馬哲民，仝路，賈琛，宋帥良

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟寧 272100)

0 引言

菏澤市地熱資源豐富，但開采井過度集中在城區(qū)附近，導致供暖期集中開采區(qū)水位下降速度過快。目前，菏澤市奧陶系熱儲地熱井主要分布于定陶區(qū)、鄄城縣、鄆城縣及菏澤等城區(qū)及附近地區(qū)，利用方式以供暖為主、洗浴次之[1-2]，冬季供暖期開發(fā)利用尾水排放量較大,已導致區(qū)內(nèi)地熱水水位大幅下降，熱污染、化學污染等問題也較為突出，若長期只采不灌，不但會造成地熱資源浪費，還會導致地熱水位的加速下降，從而產(chǎn)生開發(fā)利用成本增加、取水困難等問題。針對上述地熱資源開發(fā)利用所產(chǎn)生的問題，有必要進行地熱尾水回灌。地熱回灌被公認為是一種減緩地熱水位下降的有效手段[3]，在菏澤市實行灌采結合的高效、合理開采方式，可以人為地增加地熱水資源的補給量，維持熱儲壓力，延緩地熱水水位下降速度，避免地熱尾水直接排放引起的熱污染和化學污染，從而保證地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用[4]。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地層

菏澤市及附近大部分地區(qū)均被第四系、新近系覆蓋，據(jù)現(xiàn)有鉆孔揭露地層資料，從新到老的地層有新生界第四系、新近系、古近系及古生界石炭-二疊系和奧陶系(圖1)。

1.2 構造

菏澤市地處華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)菏澤潛凸起(Ⅴ)構造單元內(nèi)。歷次構造運動造成該區(qū)斷裂構造十分發(fā)育，斷裂按其展布方向分為近EW向和近SN向斷裂2組。

2 地熱水形成條件

地熱水的形成一般與熱源和熱水補給源、熱儲、蓋層(保溫層)及導熱導水構造等因素有關。據(jù)地熱地質(zhì)條件，將復雜的、不規(guī)則的多斷塊的地質(zhì)形態(tài)，簡化為一個理想的幾何形態(tài)，建立如下熱儲模型(圖2)。

1—古近系；2—白堊系；3—侏羅系；4—石炭-二疊系；5—奧陶系；6—寒武系；7—新太古界；8—太古宙侵入巖；9—古元古代侵入巖；10—斷裂；11—工作區(qū)范圍圖1 菏澤地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

圖2 菏澤地區(qū)奧陶系熱儲模型示意圖

2.1 熱源

該區(qū)的熱源主要來自正常的地殼深部及上地幔傳導熱流。區(qū)內(nèi)斷裂除了本身產(chǎn)生一定的摩擦熱能外，主要是溝通了上地幔的巖漿熱源。地殼深部的熱能通過斷裂導能、熱的傳導和地下水的深循環(huán)對流作用，將熱能輸送至奧陶系熱儲層，遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫，使熱能儲存下來。

2.2 水源

該區(qū)地熱水補給來源主要為梁山北部山區(qū)的側(cè)向徑流補給，另外，新近系底部與奧陶系直接接觸的地段可能有明化鎮(zhèn)組熱儲地熱水越流補給奧陶系熱儲。

2.3 蓋層

奧陶紀灰?guī)r熱儲層的蓋層由第四系、新近系和石炭-二疊系構成[5]。

根據(jù)該次回灌工作施工的2眼地熱井及菏澤市城區(qū)已有地熱井鉆探資料，區(qū)內(nèi)新近系底板埋深在900～1000m，其中第四系厚度400m左右。第四系主要是沖洪積黃色粘土、粉質(zhì)粘土夾混粒砂；新近系厚度511～600m，主要以棕色為主的粘土巖夾粉質(zhì)粘土巖和粉、細砂巖。石炭-二疊系厚度經(jīng)揭露為5.85～131.24m，巖性為泥巖、頁巖、砂巖及少量灰?guī)r和煤層。巨厚的以粉質(zhì)粘土、粘土、泥巖為主的不透水層，結構較致密，熱導率低，切斷了含水層間的垂向運移，防止地下熱能的擴散，形成了該區(qū)地熱田良好的蓋層。

