㈠ 孔隙型地热回灌典型实例分析
天津地热田属典型的沉积盆地型地热资源,回灌开采历史长、规模大。据统计数据,2008年度回灌量近600×104m3/a,整体回灌率近23%,其中基岩回灌率达41%,效果明显。相对而言,孔隙型热储回灌工作进展缓慢,回灌率不足2%。究其原因是由于各种因素引起的堵塞致使回灌量衰减过快,回灌率太低,难以做到连续稳定的回灌,这些问题一直是阻碍其回灌工作快速发展的重要因素。影响回灌效果的原因很多,除了孔隙型储层“先天存在缺陷、后天易受损害”的特征外,主要有三个方面:一是成井过程对储层造成伤害,包括井身结构选择,钻井液、洗井方式和成井工艺等;二是地面回灌系统,包括地面净化系统、回灌方式、采灌井间距及回灌井的定期维护;三是回灌流体进入储层以后与储层及地热流体的物理作用、化学作用等。谢玉洪等将其归纳为储层的外在伤害因素(钻井、开采、修井引起)和内在伤害因素(储层空间、矿物、岩石表面、强度,应力及环境变化)。在实际进行回灌操作时,如果能较好的解决对储层伤害问题,且回灌运行操作技术措施得当,回灌率是有望得到提高的。
天津东部的滨海新区大港某职业学院内,有孔隙型地热井两眼,目的层均为馆陶组,开采井DG-49为校区宿舍、教学楼及办公大楼提供供暖热源和生活热水,回灌井DG-49B用于循环尾水回灌。该供暖系统运行状况不理想,能耗大、资源利用效率低;回灌系统不规范,同时,该地区馆陶组储层泥质含量大,多为粉细砂,导致回灌量较小,回灌持续时间短,资源浪费严重。针对存在问题对供暖系统和回灌系统进行多种技术改造后,资源利用率和回灌率得以提高,最大限度的减少了资源消耗。
1.原对井回灌系统存在的问题
开采井DG-49于2005年成井,目的层为新近系馆陶组下段,井口流体温度61℃,成井初期最大流量为81m3/h,实际平均开采量为64m3/h,供热面积9×104m2;回灌井DG-49B目的层馆陶组下段,井深1892m,出水温度62℃,成井初期流量为85m3/h。该项目建成之初,开采井和回灌井泵房均处于地下,DG-49B井泵房内长期积水,井口设备受到强烈的腐蚀,井房大小为3m×2m×3m,空间狭小,没有任何监测仪器,地热换热后直接进行回灌,没有任何水质处理措施及加压等其他配套设施,回灌效果差,回灌量仅10～15m3/h。
2.回灌系统改造
鉴于该项目回灌效果不佳的状况,依据《天津市地热回灌地面工程建设标准(DB29—187—2008)》和《天津市地热回灌运行操作规程》(2006年)等地方工程建设标准和行业规程,对回灌系统进行整体改造。将开采井井口改造修建成景观亭台式地下泵房,进一步完善泵房功能,泵房室内面积近40m2,高2.6m,泵房地面及四周墙壁均做了防水处理,泵房屋顶提供井泵检修及提、下泵所需的活动井泵孔,室内有0.8m×0.8m×0.8m的集水坑,集水坑内设置潜水排污泵,弃水可通过潜水排污泵提升到室外排水处。回灌井DG-49B的改造包括提升井口,在地面修建了空间较大的井泵房,并安装了温度变送器(0～50℃,L=100mm)、压力变送器(0～1.6MPa)、电磁流量计、自动水位监测仪等一系列监测装置,同时安装了下位机,建立了智能远程控制系统;为了与智能化监测系统结果相互校核,更准确、更稳定的观测回灌运行参数,同时在井口安装人工监测装置,包括热水表、温度表(0～50℃)、压力表(0～1.0MPa)、水位测管,用以监测流量、温度、压力、水位等动态参数;回灌井泵房内安装有具备反冲洗功能的精度为50μm的粗效过滤器(DL3P-2S)和精度达到3μm的精密过滤器(LGFN-125-1.0B),配备反冲泵、反冲储水箱、排气灌、加压泵等各种设备,用于对回灌流体进行地石净化处理和加压;在房顶安装了电动葫芦,用于方便提下泵;同时设置有排水沟及排水地漏,用于收集地面散水或设备溢流;各类输水管网均采用普通钢管并进行防腐防垢处理,同时选用厚为30mm的聚氨酯保温层、外包0.5mm镀锌钢板保温。
改造后回灌系统中,地热循环尾水先行经过粗效-精密两道过滤流程后,再通过排气装置进行排气处理,流体最后从回灌井注入储层。同时加压泵的设置能随时在回灌量不理想时启动,进行加压回灌试验和压力回灌。
3.回灌试验
回灌试验在冬季供暖期进行,进水方式为井管与泵管的环状间隙,回灌量通过阀门控制。为方便回扬,回灌井中下置潜水泵。试验中的各项参数由电磁流量计、温度传感器、压力传感器和自动水位监测仪等进行实时监测。共进行4组试验,持续时间75天共1800小时,试验具体数据见表7-4。
表7-4 DG 49B井回灌试验相关数据
第Ⅰ组:自然间歇回灌试验。依靠流体自重进行的自然回灌,当回灌井内水位接近井口时则停止,以自然间歇方式恢复水位24小时后开始进行下一次试验,反复多次以判断自然间歇情况下回灌井的回灌能力。
第Ⅱ组:定流量“回扬—回灌”试验。回灌量控制在20m3/h左右的自然回灌,每次试验开始前先进行一段时间的回扬,以判断不同回扬量对回灌能力的影响。
第Ⅲ组:大流量“回扬—回灌”试验。试验前先进行一段时间的回扬,回灌量以30m3/h为目标逐渐增加的自然回灌试验,以判断“回扬—回灌”模式下回灌井的最大回灌能力。
第Ⅳ组:加压回灌试验。回扬后先自然回灌,当水位涨至井口后开始加压回灌,额定压力稳定在0.2MPa,加压后将回灌量上调至40m3/h,以此判断压力对回灌效果的影响。
从试验数据可知:DG 49B回灌井在自然间歇模式下回灌能力是有限的,没有回扬的第Ⅰ组试验较其他3组回灌量要明显偏小,且间隔24小时之后的每次试验回灌量出现递减,无论从回灌持续时间还是累计回灌量上,均清楚地反映出“回扬—回灌”模式下的回灌能力强于自然间歇模式。
图7-1是此次第Ⅰ、第Ⅱ组试验的回灌效果图(吸水指数指单位时间内回灌量与井底压差之比值,为衡量回灌井回灌能力和效果的重要指标),对比图上各曲线形态可发现:经过第一次回扬4小时后, DG-49B井回灌能力能基本恢复到回灌初期的水平(曲线Ⅱ-1);再经过第二次回扬8小时后,回灌能力得到了显著提升,在灌量基本稳定的情况下,回灌延续时间也大大延长(曲线Ⅱ-2);到了第三次回扬4小时后,DG-49B井的回灌能力与前一次相比有了一定程度下降,并在一段时间内回灌量不稳定出现大幅波动(曲线Ⅱ-3),但总体而言,其回灌效果仍好于前4次试验。由此表明定期回扬措施可以使回灌井的回灌能力,得以逐步恢复,但随着回灌量的不断累计,在回扬量不变的情况下,回扬的效果会逐渐减弱。
“回扬—回灌”实际上是回灌能力“恢复—消耗”的过程。在“回扬—回灌”模式下,回扬率(即一次回扬量与回扬后能够注入的水量比值)越低,说明回灌能力消耗越缓慢,回灌效果越佳。从试验数据分析:回扬率在20%～30%时,平均回灌量可维持在20m3/h左右,回灌持续时间最长,累计灌量也较大。但应避免回扬率过大,防止储层可灌能力过度消耗,影响回灌的持续,如第Ⅲ组大流量“回扬—回灌”模式下,回扬率大于50%时,回灌的整体效果就不太理想了。从实际运行数据来看,回灌操作时应以小流量开始,在一定时间后再以额定流量回灌,这样可有效延长回灌的持续时间,降低回扬率。
图7-1 DG-49B井吸水指数历时曲线
图7-2 DG-49B井加压回灌历时曲线
孔隙型热储层中要想增加回灌量,“回扬—加压回灌”方式是一种不错的选择。DG-49B井在加压到0.2Mpa时,回灌量尽管也出现衰减,但最终衰减趋势趋于平缓,并可逐渐稳定在30m3/h左右(图7-2),加压回灌量最大可增加20%左右。
该项目供暖期的生产性回灌采用封闭井口的带压回灌,以2天为一周期,遵循“回灌44小时—回扬4小时”的定时循环运行方式,其回灌量可提升至25m3/h左右。
4.试验分析
综合天津地区典型回灌实例,可以得出以下结论:
(1)正确认识储层特点,选择合理的采灌对井布局,有助于对回灌系统的长期运行。以孔隙型储层为例,布置在古河道中的采灌对井自然回灌效果就好,天津塘沽、武清下朱庄馆陶组回灌井回灌能力都在100m3/h以上;布置在深大断裂下降盘、快速堆积的深凹陷区回灌效果就差,天津白塘口凹陷馆陶组回灌井回灌能力在40m3/h左右。德国总结出用于地热回灌的砂岩层应具备条件值得我们借鉴。
(2)回灌依靠抬高井口压力使回灌水克服阻力向井筒外围运动,而井口压力又是各种因素综合影响的结果。在一切条件均相同的情况下,回灌量随井口压力增大而增加。但两者之间是一种非线性关系,可以根据回灌时的具体情况找出最佳灌量时的最佳井口压力。
(3)造成地热井回灌能力下降的主要原因是阻塞。当循环尾水被回灌到原热储层之后,化学的不相容性短期内不会起太明显的作用,但有相当量的固体悬浮物质是由抽出的流动水体携带向回灌井的,从过滤截留材料中发现的斜长岩、钾长石、石英,以及由劣质套管(潜水泵、测管、输水管网)氧化而新形成的铁-锌氧化物与硫化物是引起堵塞、回灌困难的主要原因。
