PHREEQC模拟宝坻区地表水回灌雾迷山组地热井探析

王　冰，夏雨波，刘东林，田光辉，蔡　芸，宗振海

（1.天津地热勘查开发设计院，天津300250；2.中国地质调查局，天津地质调查中心，天津300170；）

PHREEQC模拟宝坻区地表水回灌雾迷山组地热井探析

王冰1，夏雨波2，刘东林1，田光辉1，蔡芸1，宗振海1

（1.天津地热勘查开发设计院，天津300250；2.中国地质调查局，天津地质调查中心，天津300170；）

天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源，但是近年来地热集中开采区内热储压力持续下降，为了提高地热资源的可持续利用强度，对地热回灌方法的研究势在必行。本文从水文地球化学角度入手，分析了不同比例地表水与地热流体混合后流体主要离子组分的变化情况及结垢性，并以潮白河河水回灌宝坻区雾迷山组地热井（BD-02井）为例，采用PHREEQC软件对混合作用进行了不同比例模拟，结果显示混合比例达到1∶1时，主要离子组分含量稳定，未对原地热流体水质造成影响。河水与地热流体混合时，碳酸盐矿物、含铁矿物、温石棉和滑石的饱和指数呈现降低趋势，不会出现结垢的现象，回灌能长期稳定进行。

PHREEQC；河水回灌；雾迷山组地热井；结垢性

天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源，是我国地热资源开发利用较早的地区之一，但是随着需求的不断增加，地热资源开采量也不断加大，造成热储压力明显下降，影响了地热资源的可持续开发利用。目前，地热流体回灌是维持地球资源持续开发利用的一种有效措施［1-3］。由于天津地热资源开发利用时间较早，存在较多的只采不灌的单井系统，导致每年的开采量远高于回灌量，造成地热集中开采区内热储压力呈持续下降的趋势，且地热井由于场地等原因目前已经无法补建回灌井，在此情况下，探索对井回灌之外新的回灌方法，提高地区的回灌补给量，以满足地热资源可持续开发利用，成为天津市地热回灌研究的一个新的方向。东丽湖温泉度假旅游区利用湖水回灌已经取得了成功［4］，积累了相关经验，为其它地区地表水回灌地热流体提供了参考依据。

潮白河流经天津市宝坻区境内，河水清澈，水量丰富，尤其每到汛期，河水接受降水的补给量大，水位上涨迅速，由于无法进行有效利用，最终只能排入渤海。如能将丰水期的潮白河河水进行科学处理，使其成为满足地热回灌要求的水源，能够增加本地区地热流体的回灌量，为地热资源的可持续开发利用做出贡献。

宝坻区地热开发程度较高，但由于大部分地热井一直处于自流状态，无法实现回灌，尚未大规模地开展地热回灌工作，随着地热开发程度不断加深，地热井自流压力正在逐年降低，地热水资源量呈现下降的趋势，使得该地区地热回灌工作变得愈发重要，回灌技术的研究工作迫在眉睫。本文以潮白河河水回灌天津市宝坻区雾迷山组地热井（BD-02井）作为研究对象，采用PHREEQC软件对混合作用进行不同比例模拟，用以了解并预测河水回灌过程中发生的化学作用，从水文地球化学角度为地热资源的合理开发利用和保护提供依据，为探索地表水回灌奠定基础。

2　 PHREEQC模型及原理简介

PHREEQC是由美国地调所开发的水文地球化学模拟软件，它是C预言编写的进行低温水文地球化学计算的计算机程序。PHREEQC选择用户输入的某些命令来描述相应的化学反应过程，然后对这些方程组成的方程组，采用改进的牛顿-拉斐逊（Newton-Raphson）方法进行迭代求解。PHREEQC其数据的输入是通过定义一系列的关键字数据模块进行的，而每一个关键字都能给出特定类型的相关信息，对各种地温下的地球化学性质进行演算。PHREEQC以离子联系的水化学模型为基础，可以推算生成物和饱和系数，用来判断矿物溶解/沉淀的趋势。国内目前对PHREEQC的应用多限于进行化学组分的分析［5-7］。

