江苏海安滨海新区砂岩热储回灌试验研究

平利姣， 丁小琴， 周 欣， 窦传伟

(1. 地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏南京210007；2. 海安市自然资源和规划局，江苏海安226600)

0 引 言

地热回灌是保持地热田可持续开发最有效的措施(Pan，2006；戴宝华，2017；郑克棪等，2018；李文等，2019)，不仅可避免地热废水直接排放引起的热污染、化学污染等(刘久荣，2003；吴继强等，2014；梁静等，2016；毕雯雯，2019；张海娇，2019)，还可使地热储层压力回升，开发岩石骨架中的热量(潘小平，2005)。

江苏海安老坝港滨海新区地热资源丰富但开发滞后(王军成等，2017)。该区地热开发利用的理想层位为孔隙-裂隙型砂岩热储，砂岩储层因粒径较小、孔隙率及渗透率较低成为回灌工作的难题(孙颖等，2009；朱红丽等，2011)。为促进该区地热资源循环利用，了解盐城组孔隙-裂隙型热储回灌能力，开展同层对井回灌试验并分析回灌可行性，为区内盐城组热储层地热资源循环开发利用提供依据。

1 地热地质条件

1.1 构造条件

研究区位于海安凹陷，是在燕山晚期盆地基础上发展起来的新生代断陷盆地，盆地沉陷中心在海安曲塘一带，靖江—如皋断裂为该盆地控制性断裂，该断裂穿过研究区，区域地热异常受该断裂控制明显。研究区属于具有相对较高大地热流值的苏北盆地，岩石圈厚度约100 km，居里面(560 ℃)深度约为30 km，大地热流值为70 mW/m2。

1.2 热源

主要来自地下深处经自然增温而形成的热源，通过岩石的热传导和热水的对流作用传递到地表浅部，包括地下深处的热包幔源热和地壳中放射性元素衰变长期积累的热量(赵剑畏等，1997)。根据地热井温度测量结果，1 km以浅地温梯度为每100 m 2.8～3.0 ℃。

1.3 热储层

热储层为新近系盐城组下段砂岩热储，顶板埋深为770～810 m，底板埋深约1 130 m。有2个沉积旋回：上旋回(即上段)含水层岩性上部为灰白色泥岩夹含细砾中粗砂岩，下部为浅灰、棕灰色砂岩；下旋回(即下段)含水层岩性上部为棕红色、咖啡色粉砂质泥岩，中部为兰绿、灰绿色粉细砂岩、砂岩及含砾砂岩，底部为块状巨厚(厚48 m)灰色、浅灰绿色砂砾岩及中砾石层。该储层埋藏深、厚度较大，水温高、水量大、水质复杂，单井涌水量为1 000～2 000 m3/d，富水性较好。矿化度<1 000 mg/L，水化学类型为HCO3·Cl-Na型，地热水温度为40～45 ℃。

1.4 盖层

研究区地热盖层主要为第四系(Q)—新近系(N)上部地层，厚度>800 m，其中黏土、亚黏土层热导率低，所含泥岩、页岩热导率低，起到了很好的隔热保温作用。

2 砂岩热储地热回灌

2.1 试验条件

对井回灌试验抽水井为已有井川港1井，取水层段为968～1 076 m；回灌井为施工地热井，井间距为573 m，取水层段为959.92～982.16 m；取水层对象为中-粗砂岩、细砾岩等含水层(表1)；试验为同层回灌，回灌井为填砾成井，填砾结构更有利于回灌(沈健等，2016)。

表1 回灌井与观察井结构特征Table 1 Structure characteristics of the recharge well and the observation well

2.2 试验情况

回灌水采用当地民用自来水，检测主要阴阳离子以及污染物的含量，结果水质良好，符合饮用水标准。回灌水温度受气温影响有一定的变化，水温为18.2～24.2 ℃。

川港1井的抽水与正式自然回灌同步开始，至第二次加压回灌结束时停止。涌水量约为30 m3/h，水位降深平均为58.5 m，水温42 ℃。回灌期间抽水井川港1井的水温、水量、水位降深基本保持稳定，变化幅度较小。

试验分无压回灌(即自然回灌)和加压回灌2种方式，试验前均进行了试回灌，最终选择3种流量进行正式试验。为保护含水层，试回灌和正式回灌时回灌流量由小到大逐步调节，加压<0.3 MPa，自然回灌及2次加压试验完成后进行了水位恢复试验，停灌后水位能较快恢复到静水位。

回灌统计结果(表2)显示：自然回灌试验回灌量为17.5 m3/h，累计回灌时间为5 910 min，累计回灌量为1 718.17 m3(图1)；第一次加压回灌量为24.0 m3/h，稳定压力为0.17 MPa，累计回灌时间为6 480 min，累计回灌量为2 611.13 m3；第二次加压回灌量为28.0 m3/h，稳定压力为0.27 MPa，累计回灌时间为6 240 min，累计回灌量为2 919.03 m3(图2)。