(4)孔隙型储层厚度较大,热能近70%赋存于岩石骨架,且一个采灌期仅为一年的1/3。以热储温度77℃,回灌量50m3/h,回灌水温38℃,76℃为冷锋面为例,用二维流数值模拟结果显示,回灌30年冷锋面半径为360-375m,最大冷水动力锋面为570m,温度场运移速度大约是水动力场运移速度的2/5。若生产井寿命为30年,回灌井距抽水井800-1000m,抽水井温度不会受到影响(欧阳矩勤,1994)。
(5)尽管孔隙型热储回灌目前还是一个世界性的难题,但人们在不断的实践中也探索出了一些宝贵的经验,如:“回扬—回灌”循环运行方式可以在一定程度上保证回灌的持续性;灌量应从小到大逐渐递增;当地热井的回扬率低于20%时,及时回扬反抽洗井是保证回灌持续的关键。天津地区的回灌实践经验只具有借鉴作用,对于不同的沉积盆地,应视热储层地质条件的不同,地热井的成井技术、地面处理工艺、运行操作而异进行探索和完善。
㈡ 回灌井回灌系统装置
完善配套的地面设施、合理的工艺设备可有效防止各种堵塞,确保回灌的正常操作运行。由于储层性质和流体特点,不同热储层应采取相应的地面水质处理配套设施。应根据水质的化验结果而优化制定,选择对预处理水质最有针对性的方法:既要保证回灌水质符合要求,又要防止过度处理以增加不必要的投资。为防止物理堵塞,在回灌系统中应设置三级过滤装置(一级旋流式除砂器、二级粗效过滤和三级精密过滤)、反冲洗系统、排气装置、加压装置及氮气保护装置等装备。在连接方式上,主要考虑各自的功能以串接为最佳方式,具体工艺过程见图4-31。
图4-31 典型地热回灌过滤系统工艺流程图
1.回灌井过滤系统
地热供暖系统长年运行,管道不可能经常更换,由于管路内的老化、锈蚀,会使流经的地热流体质量受到不同程度的影响,因此需对回灌水进行净化过滤处理,去除掉回灌水源中的悬浮固相物质和滋生的细菌,降低水源质量不佳对回灌效果的不良影响。
基岩储层稳定性较好,岩石致密坚硬,流体水质较好,回灌效果普遍好于孔隙型储层。基岩回灌地面工艺配套设施重点在于除砂过滤。为不增加额外投资,可根据地热流体质量的具体情况,在回灌水源经除砂处理后,在地面净化措施上可考虑增设精度不大于50μm的管道过滤或其他过滤装置,达到能将管道及系统中残留的相对直径较大的颗粒过滤掉的目的。粗过滤器一般选择采用袋式或棒式滤料,虽然过滤效果较烧结式要差,但安装方便,又可反复清洗重复使用,使用寿命长,价格也相对较低。
孔隙型热储层由于渗透率小、岩石粒径细,滤水管网容易被细微颗粒或细菌堵塞,因此要求同时安装精、粗两级过滤装置。粗效过滤器精度应在50～80μm之间,承担过滤管道及系统中残留的相对直径较大的颗粒任务,并在一定程度上减轻精密过滤器的工作负担,降低反冲洗次数,延长滤料使用寿命;精密过滤器精度应达到3～5μm,采用精度较高过滤效果更好的第三代缠绕棒式滤芯,不仅要滤掉大部分悬浮颗粒,有效防止回灌时井内的物理堵塞,还可以有效地拦截或吸附一部分微生物,防止细菌堵塞。
地热回灌系统过滤装置由单个或数个过滤罐组成,通常是多组滤棒组装在一起,能增加过滤量,以保证过滤效果。精度相同的多个过滤罐一般采用并联方式连接,并有并联备用过滤罐,便于其中某个过滤器的反冲洗或维修。单体罐过滤量大小依所需过滤的回灌水量而确定。每个过滤罐应配有精确度等级达到1.0级的差压变送器或在罐体进、出水两端分别配备精度为0.01MPa的表盘式压力监测仪表,可根据罐体两端压力的变化情况来辨别过滤器的工作状态,并决定更换或清洗滤料的时间,以保证过滤效果。如果压差增大,表明有微小颗粒滞留在滤料上,使得滤料的缝隙变小,应及时通过反冲恢复初始工作压力。选择滤芯材料应满足系统所需精度及效果,同时要考虑耐温和耐压。如地热流体经板式换热器后,回水温度在50℃左右,为保证滤料使用寿命,要求滤料耐温应在60℃左右,如果循环水温度较高,滤料耐温范围也要相应增大,要求滤芯材料耐温性能高于地热流体最高温度;其次是耐压,由于在回灌运行时系统通常要承受一定的压力,因此要求过滤器外壳承受压力应高于系统最大工作压力。
2.反冲洗系统
由于过滤系统在长时间工作中,管道及设备中的矿物沉渣、微生物等随流体经过过滤器时将会驻留在过滤袋或过滤棒中。为保证过滤质量和降低泵耗,需要定期、定时对过滤系统进行反冲洗。用于判断是否需要反冲洗的方法通常是监测过滤器两端的压力变化,通常两端压差在0.2～0.3mH2O,或当压力超出近0.5mH2O时,应该考虑启动反冲洗程序。反冲洗系统设计方案通常有两种:
其一是单独建立反冲洗系统,即需要配置反冲洗水箱、反冲泵及相关阀门和管道。优点是系统和操作简单,当配置两台过滤器时,可不影响回灌的正常运行。但是由于需要单独配置反冲洗水箱,需要增加设备投资和在机房的占地面积,定期监测和清洗储水装置同样增加了设备维护的工作量。
第二种方法是设计自循环反冲洗系统。该系统优点是可随时利用某一过滤器过滤后的清洁水为另一过滤器进行反冲洗,避免单独配置反冲洗水箱设备、对储水装置水质的监测,节约设备投资和部分设备间的空间。同时,反冲洗系统还可以采用自动控制系统,利用电磁阀常开和常闭的特点,通过监测过滤器两端的压力变化,控制电磁阀的开启和关闭,冲洗过滤装置。该方法提高过滤效果,降低能耗,节约了人工,可以保证过滤装置始终工作在过滤的最佳状态。不足之处是反冲洗系统是自循环系统,首先不适宜采用单台过滤器,当回灌量较小时,增加过滤装置的台数,反而加大设备的投资;其次,多台过滤器运行,也会增加压力损失,加大运行成本;另外,在循环系统中需要设计独立的反冲洗管路和控制阀门等。
比较以上两种设计方法,地热回灌中采用第二种方法更为普遍。主要原因是节省设备间的空间,避免对反冲洗水质的监测和水箱的定期清洗。只要在设计和施工上保证系统运行可靠,操作方便,该系统可靠性和反冲洗效果均较好。
3.地热回灌系统排气装置
地热流体本身挟带大量气泡,换热后的循环尾水流经管道并经过过滤后,流速、压力、温度、化学特性等均会发生一系列变化,可能会有一部分地热流体中的原始气体或经由某种反应(如硝化反应)新产生的气体释放出来,或者残留一部分不饱和气体如甲烷、二氧化碳等,这些释放出来的气体、气泡团会随回灌流体一同注入。当地热流体在管道内流动时,由于管径阻力和流动状态的变化,水动力流场状态会发生变化,不饱和气体会从流体中析出并生成气泡,当驻留和堆积在岩石空隙中会产生气堵。当循环尾水进入过滤器罐体,管径的变化使其流速迅速降低,压力下降,气泡内的压力和罐内压力形成压差,并使得气泡爆裂,将气体释放出来。同时在注入初期,回灌流体会将泵管、井管内或泵管与井管的环状间隙内的气体压入储层,在回灌通道转折边缘停滞,挤占流体通道形成气体堵塞造成灌量衰减。因此在采、灌系统中要增设排气装置,便于释放回灌过程中因温度、压力变化产生的气体和流体中的不凝气团,防止流体性质发生变化后生成的气泡随回灌水源进入回灌系统,产生气相阻塞,影响回灌效果。为了确保气体的有效释放,排气装置应安装在过滤器之后、加压泵和回灌井口之前,用以在回灌流体进入回灌井之前排除流体中的多余气体。
具体是否有必要安装排气罐和该设备的规模、容量,应根据该回灌流体中气体样分析检测报告中气体所含具体组分和含量的多少而确定。在考虑安装排气设施时需要注意两点,其一是应在罐体顶部要设置自动排气阀,排气点处的高度应高于系统主管道及其他设备装置的最高点,利于系统中气体浓度聚集到一定程度时,自动将气体及时释放到罐体外,降低罐体内的压力,保证安全;其二注意如果地热流体中含气体容量较高时,要采用连接排气风道方式将已释放出的气体排出设备间,以防中毒和引发火灾。
4.地热回灌加压装置
天津市多处地热回灌系统在实际运行中,均出现了回灌井内压力过高、水位迅速上升现象,尤其是孔隙型热储层中或一些成井时间较早的地热井,在回灌运行的初期这种现象比较明显,这时就有必要采用加压方式以提高回灌量。因此在地热回灌系统中应设置加压装置,以便不具备自重回灌条件或在自然回灌条件下回灌困难、效果不理想时,启动加压泵设施采用加压方式进行回灌。
加压回灌管路系统是在自然回灌管路装置基础上,将井管密封,利用水泵压力进行回灌。加压回灌与自然回灌管路共同点是抽水管路不用控制阀门,排水及回扬管路完全一致。自然回灌适宜采用从泵管内进水方式,压力回灌因井管密封,既可以从泵管内进水,也可以用回流管从泵管外回灌。
压力回灌适用于回灌井内流体水位高、透水性差的热储层和滤网强度较大的地热深井,主要是针对新近系孔隙型热储层的回灌系统。加压泵应设置在过滤装置、排气装置之后,可选用变频立式管道离心泵,规格、型号依据回灌量和回灌压力确定。
压力回灌时系统有压力存在,要放气,因此在管路上应为加压泵专门配置放气阀和压力表等装置。实际回灌运行启动时待回灌水从放气阀溢出,使系统管路中的空气彻底排出后,再关紧封固放气阀。采用压力回灌时,回灌量和压力要由小到大逐步调节,避免造成井下滤层破坏,同时了解回灌系统的最大承载压力,不能盲目加压,否则将致使系统压力过大而损坏地热井井管和井口装置,造成不可估量的损失。
