五莲县松柏地热井回灌可行性分析

王士路 秦福锋

（山东省煤田地质局第一勘探队，山东 滕州 277500）

五莲县松柏1号地热井属花岗岩地区裂隙含水层带状热储类型。勘查单位采用水文地质调查与大地音频电磁法物探相结合的手段确定地热井位置，并成功施工一眼深度1570m的地热井（松柏1号井）。产能测试最大降深为70.28m时，涌水量2645.76m3/d，出水温度为75℃。地热流体中氟(7.50mg/L)及偏硅酸(145.73mg/L)达到命名矿水浓度，具有较高的医疗价值，为优质理疗热矿水。按压力降低值不大于0.3MPa，允许开采涌水量为1486.08m3/d(S=31.40m)，井产能为4493.61kW，热流体年开采累计可利用的热能量为2.362×108MJ[1]。由于地下热水资源补给缓慢，需施工地热回灌井以保证地热资源的可持续开发利用。

1 地热地质条件

五莲县松柏地热勘查项目松柏1号井工作区东、南、西三面环山，仅西北方向为山狭谷出口，为低山丘陵间盆地形态，地表水沿断层破碎带形成的谷地汇成溪流，并最终汇集到西北方向的长城岭水库。汇水面积较大，有利于大气降水及地表水的下渗补给。

工作区地层不发育，局部保存白垩纪地层，岩性以凝灰岩、凝灰质砂砾岩等火山喷出岩为主。晋宁期、燕山晚期岩浆岩发育，岩性主要为中粗粒二长花岗岩及花岗斑岩。工作区内断裂主要为北北东向的松柏—小王疃断裂、北东向的F5断裂及北西向的松柏—叩官断裂。松柏—小王疃断裂：走向NNE，倾向SE，倾角70°～80°，为压扭性断裂，断层为导热构造，导水性差[2]。F5断裂：走向NE，倾向NW，倾角80°左右，为张性断裂。松柏—叩官断裂：走向NW，倾向NE，倾角80°左右，为张性断裂，切割北北东向的松柏—小王疃断裂和北东向的F5断裂，具备较好的导水性，为本区地热水的主要赋水构造（图1）。热储类型为裂隙带状热对流型热储（图2）。

图1 松柏地热资源勘查区地质图

图2 松柏地热资源勘查区热储概念模型图

2 地热回灌井的必要性分析

（1）为了减少地热尾水对环境的污染，地热水中通常含有较高的盐分和一些特殊组分，直接排放地表，可造成热污染和化学污染。

（2）为了改善或恢复地热田的产热能力，地热田中的地热能一部分储存在其中的热流体中，而绝大部分储存在岩石骨架中，通过把温度较低的水注入热储层中，经过加热后再抽取出来，可以提高地热田的利用效率[3]。

（3）保持热流体的压力，维持地热田的开采条件。由于地热的开发利用，储层的流体压力会降低，如果开采量过大，使补给和开采失去平衡，储层的压力会降低，使热田的生产能力降低，造成资源枯竭，甚至丧失能力。通过回灌可以维持或恢复储层压力，稳定地热资源的开采条件。地热尾水回灌技术已经广泛应用，不但减少了地表污染，真正做到了绿色环保，还循环利用了地热水资源，减少了地质环境问题。

3 回灌的可行性分析

3.1 水文地质条件可行性分析

3.1.1 含水层容积分析

地下水体容积一般是指地层岩性的孔隙及裂隙，容积的大小也反应地下水赋水强弱。工作区位于松柏镇，四周均有低山丘陵，中间平坦。其地下水主要受周边的大气降水补给，在工作区形成一个相对封闭承压含水体，松柏1号井静止水位埋深为25.04m，适合回灌的可利用容积较大，回灌难度较小。通过松柏1号井产能测试成果可知，产能测试结束后，水位恢复很快，说明含水层补给条件好。

3.1.2 含水层回灌适宜性分析

松柏1号井热储层岩性以花岗岩、二长花岗岩为主，含水裂隙在空间上分布不均，裂隙发育不一，厚度1.9～17.9m不等，孔隙度为0.10%～6.51%，渗透率为0.10～1.78×10-3μm2，造成了区内地下水富水性不均一的情况。松柏1号井施工期间，气动潜孔锤钻进过程中在816～832.34m发现出水点，从832.34m开始换用化学泥浆钻进后开始出现不同程度的消耗液漏失情况，至1524m处钻井液全部漏失，岩性破碎，表明裂隙发育，岩石渗透性较好，富水性强，含水层富水空间大，有利于回灌。

