天津市大港区地热井回灌模式探讨

  天津大港区目前馆陶组热储开采井数量多达40余眼，长期的集中开采造成该区域地下水位埋深不断下降，年降幅逐年增加，为实现地热资源的可持续利用，缓解地热热储压力下降的有效途径就是回灌。地热回灌就是在地热流体利用后把尾水通过自然或加压方式回注到开采的热储层中，它是解决过量地热流体开采造成地下水位持续下降与尾水排放造成污染的最有效方法。通过多年回灌试验，基岩裂隙型热储层回灌问题已基本解决，但砂岩层的热储层回灌问题依然存在，主要是回灌量偏低，回灌持续时间短。

 

  1 试验条件和方法

 

  1． 1 试验条件

 

  DG － 49B 井是目前大港区唯一的一眼孔隙型地热回灌井，该井井深1 892 m，热流体温度62℃，成井初期流量为85 m3 /h，静水位埋深77 m。对地下热流体进行深部回灌实质上是对热流体的压缩，热储层地层的岩性、岩石颗粒大小、岩石颗粒之间的空隙大小、地层的孔隙度和渗透率对回灌起着非常重要的作用。

 

  DG － 49B 井声波测试孔隙度为16． 19% ～29． 21%，平均为26%，渗透率为( 105． 84 ～ 833． 9) ×10 － 3μm2，砂岩泥质含量7． 06% ～ 22． 73%，热流体矿化度1 961． 8 mg /L，水化学类型为Cl·HCO3 － Na 型，pH 值8． 38。

 

  1． 2 试验方法

 

  回灌试验以DG － 49 开采井抽水向DG － 49B 回灌井中进行回灌。自2008 年1 月7 日开始，至3 月21日结束，试验期间处于供暖期，DG － 49 井开采量为50～ 65 m3 /h。试验采用井管与泵管的环状间隙回灌，回灌井内下入潜水泵，下入深度110 m。试验过程中通过阀门控制注水水量，以电磁流量计、温度传感器、压力传感器和自动水位控制仪等电子监测装置观测试验过程中的各项参数。

 

  试验共进行了4 组，即自然间歇回灌、定流量“回扬－ 回灌”、大流量“回扬－ 回灌”和加压回灌试验。

 

  前面3 组试验都是在自然状态下进行回灌，其回灌压力是靠回灌流体在自重条件下形成的，第4 组做了两次加压回灌试验。

 

  2 试验结果与分析

 

  2． 1 自然间歇模式与“回扬－ 回灌”模式比较表1 是6 次回灌试验的结果对比。图1、图2 反映不同回灌情况下动水位的变化，表明“回扬－ 回灌”模式下的回灌能力及可延续时间都要强于自然间歇模式。

 

  回灌后地层吸水能力的变化情况用吸水指数，即单位时间的灌水量与井底压差的比值来表达，吸水指数是衡量回灌井吸水能力的重要指标。

 

  N = QP2 － P1

 

  ( 1)式中，Q 为回灌量，m3 /h; P2为灌水后的井底压力，MPa; P1为灌水前的井底压力，MPa。

 

  图3 为吸水指数历时变化曲线，图3 中曲线Ⅰ －1、Ⅰ － 2、Ⅰ － 3 的走势说明在自然间歇模式下，DG －49B 井的回灌能力有限，在回灌量尚不足20 m3 /h 时，其回灌能力随着回灌量的累积而不断减小。在经过第1 次回扬后，DG － 49B 井的回灌能力得到了一定的改善，而经过第2 次回扬后，DG － 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延长( 图4) 。到了第3 次回扬的时候，DG－ 49B 井的回灌能力与前1 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Ⅱ － 3在一段时间内发生波动，但总体而言，其回灌能力仍然高于前4 次回灌试验。

 

  通过回灌试验对比可以看出，DG － 49B 回灌井在自然间歇模式下回灌能力有限，无法满足正常回灌要求，要维持回灌的持续进行，必须定期进行回扬。回扬可以较明显地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。

 

  2． 2 “回扬－ 回灌”模式分析

 

  2． 2． 1 20 m3 /h 与30 m3 /h 的回灌能力分析1 次“回扬－ 回灌”实际上就是回灌能力的1 次“恢复－ 消耗”的过程，在“回扬－ 回灌”模式下，可以用“回扬率”( 1 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。

 