5.地热回灌系统管网材质要求
由于地热流体温度较高和普遍存在一定的腐蚀性,如果回灌运行管路采用普通金属管材,直供钢制管道,当地热流体流经铁制管道和终端设备后,排放口处尾水中铁离子的含量要大大高于地热生产井出口处的含铁量,并发现铁嗜菌;当工作系统处于开口状态时,系统腐蚀更为严重。表4-13是天津市DL-25孔隙型地热井回灌系统主要利用系统出水口水质监测跟踪资料,数据显示敞开式排水口比地热井出水口地热流体的铁离子要高出许多,说明采用金属管网对流体铁离子影响非常大。因此为有效防止腐蚀和物理、生物堵塞,回灌系统中所有输送管道、系统循环管网和回灌水管等应首选非金属管材(玻璃钢管材或PP-R管材)、镀锌钢管、不锈钢钢管,同时还要定期对所采用的管材进行严格的防腐处理。
表4-13 DL-25井供热系统各出口端水质测试结果
地热回灌地面工程系统采用的管材和管件,应综合考虑其工作压力和温度,地面输送管路管径由地热井井管及流体输送量确定,一般不宜小于φ150mm。具体选材时除综合考虑耐腐蚀和安装连接方便可靠外,还应根据输送流体的水温、水质确定,对温度不高于50℃、拉伸指数(LI)不大于10的地热流体,可选用玻璃钢管、碳钢管材、聚乙烯管或不锈钢钢管;对温度高于50℃、拉申指数(LI)大于10的地热流体,应选用无缝石油钢管或碳钢管材。
6.地热回灌系统密封要求
地热回灌系统应是一个完整的严格密闭系统,主要体现在以下几个方面:
1)在回灌运行时整个系统应始终保持正压,减少空气在地热流体输送中的渗入,严防空气渗入造成管材的氧化腐蚀,并且所有管材都必须具备良好的防腐性能和密封性能。
2)回灌井的井口装置部分应严格进行密闭处理,回灌水管、水位测管、阀门等所有接口的连接方式均应采用法兰式严格密封。尤其是人工动态监测的回灌系统,其出露在井口上的水位测孔不能是敞口直通形式,要设置有专用开关,且不得长时间处于开启状态。
3)在地热井井口安装隔氧保护设施,如设置具自动压力调节控制系统的氮气保护装置,将井内水位液面以上的井管部分自动充满惰性保护气体,始终保持井内压力略高于大气压力,阻止空气渗入到井内,隔绝空气与地热流体的直接接触,这样既能防止产生井管腐蚀,又能避免由于氧化反应所产生的新的氧化物沉淀。
4)回灌水管应保证始终浸入回灌井内流体液面以下。
由于井管回灌容易造成气堵而影响回灌效果,基岩裂隙型热储层地热回灌系统中,不宜采取井管回灌的方式,而且回灌井内不允许下置潜水电泵进行泵管回灌,应通过专用回灌水管将回灌流体从管内注入回灌井内,回灌水管下入回灌井内流体液面以下5～10m,这样能在一定程度上使整个管路形成某种意义的真空密封状态和密闭路径,减少空气渗入输送管路,实现自重密封回灌。新近系孔隙型热储层进行回灌时原则上应与基岩裂隙型热储层回灌系统一致,通过浸入液面以下的回灌水管实现自重回灌。鉴于目前新近系孔隙型热储层回灌时普遍出现回灌困难,需要不定期进行回扬,因此,回灌水管下入流体液位以下的深度应加大,浸入深度应不小于该井水位埋深的2倍,以备必要时的空压机气举回扬洗井之用;或在回灌井内下置潜水电机和泵管,下入深度大于最大动水位5～10m,潜水电机可进行抽水回扬洗井,泵管在作回扬管的同时也兼作回灌水管。
回灌井应设置专用的回扬输水旁管,并需配置专门流量计(表)。
㈢ 地热回灌井如何回扬，回灌井中是否也要下入潜水泵
你好，很高兴为你解答。
不需要潜水泵
直接用管道循环泵即可
㈣ 浅层地热能抽水回灌试验
抽水试验是通过抽水设备从井中连续抽水，并记录水位、水量、水温的变化来测定含水层的渗透性能和水文地质参数的试验；回灌试验是向井中连续注水，并记录水位、水量的变化来测定含水层渗透性能和水文地质参数的试验；抽水回灌试验在抽水与回灌共同作用下，测定水位、水量和水温在试验过程中的变化，确定单井出水能力和回灌能力的试验。根据河南省主要城市所处的水文地质单元与浅层地热能赋存特征，以下列举了5组抽水回灌试验成果。
一、试验地段选择
1.试验区水文地质条件
（1）安阳市试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于安阳市区西南部，地貌上属于安阳河冲洪积扇。安阳河冲洪积扇是中、晚更新世及全新世后期次复合堆积而成的，具有明显的上细下粗的二元结构。其三面被丘陵岗地环绕，向东敞开，呈向东倾的簸箕状，封闭条件较好，构成一个完整的水文地质单元。
试验区地形平坦，表层多为粉土，有利于大气降水的补给，含水介质由中上更新统砂、卵砾石层组成（图4-1），试验区一带主要是开采浅层（100m以上）地下水，浅层地下水储存在安阳河冲洪积扇松散裂隙水储水介质中，其底部为下更新统泥砾或黏土组成的隔水层。
试验区主要的储水介质是中、上更新统冲洪积卵砾石及半胶结钙砾石层（图4-2）。该处卵砾石层顶板埋深26.4m，略向东倾伏，厚约32m，其成分主要为灰岩，次为石英砂岩，粒径一般为0.2～5cm，大者可达10cm，磨圆度好，分选性差，含砂量约10%～30%，局部夹有黏土透镜体。单井涌水量每天约5000m3/5m，水位埋深37.5m，含水介质厚度21m。渗透系数大于200m/d。
图4-1 安阳市试验区水文地质剖面图
图4-2 安阳市三分庄抽、注水井地层结构柱状图
2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO3型，矿化度一般小于lg/L，为淡水。
（2）郑州市高新区试验区
1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区位于郑州高新技术开发区东北部慧城小区，含水层为第四系全新统和上更新统冲洪积物，其次为中更新统。150～200m以上地下水可分为浅层及中层地下水，二者具有一定的水力联系，实际开采也多是混合取水。浅层地下水因埋藏浅，在试验区一带，浅层含水层底板埋深约70m，厚约30m。目前，该区已由前些年的农业区转变为新兴的工业区，现城市供水水源为黄河九五滩水源地地下水，加之区内耕地减少，且中深层地下水限制开采，地下水开采强度较低。此外，试验区东邻石佛沉沙池，地表水对浅层地下的补给作用较强，地下水水位回升趋势明显。
中深层水主要为第四系中、下更新统冲积－湖积层和新近系上段湖积层。试验区中深层含水层组顶板埋深90m左右，中深层水是目前城市供水的主要开采层，井深一般在100～300m左右，其含水层岩性为中砂、细砂、粗砂等。200m以浅含水层总厚度约50m。
根据已有钻孔及抽水资料（图4-3），浅层与中深层混合水位一般在30m左右。实抽降深20m，单井出水量70m3/h，渗透系数一般为8～10m/d。据郑州市地下水资源评价结果：高新区地下水可采模数每年为13.42×104m3/km2，目前开采利用率仅46%，有扩大开采的能力。试验区一带浅层、中层混合水温为17℃。
2）地下水化学特征：试验区浅层地下水水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度604.28mg/L，总硬度为428mg/L；中深层为HCO3-Ca-Na型，矿化度为453.33mg/L，总硬度为273.5428mg/L。
（3）郑东新区试验区
1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区处于黄河冲积平原，地表岩性为粉土，水位埋深10.6m。据钻孔资料（图4-4），90m以上共有含水层5层，总厚度约44m，岩性以中细砂、粉细砂为主。实测降深9.6m，单井出水量51m3/h，渗透系数为4.04m/d，水温为15.9℃。
2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO3-Ca·Na型，矿化度为1407mg/L，总硬度为630mg/L。
（4）新乡市东郭试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市区北部共产主义渠北侧，地貌上为古泛流带。浅部地层岩性为粉质黏土，在40～60m深度内发育有3～4层细砂，总厚度为30～40m，降深5m单井涌水量500～1000m3/d。渗透系数10～15m/d，水位埋深10m左右，水温16.0℃。
2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO3-Ca·Na·Mg型，矿化度为1183.2mg/L，总硬度为572.5mg/L。
（5）新乡市南鲁堡试验区
1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市凤泉区西南鲁堡。浅部地层岩性为粉质黏土、细砂，45m深度内共有含水层2层，总厚度22m，含水介质为细砂。水位埋深11m，实测降深2.95m单井涌水量37.19m3/d，渗透系数12.3m/d，水温16.0℃。
