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案例解析北京深層地熱回灌兩大關鍵因素

北京從上世紀70年代開始進行深層地熱供暖,已經實施40多年,積累了豐富的監測數據和實踐經驗。如今從中央到北京市都高度重視地熱這一清潔能源的利用,經過對北京地熱供暖的長期研究,認為北京市推進規模化深層地熱供暖必須實現熱量、流體量和流體化學的采灌均衡,保證資源的可持續利用,關鍵技術包括:資源勘查和評價、地熱回灌制約因素研究、地熱回灌衰減防治、地熱動態監測等。這些關鍵技術的研究成果對于其他地區和其他形式的地熱供暖也有非常大的借鑒意義。


本文節選自由北京市地質工程勘察院徐巍、李海京、丁桂伶、楊亞軍、王小玲、魯鶴、張俊華、王雨石撰寫的題為《北京市深層地熱供暖的關鍵技術研究》一文的第二章節“地熱回灌技術”內容,供業界交流探討。原文刊登于“四季春·2018第十屆中國國際地源熱泵行業高層論壇會刊”。投稿郵箱:[email protected]



地熱供暖要求必須采用“采灌結合”的方式進行,因此地熱回灌是地熱供暖的必要條件。北京地區從上世紀90年代開始實施地熱回灌,到2000年以后達到生產性回灌規模,其中小湯山熱田從2001年開始有1家單位回灌,到2004年增加到6家回灌,熱田的灌采率迅速突破50%,供暖尾水實現全部回灌,熱田的地熱水消耗量減少了一半,熱儲壓力由每年2m左右的下降速度突然減緩,后來地熱供暖單位逐步增加,目前熱田的供暖單位達到12家,是北京市供暖規模最大的熱田,供暖尾水仍然保持全部回灌,熱儲壓力逐漸趨穩,不再下降。北京市現有7個熱田實施了地熱回灌,供暖尾水90%實現回灌,2017年6個熱田的熱儲壓力全部轉降為升,地熱回灌效果非常明顯。經過我們的研究,地熱回灌關鍵技術主要包括:


1、地熱井回灌能力制約因素分析


北京市的熱儲類型全部為巖溶裂隙型熱儲,大部分開采與回灌選擇同一熱儲層,影響回灌能力的制約因素如下。


(1)地熱地質條件


地熱井的回灌能力與地熱地質條件密切相關,熱儲的巖溶裂隙發育,出水能力強,則回灌能力也強。例如北京市小湯山、良鄉、李遂、延慶、京西北等熱田的核心區,單井出水量平均在1500m3/d以上,降深不超過50m,而單井的回灌量基本能達到出水量的80%,水位抬升不超過50m;其他熱田或地區地熱單井出水量低于1500m3/d或者降深超過50m,回灌能力大大減弱。


(2)回灌井成井結構


地熱回灌是利用回灌井將供暖尾水重新灌入熱儲的過程,因此回灌井的質量是一個重要的回灌條件。目前,北京市的回灌井中,有的是由上個世紀的生產井改造過來的,有的是新施工的。原來的生產井井身結構一般為四開,井深500-1500m,裸眼段的井徑為152mm或127mm,薊縣系熱儲厚度僅有100-300m,通過回灌試驗,我們發現這些老生產井可以用來回灌,但回灌時阻力較大,回灌水位明顯抬升,單位回灌量與單位涌水量的比值只有20%-30%。新施工的回灌井,井深一般大于1500m,裸眼段的薊縣系熱儲厚度均超過500m,有的三開成井,裸眼段井徑為216mm或152mm,回灌時井內水位上升幅度不大,單位回灌量與單位涌水量的比值基本超過80%。例如:表1是小湯山熱田的4眼回灌井,經過對比可以發現,2000年之后新施工的回灌井,回灌能力遠遠大于改造的生產井。因此,回灌井裸眼段的薊縣系熱儲層厚度越大,向熱儲層滲透的過水斷面越大,回灌能力也就越強。


(3)區域熱儲壓力


通過多年監測發現,地熱井的回灌能力與熱儲壓力關系密切。北京地區各個熱田熱儲壓力差異較大,延慶、京西北熱田的熱儲壓力最大,地熱水位高出地面,還在自流,小湯山、李遂、后沙峪等熱田地熱水位在地下0-50m,其他熱田的地熱水位50-100m。在井內實施地熱回灌,井筒內的地熱水位會逐漸抬升,如果區域熱儲壓力很大,回灌水位就沒有抬升的空間,只能帶壓回灌,考慮到帶壓回灌的成本和安全,回灌能力就會受到制約;如果區域熱儲壓力很小,回灌水位有很大的抬升空間,就可以無壓回灌,回灌能力會大大增強。因此,延慶和京西北熱田以加壓回灌為主,回灌能力受到區域熱儲壓力的影響相對較大,其他熱田受到的影響較小。


