甄垣津，曾小強，沈 健，王光輝，牛偉達

(1. 天津市廣視房地產(chǎn)開發(fā)公司 天津300204；2. 天津地熱勘查開發(fā)設計院 天津300250；3. 天津市國土資源和房屋管理局地質(zhì)事務中心 天津300042)

天津市地熱供熱單井回灌整合方法探析
——以河西區(qū)某井為例

甄垣津1，曾小強1，沈 健2，王光輝3，牛偉達2

(1. 天津市廣視房地產(chǎn)開發(fā)公司 天津300204；2. 天津地熱勘查開發(fā)設計院 天津300250；3. 天津市國土資源和房屋管理局地質(zhì)事務中心 天津300042)

天津是我國地熱資源開發(fā)較早的地區(qū)之一，但是隨著需求的不斷增加，地熱資源開采量不斷加大，影響了地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用。地熱供暖單井的資源整合是地熱資源保護的重要工作之一，通過對河西區(qū)某井的地熱資源整合，實現(xiàn)了地熱資源的回灌開采模式，年新增地熱回灌量37×104,,m3，為今后地熱資源的整合工作起到了示范作用。

地熱資源 地熱單井 回灌 整合

0 引 言

天津是我國地熱資源開發(fā)較早的地區(qū)之一，地熱開發(fā)利用規(guī)模和水平均走在全國前列。[1]然而，隨著需求的不斷增加，地熱資源開采量不斷加大，出現(xiàn)了熱儲壓力持續(xù)下降、排放尾水溫度過高、地熱資源利用率降低等問題，影響了地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用。近年來，天津市在地熱供暖項目上采用對井采灌開發(fā)利用模式，建成了多處地熱對井采灌系統(tǒng)，從實際運行看，效果較好。[2]但早期形成的一些地熱供暖利用系統(tǒng)仍為單井開采，若為這些項目補建回灌井，大多受到經(jīng)濟、施工場地和地質(zhì)構造等條件的制約，落實難度很大。對現(xiàn)有的地熱單井進行合理的資源整合，組成采灌系統(tǒng)，既可以減少補建回灌井的鉆探施工費用，又可以加強回灌，提高地熱利用率，還符合政府回灌補貼政策，一舉多得；從區(qū)域上看，可以有效緩解熱儲壓力下降，促進天津市地熱可持續(xù)開發(fā)利用和環(huán)境保護工作。

1 地熱單井回灌整合可行性分析

地熱單井回灌整合一般有兩種方式：①在兩眼開采單井相距較近，且供熱面積較小的情況下，將其中一眼開采單井改造為回灌井，通過管路連接將原有的兩個單井開采系統(tǒng)改造為一個對井采灌系統(tǒng)，實現(xiàn)地熱單井的回灌。②開采單井與周邊現(xiàn)有回灌井相距較近，可通過管路連接將該井的地熱尾水回灌至回灌井中，實現(xiàn)地熱單井的回灌。

本項目符合第2種情況，H-1地熱開采井位于河西區(qū)友誼北路附近(見圖1)，該井成井于1996年。開采熱儲層為中新元古界薊縣系霧迷山組，該井年平均開采量為20×104,m3，主要為居民小區(qū)進行集中供暖。由于是單井開采形式，溫度高達50,℃的地熱尾水直接排放到市政污水管網(wǎng)，不但造成了地熱資源的極大浪費，也對市政管網(wǎng)的水處理形成了較大的負擔。

圖1 地熱井交通位置圖Fig.1 Traffic location map of geothermal wells

H-4、H-3地熱井與H-1地熱井相距較近(見圖1)。兩井熱儲層均為薊縣系霧迷山組，目前H-4井與H-3井為一對采灌系統(tǒng)，年均回灌量約為17×104,m3，回灌率100%,。

根據(jù)兩個系統(tǒng)的運行記錄：H-1井在供暖季最大開采量為100,m3/h左右，H-1井的流體未來可回灌至H-3井的最大量為60～80,m3/h，回水溫度為45～50,℃；H-4井的流體回灌至H-3井的最大量為80～120,m3/h，回水溫度約為45～48,℃。因此整合后最大回灌量為140～200,m3/h左右。

H-3井回灌能力一直較為穩(wěn)定，始終未出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象。以2014年為例，供暖季平均回灌量在80,m3/h左右，該井穩(wěn)定動水位為110,m，回灌率達到100%,。說明該地區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲層巖溶裂隙發(fā)育，回灌能力較強。H-3經(jīng)過科學的技術改造后具備滿足“兩采一灌”的回灌潛力。