2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO3·Cl--Mg·Ca·Na型，矿化度为999.66mg/L，总硬度为547.5mg/L。
图4-3 郑州市高新技术开发区油、注水井地层结构
2.试验场地布设
5组抽回灌试验场地分别位于冲洪积扇、山前冲洪积斜平原、冲积平原，代表了冲洪积卵砾石、冲湖积、冲积粗砂、中砂、细砂含水层的抽水、回灌能力（表4-1）。抽水、回灌方式有一抽一回、一抽二回（图4-5），如新乡市东郭试验采用一抽一回方式，试验过程中，超出回灌井回灌能力的水量再回灌于抽水井。
图4-4 郑州新区抽、注水井及地层结构
表4-1 试验井基本情况表
图4-5 新乡东郭注水试验场地布置
河南省城市浅层地热能
二、试验方法与质量
1.试验方法
抽水试验分别采用单孔稳定流和孔组非稳定流方法。回灌试验采用自流回灌方式，回灌时保持回灌孔水位稳定，计量注水。
（1）观测内容与精度
试验过程中观测抽水孔和观测孔水位，抽水孔的出水量、水温、气温，注水孔的回灌量与水位等。
主要观测工具为双股平行线和水位计，观测精度：抽水孔水位读数到厘米，观测孔水位读数到毫米；抽水量和回水量采用水表测量，读数到0.1m3；水温、气温读数到0.5℃。
（2）观测方法
1）单孔稳定流抽水试验：单孔稳定流抽水试验进行一次最大降深的稳定流抽水。抽水试验时，动水位和出水量观测时间为抽水开始后的第5、10、15、20、25、30min各测一次，以后每隔30min观测一次；水温、气温每隔2h同步观测一次。抽水稳定延续时间不少于8h。停抽后进行水位回复观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
2）孔组非稳定流抽水试验：抽水过程中，抽水孔的出水量保持稳定。水位观测频率为抽水开始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，水量、水温、气温每隔2h观测一次。抽水结束后，对抽水孔和观测孔进行恢复水位的观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
3）回灌试验：采用自然重力回灌法。回灌时及时调整回灌量，考虑到实际回灌时的水位升幅，一般保持回灌孔内水位埋深稳定在2～4m。观测方法及频率同稳定流抽水试验。
（3）水样采取
抽水试验结束前采取水质全分析样，并填写水样采样记录卡，水样送实验室测试。
分析项目包括含砂量、色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、pH值、氯离子、硫酸根、碳酸氢根、碳酸根、氢氧根、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、总硬度、溶解性总固体、铵根、全铁、磷、硝酸根、亚硝酸根、氟化物、高锰酸盐指数共24项。
2.试验质量
1）抽水、回灌试验参照的技术标准主要有：《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）、《浅层地热能勘查评价技术规范》、《水样的采取、保存和送检规程》、《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）等。
2）为确保试验质量，抽水开始前，对参与观测的人员进行观测技术培训，统一观测记录格式与要求；
3）抽水前所有设备准备就绪，排水工程完备，观测工具、人员到位。
4）测线采用伸缩性小的高质量双股平行线，减小观测误差。
5）同一观测井观测人员与测具固定，观测数据填写及时准确，清晰、内容齐全。
6）观测资料及时整理，发现问题及时解决，保证资料的完整性。
三、试验成果
1.参数计算方法与结果
根据单孔稳定流抽水试验资料，按下式计算含水层渗透系数K
河南省城市浅层地热能
根据注水孔试验资料，按下式近似计算渗透系数K
河南省城市浅层地热能
按下式计算单位抽水量q 抽或单位回灌量q回：
q抽＝Q抽/S；q回＝Q回/S
式中：K为渗透系数，单位为m/d；Q为稳定的出水量或注水量，单位为m3/d；H为潜水含水层厚度，单位为m；S为水位降深或升幅，单位为m；R为影响半径，取经验值，单位为m；r为过滤器半径，单位为m；L为试验段或过滤器长度，单位为m。
计算结果见表4-2。收集的部分回灌试验成果如表4-3。
表4-2 抽水、回灌试验成果一览表
表4-3 收集的回灌试验成果表
2.回灌量大小的影响因素分析
回灌量的大小受成井结构与质量、水文地质条件等多种因素影响。
含水层岩性是决定回灌量的基本因素。由表4-2可知，不同含水层的抽、注水试验求得的渗透系数比值分别为：以粗砂、砾石为主的含水层为1.96～2.81，以中砂、中细砂为主的含水层为3.28～8.50。表明含水层颗粒越粗，抽、回灌水能力越接近，即含水层颗粒越粗越容易回灌。
水位埋深对总回灌量的大小影响明显，回灌量与水位埋深成正比。以郑州高新区和郑东新区两组回灌试验对比，二者含水层岩性相似，均以中细砂为主，含水层渗透能力近似，高新区静水位埋深为34m，郑东新区仅为10.6m，响应的高新区回灌量为42m3/h，郑东新区只有12.56m3/h。
滤水管结构对回灌量有直接影响。含水层岩性近似地段，使用钢质桥式滤水管成井的回灌量明显大于使用水泥滤水管井（表4-3）。
综合发现：卵砾石含水层地区，单位回灌量为单位抽水量的70%以上；粗砂、中砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的70%～40%；中细砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的50%～30%；细砂、粉砂含水层地区，单位回灌量小于单位出水量的30%。
3.抽水、回灌井数比例的确定
单位抽水量和单位回灌量之比可作为确定回灌井数的主要依据。根据上述试验成果，考虑到长期回灌时回灌井可能的堵塞情况，在地下水静水位埋深大于10m的条件下，地温空调井抽、灌井数比例确定如表4-4。
4.地温空调井运行对地下水环境的影响
（1）对地下水温度的影响
研究区地温空调井抽水井中水温一般约16～20℃，回水管道中水温供暖期一般在10～15℃，比抽水井中地下水温度低2～7℃，制冷期一般在18～25℃，比抽水井中地下水温度高1～8℃。根据对地温空调井地下水温度监测（图4-6、图4-7），地温空调运行时对地下水温度阶段性影响较明显。
表4-4 地温空调井抽水、回灌井数比例确定
图4-6 郑州市儿童医院地下水埋深与抽水井水温动态曲线
图4-7 郑州嵩阳中学地下水埋深与回灌井水温动态曲线
制冷期，回灌水温度一般在19～30℃之间，最高可达35℃；供暖期，回灌水温度一般在8～15℃ 左右。受回灌水温度的影响，制冷期使地下水温度略有升高，供暖期略有下降，但在一个完整的制冷与供暖周期内，地温空调井回灌对地下水温度总的持续性影响不明显。多年温度动态曲线（图4-8至图4-13）也表明研究区地温空调运行未造成地下水或 土体温度持续性的升高或降低。没有观测到明显的热污染现象。
图4-8 安阳市文峰时代广场回灌井水温动态曲线
图4-9 安阳市五中回灌井水温动态曲线
图4-10 中国农业科学院棉花研究所回灌井水温动态曲线
图4-11 安阳市广电局回灌井水温动态曲线
（2）对地下水水质的影响
根据对郑州市儿童医院地温空调井制冷期运行前（5月5日）、运行期间（8月21日）及运行后（10月29日）的水质采样、分析（表4-5）和安阳市部分地温空调系统在运行期间抽水井与回灌井的水质采样、分析（表4-6）。通过对比发现，浅层地热能在开发利用过程中，对地下水水质影响不大；元素锌在回灌井中有明显升高现象，分析其主要原因是锌易氧化成锌离子进入水中，所以，建议不使用镀锌钢管。
图4-12 安阳市公安局回灌井水温动态曲线
图4-13 安阳市喜相逢大酒店回灌井水温动态曲线
5.抽水、回灌井间距的确定
抽、回灌井的合理间距以不发生热短路为原则。回灌水到达抽水井的时间（热短路时间）可用下式表示：
河南省城市浅层地热能
式中，n为含水层的有效孔隙度；π为圆周率；d为抽水井和注水井距离；B为含水层厚度；Q为稳定的注水量。
根据上式可确定发生热短路的抽水、回灌井间距临界值为：
河南省城市浅层地热能
当抽水井、回灌井距离小于合理间距（d）时将发生热短路现象。以儿童医院为例：
儿童医院的地温空调工程设计抽水井、灌井数为6眼，其中抽水井深98m回灌井深70m。抽水、回灌井运行模式为两抽、四灌，3＃和6＃为抽水井，其余4眼为回灌井。运行时单井抽水量100m3/h单井回灌量50m3/h。抽、灌井及观测井的位置分布见图4-14。
