天津市中心城区老旧地热回灌系统技术改造方法探析

沈健，王连成，赵艳婷

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）



天津市中心城区老旧地热回灌系统技术改造方法探析

沈健，王连成，赵艳婷

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）

摘要：天津市中心城区部分地热回灌井运行时间较长，井下堵塞情况普遍，很多井的回灌效果出现了衰减现象。为了保证回灌井的回灌能力，可以采用酸化洗井、增加过滤设备等措施对老旧回灌系统进行技术改造。此措施能有效避免回灌物理堵塞，减缓回灌量衰减，提高回灌率、维护回灌井的持续有效运行，并能满足更高标准的两采一灌的回灌需求，从而为解决周边地热单井的地热尾水回灌需求创造有利条件。

关键词：地热资源，回灌，基岩热储，水质过滤，酸化洗井

天津地区蕴藏丰富的沉积盆地型中、低温地热资源，其开发利用已有近八十年的历史。随着地热资源开发利用规模的扩大，导致热储压力不断降低，尤其是以中心城区为代表的地热集中开采区，由于地热开采井井群密度较大，已出现较为明显的热储压力降落漏斗［1］。水位的持续下降，直接影响着地热资源的可持续开发利用。多年来国内外在地热开发利用领域经验探索出了一系列新的技术方法，其中最重要的手段就是进行回灌开发利用［2］。所以在天津市中心城区应该加大地热回灌的力度，采取措施解决现有地热单井的回灌问题，以实现地热资源的可持续发展。

中心城区的地热单井大多成井时间较早，近年来随着城市建设的发展，若为这些单井补建回灌井，大多受到经济、施工场地和地质构造等条件的制约，落实难度很大［3］。因此，如果充分利用中心城区现有的地热回灌井，对具备条件的地热单井进行合理的资源整合，将原有的对井回灌系统改造成两采一灌系统，既避免了新建回灌井面临的场地困难问题，又能减少新建井的钻探施工费用，还可以达到地热尾水回灌的目的。近年来，天津市采用对井回灌开发利用模式，已经相继建成了百余处对井回灌系统，通过监测数据分析，一采一灌的对井运行效果普遍较好，但由于这些地热回灌井运行时间较长，井下堵塞情况普遍，很多井的回灌效果出现了衰减现象，难以满足更高标准的两采一灌的回灌需求。因此，如何对这些老式回灌井进行技术改造，提高其回灌能力，就显得尤为重要。由于这些老式回灌井的目的层多为基岩热储的蓟县系雾迷山组热储层，因此，笔者主要针对该类热储层的回灌井系统改造问题进行分析研究。

1　地热回灌井主要堵塞因素

悬浮物通常是指在水中不溶解而又存在于水中不能通过过滤器的固体物质［4］。地热流体的悬浮物堵塞是影响回灌的重要因素，悬浮固体颗粒随回灌流体进入地层后充填于热储层中与其中白云质、灰质、泥质胶结，从而造成储层堵塞。此外，地热井在长期使用过程中管道、井管的锈蚀物会随着回灌流体注入含水层中，也是造成回灌井堵塞的重要因素。

1.2化学沉淀作用

地热流体的化学沉淀是影响回灌效果的重要因素之一。通过以往对部分雾迷山组地热井的流体垢样品的鉴定可知，沉淀的主要成分包括CaCO3、SiO2、Fe2O3等化合物，主要元素有O，Si，Fe，Al等［5］。

开采-回灌过程中，由于温度、压力的变化，地热流体中的化学组分发生变化：

（1）HCO3-含量较高的流体会发生下列（1）式的化学反应而释放一定量的CO2气体，从而产生CaCO3或MgCO3沉淀：

（2）SiO2沉淀主要是可溶性SiO2在温度低于50℃时，在热流体中的溶解度与温度呈明显的负线性相关关系，各种形式的降温过程都会导致沉淀生成。

（3）Fe氧化产生Fe2O3沉淀，因此，悬浮物堵塞与化学堵塞存在着交叉重叠部分，悬浮物中包含着化合物组份，而化学反应生成物质多以悬浮物的形式出现。

水利工程项目实际建设中涉及范围较广，存在大量的质量影响因素，为了实现各项建设工作的顺利进行，必须实地调查水利工程建设区域，掌握建设区域或是施工现场的水质环境、气候环境、地形地貌和交通情况，形成区域调研数据，基于施工建设区域的实际情况，遵循水利工程建设的宏观要求和设计要求，开展水利工程规划活动，保证工程质量。