2.4 熱儲層

菏澤市城區(qū)的主要熱儲層為奧陶紀灰?guī)r巖溶裂隙熱儲。根據(jù)已有地熱地質(zhì)勘查及地熱井鉆探巖屑錄井資料，奧陶系熱儲層的巖性以棕灰、灰色灰?guī)r為主，厚至中厚層狀，結構致密，夾少量淺灰色、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及泥灰?guī)r等。根據(jù)回灌井HD1及開采井HD2測井資料，奧陶系熱儲巖溶裂隙較發(fā)育，巖溶裂隙發(fā)育深度1058～1324.50m，厚度143.00～152.30m；根據(jù)距回灌地熱井(HD1)約7.5km的千禧園小區(qū)地熱井測井資料，1400m以淺奧陶系熱儲巖溶發(fā)育段共13層，厚度253.30m，孔深1400～1700m以深奧陶系熱儲巖溶發(fā)育段共21層，厚度211.40m；孔隙度3.38%～10.4%，平均孔隙度6.03%，滲透率(0.1～6.74)×10-3μm2，平均1.77×10-3μm2。根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析結果，該熱儲層地熱水單位涌水量為5.21～7.46m3/h·m，地熱水礦化度為3.63g/L，pH值6.91，水化學類型為SO4-Ca·Na型水。

3 巖溶熱儲尾水回灌

3.1 采灌井井組配置

菏澤城區(qū)回灌工作施工了2眼奧陶系熱儲地熱井，一眼為地熱抽水井，一眼為地熱回灌井，成井深度均在1400m左右，兩井間距381.41m(圖3)。

圖3 開采井與回灌井成井結構示意圖

回灌井HD1實際成井深度為1406.18m(圖3)。該地熱井位于菏澤市長城路與桂棱路交匯處東北角。鉆進至971.33m時進行了第一次綜合測井工作。共下入石油套管972.13m，其中φ273.05mm石油套管長199.79m；φ193.68mm石油套管長772.34m。管口高出地面0.80m，石油套管實際下入深度971.33m。后進行了水泥注漿，共使用兩罐車水泥約60t，水泥漿從井口返出。在水泥凝固72h后，φ168mm口徑鉆進至1406.18m終孔，并進行了第二次綜合測井工作。

開采井HD2實際成井深度為1402.19m(圖3)。該地熱井位于菏澤市長城路與桂棱路交匯處東南角。鉆進至984.01m時進行了第一次綜合測井工作。共下入石油套管985.61m，其中φ273.05mm石油套管長186.37m；φ193.68mm石油套管長790.03m。管口高出地面1.6m，石油套管實際下入深度984.01m。后進行了水泥注漿，共使用兩罐車水泥約60t，水泥漿從井口返出。在水泥凝固72h后，φ168mm口徑鉆進至1402.19m終孔，并進行了第二次綜合測井工作。

3.2 試驗情況

由于沒有利用后的地熱尾水，僅進行了原水回灌(HD2地熱井水)和混水回灌(第四系淺井水和HD2地熱井水混和回灌)2次自然回灌工作，首先進行原水回灌，然后進行混水降溫回灌，均按不同回灌量進行3次回灌，回灌試驗動態(tài)曲線見圖4。

圖4 回灌量與水位埋深、水位升幅動態(tài)關系曲線

(1)原水回灌

原水回灌的水源為HD2地熱井水，抽出后沿輸水管道直接灌入HD1回灌井。回灌開采量可分為65.23m3/h,78.72m3/h,48.51m3/h;回灌量相應呈階梯型分為65.16m3/h,78.25m3/h,48.35m3/h。最大回灌量約78.25m3/h，連續(xù)時間達120h。

(2)混水回灌

混水回灌的水源為第四系淺井水與HD2地熱抽水井水混合后，經(jīng)除砂回灌HD1地熱井。目的是使回灌水溫與目前菏澤市地熱資源開發(fā)利用尾水水溫基本一致，經(jīng)調(diào)查菏澤市地熱尾水的排放水溫一般在36～41℃之間，平均38.5℃。因此，該次混水回灌的水溫基本控制在38～39℃之間。

混水回灌第一次開采量為熱水41.67m3/h,冷水18.5m3/h;第二次開采量為熱水53.32m3/h,冷水23m3/h;第三次開采量為熱水57.43m3/h,冷水24.08m3/h。對應的回灌量分別為60.5m3/h,76.38m3/h,84.48m3/h，最大回灌量為84.48m3/h，持續(xù)時間達240h。

4 回灌影響因素分析

4.1 回灌壓力影響分析

該次回灌試驗采用無壓的自然回灌方式，但也可以推出回灌與壓力的關系，即外加壓力統(tǒng)一到水頭變化上來。為進一步研究回灌量與回灌井水位升幅、單位回灌量的關系，進行回歸分析。