图4-14 抽、灌井分布图
表4-5 郑州市儿童医院地温空调井不同时段下水水质对比表
按制冷期热泵运行时间120d，含水层厚度15.9m，孔隙度0.30，则d为85m，即在回灌量为50m3/h时（相当于塬前冲积平原区），抽、灌井间距大于85m时不会发生热短路。如单井回灌量达到85m3/h时（相当于黄河冲积平原），则抽、灌井间距大于111m不会发生热短路。
实际上，3号抽水井和2号回灌井间距为36m。6号抽水井和5号回灌井间距也仅为55m。图4-7是系统运行时6＃抽水井水温曲线，从温度变化来看，显然发生了热短路现象，其制冷期最高温度23～24℃，较背景值（20℃）高出3～4℃。供暖期最低温度17～16℃，较背景值低约3～4℃。
一般热泵机组正常工作时，要求水的温度介于2～35℃之间，以保证系统可以正常运行。因此，虽然回灌水引起了热短路，但温度变化还在热泵允许的范围内，能够保证系统的运行效率，满足建筑物冷热负荷的要求。另一方面，城市区多数建筑场地不能满足理论计算的抽、灌井间距要求。大量的观测资料也说明热短路现象是普遍存在的。但因回灌水温度适中，可以保证水源热泵空调系统的运行效率。而抽、灌水的温度变化供暖期和制冷期呈现周期性的波动，也反映出水源热泵空调系统在长期的运行过程中，其水动力场影响范围内某点的地下水温度波动的规律性，即在水源热泵空调系统长期运行过程中，地下水温度在冷、热交替中的影响范围内不会发明显持续性升高或降低。
表4-6 抽水井与回灌井水质对比表
因此，地温空调井间距的确定不能仅以热短路作为依据，而应考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求、对地质环境的影响和运行的经济性。但在条件允许的情况下应尽量满足井间距要求，以减少热短路影响，保证系统运行效率。在实际工程中回灌量和含水层厚度差别较大，结合此次对已有地温空调系统运行效果的调查情况及抽、灌试验成果，建议细颗粒地层中抽、灌井间距不宜小于40m，卵砾石含水层中间距不宜小于80m。实际工程应用中可根据具体情况调整。
㈤ 地热回灌目的
地热资源利用总是以集中开采方式出现。当持续开采或开采强度逐渐增大专时,会出现属补给能力小于开采强度,发生热储压力下降等不良地质环境问题。为了减缓开发地热资源对地质环境的不良影响,保持地热田的可持续开发,地热回灌是积极、有效的措施。
地热回灌是将利用后温度降低了的地热流体或其他水源,经过水质处理后通过回灌井重新注入热储层的一项技术工程。它不仅仅是回收处理供热循环尾水、减少排放,更重要的意义是灌入储层的低温流体可以从岩石骨架中再获热能,增加热储压力,达到循环利用地热资源的目的。有效的回灌对延长热田使用寿命、减少供热尾水排放对环境污染、预防因开采而引起地面沉降具有十分重要的意义。目前采取回灌式开采地热资源已得到共识,有的国家已将回灌作为地热勘查开发和地热资源管理的一个重要组成部分。
㈥ 地热回灌方式
(一)按工程结构分为对井回灌、同井回灌、外围回灌
对井回灌是施工两眼或两眼以上的深井,形成一采一灌或多采多灌,根据目的层的不同又分为同层采灌、异层采灌;同井回灌是同一眼井在上部热储中用较大口径成井,再在下部热储层中用较小口径成井,由套管固井隔离两个热储层,可以下抽上灌或上抽下灌;外围回灌指在开采区的外围或上游施工回灌井向热储层回灌。目前在各国实施回灌开采热储流体时,采用最多的是同层对井回灌开采模式,对井中开采井以一定流量抽水,而回灌井则把经过换热器提取热能以后的原地热流体回注入热储层中。这种对井开采方案使地下热源开采、地面综合利用、尾水回灌形成全封闭循环系统,只消耗热能不消耗水量,补充单井开采造成的热储流体的亏空,减缓热储压力场的下降,这样不仅可以防止排放弃水污染环境,还能通过回灌流体在储层中的再加热,使蕴藏在岩石骨架中的热能带出来得以循环利用,延长热田开发利用年限,保证地热井长年稳定开采。同时,由于对井回灌开采采取严格的全封闭系统,保证回灌水做到“原汁原味”,也利于保护热储层原有水化学平衡。
实际对井回灌项目中,有的将开采井与回灌井倒替运行,这样做管线控制是没有问题的,但实施中要提前考虑以下几点:(1)持续的回灌井在储层中有稳定的渗流通道,如改为开采井,可能会对储层造成伤害;(2)一般回灌井温度低,如开采利用,是否适宜供暖系统参数的设计参数;(3)如果采灌对井井口距离较远,之间水平管线也是一笔很大的费用;(4)回灌井井口有一套过滤、加压装置,开采井则没有,如果想切换,需提前设计。
(二)按进水通道的不同,地热回灌有3种方式
从泵管内进水,注入储层(孔隙型地热井经过滤水管渗入含水层);泵管外进水,流体从泵管与井管之间的环状空间进水,渗入含水层;整个井管(泵管内、外)同时进水。在回灌压力和储层周围水位保持不变的条件下,泵管内、外同时进水,水流断面最大,水流阻力最小,回灌水量最大;当井管的直径比泵管大较多时,泵管外水流断面大于泵管内水流断面,水流阻力小于泵管内,泵管外环状空间回灌量大于泵管内回灌量;但泵管内进水方式能有效防止气堵,依靠控制阀调节回灌量,由小到大逐渐增加,在较易产生气体阻塞的沉积盆地型回灌井中普遍采用。
(三)按流体注入储层的压力方式不同,分为自然回灌、真空回灌和加压回灌
依靠大气压力、井筒液位水柱压力以及利用系统尾水压力为驱动力进行回灌的方式为自然回灌。
真空回灌又称负压回灌,是在具有密封装置的回灌井中,先开泵使井管和地面出水管路内充满流体,然后停泵并立即关闭泵出口的控制阀门,此时由于重力作用,井管内地热流体迅速下降,在管内的液面与控制阀之间造成真空度,在这种真空状态下,开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀,靠真空缸吸作用,水迅速进入管内,并克制阻力向含水层中渗透。真空回灌运行时严禁空气混入井管或输送管路。
当自然回灌和真空回灌不能正常实施时,依靠外力(压力泵等设备)作用在回灌系统中增加压力,进行强迫回灌的方式为加压回灌。加压回灌是增加回灌量的一种补救措施,但是由于地层构造不同,特别是胶结较差的孔隙型地层结构,加压回灌可能会造成对地层结构的破坏。原因是在强压力推进时,回灌流速加大,地层中胶结较差的粉细砂将被搬运。随着搬运距离延长、流速降低,在某一区域内粉细砂粒将会滞留。这种情况一旦发生,原本细小的砂岩孔隙将被紧密堆积,回灌堵塞的现象就此发生。因此,在采用加压回灌时,通常需要考虑定期或不定期的空压机气举或反抽回扬洗井,以清除附着在滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质,疏通滤层网眼和过水通道,减少回灌井管及周围热储物理、化学阻塞,提高回灌能力。
自然回灌、真空回灌和加压回灌方式主要是通过水压驱动实现回灌,这一点在砂岩孔隙型地热回灌井中表现的比较明显。除此之外,依靠回灌流体与储层中地热流体的密度差异产生的重力作用来驱动,这一点在岩溶裂隙型地热回灌井表现的比较明显。
㈦ 地热回灌技术的发展和现状
1.国外地热回灌技术发展概况
有关地热回灌的研究及实际生产始于20世纪60年代末。在地热资源丰富的日本,开采技术较成熟,通过回灌主要是解决弃水中有害物质含量过高等问题;而新西兰的布兰德兰兹地热田“对井加压封闭式回灌”则较好地解决了地热发电后弃水所含的有害物质及余热造成环境污染问题。
高温地热回灌最有代表性的实例是美国加州北部的Geysers地热田。该地热田有500多眼地热井,建有世界上最大的地热发电厂,总装机容量超过2000MW。为了增加地热蒸汽产量,从20世纪末开始架设用于回灌的输水管线,将周围几个地区的弃水输送至Geysers地热田进行加压回灌,在处理城镇废水的同时总计增产了100MW发电装机容量。另外美国在利用地热发电的地热田(带),采用多种方法回灌,保证发电厂正常运转方面成绩也较突出,如加利福尼亚州的一个地热发电厂从80km外山区,落差700m引入中水回灌,保证了充足的地下高温蒸汽发电。
法国则是低温地热回灌效果最显著的国家。巴黎附近的Melunl’Almont早在1969年就建立了世界上第一个对井系统,将地下2000m深的、含盐量较高的热储流体开采利用后通过另一眼同层深井回灌到热储中,1995年又开始尝试二采一灌系统,至今已有70多对采灌井运行,并建立了相应的回灌数学模型,模拟回灌过程中温度场的变化,具有一套完整的采-灌系统工艺和先进的回灌技术。
冰岛Laugaland地热田则在示踪回灌技术方面经验丰富。利用示踪试验方法定量研究采、灌井之间的水力联系;对不同采、灌量条件所引起的开采井温度变化进行定量模拟;结合热流体化学成分、性质等动态特征长期跟踪监测资料,进行水化学质量平衡模拟计算,判断开采井中回灌流体的回采率等。
