地热井尾水回灌技术及其应用进展

梅 博，郭 亮，王 鹏，李 欢，高云鹏

（河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北 沧州 061000）

地热资源是一种无污染、能够再生的清洁能源，与传统能源相比，有着储量丰富、低碳以及环保等优势，但并不是取之不尽、用之不竭的，一旦过度开采，就会造成地热资源的枯竭。地热资源在过分的开采后已经面临逐渐枯竭的危险，为了有效实现地热资源的可持续利用与发展，同时达到低碳、环保的目的，防止环境污染，目前最有效的技术措施就是采用地热回灌技术，其回灌系统水处理原理如图1所示。地热回灌技术主要有以下作用。

一是处理地热废水。地热废水一般温度较高，其中含有较高的盐分，有很多有毒的化学物质，因此直接将地热废水排放到环境中可能会造成污染。

二是恢复地热井的热储能。在地热田中有部分热能是存储在内部的地热水中，地热水大部分都在岩石骨架中，如果人们把温度较低的水注入到地热井中，经过地热井的加热，就会提高地热资源的利用率。

三是维持地热田的开采条件。地热资源开采过度就会导致整个热储能降低，一旦开采数量与补给数量失去平衡，就会使得整个地热资源的热储能逐渐降低，甚至使其失去生产能力，最终导致整个地面的沉降。

图1 回灌系统水处理原理

1 国内外地热回灌的发展现状

地热井尾水回灌技术是延长生产井寿命、保护地热资源、减少资源浪费的有效途径，在资源连续开发、减少环境污染等方面具有非常积极的意义。1969年，美国加利福尼亚州Geysers地热田的回灌项目揭开了地热回灌的大幕，但是研究发现，即使把全部开采的地热水资源回灌到热储中，也不能完全弥补开采造成的热储损失，人们必须考虑其他回灌方式来提高补充效率。从20世纪80年代以来，人们开始采用地表水进行引流回灌，利用污水回灌来提高地热田的发电能力。

法国是地热回灌技术最为成熟的国家之一，法国的地热资源基本上以中、低温度的地热资源为主，其主要作用是供人们冬季取暖。法国地热水资源的盐分比较高，因此必须将利用过的地热水资源回灌到热储中，现在这一供暖系统仍在为当地的居民服务。

我国的地热回灌研究最早始于1982年初在北京的地热田东南部进行的回灌试验。2000年，科学家在北京小汤山开展了地热回灌试验，经过一个采暖期并未发现技术性问题，这样就初步肯定了回灌的可行性。通过采取一系列资源整合和节能措施、加大地热井尾水的回灌力度，人们基本可以实现地热资源的可持续开发与利用，但是必须对相应的热储温度进行研究，防止大规模热回灌造成热度过量现象。

2 地热井尾水回灌技术及其应用效果研究进展

地热井在进行大量开采后，必然造成热储寿命的缩短，同时会造成地下水位下降，最终导致整个地面发生沉降。将利用后的地热水资源回灌到地热田中，可有效缓解这种危机，减少地热水对地面水体的污染。

2.1 地热水的真空回灌

真空回灌是指在回灌的过程中保持整个管道处在真空的环境，同时使回灌井处于真空状态，防止空气中的杂质进入，如图2所示。真空回灌的基本原理是：在地下水位较低条件下，利用更具有密封装置的回灌井扬水时，泵管及水管内即充满水；当停泵时关闭控制阀和扬水阀后，由于水的重力作用，其随泵内水面下跌，泵内水面与控制阀区间即会产生真空，使泵内外水位产生10 m高的水头差；当开启水源阀门和控制阀门后，因真空虹吸作用，水就能进入泵内，破坏原有的压力平衡，在井周围产生水力坡降，回灌水就能克服阻力向含水层中渗透。

真空回灌时需要注意的几个问题：（1）进行回灌时，应该首先检查真空的密封的效果；（2）回灌的数量应该是出水量的一半左右，并且回灌的量应该从小到大进行；（3）必须要及时采取冲洗措施；（4）一定要保证回灌记录的完整性，做到有据可查；（5）在冬季进行作业时应该要做好管道的防冻措施，同时保证内部的储能水资源不受其他杂质污染。

图2 真空回灌

压力回灌指的是在压力泵的作用下，将地热井的尾水加压注入回灌井中，用这种方式来进行回灌，如图3所示。压力回灌的难易程度和热储层的裂缝发育程度息息相关，有时候还与地下水热水的流动顺畅程度有一定关系。如果在热储条件比较好的地方或者是裂缝发育比较好的地方，回灌就显得很容易；如果在热储条件比较差的地方或者裂缝发育并不完全的地方，回灌就会显得比较困难。空隙型的回灌方式在回灌之初能力稍强，因此人们在回灌初期可以采取自然回灌与压力回灌并行的方式，然后在后期独立采用压力回灌的形式。

