庆云县地热回灌存在问题浅析

2019-11-04朱利民宋伟华白通战静华张航星

山东国土资源 2019年11期

朱利民，宋伟华，白通，战静华，张航星

(1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队,山东省鲁北地质工程勘察院,山东德州 253072；2.山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心，山东德州 253072)

庆云地热资源丰富，热储为馆陶组，开发利用始于2004年，近年来随着城区地热资源开发加剧，地热井数量不断增加，开采强度不断增大，出现了地热水位、热储压力逐年持续下降，地热尾水回灌效率不断降低，供暖效果不理想等问题[1-2]，影响了全县绿色可持续发展、建设资源节约型社会进程。该文对庆云某典型小区(以下简称小区A)的生产性地热尾水回灌试验展开研究，根据一个供暖季的开采、回灌数据，分析回灌系统的总体运行情况，查找存在的问题，为实现地热资源统一规划、合理布局、采灌结合、保护环境的目标提供参考，对提高地热资源利用效率，保障地热资源的可持续利用，充分发挥地热资源的综合效益具有一定的借鉴意义(1)山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，庆云县地热回灌总结报告，2018年6月。。

1 研究区概况

1.1 研究区范围

庆云县位于山东省西北部，隶属于山东省德州市，地处滨州、沧州、德州交会处。北以漳卫新河为界，与河北省的盐山县、海兴县隔河相望，东与无棣县毗邻，南与阳信县接壤，西与乐陵市交界，位于华北、胜利、大港三大油田中心，是连接华南华北、东北、北京、天津的重要交通枢纽，素有“京津门户”和“山东北大门”和德州“桥头堡”之称，地处国务院规划的环渤海经济带内。

庆云全县均开采新近纪馆陶组砂岩裂隙孔隙层状热储，目前全县共有12眼地热开采井，分布在城区、尚堂镇、东辛店镇、徐园子乡及常家镇，其中在城区分布较为集中。小区A位于庆云县城中心，目前，该小区建筑面积5万m2，供暖面积约1.2万m2(图1)。

1—庆云现有地热井编号；2—小区A位置图1 庆云现有地热井分布图

1.2 地质概况

根据区域钻孔资料及地热井成井资料，区内地层自下而上分为新太古代泰山岩群，古生代石炭-二叠系，新生代古近系，新近纪黄骅群馆陶组、明化镇组，第四纪平原组(表1)[3-10]。

(1)新太古代泰山岩群(Art)

根据岩屑录井与物探测井资料结合分析，所揭露地层为灰白色片麻岩，片麻状结构，可见云母及角闪石等矿物。揭露厚度为8.37～13.90m，未穿透。

(2)古生代石炭-二叠系(C-P)

主要分布在庆云县西北部。隐伏于新生界之下，顶板埋深在1100～1300m。石炭系主要岩性为泥岩、砂岩夹薄层灰岩及煤层；二叠系主要岩性为砂岩、页岩及杂色黏土岩夹薄煤层。

(3)新生代古近系(E)

东营组(E3d)：分布于区内东部，部分地区缺失，主要为砂岩与泥岩互层沉积，与沙一段呈整合接触，厚度200～230m。

(4)新生代新近系(N)

馆陶组(N1g)：全区皆有分布，根据岩屑录井资料，地层岩性上部为泥岩、中砂岩互层，泥岩为灰绿色、棕黄色夹棕红色，质纯，性软，含石膏晶体。中砂岩，灰白色，分选磨圆一般，泥质胶结；中部为泥岩、砂砾岩互层，泥岩为灰绿色夹棕红色，含少量钙核。砂砾岩，灰白色，主要成分石英，长石次之，分选中等；下部以灰白色砂砾岩为主，夹灰绿色、棕红色泥岩，底部为灰黑、灰白、灰黄色角砾岩。砂砾岩主要成分为石英，长石次之，分选中等，角砾岩成分以石英、长石为主，夹灰岩碎块，见黑燧石，磨圆差、分选差。厚度216～261m。

表1 区域新生代地层划分

明化镇组(N2m)：全区皆有分布，据区域资料，结合本钻孔岩屑录井资料，地层岩性以土黄色、棕黄色、棕红色、黄绿色泥岩和灰色、灰绿色泥质砂质岩为主。上部泥岩成岩性差、见水膨胀、易造浆；下部泥岩成岩性较好、质纯、性较脆，含钙核。泥质砂岩颗粒均匀，泥质含量高。厚度520～565m。