据2008年度亚洲地热资源直接利用国际研讨会有关资料,目前德国在回灌工作中进行了以下方面广泛的研究和试验:①对含水层宏观(断裂影响、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,如确定砂岩回灌储层应具备有效孔隙度大于20%、渗透率大于0.5μm2、砂层厚度大于20m、0.063mm以下粒径(泥砂和粉砂)的比率不能超过10%～12%、平均胶合率不超过8%～10%等特点;②对流体的化学组成(流体自身的性质、流体-流体的混合作用、流体-岩石的反应)、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,在详细了解一系列参数后开始对回灌作出可靠的预测和试验。德国回灌效果较好的代表性项目有 Waren,Neuruppin,Klaipeda,Neubrandenburg等,回灌量多在50m3/h左右,最大的可达到150m3/h。
从各国不同目的、不同方式的回灌实践来看,地热回灌到现阶段已发展成一项较为成熟的实用技术。但是世界各地的回灌工作主要是在高温裂隙型地热田中进行,中低温孔隙型热储中则普遍存在回灌量衰减等问题。
2.国内地热回灌技术的发展和现状
地热回灌于20世纪70年代开始。伴随着地热资源规模化、商业化的开发利用,热储压力下降过快和日益严重的环境热污染问题突出表现出来。为此,逐步开始了深部对井和多井原水加压、自然采灌或集中回灌,通过多年实践,逐渐掌握了回灌工艺和回灌关键技术,并取得了较好的效果。1979年江西宜春温汤热田用河水在震旦系变质砂岩断层交叉带进行人工回灌,以抬高生产井的水位、增大水量、增高温度。1986～1987年华北石油管理局水电厂在河北省任丘市新近系馆陶组孔隙热储进行了单井回灌试验,主要研究吸水指数变化规律及注水温度对吸水指数的影响和解堵措施。北京地区为解决长期开采地热流体引起的水位下降,于1980～1981年在东南城区地热田26号基岩井用冷水进行了单井回灌试验,研究回灌对抬高地热田区域水位的作用,探索了不同回灌量对热储层的温度效应。2001年在小汤山地热田开始进行地热回灌,2004年回灌井数增加到6个,回灌量达到102.7×104m3/a,占当年热田开采量的36.5%,2006年回灌量达到132.27×104m3/a,占当年热田开采量的56.6%。目前北京市地热回灌总量超过150×104m3/a,通过控制开采量,增大回灌量,主要开采层雾迷山组热储层水位下降幅度近年逐渐减小,甚至在2005年还出现热储压力回升现象,地热回灌效果明显。其他城市如杭州、西安、德州、福州、南昌等也陆续开展了相关回灌技术的开发和试验研究工作。
天津地区对地热资源回灌研究最早开始于20世纪80年代,经历了以下几个阶段:①1982年天津地矿局为维持新近系明化镇组热储水头压力就开始对井回灌、多井回灌数值模拟及回灌理论研究;②1990年天津地热院、大港石油管理局和南开大学数学系在大港油田水电厂对新近系馆陶组热储进行回灌试验,通过试验证明在中低温孔隙型热储中进行回灌是可行的;③1995年以后开始基岩热储回灌研究,开展了示踪试验,成立了专门回灌研究部门,总结出了同层对井采灌、同层二采一灌、异层对井采灌、定向对井采灌等模式的实践经验,在回灌规划布局、回灌井钻井技术和成井工艺、回灌方式、地面防阻防堵配套工艺及处理设备、回灌系统地面工程建设、日常回灌运行规范性操作以及采灌前后水动力场、水化学场、温度场跟踪监测、示踪试验、数值模拟等方面,进行了深入研究,具有了成熟的回灌技术和理论成果。目前天津地热回灌已经具有一定规模,回灌率以5～7个百分点逐年递增,2008年度回灌量达到586×104m3,占当年地热资源总开采量的22.5%。尤其是基岩热储层回灌效果较好,其中主要开采层雾迷山组2008年地热回灌率为33.4%,而奥陶系热储层由于有异层采灌致使年度回灌量大于开采量, 2006年至2008年的回灌率分别为122.5%,147.9%,138.8%,在回灌井附近热储层水位埋深明显高于其他区域,且水位年降幅呈逐年减小之势。天津在改进和完善新技术回灌,新方法的开发运用方面成果非常突出,建立了一大批梯级利用,在保护中开发地热资源的示范工程。
虽然全国各地均进行了大量的回灌探索和研究,地热回灌的作用和意义也已得到了各界的认同和广泛关注,但总的来说,地热回灌在全国推广程度还比较低,没有从根本上解决孔隙型热储可持续回灌问题以及基岩热储回灌量不稳定、井管腐蚀等问题。尤其是孔隙型热储层,开展回灌研究最早,回灌试验最多,地面净化系统精度最高,但目前对回灌流体运移机理、灌量衰减处理措施仍然没有明确的认识和解决办法,未能实现持续的、生产性回灌。
根据天津、北京、陕西等城市地热田开发经验,回灌工作应该在地热田大规模开采出现问题之前开展。从未来的发展趋势看,回灌无论是保护环境,还是保持热储压力,保证地热资源可持续开发都将起到重要作用。
㈧ 地热回灌操作技术
经过在沉积盆地型地热田中多年回灌实践和探索,总结出一套回灌运行操作技术方法。它不仅是国内外其他地区类似地热田回灌开采运行中成功的先进技术,同时也是结合当前国家地热勘查、评价相关规范和法规,充分考虑回灌工作的发展趋势而形成的。回灌是一项系统的复杂工程,实际日常生产运行中,综合影响因素和注意事项较多,各环节都应有科学合理和可操作性强的技术要求和规程,才能使相关工作都做到有章可循,以规避各类随意行为,防止事故发生,提高地热回灌率。
1.回灌前准备工作的技术要求
(1)合理选择适宜的回灌方式
为了保证回灌系统在真空密封状态下进行,宜采取通过回灌水管内进水的方式进行回灌(需要反复进行回扬方式除外),回灌管应下至回灌井内静水位以下5～10m的深度,整个运行系统应严格密封。地热回灌应遵循原水同层回灌(成井目的层相同)的原则;不能做到同层回灌的异层采灌系统,回灌流体质量应好于回灌层的流体质量,保证回灌水对热储层无伤害。
(2)回灌系统管路检查
地热回灌管网系统应保持密闭状态,且应始终保持正压,各种监测仪表、仪器的运转正常,过滤器的精度须达到规定要求。回灌运行前,要对整个系统管网系统进行彻底冲洗,保证系统管道及设备在充分清洁后再使用,以消除系统管路内的杂质被传输到回灌井内,影响回灌效果。
2.回灌启动时的技术要求
在回灌运行正式启动时灌量不宜过大,应从小到大逐渐增加灌量,如一开始就采用大流量回灌,容易造成井下滤层破坏。并且注入量由小到大可以尽可能的排除井管内的空气,避免井管内空气由于来不及逃逸而随回灌流体压入储层内,产生气堵。密切观测回灌过程中压力变化,调节回灌量,以压力表、水位数据的变化情况来判断回灌能力,待确认回灌通畅时,再逐渐增加灌量,直至正常运行。加压回灌时,压力也应从小到大逐渐增加。在运行一段时间后,回灌井内水位基本稳定(波动范围在5～10cm/30min)或水温无明显变化时,分别在开采井井口、回灌井井口同时取样送检进行流体质量化验分析。
3.回灌运行中的技术要求
在回灌运行过程中,应确保整个回灌系统的密闭状态,对管网中的接口部分应随时进行密封检修。回灌运行时要密切监视开采井、回灌井的水位、开采量、回灌量、水质及过滤器两端压力、管路压力等数据变化情况,正确判断回灌系统的运行状况,针对各种堵塞情况及时采取有效措施,如对于回灌管路的堵塞,可直接用连续反冲洗方法处理;对于回灌井本身产生的堵塞,可用间歇停泵空压机气举洗井或回扬反冲洗的方法进行处理。
回灌运行时如果灌量随着时间的延长而逐渐下降,同时反冲洗井效果不甚理想时,可采用加压回灌、间歇回扬方式,以增加回灌量。在常压自然回灌的基础上,待回灌水管和放气阀溢水后,关闭放气阀从小到大缓慢加压进行压力回灌运行操作。如果压力回灌时,灌量仍在不断减小,说明系统堵塞严重或回灌井滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质不断增加,回灌阻力增大,需要暂时停止回灌操作而采取间歇回扬洗井措施来疏通滤层,清除井下集聚沉淀的杂质,恢复回灌能力。当回灌井出水量恢复至初始出水量及水清砂净后,停止回扬,再进行下一次常压回灌与加压回灌。抽水回扬后由于井内流体动水位下降,井管内充满空气,需要及时排气。
4.停灌期间系统设施的养护
在地热回灌系统停止使用期间,要认真封闭开采井、回灌井井口,对系统各部分进行密封处理,并且利用自动控制的氮气保护装置,将停用的地热井液面以上的井管部分充满惰性气体,隔绝空气,防止空气渗入井管,造成氧化腐蚀。
5.地热回灌系统中相关监测工作
