崔圓圓

(山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

黨的“十八大”報告提出“推進綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展”、“建設美麗中國”。闡釋了推進生態(tài)文明建設，大力發(fā)展可再生能源的重要性和必要性。山東省地熱資源豐富，合理開發(fā)利用地熱能對建設生態(tài)山東具有重要意義，是構建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障能源安全、改善山東省現有能源結構、促進節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的重要措施。

近年來，隨著地熱資源的持續(xù)開采，地熱水已完全失去補采平衡，導致了地熱水位持續(xù)下降，形成降落漏斗。地熱資源的不合理使用和熱流體的隨意排放造成了資源浪費，引起了較為嚴重的熱污染和化學污染問題。為解決這些問題，山東省陸續(xù)開展了多次地熱尾水的回灌試驗工作，效果較為顯著。

1 國外地熱回灌研究現狀

1969年美國加州Geysers地熱田揭開了地熱回灌序幕，開展了世界上第一個地熱回灌項目，以避免熱流體在地表排放而引起的熱污染和化學污染，克服熱儲壓力的降低，維持地熱田的生產能力。但是，無法完全克服熱儲壓力的降低；1980年開始使用地表水進行回灌；1997年開始回灌經處理后的污水和湖水的試驗。通過回灌實現了Geysers地熱田的可持續(xù)生產[1-2]。

法國巴黎盆地中、低溫地熱田地熱回灌效果較好。法國是中低溫、盆地型地熱回灌最為突出的代表。1969年在侏羅道格統(tǒng)灰?guī)r建立了世界上第一個“對井”系統(tǒng)，并于1995年開始嘗試“二采一灌三井”系統(tǒng)，目前共有61個地熱供暖系統(tǒng)在運行，地熱供暖住戶約20萬套。砂巖回灌試驗，衰減很快，對回灌井要定期進行維護；需加壓運行，電能消耗大。要實現長期穩(wěn)定回灌，還需對技術、工藝進行研究，并實現經濟上的最大化[3-4]。

20世紀末，地熱界對砂巖熱儲層地熱水的回灌進行過深入細致的研究。德國通過對孔隙型儲層宏觀(分布、垂向結構變化)、微觀(孔隙度，孔徑、顆粒排列)等特征進行研究，對流體的化學組成、懸浮物、流體中所含氣體、井口流體的溫度、回灌溫度等進行測試。在砂巖熱儲層地熱水的開采與回灌方面取得值得借鑒的豐富經驗，代表性項目有Waren、新魯賓市、Klaipeda等，回灌效果較好，回灌量多在50m3/h左右，最大的為150m3/h。

現在，回灌技術在新西蘭、冰島、意大利、日本等國得到不同程度的應用。但從地熱回灌的廣泛推廣和長期應用看，還面臨很多已有和未知問題待研究解決。

2 國內地熱回灌研究現狀

2.1 北京市地熱回灌研究

我國最早的地熱回灌是1982年初在北京城區(qū)地熱田東南部進行的回灌試驗?；毓鄽v史可分為3個階段：

1974-1983年：試驗研究階段，關注點是回灌后多長時間冷水被加熱。

2001-2002年：示范工程建設階段，結論回灌技術可行。

2003年至現在：回灌推廣應用階段，回灌發(fā)展迅速。以小湯山為例，2004年回灌井數增加到6個，回灌量達到102.7萬m3，占當年熱田開采量的36.5%，2006年6月回灌量達到132.27萬m3，占當年熱田開采量的56.6%。通過控制開采量，增大回灌量，其地下水位有明顯回升，地熱回灌效果明顯[5]。

2.2 天津市地熱回灌研究

天津1992年在塘沽區(qū)開鑿新近紀砂巖孔隙型回灌井進行回灌試驗，經過近20年的地熱回灌試驗研究，認為熱儲層的巖性特征及膠結程度為影響回灌效果的主要因素，對于孔隙型熱儲層來說，粒徑粗的熱儲層易于粒徑細的熱儲層，在試驗過程中，對回灌井的成井工藝進行了研究。

2010年天津市地熱勘查開發(fā)設計院針對濱海新區(qū)塘沽中心區(qū)孔隙型熱儲埋藏深的特點，在理論分析和模擬演算的基礎上，分別在渤海石油基地和河濱公園采用新成井工藝開鑿了2眼地熱回灌井，其回灌能力都達到了預期效果。其中1口回灌井自然回灌狀況下回灌量達到103m3/h，回灌溫度34℃，穩(wěn)定回灌水位22m，穩(wěn)定時間137h；另1口回灌井回灌試驗總歷時305h，回灌溫度66℃，當回灌量達到120m3/h時，穩(wěn)定回灌水位15.58m，穩(wěn)定時間94h。