(5)第四纪平原组(Qpp)

全区皆有分布，与下伏明化镇组呈不整合接触。地层岩性上部为土黄、褐黄、灰黄色砂质黏土和黏质砂土夹粉砂、粉细砂层，结构松散；下部为棕黄、灰绿、棕红色砂质黏土夹细砂层，结构致密，并含钙核。厚度260～300m。

1.3 地热地质概况

研究区地热井均开采新近纪馆陶组砂岩裂隙孔隙层状热储，热储岩性主要为河流相、冲积扇相的细砂岩、粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩等，砾石呈半圆状，磨圆度中等，在垂向上具有上细下粗的正回旋特征。在庆云城区，新近纪地层埋深1000～1100m，庆云东北部最大埋深可达1400m。砂岩热储厚度80～120m，占馆陶组总厚度的37%～45%，单层厚度10～20m，单井涌水量70～120m3/h，属温热水—热水型低温地热资源(图2)(2)山东省地质矿产勘查开发局，山东省地热清洁能源综合评价，2018年12月。。

1—古-新近纪砂岩裂隙孔隙层状热储区；2—上部古-新近纪砂岩裂隙孔隙层状热储区，下部寒武-奥陶纪灰岩裂隙岩溶层状热储区；3—新近纪地层埋深等值线(m)；4—东营组缺失界线；5—隆起与拗陷(凸起与凹陷)界线；6—地层界线(虚线为推测)；7—断层(虚线为推测)图2 庆云县地热地质简图

1.4 地热回灌系统概况

回灌场地位于庆云城区居民小区A内，地形平坦，地面海拔高程8.5m。目前，该小区建筑面积5万m2，供暖面积约1.2万m2，开采井开采量平均为76.95m3/h，井口出水温度为46℃，年开采量约22万m3。采用地板辐射供暖方式，地热尾水供暖后进入回灌井中，回灌温度为31±3℃。

小区A供暖回灌工程于2017年形成一采一灌的采灌井组，两井井身结构对比如图3所示。

开采井为竖井，于2015年10月6日施工完成，位于小区北部，井深1090m。成井时静水位埋深17.14m，抽水降深13.91m时，井口涌水量114.0m3/h，出水温度49.5℃。

回灌井为定向斜井，方位角156.78°，井斜29.83°，于2014年9月30日完成，位于小区中南部，井深1196m。成井时静止水位埋深17m，抽水降深21.5m时，井口涌水量115m3/h，出水温度49.5℃。开采井与回灌井地面直线距离133m，井底直线距离约500m(表2)。

根据开采井和回灌井完井报告可知，地热回灌井的热储层岩性特征与开采井相似，开采垂深为904.55～1080.95m，回灌斜深为914.4～1121.2m，地球物理测井解释6层含水层，热储层厚度178.5m；平均单层厚度29.75m，单层最大厚度50.8m，单层最小厚度10.2m。采用滤水管成井，取水段滤水管直径177.8mm，回灌井各项参数见表3。回灌装置包括除砂器、气压罐、管道循环泵、粗效过滤器、高效过滤器、板式换热器、热泵机组等。

回灌系统工艺：从开采井中抽取的地热水，经除砂后，进入板换装置换热，再经过除污及粗效过滤器(50μm×3个×40m3/h)、精效过滤器(3μm×2个×50m3/h)两级过滤，然后进入排气装置排气后流入回灌井中；回灌方式为自然回灌(图4)。

（1）未熔合及未焊透未熔合是指焊接时焊道与母材坡口、上层焊道与下层焊道之间没有完全熔化结合形成的缺陷。未焊透一般是指根部未熔合，由于长输管道一般都是采用单面焊双面成形，因此这种缺陷比较常见，未焊透对焊道的危害性很大，减小了焊道的有效截面积，造成应力集中，因此，在“金口”焊接中更要严格控制。