3　 BD-02井概况

BD-02井位于天津市宝坻区里自沽农场内，主要用于建筑供暖。BD-02井是一眼中元古界蓟县系地热井，井深2 968.27m，热储层岩性为雾迷山组三、四段白云岩。该井自成井后，一直处于自流状态，BD-02井自流量为139.30m3/h，井口水温为100℃左右，2014年开采量为2.72×104m3。BD-02井与BD-02B井构成一对采-灌系统，但回灌的BD-02B井自从成井以来，一直处于自流状态，无法实现回灌。虽然BD-02井一直处于自流状态，但该井每年的自流压力正在逐年降低［8］，距其不远的BD-04井目前已于2015年1月停止自流，静水位埋深为35m，水温为54℃，说明随着地热流体的不断开采，该地区热储压力呈现逐渐下降的趋势。

BD-02井和BD-02B井构造位置位于沧县隆起北部的王草庄凸起和冀中坳陷北部武清凹陷的东部斜坡带之上，基岩主体构造为西南部的凹陷和东北部的背斜构造，区内断裂主要有北西向的大口屯-汉沽断裂、北西西向的周良庄断裂、北北东向的牛蹄河断裂和王草庄断裂、北北西向的杨码头断裂（图1）。

图1　 BD-02、BD-02B地热井构造位置图Fig.1 The structure location map o f BD-02 and BD-02B geotherma lwe ll

表1　 BD-02井和潮白河河水水质表Tab le 1W ater qua lity tab le o f BD-02we ll and ChaobaiRiver

4　 PHREEQC混合模拟分析

表1是BD-02井地热流体和潮白河河水水质数据，可以看出两种水质的主要组分含量相差不大，主要区别在于潮白河河水温度较低，仅为16℃，而BD-02井地热流体水温高达104℃。由于历年BD-02井水质变化不大，因而采用2014年的水质与潮白河河水进行混合模拟。

本次模拟分四个步骤：1）应用潮白河河水主要离子含量数据，定义该回灌井水质，之后考虑热储的CO2分压使该流体在LogPCO2=-3下平衡。2）应用BD-02井（2014年）中地热流体主要离子含量数据，定义开采井的水质。3）将潮白河河水与BD-02井的地热流体以0.1/1～1/1比例混合，计算在不同混合比例的热流体主要组分含量变化。4）分析河水回灌后，混合流体的各矿物饱和指数和结垢趋势。

5　模拟计算结果分析

5.1混合后主要离子组分变化情况

应用潮白河取样的主要离子含量等数据，定义该回灌水水质，考虑CO2分压使该流体在LogPCO2=-3下平衡。将潮白河水样与BD-02井的地热流体以0.1/1～1/1比例混合，计算在不同混合比例下地热流体的主要组分含量变化。

图2为不同混合比例下混合流体中主要组分含量的变化图，由模拟结果可以看出，在考虑PCO2的情况下，随着混合比例的增加，Na+组分含量有较大程度的降低，HCO3-、Ca2+、Mg2+和Cl-组分含量逐渐增大，K+、Mg2+组分含量稍有降低，基本属于相对稳定状态。主要是由于随着混合比例的逐渐增大，混合流体中的各离子组分含量趋向于向河水水质变化，当混合比例为1/1时，达到了河水回灌地热井的最大比例，混合流体中各种离子组分含量趋于稳定。

图2　　不同混合比例下混合流体中主要组分含量的变化图Fig.2 The ma jor com ponent content transformation figure o fm ixed fluid in differentm ixing ratios

5.2混合后流体结垢性分析

当混合水与热储层围岩长期接触后，发生水岩反应，并最终和围岩处于一种水岩平衡状态。为了了解回灌过程中出现矿物沉淀而导致储层堵塞的可能性，此次模拟针对热储层为闭系统时回灌过程中结垢状况进行分析。

在考虑存在PCO2的情况下，将BD-02井与混合后流体中的矿物饱和指数进行对比（图3）。从图中可以看出，碳酸盐矿物（文石、方解石和白云石）的饱和指数呈现降低趋势，结垢性逐渐降低，推断采用河水进行回灌，对于改善BD-02井的碳酸盐结垢性具有一定的改善作用；含铁矿物（针铁矿和赤铁矿）饱和指数升高，但它们主要是由Fe（OH）3（a）转化而来，而Fe（OH）3（a）处于未饱和状态。因而不容易析出；温石棉和滑石饱和指数呈降低趋势，也不容易析出。