2　老式地热回灌系统技术改造方法及工程实例

2.1酸化洗井

.1.1工作原理

酸化洗井是靠酸液的化学溶蚀作用以及向地层挤酸时的水力作用来提高热储层渗透性能的工艺措施，注酸压力高于热储层破裂压力，酸液同时发挥化学作用和水力作用来扩大、延伸、压裂和沟通裂缝，形成延伸远、流通能力高的渗流通道［6］。

该方法以往多应用于碳酸盐岩热储层地热井的增产，如今也逐渐应用于地热回灌井的解堵处理中。地热回灌井在回灌过程中由于回灌流体进入热储层的压力使污染物对裂隙越压越密，导致流体需克服的阻力也越来越大，回灌量逐渐衰减。在热储层裂隙发育程度满足的情况下，利用酸化压裂的方法可以有效提高地热井的产能，尤其在回灌井的施工和处理中，对提高回灌效果极为重要。对于提高地热井的使用寿命和维持地热资源的可持续发展效果显著［7］。

酸压处理中，主要工作介质是盐酸，其进入热储层缝隙后，将与岩石壁面发生化学反应。以其主要成分—方解石（CaCO3）、白云石（CaMg（CO3）2）为例说明酸液注入后的主要化学反应［8］，其化学反应方程式为：

由此可知，酸压处理后，热储层中大量的碳酸盐岩被溶解，增加了裂缝的空间体积，从而有利于回灌通道的畅通。

.1.2工程实例

以HX-33井回灌改造工程为例［9］，该井位于天津河西区某小区内，建成于1997年，目的层为蓟县系雾迷山组热储层，地热井深2 762 m，其中热储层段厚460 m，该井成井时水温81℃，出水量100 m3/h。该井与同层地热井HX-24井为对井采灌系统，承担着HX-24井地热尾水的回灌需求，本次改造的目的是将周边邻近的同层HX-31井的地热尾水接入采灌系统中，从而形成两采一灌的运行模式。

然而根据HX-33井的回灌试验数据（表1）以及多年的动态监测数据分析，该井难以满足两采一灌的回灌方式。因此，经过分析，决定对该井酸化洗井技术改造，从而提高其回灌能力。

（1）酸化洗井工艺方式及参数

1）酸化工艺：盐酸酸压工艺

2）挤注方式：正挤

3）浓度：22%

4）挤注压力：≤20 MPa

5）排酸方式：汽化水排酸

（2）酸化洗井质量评述

通过对HX-33井进行酸化洗井，清理了套管内壁结垢附着物和沉积物，有效的拓展了回灌层蓟县系雾迷山组裂隙宽度，并对储层裂隙进行了延伸，通过回灌试验（表2）验证，该井回灌效果提高了67%，从而满足了未来两采一灌的回灌要求。

表1　HX-33井酸化前回灌试验数据表Tab.1　Reinjection test data table of HX-33 well before acidification

表2　HX-33井酸化后回灌试验数据表Tab.2　Reinjection test data table of HX-33 well after acidification

2.2增加过滤设备

2.2.1工作原理

对回灌井堵塞原因的深入研究和分析发现，其影响因素是极其复杂的，其中固体悬浮颗粒、化学沉淀等是引起回灌量衰减的主要原因，所以保证回灌水的质量、减少悬浮物和化学沉淀是解决堵塞的关键。因此，在回灌运行中，尤其是针对需要长距离管道输送的地热回灌尾水，更应对回灌水源进行过滤净化处理，除去颗粒较大的悬浮物固相物质，保证回灌效果。

2.2.2工程实例

以HD-26井回灌改造工程为例［10］，HD-26地热开采井主要为周边小区进行供暖，由于未开凿回灌井，每年约15万m3的地热尾水直接排放，造成了地热资源的极大浪费。与该井相隔不远有一处地热采灌系统即HD-35、HD-35B地热对井系统，同属碳酸盐岩热储层，热流体水质相似，因此，为了保护地热资源，实现可持续开发利用，将HD-26地热开采井并入HD-35、HD-35B地热对井系统中，形成两采一灌开发利用模式，既可增加地热水资源回灌量、维持热储压力，又可减少尾水排放，降低对环境的影响。

由于HD-26井的地热尾水需要经过600 m的钢质管道输送至HD-35B回灌井，为了保证回灌水质，需要对回灌站房进行技术改造，保证回灌水质的过滤精度达到回灌要求（图1）。

根据对过滤前后的回灌流体的取样分析，HD-26井回灌流体中的悬浮物平均粒径由过滤前的263.551µm（最大粒径约411µm）降至过滤后的0.792µm（图2）。有效地除去了颗粒较大的悬浮物固相物质，保证了回灌效果。

