关于山东省地热尾水回灌试验的应用研究

崔圆圆

(山东地矿新能源有限公司，山东 济南 250013)

0 引言

党的“十八大”报告提出“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”、“建设美丽中国”。阐释了推进生态文明建设，大力发展可再生能源的重要性和必要性。山东省地热资源丰富，合理开发利用地热能对建设生态山东具有重要意义，是构建资源节约型和环境友好型社会、保障能源安全、改善山东省现有能源结构、促进节能减排战略目标的重要措施。

近年来，随着地热资源的持续开采，地热水已完全失去补采平衡，导致了地热水位持续下降，形成降落漏斗。地热资源的不合理使用和热流体的随意排放造成了资源浪费，引起了较为严重的热污染和化学污染问题。为解决这些问题，山东省陆续开展了多次地热尾水的回灌试验工作，效果较为显著。

1 国外地热回灌研究现状

1969年美国加州Geysers地热田揭开了地热回灌序幕，开展了世界上第一个地热回灌项目，以避免热流体在地表排放而引起的热污染和化学污染，克服热储压力的降低，维持地热田的生产能力。但是，无法完全克服热储压力的降低；1980年开始使用地表水进行回灌；1997年开始回灌经处理后的污水和湖水的试验。通过回灌实现了Geysers地热田的可持续生产[1-2]。

法国巴黎盆地中、低温地热田地热回灌效果较好。法国是中低温、盆地型地热回灌最为突出的代表。1969年在侏罗道格统灰岩建立了世界上第一个“对井”系统，并于1995年开始尝试“二采一灌三井”系统，目前共有61个地热供暖系统在运行，地热供暖住户约20万套。砂岩回灌试验，衰减很快，对回灌井要定期进行维护；需加压运行，电能消耗大。要实现长期稳定回灌，还需对技术、工艺进行研究，并实现经济上的最大化[3-4]。

20世纪末，地热界对砂岩热储层地热水的回灌进行过深入细致的研究。德国通过对孔隙型储层宏观(分布、垂向结构变化)、微观(孔隙度，孔径、颗粒排列)等特征进行研究，对流体的化学组成、悬浮物、流体中所含气体、井口流体的温度、回灌温度等进行测试。在砂岩热储层地热水的开采与回灌方面取得值得借鉴的丰富经验，代表性项目有Waren、新鲁宾市、Klaipeda等，回灌效果较好，回灌量多在50m3/h左右，最大的为150m3/h。

现在，回灌技术在新西兰、冰岛、意大利、日本等国得到不同程度的应用。但从地热回灌的广泛推广和长期应用看，还面临很多已有和未知问题待研究解决。

2 国内地热回灌研究现状

2.1 北京市地热回灌研究

我国最早的地热回灌是1982年初在北京城区地热田东南部进行的回灌试验。回灌历史可分为3个阶段：

1974-1983年：试验研究阶段，关注点是回灌后多长时间冷水被加热。

2001-2002年：示范工程建设阶段，结论回灌技术可行。

2003年至现在：回灌推广应用阶段，回灌发展迅速。以小汤山为例，2004年回灌井数增加到6个，回灌量达到102.7万m3，占当年热田开采量的36.5%，2006年6月回灌量达到132.27万m3，占当年热田开采量的56.6%。通过控制开采量，增大回灌量，其地下水位有明显回升，地热回灌效果明显[5]。

2.2 天津市地热回灌研究

天津1992年在塘沽区开凿新近纪砂岩孔隙型回灌井进行回灌试验，经过近20年的地热回灌试验研究，认为热储层的岩性特征及胶结程度为影响回灌效果的主要因素，对于孔隙型热储层来说，粒径粗的热储层易于粒径细的热储层，在试验过程中，对回灌井的成井工艺进行了研究。