6　结论及建议

图3　　混合前后流体中各矿物饱和指数分布图Fig.3 Sa tu ra ted exponen t d istribu tion o f each m ine ra l in the fluid be fo re m ixing and a fte rm ixing

（1）根据模拟结果，如采用潮白河河水对BD-02井进行回灌，达到1/1混合平衡后，主要离子组分含量稳定，河水回灌未对原地热流体水质造成影响。

（2）河水与地热流体混合时，碳酸盐矿物、含铁矿物及温石棉和滑石的饱和指数呈现降低趋势，不会出现结垢的现象，回灌能长期稳定进行。

（3）本文只是简单模拟了潮白河水回灌地热井后地热流体结垢性的变化情况，若要付诸实践，还需对潮白河水进行脱盐、除溶解氧等处理，使其满足回灌水水质要求。

（4）进行河水回灌时，需要实时监测地热流体的水质，与模拟水质进行同步对比，可以利用Q聚类分析比较模拟结果与实测值的相关性。

（5）利用地表水对热储层进行回灌补给属于新兴研究课题，仍有许多机理、影响因素等问题有待进一步探讨，如回灌流体在热储层中的运移特征、热储层在长期回灌条件下的动态变化特征等，这些都需要在今后的工作中进一步研究和探索。

［1］刘久荣.地热回灌的发展现状［J］.水文地质工程地质，2003，3:100-104.

［2］林黎，赵苏民，王心义.天津地热水开发利用状况及保护对策研究［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2006，25 （2）:105-110.

［3］林建旺，刘小满，高宝珠，等.天津地热回灌试验分析及存在问题［J］.地热能，2006，6:3-7.

［4］天津地热勘查开发设计院.天津市滨海新区东丽湖地区基岩热储地热资源保护工程结题报告［R］.天津：天津地热勘查开发设计院，2013.

［5］马骏.反向模拟在PHREEQC程序中的实现［J］.中国科技信息，2008，17:43-44.

［6］马晓敏，刘翔，Barry D A.PHREEQC在地下水溶质反应-运移模拟中的应用［J］.水文地质工程地质，2004，2: 20-24.

［7］Karmegam U，Chindambaram S，Prasanna M.V，et al.A study on themixing proportion in groundwater samples by using Piper diagram and Phreeqcmodel［J］.Chin.J. Geochem，2011（30）:490-495.

［8］刘学领，马建英，李一兵.地热开发对王3、王4井水化学动态的影响及其原因分析［J］.地震地质，2009，31（3）: 526-535.

Analysison PHREEQC Simulating SurfaceW ater Reinjection of Jxw GeothermalW ells in BaodiDistrict，Tianjin

WANG Bing1，XIAYu-bo2，LIUDong-lin1，TIANGuang-hui1，CAIYun1，ZONG Zhen-hai1

（1.Tianjin GeothermalExp loration and Development-Designing Institute，Tianjin 300250，China；2.Tianjin Center，China GeologicalSurvey，Tianjin 300170，China）

Tianjin contains abundant low-temperature geothermal resources，but geothermal exploitation thermal storage pressure declined continually in recentyears.Itis imperative toexploring new reinjectionmethods for improving the sustainable utilizationof geothermal resources.From the pointof the hydrological geochem ical aspects，thispaperanalyzed themain iron composition changes and trendof scaling after surfacewater and geothermal fluidm ixing w ith different proportions.Itused the example that ChaobaiRiver reinjects Jxw geothermalwell in BaodiDistrict（BD-02 well），and used PHREEQC software tosimulate them ixing actionof different ion proportions.The results show that themain ion concentration is stable and had noeffecton the water qualityof the original geothermal fluid when them ixture ratioreached 1:1.W hen thewaterwasm ixed w ith geothermal fluids，carbonate m inerals，iron bearing m inerals，and the saturation indexof asbestos and talc showed a decreasing trend，and therew illnotbea phenomenonofscaling.Reinjection can be stable fora long time.

PHREEQC；riverwater reinjection；Wum ishan Formation geothermalwell；trendof scaling

P314

A

1672－4135（2015）04－0317-04

2015-08-18

天津市地热资源开发利用动态监测（国土房任［2014］13号）

王冰（1985-），女，硕士，工程师，2011毕业于吉林大学环境工程专业，从事水文地质与地热勘查研究工作，E-mail: wangbingdry@126.com。