为了验证改造后HD-35B回灌井能否满足实际回灌要求，进行了约200小时的回灌试验。本次试验的历时曲线如图3所示，稳定回灌量140 m3/h，与HD-35B成井之初的回灌能力相当。证明通过增加过滤设备后，HD-26地热尾水的回灌未对HD-35B回灌井的回灌能力产生不利影响，从而保证了回灌系统的长期稳定使用。

图1　升级改造后的回灌系统工艺流程图Fig.1 Reinjection system flow chart after upgrading

图2　回灌流体过滤前后悬浮物粒度分析对比图Fig.2 Comparison chart of suspended solids grain size analysis between unfiltered and filtered reinjection fluid

3　结论

为了实现地热资源的可持续发展，应在天津市中心城区加大地热回灌的力度，采取措施解决现有地热单井的回灌问题，但由于补建回灌井往往受到经济、施工场地和地质构造等条件的制约，落实难度大，因此，将地热单井就近与现有老旧回灌系统整合是解决回灌的一种可行性方法。为了保证这些老旧回灌系统的回灌能力，根据工程经验，可采用酸化洗井、增加过滤设备等措施对老旧回灌系统进行技术改造，从而有效避免回灌物理堵塞，减缓回灌量衰减，提高回灌率、维护回灌井的持续有效运行，使其满足更高标准的两采一灌的回灌需求。

图3　HD-35B井回灌试验历时曲线图Fig.3 Reinjection test’s duration curve of the HD-35B well

参考文献：

1］天津地热勘查开发设计院.地热集中开采区回灌开发布局和资源整合规划研究报告［R］.2009.

［2］赵苏民，孙宝成，林黎，等.沉积盆地型地热田勘查开发与利用［M］.北京：地质出版社，2013.

［3］天津地热勘查开发设计院.天津市重点地热田回灌布局规划研究报告［R］.2008.

［4］林黎，王连成，赵苏民，等.天津地区孔隙型热储层地热流体回灌影响因素探讨［J］.水文地质工程地质，2008，35 （224）：125-128.

［5］王连成，林黎，林建旺等.地热回灌系统工程建设及新技术应用研究［R］.天津地热勘查开发设计院，2007，46-48.

［6］陈涛平等.石油工程［M］.北京：石油工业出版社，2000，407-408，417-418.

［7］王连成，李明朗，程万庆，等.酸化压裂法制碳酸盐岩热储层中的应用［J］.水文地质工程地质，2008，37（5）：128-132.

［8］志海，戴勇.深层碳酸盐岩储层酸压工艺技术现状与展望［J］.石油钻采技术，2005，33（1）：58-61．

［9］天津地热勘查开发设计院.天津市河西区HX-31井和HX-33井地热资源保护工程总结报告［R］.2015.

［10］天津地热勘查开发设计院.天津市河东区HD-26井和HD-35井、HD-35B井地热资源保护工程总结报告［R］.2014.

资助项目：天津市矿产资源补偿费地质项目：“天津市地热资源整合和补建回灌井项目（国土房任［2014］23号）"

中图分类号：P314

文献标识码：A

文章编号：1672-4135（2016）02-0153-04

收稿日期：2016-04-11

作者简介：沈健（1983-），男，工程师，毕业于长安大学水文与水资源工程专业，主要从事水文地质、地热地质、地热回灌等专业技术工作，Email：shenjian0216@hotmail.com。

Exploration and analysis of technical transformation on the old
geothermal reinjection systems in the central city of Tianjin

SHEN Jian，WANG Lian-cheng，ZHAO Yan-ting
（Tianjin Institute of Geothermal Expioration and Development Design，Tianjin 300250，China）

Abstract：Some geothermal reinjection wells in the central city of Tianjin have been used for a long time，and lugging is so general in the wells，even attenuation of reinjection result appeared in a lot of wells.In order to nsure the reinjection ability of the wells，we carried out technical transformation on the old geothermal einjection systems by acidifying well，increasing filtration equipment and other measures.This can prevent hysical plug of reinjection effectively，alleviate attenuationa of reinjection amount，increase the rate of recharge，maintain continued and effective operation of reinjection wells，and meet the reinjection needs of higher system which is formed by two production wells and one reinjection well.Thus，it creates favorable conditions for the einjection of surrounding single well’s geothermal tail water.

Key words：geothermal resources；reinjection；bedrock heat reservoir；water filtration；acidify well