2010年天津市地热勘查开发设计院针对滨海新区塘沽中心区孔隙型热储埋藏深的特点，在理论分析和模拟演算的基础上，分别在渤海石油基地和河滨公园采用新成井工艺开凿了2眼地热回灌井，其回灌能力都达到了预期效果。其中1口回灌井自然回灌状况下回灌量达到103m3/h，回灌温度34℃，稳定回灌水位22m，稳定时间137h；另1口回灌井回灌试验总历时305h，回灌温度66℃，当回灌量达到120m3/h时，稳定回灌水位15.58m，稳定时间94h。

2012年天津市地热勘查开发设计院在武清区天和林溪小区内施工了一对新近纪馆陶组地热井。两口地热井均采用了定向造斜技术，先下管成井、后射孔成井工艺。井口距离5m，井底距离800m，热储层位馆陶组。项目共进行了3个稳定灌量的试验，其中最大回灌量以35℃地热流体回灌，回灌量为120m3/h，稳定时间36h，稳定水位74～75m，表明该地热对井回灌效果非常理想。这一试验成果验证了天津北部新近纪馆陶组回灌的可能性[6-8]。

存在问题：天津的回灌经验技术，针对砂岩孔隙型热储回灌已有很大进步，获得宝贵的技术资料和实践经验。但砂岩孔隙型热储回灌量虽然较大，但回灌持续时间较短。还需要加强持续回灌对热储层、回灌量的影响等问题进行研究。

2.3 西安市地热回灌研究

西安市主要有第四纪秦川组和三门组、新近系张家坡组、蓝田灞河组、高陵群和白鹿塬组6个热储层段。其中蓝田灞河组为区内的主要开采层，岩性为细砂岩、砂砾岩互层。总的特征为砂岩颗粒较粗、半固结，较疏松，分选较差，渗透率较大。

西安市第1口回灌井于2002年成井，井深2300m，西安市矿产资源管理局曾进行过为期50d的地热水回灌试验，从开采井里抽上来的地热水经降温处理，按20m3/h回灌利用后的尾水，随后将根据储热层渗透性及回灌难易程度，逐渐增加回灌量。证明西安地区热储层进行回灌是可行的。

随后几年，西安市不断加大地热资源回灌研究力度，借鉴冰岛及国内相关技术，结合秦都区地质条件进行的地热回灌技术于2009年11月14日开始，进行了5昼夜的回灌试验，取得了初步成功。2011年，西北大学地质系任战利研究员和西安市水资源利用技术服务中心共同完成了《西安地热水回灌试验研究》，针对西安市地热田的热储层物理性质和孔隙结构的特征，对不同回灌方案地热开采井和回灌井地热水地球化学特征及回灌堵塞原因进行了分析，对回灌方案进行了优选，提出回灌井配套设备工艺及技术要求，推进了西安市地热回灌试验的进程[7]。

3 山东省地热回灌试验工作

截至目前，山东省进行了多次地热回灌工作，逐步改进回灌水源、回灌压力、成井工艺、回灌水源温度，回灌技术日趋成熟。

“未处理—除砂、除铁—精校过滤”是回灌水源处理的3个主要阶段。最早进行的是原水回灌，由于含有大量泥沙，回灌后造成严重堵塞，致使回灌井的生产能力严重下降。后开始加入除砂器对回灌水源进行处理，堵塞问题得到一定改善，但由于除砂器过滤精度有限，仍会造成堵塞，回灌量衰减迅速。经过一段时间的探索，近年来开始使用粗效过滤器和精校过滤器对地热尾水进行进一步的处理，堵塞问题得到较大改善，但经过一段时间的回灌之后回灌量仍旧衰减严重。

回灌压力主要经历了“自然回灌—加压回灌—加压回灌与无压回灌相结合”3个阶段。最早采用的是自然回灌，回灌量普遍较小。随后开始使用加压泵进行加压回灌，回灌量有明显增加。由于加压回灌对设备的密封条件要求很高，成本较高，因此后期开展的回灌工作开始采用加压回灌和自然回灌相结合的方式进行。

回灌试验开展初期，利用地热生产井进行的试验，特点是成孔口径较小，滤水管多使用包网等方式成井。后期，通过借鉴国内外经验技术，开始施工专门的回灌井进行回灌试验，从成井工艺上看，开始使用石英砂充填含水层，并使用大口径成孔工艺，以增加过水断面，有效地增大了回灌量。

