砂岩热储地热尾水回灌悬浮物堵塞研究

高宗军，夏 璐，何雪琴，张平平，秦耀军

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590 ；2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；3.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，山东 德州 253000))

随着地热水的大量开采，引发了一系列像热污染、化学污染、水资源浪费、热能资源浪费、地热水位下降、潜在的地质灾害和资源枯竭等环境问题，给人民的生活带来了严重的影响。据国内外相关文献[1-5]，地热水人工回灌方法是解决上述环境问题的有效措施之一。地热水的人工回灌是指将已经利用过的地热尾水再次回注入热储层中，这样不仅避免了地热尾水在随意排放后造成的污染问题，还可有效恢复地下热水的水位，使地下热水的开发利用得以良性循环。我国早在20世纪70年代就在北京、天津、河北的保定、沧州、衡水、陕西的西安、咸阳、河南开封、山东的德州、东营、等地相继进行了砂岩热储地热回灌方面的相关探索，但是基于对砂岩热储回灌综合技术难点的认知程度低、开发条件差，钻探施工和地面配套工艺设计不合理和运行过程中缺乏合理方案和措施，致使发生了回灌井堵塞的问题[6-7]。

堵塞是指由物理、化学、生物因素而导致的渗透介质孔隙度和渗透性降低的现象，按其成因的性质，可分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞三大类[8-9]。物理堵塞是地表回灌系统和深井回灌系统发生堵塞的最常见情况。由物理作用所导致的的现象叫物理堵塞，其中的物理作用又可分悬浮物累积、气体充填和压力变化3种。其中悬浮物堵塞是回灌系统中最突出最典型的堵塞现象[10-11]。通过查阅相关文献看出[12-15]，研究悬浮物堵塞主要是实验室条件下砂槽砂柱试验，这往往与现场实际地层存在很大差异。所以本文在前人研究的基础上，结合德州市德城区鲁北院内地热回灌井实际地层粒径特征，以相同粒径石英砂作为入渗介质，粘性土颗粒为悬浮物，开展定水头条件下所含悬浮物对含水层堵塞的影响。可见本文开展砂岩热储地热尾水回灌物理悬浮物堵塞研究具有重要的理论及实际意义。

1 研究区概况

地热井回灌试验场地位于德州市德城区鲁北地质工程勘察院院内。德州市位于山东省西北部，黄河下游北侧，北以漳卫新河为界，与河北省沧州市为邻；西以卫运河为界，与河北省衡水市毗连；西南与聊城市接壤；南隔黄河与济南市相望；东临滨州市。该井回灌目的层为新近纪馆陶组细砂岩，其层段为1 290.40～1 494.40 m。该层段细砂岩发育，单层厚度较大，最大厚度81.40 m，渗透性及富水性较好，地层水矿化度较高。主要岩性为上部以灰白、浅灰色细、细砂岩及棕红色夹灰绿色泥岩为主，呈交互层状。下部为灰白色细砂岩及中砂岩为主，夹棕红色泥岩。与下伏沙河街组成角度不整合接触。

2 试验装置与方法

2.1 试验材料及回灌水源

根据研究区热储介质岩性与粒径分布特征，本研究供试砂样采用标准石英砂，该石英砂的SiO2含量在99%以上，粒径范围在0.125～0.180 mm。

为真实模拟研究区地热尾水中悬浮物特征，研究以现场尾水中悬浮物粒径分布为依据，配制实验室回灌水的方法。回灌水包括两部分：水源为市政自来水；悬浮物为粘性土颗粒，回灌水中加入10 ml/L的次氯酸钠，消除微生物的影响。

2.2 试验装置

试验装置由有机玻璃制成，高30 cm，内径6 cm，外侧设有1个溢流口、5个测压孔，测压孔自上而下依次间距2 cm、2 cm、2 cm、10 cm，砂柱实际填充高度18 cm(见图1)。

图1 一维砂柱装置示意图

2.3 实验步骤与方法

(1)装样：将清洗风干的砂样分层装入有机玻璃柱，按等容重将其压实，过程中向砂柱缓慢注入自来水，逐步完成饱水装柱过程。

(2)连接侧压排：将测压板与对应的五个沙柱测压孔连。

(3)饱水和测压管校正：从沙柱顶部缓慢注水，直至测压板上五个测压管水位在同一水平面(偏差小于±3 mm)。若不在同一水平面上说明此时沙柱中测压管堵塞、有气泡存在或者仪器有漏水。这时需要进行排气或者重新连接仪器来进行校正。

(4)回灌水配制：分别配制悬浮物浓度为0 mg/L 、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水，进行不同悬浮物浓度实验。配制悬浮物粒径为0.050 mm和0.038 mm的回灌水进行不同悬浮物粒径实验。

(5)回灌：测试渗透系数变化：实验保持进、出水水头差(ΔH)为19 cm，用浓度为0 mg/L消毒水对实验砂柱进行回灌，监测测压板水位及出口流量，记录下渗透系数，以此作为悬浮物回灌时的介质的初始渗透系数(K0)。然后打开曝气泵搅动，尽量使配置的悬浊液浓度保持稳定，避免悬浮物过量下沉而影响实验结果。每隔一段时间读取各测压管的水头值，用秒表和量筒读取出水口流量。计算回灌过程中不同时段砂柱各层的渗透系数K；待渗透系数K稳定后，终止试验。其中，渗透系数K用达西定律(式(1))求得：

