山東本地地熱鉆井勘查公司

地熱回灌是一種避免地熱廢水直接排放引起的熱污染和化學污染的措施, 并對維持熱儲壓力, 保證地熱田的開采技術(shù)條件具有重要的作用。回灌是地熱田管理中zui為復(fù)雜的一項技術(shù), 為了避免因回灌而引起熱儲冷卻, 需要進行回灌試驗和示蹤試驗, 并在回灌過程進行全面的監(jiān)測工作。

地熱回灌就是把地熱廢水、常溫地下水、地表水甚至污水灌入熱儲中, 其目的有以下幾個方面:

(1)處理地熱廢水　地熱廢水的溫度一般高于環(huán)境溫度, 其中通常含有較高的鹽份, 其中有些化學組分是有毒有害的, 地熱廢水的直接排放可能對環(huán)境造成熱污染和化學污染。

(2)改善或恢復(fù)熱儲的產(chǎn)熱能力　地熱田中的地熱能一部分儲存在其中的熱流體中, 而絕大部分儲存在巖石骨架中, 通過把溫度較低的水注入熱儲中, 經(jīng)過加熱后再抽取出來, 就可能提高地熱資源的利用效率?；毓嗑?，指注入并處置具有腐蝕性或有害液體的井。一般多使用廢棄的老油井處理含油鹽水或原污水。缺點是會使地下水污染，還會促使地下土層滑移。

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隨著地熱開發(fā)利用的不斷發(fā)展，地熱井的數(shù)量和抽水量都逐年增加，有的地方已達到甚至超過資源評價所限定的抽水量ji限。大量抽水而不回灌，勢必造成水位持續(xù)下降，井的使用壽命將減少，不利于地熱的持續(xù)發(fā)展。只抽不灌，不但不利于保護地熱資源，同時也將含有某些有害成分的地熱水牌的地表的水體或滲透到地下，造成不同程度的環(huán)境化學污染。有些排水溫度超過環(huán)保的規(guī)定還會造成熱污染。所以，回灌開采被看作是地熱持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。然而，由于不同的地熱區(qū)其地質(zhì)構(gòu)造是不同的，所以回灌方式也不**。為了預(yù)測回灌開采后地下溫度場等各種場的變化趨勢以及冷鋒面推進的速度，近年來還通過建立熱儲蓄模型和發(fā)展計算機數(shù)值模擬技術(shù)來加速回灌開采的研究。此外，回灌還會帶來對地下新鮮清潔水的污染問題，所以回灌開采并不是一件十分容易的事情。國內(nèi)外除地熱電站所在的熱田一般都打回灌井并開發(fā)研究外，多數(shù)中低溫地熱直接利用地熱田進行回灌開采的還較少。目前，一些有比較豐富地熱資源的城市，如天津市，由于地熱采暖的抽水量很大，水位下降較快，因而城市地熱管理部門已加強地熱回灌開采的技術(shù)研究，并提出了在城市打地熱井必須同時打回灌井的要求。

(3)保持熱儲的流體壓力, 維持地熱田的開采條件 一般來說, 地熱的開采會導致熱儲壓力降低, 如果開采量過大, 使補給和開采失去平衡時, 熱儲壓力會持續(xù)降低, 使地熱田的生產(chǎn)能力降低, 甚至喪失生產(chǎn)能力和引起地面沉降。回灌對于維持或恢復(fù)熱儲壓力, 穩(wěn)定地熱田的開采條件, 預(yù)防地面沉降具有重要作用。在zui早的回灌工程中, 其目的主要是處理地熱廢水, 但是后兩個方面的目的在近年來已經(jīng)受到了日益重視[1]  。

把溫度較低的水灌入熱儲中是一項非常復(fù)雜的技術(shù)。如果回灌井的位置不當可能引起熱儲的冷卻, 降低開采井的出水溫度或產(chǎn)汽量;如果采用的回灌工藝存在問題, 回灌井的回灌能力可能逐漸降低, 甚至zui后喪失回灌能力。為了研究回灌的效果, 需要進行示蹤試驗, 并對地熱田進行全面的監(jiān)測把水灌入熱儲中會改變熱儲的狀態(tài), 有時影響范圍可以達到很大的距離。回灌的影響從回灌點開始以不同的形式向外擴展, zui主要的是壓力傳導、流體的機械運動和熱傳導。正確理解三者的機理和關(guān)系對回灌工程的設(shè)計是非常重要的。在三者之中, 壓力傳導界面的運動是zui快的, 因為它是流體分子能量的傳遞, 其影響可能幾天、幾小時甚至幾分鐘就能到達開采井?；瘜W界面的運移慢于壓力傳導, 因為它是回灌的物質(zhì)分子的實際運移, 一般需要幾星期或幾天才能到達開采井。溫度界面的運移是zui慢的, 因為回灌水在其運移過程中會被逐漸加熱。