早期回灌水源采用的是地热原水，回灌水源温度与热储层温度基本相同，无法确定回灌水源的温度对水源井开采温度的影响。后期商河县泰和名都小区采用了供暖后地热尾水进行回灌，回灌水源温度为26℃左右，并贯穿整个供暖期。监测水源井开采温度，对研究供暖期持续回灌对热储层温度的影响有重大意义。

3.1 德城区首次回灌试验

2006年，由山东省鲁北地质工程勘察院承担完成的1∶100万《山东省地热资源开发利用效应及模式调查研究报告》，参照天津等地区地热回灌模式第一次在德州市德城区进行了一组地热回灌试验，回灌热储层为馆陶组，地热回灌采用同层对井加压回灌方法，在不同压力条件下进行回灌。

试验证明，在山东省进行地热回灌以减缓水位下降是可行的。且压力回灌相对自然回灌更利于回灌；回灌量随着回灌压力的增大而增大，单位压力回灌量随着压力的增大而快速减小，但均不呈线性关系，均呈幂函数关系。

由于是首次试验，回灌的工艺技术还在摸索阶段，仅采用已有开采井进行原水回灌，没有相应防堵措施或设备，且回扬及间隔时间没有足够的经验借鉴，回灌量相对较低，并产生了严重堵塞，影响了原有的正常开采量，最后经过多次酸洗，开采量归为正常[9]。

3.2 东营城区首次回灌试验

2006年，东营市国土资源局提交了由山东省地矿集团有限公司施工完成的《山东省东营市城区地热资源人工回灌调查报告》。主要采用了自然回灌方式，并分别进行了同层回灌和异层回灌两组试验。鲁班公寓东热12井既为地热井流量试验时抽水主井，又是回灌试验时的回灌水源井。周边多井进行了观测。

试验证明，单井回灌量与回灌水头升高呈正相关性，大致符合指数函数关系，回灌水头随回灌量的增大而升高，升高幅度大于回灌量的增加幅度；而同层为异层回灌量的3倍左右，进一步证明同层回灌优于异层回灌。

区内第一次对东营组热储进行回灌试验，采用已有开采井作为回灌井，进行原水回灌试验，由于经验技术等不足，对回扬措施采用不够，且没有进行密封加压等工艺，回灌量较低，回灌堵塞严重，回灌时的单位水头升高回灌量与抽水时的单位降深涌水量比值为9.5%～22%(馆陶组同层回灌：17%～22%；馆陶组、东营组异层回灌：9.5%～10.5%)[10]。

3.3 德城区二次回灌试验

2011年，山东省鲁北地质工程勘察院提交了《山东省德州市城区地热资源回灌勘查报告》，对德州市城区地热资源回灌条件进行了勘查，并分别在德州东建花园和水文地质二队进行了2组回灌试验，回灌压力包括无压和有压2种。采用同层对井加压回灌模式进行回灌，回灌井的注水层与开采井的取水层均为馆陶组热储。

在前期工作的基础上，改进了试验方法、工艺，认为在工作区内进行地热回灌，可以在控制开采量的前提下进行加压回灌，单井开采量宜控制在60m3/h，回灌时可以采用5个大气压进行1对2同层对井回灌，或采用15个大气压进行1对2同层对井回灌。且目前的回灌空间看，不适于大规模地热自然回灌和加压回灌。该次回灌比较前期回灌试验在工艺流程上取得一定的进步，进行了加压、密封及除砂、除铁等简单的过滤装置，在回灌期间根据回灌量和水质变化，加密了回扬次数，回灌时的水头升高回灌量与抽水时的同降深涌水量比值增加为13%～38%[11]。

