天津大港區目前館陶組熱儲開采井數量多達40余眼，長期的集中開采造成該區域地下水位埋深不斷下降，年降幅逐年增加，為實現地熱資源的可持續利用，緩解地熱熱儲壓力下降的有效途徑就是回灌。地熱回灌就是在地熱流體利用后把尾水通過自然或加壓方式回注到開采的熱儲層中，它是解決過量地熱流體開采造成地下水位持續下降與尾水排放造成污染的最有效方法。通過多年回灌試驗，基巖裂隙型熱儲層回灌問題已基本解決，但砂巖層的熱儲層回灌問題依然存在，主要是回灌量偏低，回灌持續時間短。

 

  1 試驗條件和方法

 

  1． 1 試驗條件

 

  DG － 49B 井是目前大港區唯一的一眼孔隙型地熱回灌井，該井井深1 892 m，熱流體溫度62℃，成井初期流量為85 m3 /h，靜水位埋深77 m。對地下熱流體進行深部回灌實質上是對熱流體的壓縮，熱儲層地層的巖性、巖石顆粒大小、巖石顆粒之間的空隙大小、地層的孔隙度和滲透率對回灌起著非常重要的作用。

 

  DG － 49B 井聲波測試孔隙度為16． 19% ～29． 21%，平均為26%，滲透率為( 105． 84 ～ 833． 9) ×10 － 3μm2，砂巖泥質含量7． 06% ～ 22． 73%，熱流體礦化度1 961． 8 mg /L，水化學類型為Cl·HCO3 － Na 型，pH 值8． 38。

 

  1． 2 試驗方法

 

  回灌試驗以DG － 49 開采井抽水向DG － 49B 回灌井中進行回灌。自2008 年1 月7 日開始，至3 月21日結束，試驗期間處于供暖期，DG － 49 井開采量為50～ 65 m3 /h。試驗采用井管與泵管的環狀間隙回灌，回灌井內下入潛水泵，下入深度110 m。試驗過程中通過閥門控制注水水量，以電磁流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和自動水位控制儀等電子監測裝置觀測試驗過程中的各項參數。

 

  試驗共進行了4 組，即自然間歇回灌、定流量“回揚－ 回灌”、大流量“回揚－ 回灌”和加壓回灌試驗。

 

  前面3 組試驗都是在自然狀態下進行回灌，其回灌壓力是靠回灌流體在自重條件下形成的，第4 組做了兩次加壓回灌試驗。

 

  2 試驗結果與分析

 

  2． 1 自然間歇模式與“回揚－ 回灌”模式比較表1 是6 次回灌試驗的結果對比。圖1、圖2 反映不同回灌情況下動水位的變化，表明“回揚－ 回灌”模式下的回灌能力及可延續時間都要強于自然間歇模式。

 

  回灌后地層吸水能力的變化情況用吸水指數，即單位時間的灌水量與井底壓差的比值來表達，吸水指數是衡量回灌井吸水能力的重要指標。

 

  N = QP2 － P1

 

  ( 1)式中，Q 為回灌量，m3 /h; P2為灌水后的井底壓力，MPa; P1為灌水前的井底壓力，MPa。

 

  圖3 為吸水指數歷時變化曲線，圖3 中曲線Ⅰ －1、Ⅰ － 2、Ⅰ － 3 的走勢說明在自然間歇模式下，DG －49B 井的回灌能力有限，在回灌量尚不足20 m3 /h 時，其回灌能力隨著回灌量的累積而不斷減小。在經過第1 次回揚后，DG － 49B 井的回灌能力得到了一定的改善，而經過第2 次回揚后，DG － 49B 井的回灌能力得到了顯著的提升，在灌量基本穩定的情況下，回灌延續時間也大大延長( 圖4) 。到了第3 次回揚的時候，DG－ 49B 井的回灌能力與前1 次相比有了一定程度的下降，雖然受當時回灌量不穩定的影響導致曲線Ⅱ － 3在一段時間內發生波動，但總體而言，其回灌能力仍然高于前4 次回灌試驗。

 

  通過回灌試驗對比可以看出，DG － 49B 回灌井在自然間歇模式下回灌能力有限，無法滿足正常回灌要求，要維持回灌的持續進行，必須定期進行回揚。回揚可以較明顯地恢復甚至提高回灌井的回灌能力，但隨著回灌量的不斷累計，在回揚量不變的情況下，回揚的效果會逐漸減弱。

 

  2． 2 “回揚－ 回灌”模式分析

 

  2． 2． 1 20 m3 /h 與30 m3 /h 的回灌能力分析1 次“回揚－ 回灌”實際上就是回灌能力的1 次“恢復－ 消耗”的過程，在“回揚－ 回灌”模式下，可以用“回揚率”( 1 次回揚量與回揚后能夠灌入的水量的比值) 來評估不同“回揚－ 回灌”模式的效果。