为分析地热回灌的综合效应,其中一项较为重要而又基础的研究内容就是对比分析回灌前后地热井储层参数的变化特征。地热回灌过程中的相关数据监测,并不仅仅局限于监测地热田本身和地热开发对热储层参数的影响,对与开采井、回灌井有关参数的定期监测应同时进行。水位、水温、水质是最基本的监测内容。回灌运行前、停灌期间对开采井、回灌井进行静水位及对应液面温度观测尤为重要。同时为保证回灌进展顺利,在地热回灌系统运行过程中,相关回灌开采动态信息也要定期实时监测,因为通过对运行数据的监测和数据分析,可以更多的掌握和分析出不同地层构造对回灌量的影响程度,回灌对维持储层压力、抬升区域水位的综合影响。观测项目要包括:回灌运行时开采井、回灌井动水位及对应液面温度;开采量(开采总量和瞬时开采量)、回灌量(回灌总量和瞬时回灌量);井口压力;过滤器进口与出口端压力值及压差;排气罐口压力、气体组分和携带物、气体释放量、水质等。水位的监测频率以每月1～2次为宜;各种压力应随时监测;气体分析应在回灌初期进行。有些数据依靠普通的仪表仪器或常规取样化验即可获得,但深层次的研究数据则需要特别手段,如悬浮物、细菌的定性定量分析需借助油田精细检测技术,深部热储层的温度、压力情况需通过井下测温测压技术等。
回灌流体的水质、储层回灌前后流体化学性质及成分的变化是地热回灌中需要重点长期监测的一项内容。地热回灌各阶段所获得的水质跟踪监测数据可及时发出警示,提醒及时采取相应防范措施。另外尽管在地面设施上已充分考虑了当温度压力变化可能造成的化学物理堵塞问题,但低温回灌流体注入储层后,与地层局部热流体混合再发生的化学变化是一个很复杂很隐蔽问题,导致的潜在堵塞、腐蚀或结垢影响需作详细地专项分析,长期跟踪检测。回灌系统水质监测项目应包括:全分析、酸性样、碱性样、气体样、悬浮物、溶解氧含量、侵蚀性二氧化碳、过滤器残渣样、细菌样(铁细菌、硫酸盐还原菌、腐生菌)等。回灌初期、中期各取样监测一次;过滤器前、后要分别取样;回扬早、中、晚期分别取样;特殊情况如出现异常或专项试验研究则要加密取样和进行针对性取样。
回灌对热储层地温场的影响是在进行大规模回灌的情况下首先要监测的内容。由于地热井开采时的流体温度(即使是最大稳定流温)也并不能完全真实地代表深部热储层的温度,因此要取得地热回灌对热储温度场影响方面的实测数据,应有针对性的在某一回灌连续性较好的地点,在回灌停止时间段内,选取不同目的层的回灌井进行井下连续稳态测温测压工作,获得热储层内各井段在一个停灌周期内的井温、压力资料。回灌井测井工作应从停灌后立即开始至下一次回灌来临之前这一时间段内连续进行。最好每月进行一次;如考虑工作成本,也要做到每2个月测井一次。通过这些连续性的测井资料,才能更好的了解回灌后储层温度场、压力场逐月变化情况和发展势态。
㈨ 地热回灌布井技术要求
一个地热田内的回灌布局主要取决于热储资源开采强度、规模与热储条件,要做到统筹规划、兼顾全局。由于地质构造特点、沉积环境、储层结构、边界条件对地层吸水能力影响较大,直接影响地热井的回灌量和回灌效果,因此热储特征是决定所采用不同回灌方式、回灌类型、回灌压力的重要因素。据天津市多年回灌资料统计:沉积盆地型地热田中,岩溶裂隙发育的基岩回灌井可灌性一般在70%左右;而位于深大断裂带附近的回灌井,由于断裂使储层岩石破碎,岩溶裂隙非常发育,回灌最易于进行,可灌性能达100%;但新近系孔隙型热储层由于渗透率小、岩石粒径细,回灌效果相对就不算理想。
为了防止回灌过程中地热田内热储产生较快热突破和热储流体水质突变,集中开采区群井回灌布局考虑以下5方面因素。
1.储层特征和地质条件
在一个地质单元,由于较厚热储层的吸水能力更有利于回灌,因此回灌井一般应布设于相对较厚且稳定的储层上,应避开储层的较薄地区和边缘地带;另外,在基岩岩溶裂隙热储层中,如果采、灌井之间存在岩溶裂隙管道窜流,那么回灌所产生的热突破即热储流体的冷却降温现象可能性较大,因此为避免回灌在短时间内对热储层温度场造成较大影响,回灌井不应布设在与开采井同一主构造方向的强径流带上。
示踪技术在获取储层方向性非均质特征和回灌流体运移规律方面有较大优越性:可分析热储层渗流场特征、探索回灌流体质点运移特点、采灌井之间的水力联系、预测采灌井之间热突破出现的可能性及时间等,同时也可以采用示踪剂试验并结合热储地质条件分析、抽水试验等方法,来判断采、灌井间是否存在裂隙管道窜流关系,变更和调整不宜运行的采灌系统方案,为地热田开发提供帮助,正确指导和优化规划采、灌井的合理布局。用作地热回灌的示踪剂主要有:化学示踪剂、放射性同位素和稳定同位素示踪剂、活性示踪剂、荧光染色示踪剂。需要考虑的问题有:试验井场的地质条件、热储特征、示踪剂种类、注入剂量、试验周期、取样制度、分析方法、本底背景、检出精度、安全性等。
传统的抽水试验也是一种经济有效的方法,如果计划用作回灌的地热井抽水时周边某一方位开采井水位出现持续下降情况,说明回灌井与该方位开采井的水力联系较大,这样的对井是不适宜作采灌对井之用的,应及时变更或调整采灌系统方案。
2.采、灌井合理井距
井距包括采、灌井井口距离和目的热储层内的井底距离两方面,两种距离均要科学合理。回灌流体注入储层后的运移情况非常复杂,且不同热储类型运移方式不同,如孔隙型热储注入流体在目的热储层中主要以水平径流为主;而基岩热储中回灌流体进入基岩储层后,首先以垂直向下径流为主,增温后水平运移、上返,情况复杂。可以说回灌流体在储层中的运移方式,直接影响着采灌井的布局。
天津地区多年回灌经验表明:采、灌对井的地面井口距离不应过大,井口装置及监测控制系统适宜建在一个站房内,这样更便于操作管理、有效监控,同时可缩短地面输水管网,节省相应资金投入。保证对井井底合理井距则是更重要的一项布井原则:井距过大,注入流体对开采储层的压力维持作用不明显,无法取得理想的回灌效果;而井距过小,尤其同层采灌对井,在构造条件复杂、流体动力场活跃的储层中,若采、灌对井水力联系较好,水流速度较快,相对低温的回灌流体会沿裂隙发育通道较快进入开采区域,很快就会产生开采井的降温现象,出现热突破,这样的采灌系统是不适宜运行的。
地热采、灌对井的井底合理距离,主要取决于冷、热流体混和锋面自回灌井向开采井的运移时间和速度,并与储层水文地质条件有关。根据AndreMENJOE等(1979)推导公式整理得知,各相均质同性、完整地热采、灌对井井距遵循以下数学关系:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中:D为地热对井井底距离(m);ρβw,ρaβa为流体和储层的热容(MJ/m3·℃);Q为总回灌量(m3/d);b为热储层有效厚度(m);t为冷热流体混和锋面到达开采井的时间(d)。
从关系式可看出这一理论井底距离主要与对井所处地质条件、储层特征和回灌规模有关。实际设计孔隙型地热采、灌对井布局时,为避免相互干扰或过早出现热突破现象,同层对井井底之间的距离应不小于合理井底距离计算值D。设计裂隙型地热采灌对井布局时,在进行地质构造条件分析的基础上,常采用垂直主裂隙发育方向布井,进行类比,分在两个地质构造单元或通过完成的一眼井进行抽水试验,分析曲线类型后再布第二眼井。
如果场地条件无法满足这一要求,或地热井分布较集中的地区,在布设对井时可以考虑适当减小井底间距,但应加大回灌井的深度,一般掌握比对应的开采井深200m左右的原则。因为回灌流体的水温相对较低,密度相对较大,回注入储层后由于重力流而向下运移,与地热开采井在开采时流体运动特征正相反。这种布井方式可以有效减缓由于回灌流体与热储层内流体温度差产生强烈对流作用,从而避免对热储层温度场造成影响和破坏。
3.布设回灌井的场地条件
一般早期地热田的开发,利用模式较为单一、粗放,多以单井开采为主,尤其在热储条件较优越、经济建设较发达的城市中心,开采强度规模均较大,多数形成了集中开采区,且地热井的布局也较密集。但随着时间的延续,一方面是开采条件已不乐观,回灌势在必行;另一方面是回灌井的布设受市政道路、建筑设施、施工场地以及采灌井合理井间距等诸多因素影响。因此一个地热田在开发伊始,回灌布局规划就应未雨绸缪;而处于开采中后期的地热田,受施工场地、地质条件等客观条件限制,如果补建回灌井,可能由于井距较近,需要布设定向井来保证目的层的距离满足采、灌井之间的合理井距要求,才能做到开采、回灌互不干扰。定向井施工要根据现有地热井的布局来确定合理的井方位角、井底水平位移和井斜角,根据地质条件设计井身结构满足定向井施工需要。
4.可操控性
回灌布局规划需具有很好的可操作性,这样才能为下一步的回灌实施工作提供技术支持。可操作性主要体现在以下几个方面:地质条件满足、场地条件具备、技术经济可行、符合各方利益。
5.回灌流体水质
充分回收利用后的地热尾水是回灌的主要目的之一,但前提是不能破坏原始储层性质和流体特性。由于不同水质的流体相混,在温度较高、压力较大的深部储层所引起的化学反应及生成的沉淀物往往难以预测,所以进行地热回灌时应遵循原水同层回灌的原则,且应对地下水流性质和不同温度下水岩相互作用进行评价;不能做到同层回灌的异层采灌系统,开采层的流体水质应好于回灌层,要求水质类型一致,pH值、矿化度相近,主要离子含量差异不大。同时应在回灌之前进行两种(或多种)不同水质的配伍试验,对水质混合和水岩相互作用作出评价,证实两种(或多种)流体的配伍性好,对储层无伤害方可注入,防止回灌水源对储层水质和储层渗透性的伤害,以免造成不可逆转的有害影响。