陈雷强调，扎实做好新形势下的水利财务工作，一要进一步落实中央水利投入政策，二要进一步扩大公共财政投入规模，三要进一步加大水利资金监管力度，四要进一步加快水利预算执行进度，五要进一步规范水利基建财务管理，六要进一步加强水利预算绩效管理，七要进一步强化水利国有资产管理，八要进一步健全水价合理形成机制。陈雷强调，要全面落实水利财务工作各项保障措施，确保水利财务工作各项任务落到实处。

图2 加压试验曲线Fig. 2 Pressure test curves

表2 回灌井与观察井回灌情况Table 2 Recharge data of the recharge well and the observation well

图1 自然回灌试验曲线Fig. 1 Natural recharge test curves

2.3 试验结果

自然回灌试验时，由于研究区静水位埋深浅，尚未大规模开采，储层压力保持较好，在自然状态下水柱压力过小，无法达到动态平衡，回灌水位缓慢上升直至溢出。在2次加压试验期间，回灌量和回灌压力保持相对稳定，加压回灌效果良好，回灌结束后观察井和回灌井水位均能迅速恢复至初始静水位，回灌过程并没有对抽水井的涌水量、水位及水温造成影响。

2.4 回灌可行性分析

由回灌试验可知，在当前试验条件下，回灌过程未影响开采，因此边开采边回灌在研究区切实可行。

由于静水位埋深浅，在开采量不大的情况下采取自然回灌的方式进行，并采用间歇回灌的方式进行短暂水位恢复，保证回灌的长期可持续性。

若开采量在400 m3/d以上，欲达到100%回灌需要采取加压措施。为保证热储层的结构稳定，建议回灌压力≤0.50 MPa，如有必要可以考虑增加回灌井数量。

3 回灌影响因素分析

3.1 热储层孔隙度及渗透率

热储层的孔隙度和渗透率对回灌效果起着重要的作用(高志娟等，2012)，回灌效果与热储层的孔隙度和渗透率呈正相关关系，孔隙度和渗透率越大，回灌效果越好。根据RHA2井钻探及相关测试数据可知，该井热储层平均孔隙度为30.05%，平均渗透率为808.21×10-3μm2(表3)，热储层孔隙度和渗透率均较大，该井回灌效果较好与其储层的渗透率和孔隙度较大有良好的对应性。

表3 RHA2井热储层参数Table 3 Thermal reservoir parameters of Well RHA2

水位上升高度换算公式：

静水位

(1)

根据式(1)计算水位上升高度以及与回灌量相对应的抽水条件下的水位降深，以更好地说明回灌效果(表4)。

表4 地热井涌水量与回灌量对比Table 4 Comparison of water inflow and recharge in geothermal wells

由表4可见，无论是在自然条件还是加压条件下，当涌水量和回灌量相同时，回灌的水位上升高度均小于抽水时的水位降深。

3.2 水位与压力

地热回灌过程中回灌压力的变化对回灌量的影响即为井筒底部压强的变化对含水层吸水能力的影响。若回灌井中水位未达地表，井筒底部压强变化的表现形式呈现为水位的变化，所以压力的影响分为水位和压力罐罐压2部分。采用自然回灌和加压回灌2种方式，为方便对比，将压力罐压力换算成水位上升高度(表5)，绘制水头上升高度与回灌量关系曲线(图3)。

表5 地热回灌压力换算Table 5 Geothermal recharge pressure conversion

图3 水头上升高度与回灌量的关系曲线Fig. 3 Relationship curve between water head rise and recharge amount

图3显示，随着水位上升，井筒底部压力增大，含水层吸水增强，回灌量逐渐增大。

根据非稳定流抽水理论，抽水流量与水头降深成正比，即回灌流量与水头升高值成正比；但随着回灌总量增加，渗透系数逐渐变小，要灌入等量的水，水头升高值会逐渐变大，水头上升高度与回灌量成对数函数关系。

为进一步了解回灌量与压力的关系，将水柱压力统一换算为相对于静水位的压力(表5)，并绘制回灌量与压力关系曲线(图4、图5)。图4显示，回灌量与水柱压力呈正相关，水柱压力越大，回灌量越大。图5显示，单位压力回灌量与水柱压力呈负相关，水柱压力越大，单位压力回灌量越小，且随着压力的增加而迅速减小。

图4 回灌量与压力的关系Fig. 4 Relationship between recharge amount and pressure

图5 单位压力回灌量与压力的关系Fig. 5 Relationship between pressure rechargeamount per unit and pressure

4 结 论

(1)江苏海安老坝港滨海新区砂岩热储层易于回灌，由于自然状态下水柱压力过小，回灌量不大时可采取间歇回灌的方式进行短暂水位恢复，以保证回灌的长期可持续性；若回灌量>400 m3/d，可采取加压措施。

(2)当前试验条件下未见回灌对抽水井的涌水量、水位、水温产生影响，即回灌未对开采造成影响，边抽边回灌在研究区切实可行。

(3)影响地热回灌的因素主要有含水层孔隙度及渗透率、水位与压力。回灌效果与含水层孔隙度和渗透率呈正相关，回灌量与水柱压力呈正相关，单位回灌量与水柱压力呈负相关。