 

  回揚率越低，說明回灌能力消耗的越緩慢，回灌效果越佳。

 

  回揚率受回灌量的影響很大，在第2 組回灌試驗中，回灌量普遍控制在20 m3 /h 左右，其回揚率普遍穩定在20%左右，而Ⅱ － 1 試驗的回揚率偏高可以歸因于回灌量相對偏大以及前3 次自然降壓試驗對其的影響。

 

  Ⅲ － 2、Ⅲ － 3、Ⅲ － 4 試驗中以30 m3 /h 為目標，在回灌開始1 h 后，回灌量短時間內從20 m3 /h 增加到30 m3 /h，回灌所能持續的時間很短，回揚率很高，超過了50%，回灌的實際意義大為降低。

 

  Ⅲ － 1 試驗是第2 組試驗到第3 組試驗的過渡，本次試驗開始后83% 的時間內將回灌量穩定在20m3 /h 左右，隨后逐漸增加到30 m3 /h，持續約20 h 水位漲至井口，本次試驗的回揚率為20． 9%。其回灌效果遠遠好于第3 組的其他幾次試驗。

 

  2． 2． 2 25 m3 /h 回灌能力的初步分析

 

  在Ⅳ － 1 試驗的自然回灌階段，以25 m3 /h 定流量為回灌試驗目標，先以定流量20 m3 /h 左右回灌91h，隨后將流量增至25 m3 /h，在此流量下回灌持續95h。這次試驗的回灌效果超過前面所有回灌試驗。圖3、4 中曲線Ⅳ － 1 的變化趨勢與曲線Ⅲ － 1 非常相似，延續時間甚至長于Ⅲ － 1，說明在Ⅳ － 1 試驗條件下具有良好的回灌能力。但是由于當時供暖期即將結束，為了保證有加壓回灌試驗的時間，25 m3 /h 的定流量回灌試驗只進行這1 組，而Ⅳ － 1 試驗的條件并不具有普遍性。首先它并不是在試驗的開始階段就以25m3 /h 進行回灌，其次由于第3 組后3 次試驗延續時間很短，它們各自的回揚量是否對Ⅳ － 1 試驗產生了影響尚無法確定，因此只能確定該系統具備25 m3 /h的回灌能力，但如何進行準確操作以保證其回灌的延續性還需要進行進一步的試驗嘗試。

 

  2． 3 加壓回灌模式分析

 

  對于兩次壓力額定在0． 2 MPa 的定壓試驗( 圖5、6) ，在壓力額定條件下都出現回灌量逐漸衰減，第1次在50 h 內從40 m3 /h 衰減到34 m3 /h，第2 次在49h 內從40 m3 /h 衰減到30 m3 /h。回灌量衰減的趨勢逐漸趨于平緩，預計當衰減到一定量時會趨于穩定。

 

  通過兩次加壓試驗，在0． 2 MPa 壓力下，遵循“回揚－加壓回灌”模式，DG － 49B 井的可回灌能力約為30m3 /h。

 

  2． 4 回灌流體溫度對回灌效果的影響

 

  在以往的回灌試驗中，回灌流體溫度對回灌效果的影響表現為流體溫度越高，回灌效果越佳，流體溫度越低，回灌效果越差［4］，其原理為不同溫度下流體密度及動力粘滯系數對其的影響。而本次回灌試驗的結果則與之相反，在壓力、水位皆為定值時，回灌量與溫度表現出了明顯的相反關系，即流體溫度越高，回灌量越低，流體溫度越低，回灌量越高。初步分析該熱儲層中有可能在一定溫度下產生水化學反應或生物反應，其影響效果超過了動力粘滯系數的影響，從而影響了回灌效果。

 

  3 結論與建議

 

  ( 1) 在自然間歇條件下，DG － 49B 井的回灌延續時間短，可灌能力不佳，無法滿足正常持續的回灌要求。建議今后在回灌過程中應以“回揚－ 回灌”模式為主。

 

  ( 2) “回揚－ 回灌”模式下DG － 49B 井的回灌量可滿足20 m3 /h，但當回揚率降至20% ～ 30%時，應重新回揚，以避免地層的可灌能力過度消耗，影響接下來的回灌。相同條件下回揚時間越長，回灌延續時間越長。

 

  ( 3) 回灌操作方式對系統回灌能力有很大影響。

 

  該系統在Ⅳ － 1 自然回灌試驗階段具備25 m3 /h 的回灌能力，但其延續性還需進一步驗證。在“回揚－ 回灌”模式下進行加壓回灌時，當壓力額定在0． 2 MPa時，DG － 49B 井的可灌量在30 m3 /h。

 

  ( 4) 建議在今后的回灌過程中，在開始階段應遵循流量從小到大逐漸增加的原則，切忌一開始就以額定流量回灌，以延長回灌的延續時間。