根據(jù)2014天津地區(qū)地熱資源動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域霧迷山組水位每年下降4～5,m。為了保護地熱資源，實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用，本整合項目將H-1地熱開采單井并入H-4與H-3地熱井系統(tǒng)中，形成“兩采一灌”開發(fā)利用模式，既可增加地熱水資源回灌量、維持熱儲壓力，又可減少尾水排放，降低對環(huán)境的影響。

2 回灌整合工作

2.1 地熱回灌井技術改造

在熱儲層裂隙發(fā)育程度滿足的情況下，利用酸化壓裂的方法可以有效提高地熱井的產(chǎn)能，尤其在對老舊回灌井修復處理中，對提高回灌效果極為重要，[3]同時對于提高地熱井的使用壽命和維持地熱資源的可持續(xù)發(fā)展效果顯著。根據(jù)以往監(jiān)測資料顯示，H-3井具備較強的回灌能力，但由于該井使用年限過長，導致井底銹蝕物堆積。為了確保該系統(tǒng)冬季的正常使用，更好地增大回灌井的回灌能力，本項目采用了酸化洗井的方法對回灌井進行處理，增大回灌量，進而滿足未來兩采一灌的需求。酸化洗井主要工藝方式及參數(shù)如下：

酸化工藝：鹽酸酸壓工藝；

擠注方式：正擠；

濃度：22%,；

擠注壓力：≤20,MPa；

排酸方式：汽化水排酸。

2.2 地面回灌系統(tǒng)技術改造

天津市基巖裂隙熱儲層的回灌研究工作始于20世紀80年代，[4]經(jīng)過多年的研究和實際運行監(jiān)測，基巖熱儲地熱回灌系統(tǒng)對于回灌水質(zhì)主要有以下要求：

①水質(zhì)穩(wěn)定，回灌水與儲層水相混不應產(chǎn)生沉淀，以防止回灌水質(zhì)對良好熱流體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害影響；

②回灌水注入目的熱儲層后不應使巖石礦物產(chǎn)生水化反應；

③回灌水中不得攜帶大量固體懸浮物，以防堵塞滲流裂隙通道；

④回灌水不應是存放時間長、已滋生各種細菌的二次污染水；

⑤回灌水對回灌系統(tǒng)設施的腐蝕性小。

因此，需要對灌入回灌井的地熱尾水水質(zhì)進行嚴格控制，合理的地面回灌系統(tǒng)可以有效避免回灌的物理堵塞、氣體堵塞等，提高回灌率、維護回灌井的持續(xù)有效運行，保證地熱回灌通暢并具可持續(xù)性。地面回灌系統(tǒng)改造工作主要有：

2.2.1 保證回灌系統(tǒng)密閉性

回灌系統(tǒng)要嚴格保證密閉性，避免回灌流體回溫度、壓力等因素變化而產(chǎn)生沉淀，從而導致熱儲層堵塞。

2.2.2 增加過濾設備

為有效減少回灌中的堵塞，保證回灌順利開展，在回灌井口需設置過濾器，過濾精度為50,μm，采用自清洗及多臺過濾器并聯(lián)安裝，當進行清理或維修時，不會影響回灌工作的進行。過濾器進出口兩端均需安裝壓力監(jiān)測儀器，根據(jù)壓力變化制定反清洗的時間，以保證過濾效果。

2.2.3 增加排氣罐

回灌流體由于管徑阻力和流動狀態(tài)的變化，水動力流場狀態(tài)也會發(fā)生變化，流體中的部分氣體析出并生成氣泡，駐留在巖石空隙中會產(chǎn)生氣堵。在回灌前應設置排氣裝置，地熱尾水進入罐體，由于管徑的變化，流速迅速降低，壓力下降，氣泡內(nèi)的壓力和罐內(nèi)壓力形成壓差，迫使氣泡爆裂，將氣體釋放出來并通過排氣閥排除。

2.2.4 安裝地熱輸送泵

由于H-1井至H-3回灌井的輸水管線長度較長，為使地熱尾水順利回灌，需要在H-1地熱井泵房增加地熱輸送泵。由于水泵為供暖期連續(xù)運行，因此水泵設置為一用一備共兩臺。

2.2.5 儲水罐安裝

由于H-1井地熱尾水隨氣溫變化隨時調(diào)整，且地熱尾水壓力很低，為保證地熱輸送泵前壓力，防止抽空，需要在H-1地熱井泵房增加儲水罐1個。

改造后的地面回灌系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 地面回灌系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ground return irrigation system

2.3 回灌管路敷設

管道設計參數(shù)為DN150。根據(jù)施工現(xiàn)場的實際條件，在原有穿越主路管道的基礎上，以直埋、架空和導向鉆牽引管敷設作為管道的鋪設方法。

在設備安裝和管道敷設施工過程中對施工質(zhì)量進行嚴格控制。認真審查施工單位的三大保證(質(zhì)量、技術、安全)體系及特殊工種上崗證，審查施工單位報審的施工組織設計、各專項施工方案等。專門安排專業(yè)人員對施工過程進行巡視和檢查，對隱蔽工程的關鍵工序、關鍵部位進行旁站監(jiān)督。對工程質(zhì)量按照相關規(guī)范、標準進行審查和檢驗，不符合規(guī)范要求的不準進入下道工序。通過施工事前、事中和事后控制，有效確保了施工的工程質(zhì)量。