(1)

式中：Q为出水口的流量(ml/s)；L为砂柱顶底两测压管之间的距离(cm)；Δh为顶底两测压管间的水头差(cm)；d为砂柱的内径。

为了更直观，计算相对渗透系数K＇(式(2))来反映系统的堵塞程度。

K＇=K/K0

(2)

式中：K0为回灌前砂柱的初始渗透系数，K为回灌过程中任意时刻的砂柱渗透系数。

3 结果分析

3.1 悬浮物浓度

采用悬浮物浓度为50 mg/L，粒径分别0.050 mm与0.038 mm的回灌水进行回灌实验。图2为热储介质渗透系数随时间变化图，其中空白试验是以市政自来水回灌热储介质后的相对渗透系数变化曲线。由图2可知，空白试验热储介质整柱相对渗透系数基本不变，且回灌前期(0～51 h)，悬浮物粒径为0.038 mm回灌水回灌的相对渗透系数从1降到0.35，而以悬浮物粒径为0.050 mm的回灌水回灌相对渗透系数降低到0.25，均呈现快速下降趋势，且明显前者相对渗透系数降低幅度大于后者；回灌后期(51～99 h)回灌不同粒径悬浮物回灌水后的热储介质其相对渗透系数均降低至0.05后基本维持稳定状态。由此表明，在悬浮物造成的物理堵塞过程中，悬浮物粒径的大小可以影响热储介质堵塞发生时间，悬浮物粒径越大堵塞发生时间越早。

图2 不同浮物粒径下相对渗透系数随时间变化图

3.2 悬浮物浓度

配制悬浮物浓度为0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L和100 mg/L的回灌水进行回灌试验。由图3可知，整个回灌过程中，不同浓度的回灌水回灌热储介质后，除空白对照实验外，其它整柱相对渗透系数均呈现“快速下降-基本稳定”趋势，最终都稳定在0.2左右，但不同悬浮物浓度降至稳定相对渗透系数所需时间不同，100 mg/L、60 mg/L、50 mg/L、20 mg/L相对渗透系数稳定时间分别为33.8 h、47 h、70 h、82 h。回灌前期回灌水悬浮物浓度高，相对渗透系数降低幅度越大，堵塞用时越短，但最终都趋于稳定状态。由此表明，在悬浮物造成的物理堵塞过程中，悬浮物浓度可以影响热储介质堵塞发生时间，回灌水中悬浮物浓度越高，物理堵塞发生时间越短。

图3 不同悬浮物浓度下相对渗透系数随时间变化图

3.3 悬浮物堵塞位置

图4(a)，(b)为不同悬浮物粒径下深度0～2 cm和深度2～16 cm的相对渗透系数在回灌初期(0～30 h)变化图，由图可知，表层0～2 cm两种粒径的相对渗透系数分别从1降到0.4和0.3，而2～16 cm两种粒径的相对渗透系数分别从1降到0.7和0.6，对比图(a)，图(b)可以看出，不管哪种粒径下，在相同时间内表层0～2 cm相对渗透系数下降幅度明显大于2～16 cm。且对比图5(c)、(d)不同悬浮物浓度下不同位置的两个图可以看出相同规律，相同时间下，表层0～2 cm相对渗透系数降幅速度明显大于2～16 cm，表明堵塞主要发生在表层，在一定程度上抑制了颗粒向下迁移。

图4 不同悬浮物粒径下(a)表层(0～2 cm)；(b)表层(2～16 cm)相对渗透系数随时间变化图

图5 不同悬浮物浓度下(c)表层(0～2 cm)；(d)表层(2～16 cm)相对渗透系数随时间变化图

4 结语

本文通过物理模拟试验，可以得出如下结论：

(1)通过不同悬浮物粒径回灌试验：悬浮物粒径的大小可以影响热储介质堵塞发生时间，悬浮物粒径越大堵塞发生时间越早。

(2)通过不同悬浮物浓度回灌试验：悬浮物浓度也可以影响热储介质堵塞发生时间，回灌水中悬浮物浓度越高，物理堵塞发生时间越短。

(3)回灌不同悬浮物粒径与浓度试验时，均可以看出，在相同时间内，表层0～2 cm相对渗透系数降幅速度明显大于2～16 cm。表明堵塞主要发生在表层，在一定程度上抑制了颗粒向下迁移。

试验对砂岩热储地热尾水回灌悬浮物堵塞展开了研究，针对悬浮物堵塞试验研究成果，结合研究区现状，可引出一些针对性的治理措施：控制回灌水源中悬浮物浓度和悬浮物粒径大小。首先可以设计一级除砂器来降低悬浮物浓度，即在尾水过滤之前先去除水中比重较大的悬浮物，这样既可以减少过滤器的过滤压力及过滤成本，也可以提高回灌速度。然后，尾水进入二级过滤器，因为粗除砂后尾水中比重或粒径较小的颗粒依旧存在于尾水中，依然会造成物理堵塞。所以，设计尾水进入二级过滤器，二级过滤器依据所测得悬浮物粒径范围设计粗过滤器和精过滤器，粗过滤器的设计过滤级为50 μm，精过滤器的设计过滤级为10 μm，滤器的个数可以根据尾水回灌量确定。另外需要注意在尾水回灌中应尽量避免回灌量大于其最大允许回灌量，这样才能保证回灌的效果。