虽然该次试验在方法、工艺上进行了改进，回灌量不大(60m3/h及以下)的情况下，基本能做到100%的回灌率，但是如果要求的回灌量大幅度提高，回灌率将会随之降低。

3.4 平原县回灌试验

2012年，山东省鲁北地质工程勘察院提交了《山东省德州市地热回灌试验报告》，查明了区内地热回灌条件，在平原县施工了一眼回灌井，采用大口径填砾成井工艺、并增加了密封、除砂、除铁、精、粗过滤器、排气灌等地面净化设施，根据回灌时水质、水量变化，进行2周一次回扬。

随着回灌量的增加，回灌井的水位升幅也逐渐增加(表1)，回灌量与水位升幅符合三次多项式回归(表1、图1)。

表1 平原县回灌试验回灌量与水位升幅数据对比

图1 平原县回灌试验回灌量与水位升幅回归曲线

当回灌量等幅度增加时，回灌井水位的增幅呈增大趋势，回灌量与回灌井水位增量符合一元二次多项式回归(表2、图2)。

表2 平原县回灌试验回灌量与水位增量数据

图2 平原县回灌试验回灌量与回灌井水位增量回归曲线

该次回灌试验系结合天津地区砂岩热储地热回灌井钻探成井工艺进行的首次回灌井钻探工作基础上进行的回灌试验，在自然无压条件下回灌量可达70m3/h，山东省地热回灌试验工作取得较大进步[12]。

该次回灌仅为地热原水进行的回灌，回灌井与开采井间距仅为230m左右，温度相差在1℃以内，极易形成采灌循环，无法检测其温度场变化，是否能达到采补的热平衡，且回灌过程需要定期回扬，根据省内尾水水温、水质情况，要实现长期稳定回灌，还需对技术、工艺进行研究，并实现经济上的最大化。

3.5 东营市南展区地热回灌

山东省地矿工程集团有限公司于2014年在东营市施工了2眼地热井，一采一灌，属同层对井回灌。分别进行了自然回灌，低压力(0～0.2MPa)回灌、中压力(0.2～0.3MPa)回灌、高压力(大于0.3MPa)回灌4组回灌试验。

在吸取其他回灌试验经验的基础上，优化了成井工艺，回灌井采用优质石英砂充填过滤层，上部粘土球止水的施工工艺。加压回灌，压力越大，回灌量越大。回扬对地热井回灌量有较明显的改善，该次回灌相同压力条件下，较回扬前，回扬后的回灌量增加4m3/h。

回灌管路的密封性对回灌有影响，当管路内的气体经过充分排放后，回灌量有所增加，该现象在自然回灌前期、中后期尤为明显，该次设定的自然回灌实际上是定期排空状态下的“伪自然回灌”。初步分析主要与开始设定的回灌量过大有关[13]。

3.6 济南市商河县地热回灌

商河县地热资源丰富，开发利用层位主要为新近纪馆陶组，开采量较大，因此进行的回灌试验工作较多，分不同地区进行3次回灌试验工作。

3.6.1 玉苑小区回灌

2012年，商河县在玉皇庙镇玉苑小区施工了地热开采井和回灌井拟用于回灌工作，并于2013年初进行了短期的回灌调试，回灌调试初期采用无压自然回灌：回灌量分别为15m3/h，25m3/h，45m3/h，至45m3/h左右井口有水溢出。

回灌试验证明，该区开展回灌试验是可行的。

工作区内欲推行地热尾水回灌工作，应加强地热尾水回灌的研究工作，明确工作区孔隙热储地热回灌效果的影响因素、回灌对同层位地热储层水温、水质的影响、研究回灌条件下的热储层各项参数的变化规律、提出合理的地热尾水回灌方案。

3.6.2 旭润新城小区回灌

该回灌试验采用的是同层对井回灌，2井地面直线距离150.1m，回灌井为斜井，340m以深，NE方向倾斜，角度约30°，两井热储层中点间距约500m。为提高回灌率，地热尾水在注入回灌井之前，利用粗效过滤器和精效过滤器进行了过滤处理，过滤精度达到了3～5μm。

根据数据曲线的阶梯回灌形态，开采量可分为77m3/h,71m3/h,65m3/h，60m3/h,56m3/h;回灌量相应呈阶梯型分为75m3/h,66m3/h,54m3/h,43m3/h，37m3/h(表3、图3)，尾水最大回灌量约75m3/h，连续时间达40380min。