在回灌工程設(shè)計中, 非常重要的一點就是避免由于回灌水過快地到達開采井,從而引起開采井溫度的降低。反之, 如果回灌井距離開采井或地熱田開采區(qū)過遠, 又不能起到保持熱儲壓力, 穩(wěn)定地熱田生產(chǎn)能力的作用。地熱回灌是高度依賴場地的, 也就是說每個回灌工程之間會因為開采井和回灌井之間的地質(zhì)條件不同而存在差異, 甚至存在很大的差異。因此, 在生產(chǎn)性回灌之前必須進行回灌試驗, 并在回灌試驗的過程中進行示蹤試驗, 以研究回灌水在熱儲中運移的規(guī)律,研究回灌對于穩(wěn)定熱儲壓力和改善地熱田生產(chǎn)技術(shù)條件方面的作用, 研究合理的回灌量和運行方式。

預(yù)測溫度界面的運移速度在回灌工程設(shè)計中的重要性是可想而知的。但是, 在不掌握回灌水運移路徑的性質(zhì)之前, 是很難對此進行計算的。因此, 經(jīng)常根據(jù)示蹤試驗成果來預(yù)測回灌引起開采井冷卻的可能性。

堵塞問題

在地熱回灌中, 經(jīng)常由于堵塞而使井的回灌能力降低。堵塞的原因包括物理的和化學的。物理堵塞主要是由于水中含有的懸浮物顆粒, 在回灌壓力的作用下附著在回灌井壁上或進入熱儲的裂隙中而影響回灌能力。此外, 回灌水中的氣泡也可能影響回灌的速度。

為了避免或減輕物理堵塞, 可以用過濾的方法去除水中的懸浮物, 然后再進行回灌。當回灌井的水位低于地表時, 應(yīng)在回灌井中安裝回灌管, 使回灌水通過回灌管直接到達井水位以下, 以避免回灌水在井筒中自由下落過程中混入氣泡, 從而影響井的回灌能力?；瘜W堵塞是由于物理化學狀態(tài)的改變或回灌水與地熱水之間的化學反應(yīng)而產(chǎn)生沉淀(主要為二氧化硅或碳酸鈣等), 從而降低井的回灌能力。在高溫地熱田, 發(fā)電后的地熱水的化學組分濃度增加, 溫度和壓力降低, 可能形成過飽和溶液, 產(chǎn)生沉淀析出?？諝獾淖饔靡部赡芗铀俪恋碜饔谩Ｒ虼? 在設(shè)計回灌系統(tǒng)時, 應(yīng)研究合理的回灌水溫度和工作壓力, 盡可能避免產(chǎn)生化學沉淀而影響井的回灌能力。還應(yīng)注意保證系統(tǒng)的密閉性,盡量避免回灌水和空氣接觸。在可能產(chǎn)生沉淀的化學組分含量較高時, 可以通過調(diào)節(jié)回灌水的pH值避免化學沉淀的產(chǎn)生。

回灌效果的監(jiān)測和研究

為了掌握回灌的效果, 及時發(fā)現(xiàn)回灌引起的不利影響, 應(yīng)該對開展回灌的地熱田進行更為嚴格的監(jiān)測。對于回灌井, 需要觀測回灌的水量、水溫、井口壓力(水位)和水質(zhì)。對于開采井, 觀測項目包括開采量、出水溫度、壓力(水位)和出水的水質(zhì), 還要監(jiān)測示蹤劑的濃度。此外, 還應(yīng)對周圍的地熱井進行監(jiān)測, 除了正常的水量、水溫、壓力和水質(zhì)監(jiān)測外, 也應(yīng)采取一些水樣監(jiān)測示蹤劑的濃度。當回灌停止或暫停時, 應(yīng)以一定的時間間隔測量回灌井和開采井內(nèi)的溫度剖面, 以觀測回灌井停灌后的升溫情況和開采井中可能的冷卻。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)回灌的短期效果, 要研究回灌的*效果就需要建立適當?shù)哪Ｐ汀Ｒ环N較為簡單適用的模型就是根據(jù)示蹤試驗得到的參數(shù), 求取解析解。對于復(fù)雜的情況, 需要建立數(shù)值模型。地熱田的大量開采必然會造成熱儲壽命縮短，地下水位下降，并導致地面沉降，如果將開發(fā)利用后的地熱棄水回灌地下，就可大大減輕上述弊端并控制地熱水對地面的化學污染。對以熱水為主的熱水型地熱田，回灌困難zui大，因為要回灌處理的廢熱水數(shù)量很大。在評價回灌方案時，要考慮回灌水的數(shù)量、溫度和化學成分。實踐證明，回灌廢熱水以保持熱儲層的壓力和總開采量并不困難，重要的是不要因回灌溫度較低的水而使生產(chǎn)井的水溫降低。