(4)回灌原水的溫度


回灌原水的溫度對回灌能力也有很大影響。地熱回灌的原水都是供暖后的尾水,由于各個單位在各個季節供暖利用的溫差不同,因此供暖后的尾水溫度也不同,從而導致回灌原水的溫度存在差異,對回灌能力造成一些影響。例如下表是回灌原水在各個溫度條件下對回灌能力的計算(見表2)。



7灌井回灌溫度最低,單位回灌量最大,3灌井回灌溫度最高,單位回灌量最小。后兩眼井為新井,每次成井時都先利用冷水進行簡易回灌試驗,然后才利用供暖尾水進行正式回灌。在同一眼井上利用冷、熱水進行回灌,很容易發現溫度偏低的地熱水回灌能力相對較強,溫度偏高的地熱水回灌能力相對較弱。這主要是由于低溫水密度大,灌入井內很快下沉,加快了回灌水從井筒向儲層的滲流速度,提高了回灌能力。但值得注意的是,回灌原水溫度越低,對熱儲溫度場的破壞越嚴重,越容易熱突破,目前北京地區要求回灌溫度不得低于25℃。另外,回灌水溫越低,水中的礦物質越容易結晶沉淀,對回灌井造成堵塞,因此應科學計算利用溫差,保證順利回灌。


(5)回灌原水的化學特征


回灌原水的化學特征也不容忽視,它往往是造成地熱回灌衰減和堵塞的主要因素。北京市各個熱田的地熱流體化學成份差異較大,由西往東,由北往南主要的陽離子由鈣、鎂離子過渡為鈉離子,主要的陰離子由重碳酸根過渡為硫酸根和氯根,礦化度由300mg/l左右過渡到1500mg/l以上。同時全市地熱流體中普遍含有濃度較高的鐵、氟、硫化氫、偏硅酸等特殊組分,有些區域還含有黑色瀝青質有機物。總所周知,回灌原水的礦化度越高、特殊組分和有機物質越多,越容易在回灌井內產生腐蝕和結垢現象,造成回灌衰減和堵塞。從2014年開始,北京地區地熱流體特殊組分濃度較高的城區熱田、小湯山熱田東部、以及礦化度較高的天竺和李遂熱田陸續出現回灌衰減現象,地熱供暖尾水無法正常回灌,供暖規模只能逐漸縮小,其中城區熱田的地熱供暖單位由原來的6家縮小到2家。因此,地熱回灌原水的化學特征制約了地熱回灌的持續穩定性。


總之,開展地熱供暖回灌工作必須綜合考慮以上因素,它們是保證地熱回灌能力的關鍵。


2、地熱回灌衰減問題研究與防治


北京從2000年實施生產性回灌規模以來,回灌規模呈現逐漸增長的趨勢,但2014年開始,全市的地熱回灌規模逐年下降,原因是一些回灌井陸續出現回灌衰減的問題。2016年我們開始在全市范圍內對回灌衰減現象進行調研,并開展試驗研究,發現地熱回灌出現衰減主要是化學和物理作用的結果,具體機理如下:


低溫回灌原水在回灌過程中,對回灌井壁進行腐蝕,并逐漸結垢,隨著回灌時間的延長,腐蝕和結垢的程度越嚴重。之后,腐蝕過的鐵皮屑或結的水垢一旦脫落,就會下沉,當落在變徑口上,非常容易形成搭橋,將井筒堵死,對回灌造成阻力,從而導致回灌衰減;當落在井底,積聚的殘渣逐漸會對熱儲層巖溶裂隙形成堵塞,同樣造成回灌衰減。


針對以上分析,2016年以來我們對發生回灌衰減現象的5眼代表性回灌井進行了恢復回灌能力的試驗,全部恢復了這些井的回灌能力,摸索出地熱回灌井修復的方法。


另外,為了預防回灌能力衰減的問題,減緩衰減的速度,針對北京地區地熱流體腐蝕和結垢的特點,我們選擇代表性回灌井,對回灌工藝進行了研究和改進。通過進一步對供回路改造,在回灌井口增加過濾裝置和加壓裝置,改變回灌的環境條件,目前我們取得一些進展,下一步我們將對回灌衰減原因進行分類,制定減緩地熱回灌衰減的預防措施。


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