山东省惠民县淄角地区砂岩热储地热尾水回灌研究

王兆林 刘苏哲 纪洪磊 夏影 蒙永辉

摘要： 在阐述山东省惠民县淄角地区地热资源开发利用现状及其地热资源类型和主要热储特征的基础上，对本次工作采集的热储岩心测试结果进行分析，研究了热储层岩性、孔隙度、砂岩颗粒直径及渗透性能对回灌的影响。对本次工作开展的砂岩热储地热尾水自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四组定压力回灌试验进行分析，重点针对回灌压力对回灌量的影响进行了研究，为研究区开展地热资源生产性回灌和进一步加快地热回灌的推广提供了参考。

关键词： 地热资源；砂岩热储；地热尾水回灌；山东省惠民县

中图分类号： P641.12     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.011

引文格式： 王兆林，劉苏哲，纪洪磊，等.山东省惠民县淄角地区砂岩热储地热尾水回灌研究［J］.山东国土资源，2023，39（3）：72 78.WANG Zhaolin， LIU Suzhe， JI Honglei， et al. Study on Geothermal Tail Water Reinjection of Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area in Huimin County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：72 78.

0 引言

山东省地热资源非常丰富，是全国利用地热较早的省份之一［1］，但是长期以来粗放的开采利用方式，造成了资源严重浪费、地热水位大幅下降、热储层压力不断降低、地表环境污染等问题，而进行地热尾水回灌则可以有效解决这些难题［2 7］。地热回灌是人工将利用过的地热尾水或常温地下水、地表水灌回到热储中。目前省内对地热回灌试验进行了大量研究，但是地热回灌示范工程相对较少。尤其是滨州地区，地热资源开发利用较晚，利用程度较低，目前尚未建立地热回灌示范工程［8 11］。

为了解决地热资源开发利用带来的一系列问题，实现地热水资源的清洁开发和持续利用，推进地热回灌试验研究，为地热资源生产性回灌提供技术支撑，进一步加快地热回灌的推广，在滨州地区起到示范引领作用，开展了本次地热回灌研究。

1 研究区概况

惠民县淄角地区地热资源开发利用始于2005年，在惠民县淄角镇美孚德食品公司院内钻探地热井1眼，用于供暖，现已停用。截至2022年6月，研究区共有地热井16眼，其中开采井6眼，回灌井9眼，停用1眼。地热井井深1298～1500m，开采层位均为新近纪馆陶组热储层，井口水温50～52℃，单井涌水量80～85m3/h，水位埋深约50m左右，地热尾水自然回灌条件下平均回灌量约60m3/h。

当前孔隙型砂岩热储难以回灌的现状严重的制约了地热资源的开发，本次工作在吸取国内、省内外同类热储回灌的经验与教训的基础上，进行地热回灌试验，获取不同回灌压力条件下回灌量，改进回灌技术方法。

2 地热资源类型及热储特征

2.1 地热资源类型

研究区位于鲁西北平原，在地质构造上为基底上发育起来的中、新生代断陷盆地。受差异性升降运动的影响，沉积了巨厚的中、新生代陆相碎屑岩沉积层。地热水主要富集在古、新近纪层状砂岩的孔隙 裂隙和古生代石灰岩的岩溶裂隙内。本区地热资源主要赋存于新生代新近系和古近系碎屑沉积岩中，地表无热流显示。按地热资源的形成条件，研究区地热资源属于沉积盆地传导型地热资源［12］，热储类型为层状孔隙 裂隙型热储。研究区已有地热井的测温资料表明，地热水的温度大多小于90℃，根据地热资源温度分级标准，属于低温地热资源、温水—热水型［13 18］。

