豫北某城区地热水人工加压回灌实验研究

张海娇

摘要：为研究豫北地区地热水回灌的可行性及适合的回灌模式，本文以豫北某城区地热井加压回灌试验为例进行了试验研究，结果表明：在豫北地区地热水中开展加压回灌是可行的;通过分析加压前后回灌能力的变化、压力与回灌量之间的关系以及回灌量与出水量之间的联系，说明加压回灌可以有效提高回灌能力，增大回灌量。此外，对抽灌井合理井距进行了计算，可为条件类似地区实施回灌工程提供有益借鉴。

关键词：地热;加压回灌;地热尾水;井距;豫北地区

地热水资源作为一种清洁型能源，对发展经济、改善能源结构、保护环境及实施可持续发展战略意义重大，是经济一能源一环境可持续发展战略中的一个重要组成部分。

白20个世纪80年代，国内地热资源开发利用蓬勃兴起，地热水已广泛应用于医疗、洗浴、游泳，部分用于矿泉水开发及地热供暖，产生了积极的社会、经济和环境效益。但由于开采井数和开采量的不断增加，且长期只采不灌，使得部分地区热储层水位快速下降，形成了较大范围的降落漏斗，且漏斗中心区的地热水井出现了掉泵和不能连续供水的情况。目前认为回灌可以有效地解决地热开发利用所带来的诸多问题。为进行地热回灌技术研究，为地热资源的可持续开发利用提供技术支撑，在豫北某县某小区开展了地热水加压回灌试验研究。

1.回灌试验概况

1.1实验场地及实验井概况

××城区位于内黄凸起东北端，新生界地層呈向东南缓斜的单斜层，倾角6°～8°。地热类型主要为传导型，热储为层状热储。本次地热试验井（N01、N02）两井相距315m，均为近2年新成地热井，其成井T艺、取水层段、静水位埋深、地热流体温度等均非常接近，为典型的同层位回灌对井。

1.2热储层特征

回灌热储以新近系馆陶组为主。该热储埋深981m—1375.8m，热储介质为细砂岩、中细砂岩、砂砾岩等，厚度140m—155.lm，孔隙度为0.22，富水性较好。该层地热流体化学类型为SO42-·Cl--Na+，pH值7.73—8.22，属弱碱性水;硬度为374.Omg/L—577mg/L，属硬水、极硬水;可溶性总固体约1924mg/L—2881mg/L。

1.3回灌模式及回灌工艺

回灌方式采用“多压力对井同层、同温回灌试验”。回灌试验采用一抽一灌的形式，先从N01井抽水，对N02井进行回灌，然后从N02井抽水，对N01井进行回灌。每次均进行4个压力回灌试验（常压2次、加压2次），与之相对应，抽水井为四个落程。

本次回灌工艺流程为：地热流体由潜水泵从开采井抽出后依次经过除砂器、粗过滤器、细器过滤，将水中的固体悬浮颗粒及部分微生物过滤，然后经过排气罐排气，再由变频加压泵加压，最后回灌到地热回灌井中。

2.试验结果分析

2.1回灌实验成果

本次回灌试验共2组。其中N01抽、N02灌试验历时212h，共完成回灌水量10089.84m3，回灌试验成果见表l。

N01灌、N02抽试验历时152h，共完成回灌水量7408.08m3回灌试验成果见表2。

实验表明，在常压状态下，可实现的回灌量为40.56m3/h，在加压（0.25MPa）状态下，回灌量可达60.9m3/h，表明在豫北孔隙型热储层中进行地热流体回灌是可行的。

2.2加压前后回灌效果对比

对比自然回灌和加压回灌后单位回灌量的变化可以得出，加压回灌可以有效增加回灌量，且增加的程度与所施加的压力成正相关关系。自然回灌时最大稳定回灌量为40.56m3/h，加压回灌后，随着压力的增大稳定回灌量也逐渐增大，当施加压力在0.25MPa—0.28MPa时，稳定回灌量较自然回灌时提高了50.15%。对比自然回灌和加压回灌时的单位回灌量可知，由于加压在一定程度上打开了热储层的流体通道并加快了流体迁移的速度，使得回灌流量有所加大;而所加压力越大，回灌流体的速度越快，从而使得回灌量越大。

2.3回灌量与回灌压力、回升水位关系分析

在各单次升程的回灌初期，回灌井内尚有部分空间且其中的空气未全部排掉，地下热水也未形成稳定的渗流场，所施加的压力也未定，在回灌水量一定的情况下，综合导致回灌初期回灌回升水位及波动范围较大;当回灌井内全部充满水后，孔内压力就会明显增加，此时所施加的压力也逐渐趋于稳定，回升水位及其波动范围明显变小，回灌压力稳定后，地热水稳定渗流场也逐渐形成。因此，回灌中后期瞬时回升水位趋于相对稳定。

回灌压力稳定后的回灌量与回灌压力（回升水位）之间的关系为：回灌量随着回灌压力（回升水位）的增大而增大，单位回灌量随着压力（回升水位）的增大而减少，并均呈对数函数关系（见图l和图2）。

2.4灌抽比分析

将回灌量等同于抽水流量，回升水位等同于降深，单位回升回灌量相当于单位降深流量，以此来计算各试验井组的灌抽比。结果表明，在相同降深情况下，回灌量小于抽水流量，其中N01井的灌抽比可达到86.8%，而N02井的最大灌抽比仅为28.9%。注：N01井抽水流量根据N01抽N02灌试验时的抽水试验数据取得的相关性公式Q=0.9039S+12计算得出;N02井抽水流量根据N01灌N02抽试验时的抽水试验数据取得的相关性公式Q=3.6541S+6.6246计算得出;回灌压力lMPa=lOOm水柱。

3.抽灌井合理井距计算

在假设对井回灌系统工作50年的情况下对采、灌对井合理井间距进行计算分析。孔隙型热储地热采、灌对井井距遵循以下数学关系式：

式中：D：对井井底距离（m）;Q：总回灌量（m3/d）;b：热储层有效厚度（m）;l1：热储层孔隙度（%）;t：按对井回灌系统工作50年。根据已有资料，公式中各项取值为：Q：取回灌量1461.6m3/d;（按最大回灌量60.9m3/h计）;b：热储层有效厚度取92.8-140m;n：热储层孔隙度取22%;t：按年，每年回灌时间以天计，取t=so×120—6000d。

由上述公式计算可得：D=522-641m，即设计回灌井与设计开采井的井底距离为641m时，冷、热流体混合锋面在50年后白回灌井到达开采井，产生热突破。因此为避免相互干扰或过早出现热突破现象，对井之间的合理井底距离应大于641m。

4.结语

（1）加压回灌可以有效提高回灌能力，大幅增加回灌量，为切实解决地热水回灌量小的问题提供了有效途径。（2）回灌过程中所施加压力越大，单位回灌量也就越大，说明加压回灌在一定程度上可以疏通渗流通道，提高回灌（渗水）能力。（3）因回灌堵塞原因，地热井灌采比较低，一般远小于l。因此，为可持续开发地热资源，应制定合理的采灌模式。（4）为避免回灌水过快到达抽水井，从而引起抽水井温度的降低;同时，为避免回灌井距离开采井过远，导致回灌水到达抽水井时间过长，不能起到保持热储压力，稳定地热井生产能力的作用，因此，确定灌采井的合理井距也非常重要。

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