  回扬率受回灌量的影响很大，在第2 组回灌试验中，回灌量普遍控制在20 m3 /h 左右，其回扬率普遍稳定在20%左右，而Ⅱ － 1 试验的回扬率偏高可以归因于回灌量相对偏大以及前3 次自然降压试验对其的影响。

 

  Ⅲ － 2、Ⅲ － 3、Ⅲ － 4 试验中以30 m3 /h 为目标，在回灌开始1 h 后，回灌量短时间内从20 m3 /h 增加到30 m3 /h，回灌所能持续的时间很短，回扬率很高，超过了50%，回灌的实际意义大为降低。

 

  Ⅲ － 1 试验是第2 组试验到第3 组试验的过渡，本次试验开始后83% 的时间内将回灌量稳定在20m3 /h 左右，随后逐渐增加到30 m3 /h，持续约20 h 水位涨至井口，本次试验的回扬率为20． 9%。其回灌效果远远好于第3 组的其他几次试验。

 

  2． 2． 2 25 m3 /h 回灌能力的初步分析

 

  在Ⅳ － 1 试验的自然回灌阶段，以25 m3 /h 定流量为回灌试验目标，先以定流量20 m3 /h 左右回灌91h，随后将流量增至25 m3 /h，在此流量下回灌持续95h。这次试验的回灌效果超过前面所有回灌试验。图3、4 中曲线Ⅳ － 1 的变化趋势与曲线Ⅲ － 1 非常相似，延续时间甚至长于Ⅲ － 1，说明在Ⅳ － 1 试验条件下具有良好的回灌能力。但是由于当时供暖期即将结束，为了保证有加压回灌试验的时间，25 m3 /h 的定流量回灌试验只进行这1 组，而Ⅳ － 1 试验的条件并不具有普遍性。首先它并不是在试验的开始阶段就以25m3 /h 进行回灌，其次由于第3 组后3 次试验延续时间很短，它们各自的回扬量是否对Ⅳ － 1 试验产生了影响尚无法确定，因此只能确定该系统具备25 m3 /h的回灌能力，但如何进行准确操作以保证其回灌的延续性还需要进行进一步的试验尝试。

 

  2． 3 加压回灌模式分析

 

  对于两次压力额定在0． 2 MPa 的定压试验( 图5、6) ，在压力额定条件下都出现回灌量逐渐衰减，第1次在50 h 内从40 m3 /h 衰减到34 m3 /h，第2 次在49h 内从40 m3 /h 衰减到30 m3 /h。回灌量衰减的趋势逐渐趋于平缓，预计当衰减到一定量时会趋于稳定。

 

  通过两次加压试验，在0． 2 MPa 压力下，遵循“回扬－加压回灌”模式，DG － 49B 井的可回灌能力约为30m3 /h。

 

  2． 4 回灌流体温度对回灌效果的影响

 

  在以往的回灌试验中，回灌流体温度对回灌效果的影响表现为流体温度越高，回灌效果越佳，流体温度越低，回灌效果越差［4］，其原理为不同温度下流体密度及动力粘滞系数对其的影响。而本次回灌试验的结果则与之相反，在压力、水位皆为定值时，回灌量与温度表现出了明显的相反关系，即流体温度越高，回灌量越低，流体温度越低，回灌量越高。初步分析该热储层中有可能在一定温度下产生水化学反应或生物反应，其影响效果超过了动力粘滞系数的影响，从而影响了回灌效果。

 

  3 结论与建议

 

  ( 1) 在自然间歇条件下，DG － 49B 井的回灌延续时间短，可灌能力不佳，无法满足正常持续的回灌要求。建议今后在回灌过程中应以“回扬－ 回灌”模式为主。

 

  ( 2) “回扬－ 回灌”模式下DG － 49B 井的回灌量可满足20 m3 /h，但当回扬率降至20% ～ 30%时，应重新回扬，以避免地层的可灌能力过度消耗，影响接下来的回灌。相同条件下回扬时间越长，回灌延续时间越长。

 

  ( 3) 回灌操作方式对系统回灌能力有很大影响。

 

  该系统在Ⅳ － 1 自然回灌试验阶段具备25 m3 /h 的回灌能力，但其延续性还需进一步验证。在“回扬－ 回灌”模式下进行加压回灌时，当压力额定在0． 2 MPa时，DG － 49B 井的可灌量在30 m3 /h。

 

  ( 4) 建议在今后的回灌过程中，在开始阶段应遵循流量从小到大逐渐增加的原则，切忌一开始就以额定流量回灌，以延长回灌的延续时间。