2.2 主要热储及其埋藏分布

按热储所处地层的时代，研究区1300m深度内自上而下主要划分为2个热储层组：明化镇组热储层组—新近纪明化镇组含水层组和馆陶组热储层组—新近纪馆陶组含水层组，其中新近纪馆陶组热储是本次工作重点。明化镇组热储在全工作区皆有分布，其顶板埋深250～340m，底板埋深900～1040m，厚度600～800m。明化镇组下段热储岩性以细砂、粉细砂及中细砂为主。含水层单层厚度为1.6～9.2m，可采用层数一般13～15层，累计厚度70～105m。该热储分布广泛，厚度稳定，单井涌水量1000～1500m3/d，溶解性总固体1000mg/L左右，水化学类型主要为HCO3 Na和HCO3·SO4 Na型，水温35～40℃。由于温度较低，可做为馆陶组热储的盖层。新近纪馆陶组热储层分布于惠民县全境内，热储埋藏深度自南部、东部向中部及西北部逐渐加深，厚度也逐渐增大，局部地区略有变化（图1）。新近纪馆陶组热储含水层岩性为细砂岩及中砂岩，约占热储层总厚度的17.63％～38.74％。热储顶界面埋深900～1040m，底界面埋深1000～1300m，厚度100～300m，热储岩性为中砂岩、细砂岩，热储砂层厚度一般50～150m。热储中心温度50～60℃，单井出水量900～2800m3/d，水化学类型Cl Na型，溶解性总固体7～16g/L。富含对人体有益的多种微量及放射性元素。

3 回灌过程

3.1 回灌试验方法

本次回灌试验采用同层对井回灌模式，回灌井的注水层与开采井的取水层都位于新近纪馆陶组热储层。回灌方法采用密封加压回灌，先进行自然无压回灌，在水温一定的条件下进行，控制灌入流量，以20m3/h的回灌量梯度增量进行回灌。回灌量较小时通过加压泵加压进行回灌。本次回灌压力取0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，压力由小到大逐步调节到适宜压力，直至回灌能正常运行。回灌时间为一个供暖期（约4个月），每个压力回灌时间不少于1月。回灌水源以农业大棚种植供暖后地热尾水作为回灌水源。

3.2 回灌试验过程及结果

本次回灌为馆陶组热储同层回灌。回灌方式为自然回灌和加压回灌。试验前，回灌井水位埋深52.00m，开采井水位埋深50.00m。本次回灌试验采用压力阶梯回灌的方式进行，分别为自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四组定压力进行地热回灌试验。回灌水温23.6～50.1℃。累计回灌量170269m3。

本次无压回灌试验于2021年11月9日开始，2021年12月10日结束。回灌水温25～50℃。回灌33日，99台班，累计回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水温度28℃，回灌井稳定水位埋深10.0m左右时，开采井稳定水位埋深63.90m，开采量58m3/h，稳定回灌量为58m3/h；回灌井井口压力为0，阶段回扬2次。

0.1MPa回灌于2021年12月10日开始，2022年1月9日结束，回灌30日，90台班，累计回灌量76862m3，该压力段回灌量39582m3。开采井稳定水位64.5m，开采量65.0m3/h；回灌井井口压力0.1MPa，回灌水温度28℃，稳定回灌量为65.0m3/h，阶段回扬2次。

0.2MPa回灌于2022年1月9日开始，2022年2月4日结束，回灌27日，81台班，累计回灌量112701m3，该压力段回灌量35839m3。开采井稳定水位65.5m，开采量70m3/h；回灌井井口压力0.2MPa，稳定回灌量为70m3/h，阶段回扬1次。

0.3MPa回灌于2022年2月4日开始，2022年3月5日结束，回灌30日，90台班，累计回灌量170269m3，该压力段回灌量57568m3。开采井稳定水位66.8m，开采量72.8m3/h；回灌井井口压力0.3MPa，稳定回灌量为73m3/h，阶段回扬2次。

试验过程中及结束后对回灌井回扬，达到水清为止。受井深和回扬流量等因素影响一般回扬开始后约60min回扬热水较为浑浊，呈褐色—黑褐色，120min后水逐渐清澈。

根据回灌试验检测数据显示，在回灌过程中，回灌量随着回灌压力的增加而增加，回灌量较为稳定时，回灌压力也趋于稳定，回灌量轻微变化对回灌压力基本没有影响，说明回灌入渗稳定，含水层较为通畅。