表3 商河县城旭润新城回灌试验数据

图3 旭润新城小区地热回灌试验总体曲线图

回灌试验所求得的渗透系数为成井时降压试验所求得的渗透系数的67.8%，馆陶组热储含水层的回灌性能要远弱于涌水性能。无压情况下，回灌井初始水位埋深对回灌量有很大影响。相同地质条件下，回灌井初始水位埋深越大，回灌量越大，回灌效果越好。该次试验为同层回灌，热储层为馆陶组，水质分析结果表明，同层回灌，水质差异小，对热储层水质稳定影响小。采用同层对井无压流-回扬的回灌模式，并在地面设施方面增加除砂、过滤、排气等设施，在商河县开展回灌工程是可行的。

该次回灌试验，对比以往省内砂岩热储回灌试验，在自然回灌条件下，尾水最大回灌量约75m3/h，连续时间达673h，合计28d，该次回灌试验取得了重大突破。

此次回灌试验在回灌井成井结构方面，由于成孔口径较小，过水断面较小，一定程度上影响了回灌量和灌采比。回灌模式主要采用无压自流回灌，随着开采量变小，回灌量降低，灌采比逐渐减小[14]。

3.6.3 泰和名都小区回灌

2015年，山东省地矿工程集团有限公司在泰和名都小区内施工一眼地热尾水回灌井。水源井位于商河县泰和名都小区内，于2014年6月成井。水源井与回灌井井口直线距离240m。回灌场地靠近商河县城地区降落漏斗中心，储水空间大。采用大口径成孔工艺，含水层采用优质石英砂填砾。该次回灌主要采用自然同层对井回灌，回灌层位位于馆陶组热储富水性好的砂砾岩层，含泥量少。

建立了一套完善的回灌系统，回灌流程见图4。

主要设备包括地热潜水泵、除砂器、曝气塔、粗效过滤器、精效过滤器、加压泵、循环泵、流量计等。完全模拟了供暖期间地热尾水回灌工作。整个供暖季回灌量为13.84万m3，其中，自然回灌阶段回灌率高达84.4%，基本达到完全回灌的状态，回灌量依据开采量而定，最大回灌量可达75m3/h。回灌效果非常好(表4)。

地热尾水在输送过程中存在管道压力降低，造成井口压力小于泵房内所加压力，因此加压回灌阶段数据并不能准确反应加压对回灌效果的影响。因此综合研究过程中未选用加压回灌阶段的数据，虽设置了加压泵，但最后未采用加压后的回灌数据。

图4 泰和名都小区回灌工艺流程图

表4 泰和名都小区自然回灌阶段水源井与回灌井数据对比

4 试验结果总结分析

回灌场地宜选取靠近降落漏斗的中心区位，回灌层位宜选择渗透率较高，泥页岩含量较少，颗粒较大的砂砾岩层；回灌井成井宜采用大口径定向造斜成孔工艺；同层回灌优于异层回灌，采用同层回灌模式进行回灌，回灌效果好，同层回灌对水源井热储层水化学条件影响较小，不过可能会降低水源井的出水温度；压力回灌优于自然回灌，自然回灌率高的情况下，若考虑节约成本，可不采用压力回灌；建立一套完善的回灌系统，为减少回灌过程中的堵塞，可加装除砂、除铁等过滤装置，过滤精度越高，回灌效果越好；回灌过程中适当采用回扬措施，且注意回扬时间及间隔；提高地热资源利用率，降低回水温度，但同样热突破风险也就随之变大，所以合理安排井距，控制好恰当的回灌水温非常重要；钻探工艺、成井工艺和过滤工艺对回灌量的影响至关重要，但限于篇幅所限，此文不再展开。

探求最合理的回灌方式对于使地热尾水回灌技术得到进一步的推广和应用有着重大意义，希望本文能为下一步山东省地热尾水的回灌工作提供一些参考，若有不当之处敬请各位批评指正。