(1)回灌量與水位升幅

從圖5中可以看出，原水回灌與混水回灌在總體趨勢上均呈現(xiàn)出隨著回灌量的增加，回灌井的水位升幅也逐漸增加，回灌量與回灌井水位升幅呈正相關關系。

從圖5中亦可看出在相同回灌量的條件下，回灌水的溫度對水位升幅也有一定影響。回灌水在相對低溫的條件下，對回灌井水位升幅影響較小，使回灌井內(nèi)保持相對較大的回灌空間，更易于回灌。

圖5 回灌井水位升幅與回灌量關系圖

(2)回灌量與單位回灌量

抽水試驗中單位涌水量是含水層出水能力大小的重要指標?；毓嘣囼炛杏脝挝换毓嗔縼肀碚骰毓鄬游换毓嗄芰Φ拇笮?。根據(jù)HD1回灌井原水和混水回灌試驗的2組試驗數(shù)據(jù)可以看出(圖6)，回灌量隨著水頭的升高而增加，但單位回灌量卻不相同?；毓嗔吭黾拥倪^程對回灌水頭的影響，相當于物理運動中的加速度的概念。也可以理解為，隨著壓力的增大，回灌量增加的加速度在減小。當回灌量增加的加速度等于零時的壓力為最大壓力，這時再增大壓力回灌量反而減小。由圖6可以看出，無論是原水回灌還是混水回灌，單位回灌量都隨著回灌量的增大而減小。

圖6 回灌量與原水(混水)單位回灌量對比圖

4.2 回灌水溫影響分析

針對回灌尾水水溫對回灌效果的影響，該次進行了2種不同水溫條件下的回灌試驗，即一是用HD2地熱開采井中的地熱水(原水)做為回灌水源進行回灌試驗，回灌水源水溫為50℃；二是用HD2地熱開采井中的地熱水與附近溫度為17℃左右的淺井水通過混水罐進行混合后的水(混水)做為回灌水源進行回灌試驗，回灌水源水溫為39℃(基本與供暖尾水的水溫一致)。根據(jù)2種不同水溫的回灌試驗資料對比，當原水回灌水溫為50℃時，回灌量達78.25m3/h時，水位回升量為11.079m；當混水回灌水溫為39℃時，回灌量達81.48m3/h時，水位回升量為9.332m，這說明在回灌量相同的條件下，回灌尾水水溫越低，回灌的升幅越小，回灌量越大。分析其原因，考慮地熱水在不同溫度下所對應不同密度，相同水柱高度對回灌井底壓力不同。即通過P=ρgh公式，可以看出，同等水頭高度條件下，地熱水的密度越大，對井底壓力越大，相當于增加了回灌壓力，回灌效果也就越好。

4.3 回灌水質(zhì)影響分析

回灌對熱儲水質(zhì)的影響取決于回灌水與原熱儲層熱水水質(zhì)間的差別。為不影響熱儲層水質(zhì)，該次回灌試驗水源除采用同層地熱水外，還利用了附近淺井地下水做為降溫的回灌水源，淺井地下水的水質(zhì)要好于地熱水水質(zhì)，從回灌試驗過程中的4次水質(zhì)檢測以及抽水井成井時的一次水質(zhì)檢測結果對比(表1)，回灌前后，4次水質(zhì)檢測結果礦化度在3620.32～3815.04mg/L，水化類型均為SO4-Ca·Na型，對回灌井水質(zhì)化學含量影響較小。

表1 開采井HD2地熱水物理化學特征(mg/L)

根據(jù)一個多月的回灌試驗，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，說明該區(qū)奧陶系熱儲裂隙巖溶較發(fā)育，堵塞對回灌量的影響較小。但是從相鄰地區(qū)已進行過的回灌試驗看，堵塞問題嚴重，需定期回揚，因此分析堵塞原因。一般情況下因回灌造成堵塞的原因主要有以下4種[6-14]：

氣相堵塞：由于回灌裝置密封不嚴，回灌時攜帶大量空氣進入造成。堵塞較輕時，回揚水呈乳白色，夾有大量微小氣泡，嚴重時見大量氣泡并有很濃的臭味。

懸浮物堵塞：回灌水含有泥土、膠結物、有機物等雜質(zhì)。堵塞時回揚水渾濁，攜帶雜質(zhì)和泥砂。

鐵細菌堵塞：鐵細茵在地下水以亞鐵鹽為養(yǎng)料，以含水氫氧化鐵形式積存在粘液表面或表面內(nèi)而造成堵塞。在回揚時，水中含有大量棕紅色膠狀體粘著物并帶有臭味。