图3 采灌井井身结构对比图

井类别位置井深(m)热储层位取水段(m)降深(m)涌水量(m3/h)单位降深涌水量(m3/h·m)水温(℃)开采井小区北部1090N1g904.55～1080.9513.911148.19649.5回灌井小区中南部1196N1g914.40～1121.2021.51155.34949.5

表3 小区A回灌工程回灌井地层及井身结构参数

图4 回灌系统工艺流程示意图

2 回灌数据研究及分析

2.1 回灌原始数据

庆云县现已增加采灌井水位、水温自计仪，另在每个开采井口、回灌井入水口、回扬口及排水管道口安装流量自计仪，对水位、水温、开采量、回灌量等进行全面同步监测，以全面掌握回灌系统运行情况，同时提高水位监测精度至0.01m，水量监测时间精确到小时，频率24次/天，为回灌效果的评价提供完善的数据。

回灌现场人工记录、监测系统导出的小区A开采及回灌监测数据较多，该次仅选择部分数据列出(表4)。

2.2 水温历时曲线

开采井井口水温46℃，自供暖期始末，水温一直稳定，没有发生变化。回灌井回灌水温31±3℃左右；回灌温度历时曲线稍有波动。

11月21日至12月3日，回灌温度为31±1℃；12月4日至2月28日，回灌温度稍有降低，为30±1℃；3月1日至3月18日，随着外界气温的回升，用户侧散热器散热效率降低，则供暖后的出水温度就会升高，为33±1℃(图5)。

2.3 开采量、回灌量历时曲线

2017—2018年，供暖季总运行时间118d，总开采量19.46万m3其中回灌监测期104d，监测期内开采量18.83万m3，总回灌量15.60万m3(图6)。

2017年11月21日至2017年12月3日为试回灌期，未对采灌井瞬时流量数据进行监测，开采井累计开采量为0.6312万m3；回灌井累计回灌量0.5010万m3。

2018年3月1日至2018年3月18日，开采井开采量集中在65.0～75.0m3/h，平均70.19m3/h，总开采量2.80万m3；回灌井回灌量集中在34.9～42.2m3/h，平均39.35m3/h，总回灌量1.57万m3。

回灌过程中，随着开采量下降，回灌量亦随着下降，但回灌量下降幅度过大，主要原因是除砂排水及回灌管道排气导致供暖后的回水减少。

表4 小区A开采及回灌数据

图5 采、灌水温历时曲线

2.4 水位历时曲线

开采井静水位埋深54.0m，动水位埋深在63.81～73.64m，回灌井静水位埋深54.0m，回灌动水位埋深在5～25m，回灌水位升幅基本平稳。如图7所示。

图6 开采量、回灌量历时曲线

图7 开采井、回灌井水位埋深与水位升幅历时曲线

考虑地热水在不同温度下所对应不同密度，相同水柱高度对回灌井底压力不同。即通过P=ρgh公式，温度较低时，水的密度大，对井底压力越大，相当于增加了回灌压力，因此低温水更容易回灌[11]。综合水量、水温历时曲线可知，回灌后期，回灌水量减少，回灌温度升高，回灌水位埋深未出现明显下降。

2.5 回灌率历时曲线

回灌率是指回灌流体的体积与待回灌流体的体积百分比。供暖回灌工程无洗浴等其他用途，供暖尾水需全部回灌，而回灌场地仅在设备中的除砂器和过滤器后安装了电磁流量计，开采井口、回灌井口、回扬口未安装流量计，无法精确了解实际开采量及实际入井流量，故计算中用灌采比来近似计算回灌率。

借用油田的概念，灌采比是指回灌井灌入液量(水、气)的体积与开采井采出液量(水、气)的体积之比，用来衡量灌采平衡情况[12]。

回灌受管道检修、回灌操作、电业局停电影响时，采灌量就会发生变化，瞬时回灌率曲线波动明显，主要集中在54.01%～97.39%，累计回灌率曲线平稳，主要集中在74.79%～94.18%，回灌能力有保证(图8)。

图8 采、灌井回灌率历时曲线

11月15日至12月2日，平均回灌率未知，阶段回灌率为79.1%；12月3日至2月28日，平均回灌率为83.75%，阶段回灌率为84.40%；3月1日至3月17日，平均回灌率为56.10%，阶段回灌率为56.43%。