4 回灌研究

4.1 热储层岩性对回灌影响研究

地层结构对回灌量的影响主要体现在热储砂岩厚度和热储层物理性质。累计厚度越大和单层厚度越大，地层中砂岩厚度占比越高，回灌性能越好，回灌量越大［19］。相反，累计厚度小，热储砂岩厚度占比小的地层回灌性能较差，回灌量也越小。工作区砂岩热储厚度为80～120m，约占地层总厚度的30%～50%，热储厚度较大，回灌性能良好。本次钻探采取新近纪馆陶组热储岩心30m，热储岩性主要为砂岩，对采集的热储岩心进行了颗粒分析（图2），显示颗粒粒径集中在0.075～0.5mm之间，上部颗粒较粗，底部颗粒变细，0.075～0.25mm之间的颗粒占30%～65%，0.25～0.50mm之间的颗粒占21%～37%；0.5～2mm的颗粒在1.3%～7.3%左右，其中0.075～0.25mm颗粒所占比例较大，最大可达65.2%；1077～1249m深度处孔隙比为0.492～0.737，含水率为12.9%～22.8%，密度为1.88～2.05g/cm3，比重2.66～2.71。

4.1.1 孔隙度

鲁北地区馆陶组热储回灌层孔隙度基本在25%以上，属于极好的。相同地热井成井工艺、回灌工艺的条件下，分别对本次回灌井与邻区2眼馆陶组大口径填砾回灌井进行回灌试验分析（表1），2014—2015年度在平原魏庄社区进行的地热尾水回灌试验，2014—2015年供暖季在德州市开发区进行的地热尾水回灌试验，回灌试验井结构与回灌工艺相同，德州市城区地热回灌井馆陶组热储层岩性为中砂岩，孔隙度为26.9%，平原县回灌井馆陶组热储岩性为砂砾岩，孔隙度为32.51%，本次回灌井馆陶组岩性为中砂岩，孔隙度为38.8%，采用同水位升幅条件下的单位滤水管面积回灌量进行比较可看出，本次试验井回灌能力最强，平原魏庄社区回灌能力次之。

4.1.2 颗粒直径及渗透性能

砂岩孔隙型热储回灌率低的主要原因为回灌堵塞严重，不同地区的热储岩性在垂向和水平向上都有一定差距，理论上来说砂岩热储厚度、颗粒粒径和孔隙度越大，渗透性也就越好，越利于回灌。本次试验与德州开发区、武城二中三组回灌试验进行对比，3个回灌井采用相同的成井工艺，惠民淄角馆陶组砂岩热储为0.5～5mm粒径的中砂岩，渗透率为101.5×10 3～859.4×10 3μm2；德州开发区馆陶组砂岩热储为0.5～2mm粒径的粗细砂岩和砂砾岩，渗透率为225.3×10 3～391.7×10 3μm2；武城二中回灌井馆陶组砂岩热储为2～5mm粒径的砂岩和砂砾岩，渗透率为265.74×10 3～906.62×10 3μm2，三者最大自然回灌量分别为73m3/h、40m3/h、60m3/h，单位面积最大回灌量分别为0.658m3/h·m2、0.407m3/h·m2、0.628m3/h·m2。

4.2 回灌压力对回灌量影响研究

本次回灌为馆陶组热储同层回灌，回灌方式为自然回灌和加压回灌。试验前，回灌井水位埋深52.00m，开采井水位埋深50.00m。本次回灌试验采用压力阶梯回灌的方式进行，分别为自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四组定压力进行地热回灌试验，回灌水温23.6～50.1℃，累计回灌量170269m3。

無压回灌水温25～50℃，回灌33日99台班，累计回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水温度28℃，回灌井稳定水位埋深10.0m左右时，开采井稳定水位埋深63.90m，开采量58m3/h，稳定回灌量58m3/h，阶段回扬2次（图3）。