化學堵塞：回灌水中含有較高的溶解氧，其與地下水中的亞鐵離子作用，生成氫氧化鐵膠體物，沉淀于砂層孔隙及濾網(wǎng)周圍，而造成堵塞。在回揚時，水呈黃褐色，有臭味，夾有氫氧化鐵沉淀物[15-18]。

分析其原因，由于整個回灌裝置處于密閉狀態(tài)，因此回灌時不可能攜帶大量空氣進入，且回揚時沒有發(fā)現(xiàn)大量微小氣泡，所以不可能造成氣堵；而回灌時對回灌水進行除砂處理，因此不可能因回灌水本身造成懸浮物堵塞；但分析由于回揚與回灌是一個互為逆過程，因此在回灌時會使一些原本沉積下來的細顆粒在水力的反復作用下重新懸浮，然后就有可能沉積在砂層的孔隙中，這樣就造成了水力通道的淤堵；而區(qū)內(nèi)少數(shù)地區(qū)地熱水存在易溶氣，在回灌過程中，存留在砂層孔隙中，也造成了水力通道的淤堵；另外還有一種可能就是回灌水中含有少量的溶解氧，它與回灌井水中溶解的亞鐵離子相互作用，生成氫氧化鐵膠體物，沉淀于砂層孔隙而造成堵塞。

通過以上分析可以看出，回灌會對水力通道造成一定的堵塞，隨著回灌時間的延續(xù)回灌量會逐漸衰減。因此，地熱回灌試驗過程中對地面凈化設施進行了完善，除進行了基本的除砂、排氣等，還需在設備安裝時注意接口的密閉性，以防止管道中空氣的混入。

4.4 熱儲巖性影響分析

對奧陶系熱儲而言，熱儲層的巖性、地層的巖溶裂隙率和滲透性對回灌率起到非常重要的作用，巖溶裂隙發(fā)育程度越高，滲透性越好，回灌率就越高，且不易產(chǎn)生堵塞，需要回揚的時間較長；巖溶裂隙發(fā)育程度越差，滲透性越差，回灌率就越低，且易產(chǎn)生堵塞，需要回揚的時間較短。

對孔隙型熱儲層的地層巖性、巖土顆粒大小、地層的孔隙率和滲透性對回灌起非常重要的作用。砂巖孔隙型熱儲回灌率低的主要原因為回灌堵塞嚴重，不同地區(qū)的熱儲巖性在垂向和水平向上都有一定差異，理論上來說砂巖熱儲厚度、顆粒粒徑、孔隙度越大，滲透性好越利于回灌，另外砂巖膠結程度對回灌也有一定的影響，特別是在回揚和回灌過程中易引起熱儲層砂巖顆粒的脫離巖石處于懸浮狀態(tài)，堵塞回灌通道[19-20]。

5 討論

該次研究熱儲層為奧陶紀碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲，據(jù)該次地熱井鉆探資料及抽水試驗數(shù)據(jù)顯示，熱儲層孔隙度較大，滲透性好，有利于地熱水回灌。

在整個回灌試驗過程中，可連續(xù)回灌不須回揚，且原水(回灌水溫50℃)回灌量維持在78.25m3/h，穩(wěn)定回灌水位埋深還有21.60m，當混水(回灌水溫39℃)回灌量維持在81.48m3/h，穩(wěn)定回灌水位埋深還有23.365m。根據(jù)前述的回灌量與水位升幅關系，推測當回灌水位到達井口時的最大回灌量為110～130m3/h，經(jīng)調(diào)查目前供暖過程中，地熱井的平均最大的開采量為90m3/h左右，完全可1∶1進行回灌，回灌能力有保證。

綜上，菏澤市城區(qū)奧陶系回灌效果良好，回灌潛力巨大，在菏澤市奧陶系熱儲中進行回灌是可行的。

6 結論

(1)通過回灌試驗，說明該區(qū)奧陶系熱儲回灌效果良好，回灌潛力較大，據(jù)回歸分析推測當回灌水位達到地面時，最大自然回灌水量達110～130m3/h。

(2)回灌對水溫、水質(zhì)影響不大。在回灌量相同的條件下，回灌尾水水溫越低，回灌的升幅越小，回灌量越大。