2017年11月21日至2018年3月18日，小区A回灌工程总灌采比80.16%，监测期间总回灌率为82.85%，回灌水量产生少量损失，主要是回灌过程中停电，管道排气、除砂排水、管道自然损耗等因素造成的。除管道维修及回扬洗井期间未回灌，其他时间供暖后尾水大部分灌入回灌井中。因此，实际回灌率要稍大于该次计算的回灌率。

3 回灌结果分析

该次回灌可划分为前、中、后期3个阶段：

第一阶段为11月15日至12月3日，本阶段为回灌前期，回灌系统处于调试阶段，回灌系统不稳定，回灌量波动较大，监测数据少，阶段开采量0.631万m3，平均开采量约为71.6m3/h，开采井水位由静水位54.00m下降至68.62m，降深为14.62m。阶段回灌量为0.501万m3，回灌量约为66.4m3/h，回灌井水位由静水位埋深54.00m升至2.00m，升幅为52.00m，回灌水温稳定，在31±1℃，阶段回灌率为79.1%。

第二阶段为12月4日至次年2月28日，本阶段为回灌中期，回灌系统平稳，回灌效果好，数据记录精准。总开采量16.03万m3，开采量为78.31m3/h，开采井水位由静水位埋深54.00m下降至72.33m，降深为18.33m。阶段回灌量为13.53万m3，回灌量为65.59m3/h，回灌井水位由静水位埋深54.00m升至14.00m，升幅为40.00m，回灌水温稳定，在30±1℃，平均回灌率为83.75%，阶段回灌率为84.40%。

第三阶段为3月1日至3月18日，本阶段为回灌后期，随着外界气温回升，供暖尾水温度升高，此外长时间回灌可能导致热储层或回灌井周边发生淤堵，回灌效果变差。总开采量2.80万m3，平均开采量为70.14m3/h，开采井水位由静水位埋深54.00m下降至66.48m，降深为12.48m。阶段回灌量为1.58万m3，回灌量为39.35m3/h，回灌井水位由静水位埋深54.00m升至5.00m，升幅为49.00m，回灌水温稳定，在33±1℃，平均回灌率为56.1%。阶段回灌率为56.43%。

总之，小区A回灌工程采用自然回灌，回灌稳定后，回灌井内地热水水位埋深14m，尚有一定的回灌上升空间，且回灌过程中管道压力<0.02MPa，为管道自身压力。自2017年11月21日起开始试灌，2017年12月4日起至2018年3月18日监测系统运转，运行104d(约2496h)，期间停灌1.5d(约35h)，平均开采量76.95m3/h，平均回灌量61.03m3/h，总开采量19.46万m3，总回灌量15.60万m3，回灌曲线稍有波动，总回灌率在80.16%，住户室内温度在18℃～26℃左右，供暖、回灌效果良好。

4 优化建议

目前，庆云县运行的8个地热供暖工程回灌效果和A小区基本相同，回灌工艺均是除砂、过滤、排气后的自然回灌(图4)，尾水的回灌工艺符合德州模式，即“地热水采灌均衡、取热不取水、可持续供暖开采模式”，能够保证回灌的顺利运行，供暖效果可满足小区居民需求。但回灌井回灌水温在31±3℃左右，地热尾水温度较高，相比热泵机组15℃尾水，热利用效率明显偏低。同时地热尾水处理后直接回灌，已出现管道及暖气片腐蚀的问题，影响了回灌和供暖效果。如何进一步降低尾水温度，提高热利用效率，保证供暖工程长期高效运行是急需解决的问题。根据国内外地热回灌工艺研究，提出以下优化建议[14-15]。

(1)对于采用暖气片供暖的小区，由于暖气片多为铸铁散热器，为减少对地热水直供对其结垢的影响，采用换热技术，供暖侧采用软化水循环。对于地板取暖的小区，由于地板辐射采暖一般采用塑料管道，可采用地热水直接供暖方式。

(2)由于暖气片采暖用户建筑时间相对较长，保温性能差，在温差变动大的极寒天气，室温稳定性差，地板辐射采暖后30℃的地热尾水，可通过二次换热，将热量通过热泵机组提温调峰后，作为补充热源提供给暖气片采暖用户。热泵机组的使用，降低了地热尾水温度，提高了地热水热利用率[13]。