3 回灌整合效果驗證

為了驗證回灌整合系統(tǒng)建成后的實際回灌效果，系統(tǒng)建成后在供暖期間進行了240,h的生產(chǎn)性回灌試驗。穩(wěn)定回灌量為180,m3/h，穩(wěn)定動水位60,m，試驗過程如圖3所示。實踐證明，改造后回灌系統(tǒng)的回灌能力有了較大提高，確保了今后兩采一灌系統(tǒng)的正常運行。

圖3 回灌試驗歷時曲線圖Fig.3 Duration curve of the irrigation experiment

4 回灌整合系統(tǒng)效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

根據(jù)目前天津市礦產(chǎn)資源補償費的優(yōu)惠政策，對采取回灌方式進行開發(fā)利用的單位，回灌部分的礦產(chǎn)資源補償費只收取正常費用的30%,。H-1地熱開采井溫度為85,℃，供暖和生活熱水部分征收的礦產(chǎn)資源補償費為2.0元/m3，回灌量部分征收的礦產(chǎn)資源補償費為0.6元/m3。按照年可回灌量18×104,m3計算，對原有地熱井整合后，每年礦產(chǎn)資源補償費可節(jié)省25.2萬元，由于地熱水回灌部分可以免繳排污費，按1.2元/m3計算，每年可節(jié)省21.6萬元，因此，年節(jié)約費用總計46.8萬元。

4.2 社會效益分析

目前很多早期進行地熱開發(fā)利用的單位由于沒有回灌井，存在著地熱尾水直接排放的情況，造成了極大的資源浪費。這些供熱系統(tǒng)多位于城市中心繁華地段，受施工場地限制難以再補建回灌井。該項目的完成，對于原有老城區(qū)地熱井的資源整合保護具有重要的推廣意義。項目本著資源保護的原則，采用整合方式，在不影響原有能源需求的前提下，將H-1開采單井并入到H-4與H-3采灌系統(tǒng)中，實現(xiàn)利用地熱尾水回灌保護地熱資源的目的，緩解了熱儲壓力的下降速率，延長了地熱田的使用壽命，有效保護了地熱資源，推動了地熱資源的可持續(xù)發(fā)展進程。

4.3 環(huán)境效益分析

地熱尾水直接排放至市政管網(wǎng)，不但造成了地熱資源的極大浪費，也對市政管網(wǎng)的水處理形成了較大的負擔。通過整合地熱資源，地熱尾水全部實行了回灌，有效保護了生態(tài)環(huán)境，最大程度地減少了廢水的排放。

［1］ 天津地熱勘查開發(fā)設計院. 地熱集中開采區(qū)回灌開發(fā)布局和資源整合規(guī)劃研究報告[R]. 2009.

［2］ 趙蘇民，孫寶成，林黎，等. 沉積盆地型地熱田勘查開發(fā)與利用[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2013.

［3］ 天津地熱勘查開發(fā)設計院. 天津市重點地熱田回灌布局規(guī)劃研究報告[R]. 2008.

［4］ 林黎，王連成，趙蘇民，等. 天津地區(qū)孔隙型熱儲層地熱流體回灌影響因素探討[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，35(224)：125-128.

Analysis on the Integration Method of Single Well and Recharge of Geothermal Heat Supply in Tianjin：A Case Study of a Well in Hexi District

ZHEN Yuanjin1，ZENG Xiaoqiang1，SHEN Jian2，WANG Guanghui3，NIU Weida2
(1.Tianjin Guang Shi Real Estate Development Company，Tianjin 300204，China；2.Tianjin Geothermal Exploration Development Designing Institute，Tianjin 300250，China；3.Center of Geology，Tianjin Bureau of Land Resources and Real Estate Management，Tianjin 300042，China)

As one of the earlier cities engaging in geothermal resource development，Tianjin is facing the problem of sustainable development of geothermal resources following their increasing demands and expanding exploitation quantity.For single well，geothermal heating resources integration is one of the important works for geothermal resources protection.This paper takes geothermal resources integration of a well in Hexi District as an example to explain the geothermal resources exploitation and reinjection mode.It shows that new geothermal recharge volume reaches 37×104cubic meters.This study will provide a demonstration for future work of geothermal resources integration.

geothermal；geothermal single well；recharge；integration

TD98

：A

：1006-8945(2016)04-0056-04

2016-03-14