2012年天津市地熱勘查開發(fā)設計院在武清區(qū)天和林溪小區(qū)內施工了一對新近紀館陶組地熱井。兩口地熱井均采用了定向造斜技術，先下管成井、后射孔成井工藝。井口距離5m，井底距離800m，熱儲層位館陶組。項目共進行了3個穩(wěn)定灌量的試驗，其中最大回灌量以35℃地熱流體回灌，回灌量為120m3/h，穩(wěn)定時間36h，穩(wěn)定水位74～75m，表明該地熱對井回灌效果非常理想。這一試驗成果驗證了天津北部新近紀館陶組回灌的可能性[6-8]。

存在問題：天津的回灌經驗技術，針對砂巖孔隙型熱儲回灌已有很大進步，獲得寶貴的技術資料和實踐經驗。但砂巖孔隙型熱儲回灌量雖然較大，但回灌持續(xù)時間較短。還需要加強持續(xù)回灌對熱儲層、回灌量的影響等問題進行研究。

2.3 西安市地熱回灌研究

西安市主要有第四紀秦川組和三門組、新近系張家坡組、藍田灞河組、高陵群和白鹿塬組6個熱儲層段。其中藍田灞河組為區(qū)內的主要開采層，巖性為細砂巖、砂礫巖互層?？偟奶卣鳛樯皫r顆粒較粗、半固結，較疏松，分選較差，滲透率較大。

西安市第1口回灌井于2002年成井，井深2300m，西安市礦產資源管理局曾進行過為期50d的地熱水回灌試驗，從開采井里抽上來的地熱水經降溫處理，按20m3/h回灌利用后的尾水，隨后將根據儲熱層滲透性及回灌難易程度，逐漸增加回灌量。證明西安地區(qū)熱儲層進行回灌是可行的。

隨后幾年，西安市不斷加大地熱資源回灌研究力度，借鑒冰島及國內相關技術，結合秦都區(qū)地質條件進行的地熱回灌技術于2009年11月14日開始，進行了5晝夜的回灌試驗，取得了初步成功。2011年，西北大學地質系任戰(zhàn)利研究員和西安市水資源利用技術服務中心共同完成了《西安地熱水回灌試驗研究》，針對西安市地熱田的熱儲層物理性質和孔隙結構的特征，對不同回灌方案地熱開采井和回灌井地熱水地球化學特征及回灌堵塞原因進行了分析，對回灌方案進行了優(yōu)選，提出回灌井配套設備工藝及技術要求，推進了西安市地熱回灌試驗的進程[7]。

3 山東省地熱回灌試驗工作

截至目前，山東省進行了多次地熱回灌工作，逐步改進回灌水源、回灌壓力、成井工藝、回灌水源溫度，回灌技術日趨成熟。

“未處理—除砂、除鐵—精校過濾”是回灌水源處理的3個主要階段。最早進行的是原水回灌，由于含有大量泥沙，回灌后造成嚴重堵塞，致使回灌井的生產能力嚴重下降。后開始加入除砂器對回灌水源進行處理，堵塞問題得到一定改善，但由于除砂器過濾精度有限，仍會造成堵塞，回灌量衰減迅速。經過一段時間的探索，近年來開始使用粗效過濾器和精校過濾器對地熱尾水進行進一步的處理，堵塞問題得到較大改善，但經過一段時間的回灌之后回灌量仍舊衰減嚴重。

回灌壓力主要經歷了“自然回灌—加壓回灌—加壓回灌與無壓回灌相結合”3個階段。最早采用的是自然回灌，回灌量普遍較小。隨后開始使用加壓泵進行加壓回灌，回灌量有明顯增加。由于加壓回灌對設備的密封條件要求很高，成本較高，因此后期開展的回灌工作開始采用加壓回灌和自然回灌相結合的方式進行。

回灌試驗開展初期，利用地熱生產井進行的試驗，特點是成孔口徑較小，濾水管多使用包網等方式成井。后期，通過借鑒國內外經驗技術，開始施工專門的回灌井進行回灌試驗，從成井工藝上看，開始使用石英砂充填含水層，并使用大口徑成孔工藝，以增加過水斷面，有效地增大了回灌量。

早期回灌水源采用的是地熱原水，回灌水源溫度與熱儲層溫度基本相同，無法確定回灌水源的溫度對水源井開采溫度的影響。后期商河縣泰和名都小區(qū)采用了供暖后地熱尾水進行回灌，回灌水源溫度為26℃左右，并貫穿整個供暖期。監(jiān)測水源井開采溫度，對研究供暖期持續(xù)回灌對熱儲層溫度的影響有重大意義。

3.1 德城區(qū)首次回灌試驗

2006年，由山東省魯北地質工程勘察院承擔完成的1∶100萬《山東省地熱資源開發(fā)利用效應及模式調查研究報告》，參照天津等地區(qū)地熱回灌模式第一次在德州市德城區(qū)進行了一組地熱回灌試驗，回灌熱儲層為館陶組，地熱回灌采用同層對井加壓回灌方法，在不同壓力條件下進行回灌。