3.1.3 断层导水和储水性能分析

勘查区内共发育三条断裂构造，分别是松柏-小王疃、F5、松柏-叩官断裂。北北东向的松柏-小王疃断裂倾角在70°～80°，为压扭性断裂。根据物探资料显示，该断层切割深、断距大，为地壳深部热能向上运移提供了较好的通道，属于导热构造。北西向的松柏-叩官断裂是一条燕山期形成的规模较大的张性大断裂。该断裂在本区倾角大（倾角80°左右），切割深，断距大，断层破碎带较宽，为地下热水的储存提供了空间，为其运移提供了良好的通道。松柏1号井在1524m钻遇此断裂，冲洗液全漏。北东向的F5断裂，倾角在80°左右，为张性断裂。北北东向的松柏-小王疃断裂与北东向的F5断裂在一定深度上与北西向的松柏-叩官大断裂交汇，形成良好的纵横交错热通道网络。区内导水及储水断层，为回灌提供了有效空间和导水通道。松柏-叩官断裂为工作区地热主控断裂，从松柏镇一直延伸至叩官镇，断裂带附近岩性破碎，富水性相对较好，导水及储水性能较好，所以松柏-叩官断层带附近适宜布置回灌井。

3.2 回灌技术的可行性

根据松柏1号井产能测试成果分析，工作区地热水储存运移明显受构造影响，构造带附近岩层完整性差，裂隙较发育，岩石渗透性中等，静止水位埋深为25.04m，满足真空回灌条件。

根据松柏1号井在1524m处钻井液全部漏失以及产能测试成果可知，工作区存在一定回灌空间。松柏1号井开发利用后，随着地热水开采量增大及开采时间增加，会在工作区形成一个较大的降落漏斗，有利于回灌的实施。当热储层水位下降后可进行真空回灌，真空回灌至水位高度超出地表时，可进行加压回灌。

4 回灌井定井及回灌技术方案

4.1 回灌井井位的确定

为保证回灌井的定位准确，需要确定大致靶区，在靶区开展物探施工。采用可控源大地音频电磁法，对重点区加密施工，与松柏1号地热井物探数据相对比，确保回灌井与开采井揭露同一条含水构造，寻找水文地质条件相对较好的地段，提高回灌井的成功率。

4.2 回灌井与开采井间距

把温度较低的水灌入热储层是一项比较复杂的技术，回灌井与开采井的间距过近，可能引起回灌水加热温度不够，形成热突破，降低开采井的出水温度；距离太远，有可能受断层分叉、裂隙导水条件的限制，造成回灌水向开采井渗流速度过慢、渗流量低，开采井水位恢复慢，失去了回灌的作用。松柏地热1号井属构造裂隙含水层带状热储，裂隙含水层灌采井间距应比孔隙含水层大，建议间距大于1000m。

4.3 回灌井防堵塞措施

为防止堵塞含水层，对回灌水采取除砂、过滤措施，管路全密闭，防止接触空气。回灌过程中要定期回扬[4]，回扬周期通过试验确定。根据2017年兖州地区松散岩类含水层回灌试验研究数据，在定流量回灌试验过程中，稳定一段时间后，水位逐渐上升，水位上升至井口后，回灌试验终止。需要回扬至水清砂净，恢复含水层的出水能力后，再进行回灌试验。根据试验结果，不加过滤器的原水回灌试验，回扬周期为4.5d；加粗效过滤器和精密过滤器的水处理后回灌试验，回扬周期为11d。在回扬时，仅仅回扬至水清砂净不能达到疏通含水层的目的，根据实际回灌试验，长时间的回扬，可以对含水层进行更好的疏通。回扬时应观测井内水位变化，待水位稳定，或者回扬水量与初始开采量相近为止[5]。

采取定期回扬清除物理沉淀、管路密封防止地下水氧化、定期清洗或者更换过滤器解决生物堵塞问题，是延长回灌井服务年限的有效手段。另外，开采井、回灌井采用交替采灌法也是解决回灌井堵塞的有效措施，即两井交替抽水、交替回灌，互为采灌井，交替时间为一个水文年。

5 结 论

五莲县松柏地热1号井属典型的带状热储地热资源，此类地热资源的回灌研究程度低，回灌井的施工及回灌工艺尚处于探索阶段。松柏1号井所揭露的松柏-叩官断裂，断裂破碎带宽度较大，岩石破碎，导水及储水性能较好，适宜布置回灌井。采取适当的水文地质调查分析，结合物探手段，经分析论证施工回灌井是可行的。回灌井采用与松柏1号井相同的管井结构、相似的钻井深度，形成一对互为采灌的地热井，采用合适的回灌工艺，可以提高地热开采量，大幅度延长地热田服务年限，防止地热资源过早枯竭，实现经济效益、社会效益、环境效益的和谐统一。