0.1MPa回灌30日90台班，累计回灌量76862m3，回灌量39582m3。开采井稳定水位64.5m，开采量65.0m3/h；回灌井井口压力0.1MPa，回灌水温度28℃，稳定回灌量为65.0m3/h，阶段回扬2次（图4）。

0.2MPa回灌27日81台班，累计回灌量112701m3，回灌量35839m3。开采井稳定水位65.5m，开采量70m3/h；回灌井井口压力0.2MPa，稳定回灌量为70m3/h，阶段回扬1次（图5，表2）。

1—水温；2—水位；3—水量；4—回灌量   图5 0.2MPa压力回灌状态下开采井 回灌井水位、流量、温度历时曲线图       表2 不同回灌压力回灌水文地质参数成果表     项目   试验数据 成果数据 热水水位/m 稳定水位/m 水位升幅/m 回灌量/（m3/h） 渗透系数/（m/d） 影响半径/m 导水系数/（m2/d）  自然回灌 42.00 10.00 32.00 58 0.39 200 49.9 0.1MPa 42.00 0 52.00 65 0.29 281 36.4 0.2MPa 42.00 0 62.00 70 0.26 316 31.6 0.3MPa 42.00 0 72.00 73 0.24 345 29.4      0.3MPa回灌30日90台班，累计回灌量170269m3，该压力段回灌量57568m3。开采井稳定水位66.8m，开采量72.8m3/h，回灌井井口压力0.3MPa，稳定回灌量为73m3/h，阶段回扬2次（图6）。

回灌试验可视为产能试验的逆过程。回灌试验的地热地质模型和数学模型可利用产能试验的模型进行相关研究和计算。利用本次回灌试验，由小到大选取了四组不同累计回灌量时的回灌数据进行对比分析，研究随着回灌量的持续增加对热储层水文地质参数的影响（表2）。

5 结论

（1）惠民县淄角地区，地热资源属于传导型地热资源，热储类型为层状孔隙 裂隙型热储。地热资源开发利用近20年，地热水水位下降，热储层压力减小，具备地热回灌的地质条件和空间。

（2）试验结果表明，砂岩热储层颗粒粒径、孔隙度越大，滤水管直径越大，回灌能力就越强；砂岩热储的岩性颗粒粒径越大，其渗透率也越大，越利于回灌的进行。

（3）在回灌过程中，压力回灌优于自然回灌，回灌量随着回灌压力的增加而增加，回灌量较为稳定时，回灌压力也趋于稳定，回灌量轻微变化对回灌压力基本没有影响，说明回灌入渗稳定，含水层较为通畅。渗透系数随着水位增幅的增加逐渐减小，即渗透系数随着回灌压力和回灌量的增大逐渐减小并趋于稳定。

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Study on Geothermal Tail Water Reinjection of   Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area   in Huimin County in Shandong Province

WANG Zhaolin1， LIU Suzhe2， JI Honglei2， XIA Ying2，MENG Yonghui1

（1.Shandong Provincial Land and Space Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan，250014，China;2.No.2 Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources （Lubei Geo-engineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072，China）

Abstract： On the basis of describing present condition of geothermal resources development and utilization in Zijiao area in Huimin county in Shandong province， as well as the types of geothermal resources and main characteristics of thermal reservoirs， the core test results of thermal reservoirs collected in this work have been analyzed， and the effects of thermal reservoir lithology， porosity， sandstone particle diameter and permeability on reinjection have been studied. 4 groups of constant pressure reinjection test， such as under the natural reinjection， 0.1MPa， 0.2MPa and 0.3MPa， geothermal tailwater from sandstone thermal reservoir have been analyzed. The impact of reinjection pressure on reinjection volume has been studied. It will provide some references for carrying out productive reinjection of geothermal resources and further accelerating the popularization of geothermal reinjection in the study area.

Key words： Geothermal resources; Thermal reservoir in sandstone;geothermal tail water reinjection; Huimin county；Shandong province