进行压力回灌时，人们应该注意：要提前将管道内的空气排空，保持真空状态；要定期清除过滤网上的杂质，定期放气；离心泵不要把空气打入井内，这样很容易造成阻塞。

无论哪种地热井回灌技术，其直接目的是尽可能多且经济地将回灌水输入地下，但是由于回灌水质及地层条件的原因，随着回灌时间的延续，回灌时会出现各种阻塞现象，导致单位时间的回灌量下降。所以，无论采用哪种回灌技术，在回灌过程中，人们都要结合各种防腐蚀阻塞处理技术来尽可能保证回灌水量持续稳定。

图3 压力回灌

3 地热回灌技术存在的问题

地热回灌技术最重要的一步是把温度低的水灌入热储中，这是一项非常复杂的技术。如果回灌井的位置选择不当，就可能使热储冷却，整个回灌井的开采量就会降低；如果回罐工艺选择不当，有可能导致回灌井逐步丧失回灌能力。所以，为了研究回灌的效果，人们有必要对回灌井进行全方位的检测。

在回灌井的工程设计中，有一个非常重要的设计就是避免回灌水过快到达开采井，从而导致整个井体的温度快速降低。同样，如果回灌井距离开采井过远，就不能够保证热储的压力，达不到稳定热气田的效果在地热回灌技术对于场地的依赖性很大，由于开采井与回灌井之间地质条件的不同，回灌的设计方案也不尽相同。所以，人们在回灌之前必须进行回灌试验，同时有针对性地进行跟踪试验，这样有助于人们研究热水在热储中的运动规律，研究热水回灌对于热气田稳定生产的积极影响，从而更加合理地进行回灌。

为了避免开采井和回灌井之间距离过近，人们首先可以考虑将回灌井设置在热气田的边缘部分，通过回灌来使得热气田冷却概率大大降低。一旦回灌井的位置确定，人们就应该研究合理的回灌方式和回灌量，避免热突破现象。

在地热回灌工程中，堵塞经常会导致回灌井的回灌能力降低，其主要原因有物理和化学两方面。物理堵塞发生的原因是水中悬浮微小颗粒的作用，在回灌压力的作用下，能够进入热储的缝隙或管道，从而降低整个回灌井的回灌能力。同时，回灌水中的气泡也可能影响回灌速度。为了尽量减少物理堵塞，人们可以利用过滤的方法来减少水中悬浮的颗粒，然后再进行回灌。化学堵塞是指在回灌水中发生化学变化或反应使得回灌水与地热水之间产生沉淀，这种沉淀主要是碳酸钙或者二氧化硅，从而降低整个回灌井的回灌能力。在热气田里，发电过后的水化学成分增加，容易形成饱和溶液，会有沉淀析出。因此，在设计回灌管道时，人们应该合理考虑回灌水的温度和压力，尽可能避免化学沉淀的产生，避免其对回灌井的回灌能力产生影响。同时，人们还要注意整个系统的密封，尽量避免回灌水与周围的环境接触，防止生成沉淀，如果回灌水的化学成分较高，人们可以调节回灌水的pH值来避免这种现象发生。

4 结语

回灌技术是地热田管理和综合利用的一种有效手段，有着广泛的应用前景，对于地热资源的可持续利用与发展具有积极意义。无论是在高温地热系统还是在中低温的地热系统中，回灌都是一项非常复杂的技术，因此在对回灌井进行回灌操作之前，人们必须进行回灌试验。跟踪试验也是一项非常重要的手段，它对于研究回灌对热气田的影响具有非常重要意义。通过回灌试验和跟踪试验，人们能够对地热能的热储进行进一步的研究。

1 阮传侠，沈 健，李立亮，等.天津市滨海新区东丽湖地区基岩热储回灌研究[J].地质通报，2017，（8）：1439.

2 周 萌，任晓霞，杨淑云.地热回灌井井底压强新解[J].山东国土资源，2016，32（1）：37-40.

3 陈建兵，张 斌.西安三桥地区地热回灌井数值模拟研究[J].地下水，2017，39（2）：21-23.

4 云 钏，汤 勇，陈国富，等.黄骅市新近系砂岩热储回灌能力分析[J].中国高新区，2017，（11）：114-115.