砂岩地热尾水回灌技术研究

砂岩地热尾水回灌技术研究

彭磊

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 253000

摘要：砂岩地热尾水回灌问题是制约地热可持续开发利用的重大瓶颈，是地热行业亟需解决的关键问题。地热尾水回灌不仅可以增加地热井水位，还可进一步延长地热田的使用寿命。文章在阐述地热尾水回灌技术的基础上，以山东省东营市农高区砂岩回灌项目为例，提出砂岩地热尾水无压回灌技术的新工艺及技术要点，最大程度实现能耗的减少，降低成本，提升使用效率，最终满足环保、节能及可持续开发利用地热的要求。

关键词：砂岩；地热尾水；回灌

引言

地热是一种无污染，可再生的清洁能源，与传统化石能源相比，具有数量大、可再生、低碳、环保、就地取用等优势。但地热水资源却是有限的，过度开采或养护不当会造成资源枯竭。为解决地热资源的可持续发展，同时避免环境污染，最有效的途径就是地热回灌。地热回灌是将经热利用后的地热尾水回注于目标地层的技术措施。地热回灌对地热资源的持续开发、减少资源浪费、延长开采井寿命以及减少环境污染等方面均具有重要意义。

1地热尾水回灌阻塞机理

1.1物理化学堵塞及防治技术措施

相关研究表明，回灌过程中最为主要的是悬浮物堵塞，它是回灌系统发生堵塞的最常见情况。悬浮物堵塞与化学堵塞的变化规律一致，都随着岩心的温度升高堵塞率加剧。回灌系统工艺流程示意简图由于随着温度升高，悬浮物、化学堵塞率均随着增大，且当有化学堵塞和悬浮物堵塞两种因素同时存在时，化学堵塞的贡献比例呈下降趋势，而悬浮物堵塞的贡献比例呈上升趋势。此外化学作用形成的微粒在悬浮物中又占有一定比重。因此，尾水回灌过程中必须要对尾水进行过滤处理和降温处理。一般常用的解决物理堵塞的方法是除砂器除砂后采取沉淀池或静置沉淀的手段消除堵塞并降温。但静置后的尾水中悬浮物粒径在静置后仍有大量粒径在2~6μm范围内，且静置设备占地面积大，处理效果差、降温效果不明显。此外静置设备会消除地热尾水本身剩余压头，回灌时需再次加压。采取多级别串联过滤，各级别多台（2~3台）并联的方式提高处理效果并增强系统运行稳定性，过滤设备根据水质专项设计，无论在处理效果和稳定性方面都大大提高。过滤设备采用较大的过滤面积，过滤效果好，阻力损失低，运行能耗减少。过滤器滤材采用尼龙、PP、陶瓷等材质，对抗地热水腐蚀，滤材使用一定周期后采用压缩空气结合弱酸稀释液清洗，由此反复使用降低使用费用。利用热泵技术对换热器换热后的地热水地热水提取热量，将尾水温度降低至10℃，效果非常理想，极大程度消除物理及化学堵塞。尾水温度降低、比重增加可相对形成自然重力压头利于尾水回灌，减少回灌加压泵使用时间降低能耗。

1.2气体堵塞

在尾水回灌的水中会夹带一定的气体，并且当热水气体的总含量偏高时，由于压力和温度的变化，其溶解性气体在实际流动中就可能在地层中出现气泡。另外，化学生化反应也能生成气体物质，从而降低储层本身的渗透性能，最终引发回灌堵塞。

1.3精心设计过滤系统

合理的地面回灌系统可以有效避免回灌物理和气体堵塞，减缓回灌量衰减速度，提高回灌率，保证回灌井的持续有效运行。同时，回灌系统要严格保证密闭，避免因回灌流体温度、压力等因素变化而产生沉淀，从而导致储层堵塞。针对各种不同地热井的水质情况，研发了过滤效果可靠的ZL系列过滤机，经过数次试验，可以满足不同水质的处理要求。该设备具有适用广、密闭运行、多功能、过滤面积大、纳污能力强、易反吹滤饼等突出特点。过滤精度高达0.1um，不仅可以过滤地热尾水中的悬浮颗粒物，还可以将部分微生物过滤掉，有效防止地热尾水回灌时的物理堵塞和生物堵塞。

2砂岩地热尾水回灌技术措施

2.1实现无压同层回灌，推动地热能发展

合理地选择砂岩地热尾水的回灌技术，能够做好相应的处理。在完善处理之后，就需要考虑到地热能的发展，本文选择的无压同层回灌的方式可以进一步推动地热能的发展，具体以某花园为例进行探讨。某花园采水井1井与回灌1-1井成井深度都为2200m，1井筛管位置在1836-2130m，1-1井筛管位置为1847-2143m，取水层位都为沙河街组二段，水化学类型同为Cl-Na.Ca型。在开采总量基本相同的情况下，1井2015年采暖季结束水位降深约为13m，2016年采暖季结束后水位降深约为18m，自2018年1月5日开始回灌，截至3月15日累计回灌量为102504m³，平均回灌量70.02m³/h，瞬时流量为55m³/h（外界温度高，水量小），管线温度44.2℃，管线压力为0MPa，水位降深约为3m，说明1-1井回灌有效遏制了1井水位降深的速度，起到了良好的回灌效果。

总体来说，一是根据不同水质、水量设计合理的地面回灌配套工艺可以有效提高地热井回灌效果；二是合理的回灌运行操作规程可以保证回灌的可持续性，实际运行过程中应严格执行，确保地热回灌的可灌性和连续性；三是根据不同的地质参数设计合理的采灌井距，实现对井循环开采回灌，注水—洗井交替进行，是实现自然回灌的重要手段；四是应对回灌流体进入储层后发生的水岩作用和与储层流体的物化作用等方面进行监测，对回灌产生的地质环境影响（热储温度场、压力场和化学场）进行深入分析研究；五是回灌系统运行费用较低，具有广阔的开发利用前景。

2.2地热回灌系统加压

为保证回灌系统不影响换热站内供热系统运行，回灌段内所有设备、管道、阀部件压力损耗单独设置离心加压泵承担，此外自然回灌量不理想时需加压回灌。加压泵流量按回灌水量确定，扬程根据后期水处理系统及地热井成井情况确定，加压泵材质采用球磨铸铁，电机能效等级不低于满足二级标准。加压泵采用变频方式调控。

2.3排气装置

回灌流体由于管径阻力和流动状态的变化，水动力流场状态发生变化，流体中的部分气体析出并生成气泡，当驻留在砂岩孔隙中会产生气堵。为避免回灌过程中产生气堵，在回灌井井口前安装一个脱气罐，使地热尾水进入罐体，通过管径变化，让流速迅速降低，压力下降，通过气泡内的压力和罐内压力形成的压差，迫使气泡爆裂，将气体释放出来并通过排气阀排除，防止气泡进入地下，阻塞回灌水通道。

结语

总而言之，因为地下热能资源非常丰富，水只能够成为地热能的基本载体。如果选择一次性的开采地热水，其本身是非常有限的，而回灌就是目前解决地热井水位降低，延长地热田使用寿命的最有效的方式。通过回灌，可以使地热水形成良性的循环，并且在循环的过程中可以将深部的地热能直接带到地表之上，达到地热能的可持续利用。希望本文的研究分析能够对今后的开发与利用起到一定的借鉴作用。

参考文献

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