[3]同时对于提高地热井的使用寿命和维持地热资源的可持续发展效果显著。根据以往监测资料显示，H-3井具备较强的回灌能力，但由于该井使用年限过长，导致井底锈蚀物堆积。为了确保该系统冬季的正常使用，更好地增大回灌井的回灌能力，本项目采用了酸化洗井的方法对回灌井进行处理，增大回灌量，进而满足未来两采一灌的需求。酸化洗井主要工艺方式及参数如下：

酸化工艺：盐酸酸压工艺；

挤注方式：正挤；

浓度：22%,；

挤注压力：≤20,MPa；

排酸方式：汽化水排酸。

2.2 地面回灌系统技术改造

天津市基岩裂隙热储层的回灌研究工作始于20世纪80年代，[4]经过多年的研究和实际运行监测，基岩热储地热回灌系统对于回灌水质主要有以下要求：

①水质稳定，回灌水与储层水相混不应产生沉淀，以防止回灌水质对良好热流体造成不可逆转的伤害影响；

②回灌水注入目的热储层后不应使岩石矿物产生水化反应；

③回灌水中不得携带大量固体悬浮物，以防堵塞渗流裂隙通道；

④回灌水不应是存放时间长、已滋生各种细菌的二次污染水；

⑤回灌水对回灌系统设施的腐蚀性小。

因此，需要对灌入回灌井的地热尾水水质进行严格控制，合理的地面回灌系统可以有效避免回灌的物理堵塞、气体堵塞等，提高回灌率、维护回灌井的持续有效运行，保证地热回灌通畅并具可持续性。地面回灌系统改造工作主要有：

2.2.1 保证回灌系统密闭性

回灌系统要严格保证密闭性，避免回灌流体回温度、压力等因素变化而产生沉淀，从而导致热储层堵塞。

2.2.2 增加过滤设备

为有效减少回灌中的堵塞，保证回灌顺利开展，在回灌井口需设置过滤器，过滤精度为50,μm，采用自清洗及多台过滤器并联安装，当进行清理或维修时，不会影响回灌工作的进行。过滤器进出口两端均需安装压力监测仪器，根据压力变化制定反清洗的时间，以保证过滤效果。

2.2.3 增加排气罐

回灌流体由于管径阻力和流动状态的变化，水动力流场状态也会发生变化，流体中的部分气体析出并生成气泡，驻留在岩石空隙中会产生气堵。在回灌前应设置排气装置，地热尾水进入罐体，由于管径的变化，流速迅速降低，压力下降，气泡内的压力和罐内压力形成压差，迫使气泡爆裂，将气体释放出来并通过排气阀排除。

2.2.4 安装地热输送泵

由于H-1井至H-3回灌井的输水管线长度较长，为使地热尾水顺利回灌，需要在H-1地热井泵房增加地热输送泵。由于水泵为供暖期连续运行，因此水泵设置为一用一备共两台。

2.2.5 储水罐安装

由于H-1井地热尾水随气温变化随时调整，且地热尾水压力很低，为保证地热输送泵前压力，防止抽空，需要在H-1地热井泵房增加储水罐1个。

改造后的地面回灌系统如图2所示。

图2 地面回灌系统流程示意图Fig.2 Schematic diagram of the ground return irrigation system

2.3 回灌管路敷设

管道设计参数为DN150。根据施工现场的实际条件，在原有穿越主路管道的基础上，以直埋、架空和导向钻牵引管敷设作为管道的铺设方法。

在设备安装和管道敷设施工过程中对施工质量进行严格控制。认真审查施工单位的三大保证(质量、技术、安全)体系及特殊工种上岗证，审查施工单位报审的施工组织设计、各专项施工方案等。专门安排专业人员对施工过程进行巡视和检查，对隐蔽工程的关键工序、关键部位进行旁站监督。对工程质量按照相关规范、标准进行审查和检验，不符合规范要求的不准进入下道工序。通过施工事前、事中和事后控制，有效确保了施工的工程质量。