選擇合適的回灌方式是重要的。從平面布置上講，回灌井的布置有“混雜排列"和“邊對邊排列"兩種。前者是生產(chǎn)井和回灌井穿插排列，保持一定的距離；后者是生產(chǎn)井在一邊，回灌井在另一邊，中間有較遠的距離。對這兩種排列方式的優(yōu)劣，專家們看法不一。有的專家支持邊對邊回灌方式，認為這種方式對裂隙熱儲層合適。熱儲層熱導率大，水流速度快(已觀測到示蹤劑重現(xiàn)速度達100m/h)，生產(chǎn)井若離回灌井近，就會發(fā)生熱干擾。但像巴黎盆地那種孔隙型熱儲層，生產(chǎn)井和回灌井成為對井，距離約為1km，計算表明，生產(chǎn)井溫度可以保持30年，以后逐漸降低。溫度下降是緩慢的，可能要5年才下降1~2℃。這些，都和熱儲有關(guān)?；毓嗑疃鹊倪x擇也很重要，它可以比生產(chǎn)井淺、相同或深。在美國蓋塞爾斯地熱田，回灌井一度曾較淺，結(jié)果回灌進去的水又重新被開采出來；后來采用深層回灌，就沒有發(fā)生上述情況。這可能是溫度較低的回灌水比重大，容易向下運移的原因?；毓嗑疁\，灌入的水向下流動正好進入生產(chǎn)井；反之，就不會影響生產(chǎn)井?？傊毓喾绞降倪x擇取決于地質(zhì)、環(huán)境和經(jīng)濟等綜合因素；但一般地說，邊對邊的、深一些的回灌井布局能避免熱干擾。

中國北京城區(qū)地熱田從1981年冬季開始進行采暖后的棄水回灌，取得取得了較好的效果。從一口生產(chǎn)井抽出36t/h、49℃的熱水，經(jīng)采暖后將36~38℃的回水灌入到距生產(chǎn)井350m遠的回灌井。在灌入量為12~17t/h時，水位僅回升2.8m，在灌入1.2萬t棄水后，經(jīng)過8個月，熱儲層深度的水溫恢復(fù)到49.5℃，兩年來未發(fā)現(xiàn)周圍生產(chǎn)井水溫降低。由于中國華北地區(qū)采暖期為4個月，因而回灌對恢復(fù)井溫是有利的條件。中國地熱田的回灌工作尚處于試驗階段，成熟的經(jīng)驗不多；但是，有一點是清楚的，那就是要取得回灌的良好效果，搞清熱儲是十分必要的。近年開展較多的熱儲模型和數(shù)值模擬研究，能比較有效地建立回灌模型，預(yù)測回灌的效應(yīng)。隨著地熱開發(fā)利用的不斷發(fā)展，地熱井的數(shù)量和抽水量都逐年增加，有的地方已達到甚至超過資源評價所限定的抽水量ji限。大量抽水而不回灌，勢必造成水位持續(xù)下降，井的使用壽命將減少，不利于地熱的持續(xù)發(fā)展。只抽不灌，不但不利于保護地熱資源，同時也將含有某些有害成分的地熱水牌的地表的水體或滲透到地下，造成不同程度的環(huán)境化學污染。有些排水溫度超過環(huán)保的規(guī)定還會造成熱污染。所以，回灌開采被看作是地熱持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。然而，由于不同的地熱區(qū)其地質(zhì)構(gòu)造是不同的，所以回灌方式也不**。為了預(yù)測回灌開采后地下溫度場等各種場的變化趨勢以及冷鋒面推進的速度，近年來還通過建立熱儲蓄模型和發(fā)展計算機數(shù)值模擬技術(shù)來加速回灌開采的研究。此外，回灌還會帶來對地下新鮮清潔水的污染問題，所以回灌開采并不是一件十分容易的事情。國內(nèi)外除地熱電站所在的熱田一般都打回灌井并開發(fā)研究外，多數(shù)中低溫地熱直接利用地熱田進行回灌開采的還較少。目前，一些有比較豐富地熱資源的城市，如天津市，由于地熱采暖的抽水量很大，水位下降較快，因而城市地熱管理部門已加強地熱回灌開采的技術(shù)研究，并提出了在城市打地熱井必須同時打回灌井的要求