㈩ 回灌流体水质处理措施
因为回灌流体中的固体悬浮颗粒、化学沉淀、微生物等是产生堵塞的主要因素,所以保证回灌流体的质量、减少悬浮物,避免形成微生物是解决堵塞的关键。
1.回灌水质基本要求
水质稳定,回灌水与储层流体相混不应产生沉淀,不应使岩石矿物产生水化反应。
不得携带大量固体悬浮物,以防堵塞回灌井滤水管网或渗流裂隙通道。
不应是存放时间长、流经途径过长,已滋生有各种细菌的二次污染水。
严格控制水中溶解氧的含量,对输水管路、注水设施腐蚀性要小,如果回灌流体腐蚀率不达标时,应首先检测溶解氧含量,因为当水中有溶解氧时可加剧腐蚀。
控制水中侵蚀性二氧化碳的含量。当水中侵蚀性二氧化碳等于零时此水稳定;大于零时此水可溶解碳酸钙并对注水设施有腐蚀作用;小于零时此水有碳酸盐沉淀出现。
限制回灌水中硫化氢的含量。系统中硫化物增加是细菌作用的结果,硫化物过高的水也可导致水中悬浮物增加。
回灌水的pH值应控制到7±0.5为宜。
控制回灌水中总铁的含量,尤其是水源中亚铁离子的含量,由于Fe2+的不稳定性或在铁细菌作用可转化为Fe3+而生成Fe(OH)3沉淀,另外若水中含硫化物(S2-)时,可生成FeS沉淀,使水中悬浮物增加。
表7 3是推荐的部分回灌流体主要控制指标。从中可看出,地热回灌对水源质量要求非常严格,一般要求同层原水回灌,而且对其水质的要求也因热储层性质不同而异:孔隙型热储层的孔隙率虽然远大于基岩裂隙率,但其孔隙直径却比裂隙小,回流的悬浮物和化学沉淀更易聚集堵塞含水层,并极易滋生各类细菌,所以对水质要求更严格,一般要求回灌水质的铁离子含量＜0.3mg/L,雷兹诺指数＞7.0,pH=8.0±,若地热水中含有溶解氧,则应根据溶解氧的成分和含量对回灌水质提出相应要求。而在碳酸盐岩类的基岩裂隙型热储层中回灌,除上述要求外,还要限制
表7-3 地热回灌水推荐主要控制指标
2.保证回灌水质的具体措施
(1)缩短水源循环路径
水质较好、氯离子含量低的地热流体可采用较为经济、简单的直接供暖方式,但由于地热流体与供热循环管网的金属设备长期直接接触,因此对其水质要求非常高,一旦系统漏气或管道材质低劣,极易造成氧化、腐蚀,使循环水水质发生较大变化,因此直接供热的尾水不宜作为回灌水源。对井系统一般要采用间接供热方式,地热流体通过换热设备将所含热量传给供暖系统循环水,而换热后地热流体直接进入回灌系统,不直接接触二次供暖循环系统,从而避免地热流体与外循环管网直接接触造成的水质污染,也避免地热流体对外循环管网特别是室内散热终端的腐蚀。地热流体的变化主要是损失掉一部分热量,温度降低以及温度降低后部分气体的逸出,其他化学成分和性质基本不受影响,作为回灌水源通过回灌井注入热储层中,基本能做到“原水”回灌。
(2)回灌管网的材质
对井系统长期监测结果发现,如果回灌运行时采用直供钢制管道,当地热水流经铁制管道和终端设备后,排放口处尾水中铁离子的含量要大大高于地热开采井出口处的含铁量,并发现铁细菌,当工作系统处于开口状态时,系统腐蚀是较严重的。因此为有效防止腐蚀和物理、生物堵塞,在回灌输水管道的材料上,应首选非金属管材(玻璃钢管材或PP-R管材)或内外涂塑复合钢管,并做到回灌运行时全系统中应始终保持正压,形成一个完整的严格密闭系统。
(3)过滤器
由于回灌水中的悬浮物、腐蚀后的生成物、沉淀物含量过高或细菌过多会堵塞多孔介质的孔隙,从而使井的回灌能力不断减小直到无法回灌,因此通过预处理控制回灌水水质是防止回灌井堵塞、保证回灌效果的主要措施。
化学沉淀所引起的堵塞与悬浮物堵塞存在着交叉、重叠部分,某一方面的解决,也可能使另一问题迎刃而解。对这些问题提出理论上的合理解释,有助于优化解决回灌中出现的不同原因的堵塞问题。回灌流体中的固体悬浮物质或化学沉淀物与液体的密度不同,重力作用影响明显,比流体运动慢的颗粒就可能驻留在砂岩的某个位置而不随流体运动,聚集到一定程度,就会以某种形式沉积下来,在储层中尤其是砂岩地层中会堵塞多孔介质孔隙,从而使其回灌能力不断减小直到无法回灌。井壁上吸附的细小颗粒或流体中所含的块状物虽然可通过回扬和酸处理的手段来消解,但地层内因颗粒驻留而形成的环状阻塞区域则是反抽等措施不能完全消除的。另外地热供暖系统长年运行,管道不可能经常更换,由于管路的老化、锈蚀,会使流经的地热流体质量受到不同程度的影响,这种成分复杂的循环水作为水源来回灌,其效果必然会受到影响。在地热回灌系统中增设过滤器是常用的水质净化处理措施,可有效的除掉回灌流体中悬浮固相物、沉淀物和滋生的细菌,降低因水源质量不佳对回灌效果的不良影响。另外环境温度或腐化等因素而在回灌流体中滋生的细菌所引起的堵塞较难处理,由于一般的加入消毒杀菌药剂处理对热储层的影响较大,因此较好的办法是采用超滤膜过滤掉水源中的细菌,这种过滤膜的滤径级别精度要求较高,尤其适合运用于极易产生细菌堵塞的孔隙型热储回灌系统中。
目前在天津的基岩回灌工艺中,回灌水源经除砂处理后,在地面净化措施上一般要求再增加滤径不小于50μm的管道过滤或其他过滤装置(粗滤),滤芯为第三代缠绕棒式或滤袋式,可多次冲洗重复使用,此种过滤装置能有效将管道及系统残留的相对直径较大的颗粒过滤;而在孔隙型回灌井中则要求同时安装精、粗两级过滤系统,精过滤器精度应达到3～5μm,不仅要滤掉大部分悬浮颗粒,有效地减少物理堵塞,还可以有效地拦截或吸附一部分微生物,防止细菌堵塞。
(4)隔氧保护措施
由于地热井内水位随系统运行时间和采灌量变化影响较大,井内气体空间容积有可能会变化几倍,内部的压力也会相应的变化。尽管采用再严格的隔氧措施,在井内容积变化较大时,阀门、孔板等截流部件可能出现局部负压,如果阀门和截流器件密封不严,很难控制氧的渗入;同时地热井投入运行后,管道和设备有含氧不凝气体,其中的氧也有可能混入到地热流体液面上的空间中。环空中长期有氧气的存在,容易产生两个方面的严重后果:一是井管的内壁、泵管的内外壁会慢慢生成锈片,当潜水电泵启动引起井管和泵管震动时,这些锈片会脱落并掉入井底,可能堵塞井下滤水管和储层通道,而且这种堵塞还可能是不可逆的,因为锈片的体积和重量较大,连回扬也很难将其抽出清除;二是泵管法兰连接螺栓长期处于腐蚀环境中,加之泵管的震动,易断裂使潜水泵脱落,造成事故。
氮气保护是目前应用较多的地热井防腐技术,利用自动控制的充气装置,将井内液面之上的井管充满惰性气体(如氮气),以氮气作为井封,可有效地维持井内压力,阻止空气中的氧气渗入到井内。
(5)除砂器、除污器
为了保证地热流体中裹携的岩屑微粒尤其是新近系孔隙型储层(因为岩性松散,细小的砂粒容易随水流被吸出)的砂岩颗粒不被传输到回灌井口,生产井口处要求安装除砂器、回灌井口增设除污器等水质处理措施,以减小过滤器的工作负担。在天津的对井井口一般都安有这种装置,效果较好。
(6)生活热水不宜回灌
一般供应生活热水的系统为了进行除铁处理,需要设置曝气装置、过滤及储水箱。由于流经途径较多且长,可能会由于储存时间过长或条件的变化滋生细菌或产生其他污染(停留在水箱中40℃左右的生活热水温度最适宜细菌滋生或促进细菌的繁殖),尽管这种生活热水未进行任何化学处理,但由于系统原因,循环的生活热水是不宜作为回灌水源的,应单独设置管路直接排放。
(7)其他措施
因化学变化引起的水质问题较复杂,处理起来也很棘手,应根据所处地质条件和回灌流体水质具体分析可能的堵塞原因来制定相应的对策。运行中,视可能的堵塞原因运用机械的或是化学的办法,对回灌井进行周期性的再生处理是保持其回灌能力的基本要求。其中可采用的机械方法有回扬反抽、空压机气举射入高压空气或水以及分段冲洗等;化学方法包括加酸、加药杀菌以及加入氧化剂等。
机械处理方法不难理解,也比较保险,例如定期对回灌井采取回扬洗井措施已成为多数回灌系统特别是孔隙型回灌系统保持回灌顺畅的有效手段。但回扬反抽有可能会使储层细颗粒重组而引起负面影响,需通过科学试验制定出适宜合理的回扬方案。
化学处理方法针对回灌中的细菌堵塞具有一定效果。有些碳酸盐地区通过加酸来改变流体的pH值,以防止化学沉淀的生成。为防止生物膜形成产生细菌堵塞,有效的方法是进行真空全封密回灌,避免水源在地面设备传输过程中受到污染,防止细菌入侵或空气混入加速细菌滋生。但如果回灌井内流体已受到细菌污染或井管壁或滤水管网附近已滋生了细菌,那处理起来更为困难,这时地面的粗滤甚至精滤处理已起不到任何作用,这种井下细菌堵塞已形成时,常用的做法是采用回扬反抽等机械方法进行处理,但效果不想想时,只能采用化学灭菌处理方法去除井内流体中的有机质或进行消毒杀死微生物等手段,较常见的处理灭菌方法是向流体中加入氯消毒杀菌药剂。但这种方法运用在地热回灌中应特别谨慎,因为如果过量加入消毒药剂会改变地热水质,不相容的化学添加剂和抑制剂也会影响流体水质,有污染热储层的可能。