3 回灌整合效果验证

为了验证回灌整合系统建成后的实际回灌效果，系统建成后在供暖期间进行了240,h的生产性回灌试验。稳定回灌量为180,m3/h，稳定动水位60,m，试验过程如图3所示。实践证明，改造后回灌系统的回灌能力有了较大提高，确保了今后两采一灌系统的正常运行。

图3 回灌试验历时曲线图Fig.3 Duration curve of the irrigation experiment

4 回灌整合系统效益分析

4.1 经济效益

根据目前天津市矿产资源补偿费的优惠政策，对采取回灌方式进行开发利用的单位，回灌部分的矿产资源补偿费只收取正常费用的30%,。H-1地热开采井温度为85,℃，供暖和生活热水部分征收的矿产资源补偿费为2.0元/m3，回灌量部分征收的矿产资源补偿费为0.6元/m3。按照年可回灌量18×104,m3计算，对原有地热井整合后，每年矿产资源补偿费可节省25.2万元，由于地热水回灌部分可以免缴排污费，按1.2元/m3计算，每年可节省21.6万元，因此，年节约费用总计46.8万元。

4.2 社会效益分析

目前很多早期进行地热开发利用的单位由于没有回灌井，存在着地热尾水直接排放的情况，造成了极大的资源浪费。这些供热系统多位于城市中心繁华地段，受施工场地限制难以再补建回灌井。该项目的完成，对于原有老城区地热井的资源整合保护具有重要的推广意义。项目本着资源保护的原则，采用整合方式，在不影响原有能源需求的前提下，将H-1开采单井并入到H-4与H-3采灌系统中，实现利用地热尾水回灌保护地热资源的目的，缓解了热储压力的下降速率，延长了地热田的使用寿命，有效保护了地热资源，推动了地热资源的可持续发展进程。

4.3 环境效益分析

地热尾水直接排放至市政管网，不但造成了地热资源的极大浪费，也对市政管网的水处理形成了较大的负担。通过整合地热资源，地热尾水全部实行了回灌，有效保护了生态环境，最大程度地减少了废水的排放。

［1］ 天津地热勘查开发设计院. 地热集中开采区回灌开发布局和资源整合规划研究报告[R]. 2009.

［2］ 赵苏民，孙宝成，林黎，等. 沉积盆地型地热田勘查开发与利用[M]. 北京：地质出版社，2013.

［3］ 天津地热勘查开发设计院. 天津市重点地热田回灌布局规划研究报告[R]. 2008.

［4］ 林黎，王连成，赵苏民，等. 天津地区孔隙型热储层地热流体回灌影响因素探讨[J]. 水文地质工程地质，2008，35(224)：125-128.

Analysis on the Integration Method of Single Well and Recharge of Geothermal Heat Supply in Tianjin：A Case Study of a Well in Hexi District

ZHEN Yuanjin1，ZENG Xiaoqiang1，SHEN Jian2，WANG Guanghui3，NIU Weida2
(1.Tianjin Guang Shi Real Estate Development Company，Tianjin 300204，China；2.Tianjin Geothermal Exploration Development Designing Institute，Tianjin 300250，China；3.Center of Geology，Tianjin Bureau of Land Resources and Real Estate Management，Tianjin 300042，China)

As one of the earlier cities engaging in geothermal resource development，Tianjin is facing the problem of sustainable development of geothermal resources following their increasing demands and expanding exploitation quantity.For single well，geothermal heating resources integration is one of the important works for geothermal resources protection.This paper takes geothermal resources integration of a well in Hexi District as an example to explain the geothermal resources exploitation and reinjection mode.It shows that new geothermal recharge volume reaches 37×104cubic meters.This study will provide a demonstration for future work of geothermal resources integration.

geothermal；geothermal single well；recharge；integration

TD98

：A

：1006-8945(2016)04-0056-04

2016-03-14