試驗證明，在山東省進行地熱回灌以減緩水位下降是可行的。且壓力回灌相對自然回灌更利于回灌；回灌量隨著回灌壓力的增大而增大，單位壓力回灌量隨著壓力的增大而快速減小，但均不呈線性關系，均呈冪函數關系。

由于是首次試驗，回灌的工藝技術還在摸索階段，僅采用已有開采井進行原水回灌，沒有相應防堵措施或設備，且回揚及間隔時間沒有足夠的經驗借鑒，回灌量相對較低，并產生了嚴重堵塞，影響了原有的正常開采量，最后經過多次酸洗，開采量歸為正常[9]。

3.2 東營城區(qū)首次回灌試驗

2006年，東營市國土資源局提交了由山東省地礦集團有限公司施工完成的《山東省東營市城區(qū)地熱資源人工回灌調查報告》。主要采用了自然回灌方式，并分別進行了同層回灌和異層回灌兩組試驗。魯班公寓東熱12井既為地熱井流量試驗時抽水主井，又是回灌試驗時的回灌水源井。周邊多井進行了觀測。

試驗證明，單井回灌量與回灌水頭升高呈正相關性，大致符合指數函數關系，回灌水頭隨回灌量的增大而升高，升高幅度大于回灌量的增加幅度；而同層為異層回灌量的3倍左右，進一步證明同層回灌優(yōu)于異層回灌。

區(qū)內第一次對東營組熱儲進行回灌試驗，采用已有開采井作為回灌井，進行原水回灌試驗，由于經驗技術等不足，對回揚措施采用不夠，且沒有進行密封加壓等工藝，回灌量較低，回灌堵塞嚴重，回灌時的單位水頭升高回灌量與抽水時的單位降深涌水量比值為9.5%～22%(館陶組同層回灌：17%～22%；館陶組、東營組異層回灌：9.5%～10.5%)[10]。

3.3 德城區(qū)二次回灌試驗

2011年，山東省魯北地質工程勘察院提交了《山東省德州市城區(qū)地熱資源回灌勘查報告》，對德州市城區(qū)地熱資源回灌條件進行了勘查，并分別在德州東建花園和水文地質二隊進行了2組回灌試驗，回灌壓力包括無壓和有壓2種。采用同層對井加壓回灌模式進行回灌，回灌井的注水層與開采井的取水層均為館陶組熱儲。

在前期工作的基礎上，改進了試驗方法、工藝，認為在工作區(qū)內進行地熱回灌，可以在控制開采量的前提下進行加壓回灌，單井開采量宜控制在60m3/h，回灌時可以采用5個大氣壓進行1對2同層對井回灌，或采用15個大氣壓進行1對2同層對井回灌。且目前的回灌空間看，不適于大規(guī)模地熱自然回灌和加壓回灌。該次回灌比較前期回灌試驗在工藝流程上取得一定的進步，進行了加壓、密封及除砂、除鐵等簡單的過濾裝置，在回灌期間根據回灌量和水質變化，加密了回揚次數，回灌時的水頭升高回灌量與抽水時的同降深涌水量比值增加為13%～38%[11]。

雖然該次試驗在方法、工藝上進行了改進，回灌量不大(60m3/h及以下)的情況下，基本能做到100%的回灌率，但是如果要求的回灌量大幅度提高，回灌率將會隨之降低。

3.4 平原縣回灌試驗

2012年，山東省魯北地質工程勘察院提交了《山東省德州市地熱回灌試驗報告》，查明了區(qū)內地熱回灌條件，在平原縣施工了一眼回灌井，采用大口徑填礫成井工藝、并增加了密封、除砂、除鐵、精、粗過濾器、排氣灌等地面凈化設施，根據回灌時水質、水量變化，進行2周一次回揚。

隨著回灌量的增加，回灌井的水位升幅也逐漸增加(表1)，回灌量與水位升幅符合三次多項式回歸(表1、圖1)。

表1 平原縣回灌試驗回灌量與水位升幅數據對比

圖1 平原縣回灌試驗回灌量與水位升幅回歸曲線

當回灌量等幅度增加時，回灌井水位的增幅呈增大趨勢，回灌量與回灌井水位增量符合一元二次多項式回歸(表2、圖2)。

表2 平原縣回灌試驗回灌量與水位增量數據

圖2 平原縣回灌試驗回灌量與回灌井水位增量回歸曲線

該次回灌試驗系結合天津地區(qū)砂巖熱儲地熱回灌井鉆探成井工藝進行的首次回灌井鉆探工作基礎上進行的回灌試驗，在自然無壓條件下回灌量可達70m3/h，山東省地熱回灌試驗工作取得較大進步[12]。

該次回灌僅為地熱原水進行的回灌，回灌井與開采井間距僅為230m左右，溫度相差在1℃以內，極易形成采灌循環(huán)，無法檢測其溫度場變化，是否能達到采補的熱平衡，且回灌過程需要定期回揚，根據省內尾水水溫、水質情況，要實現長期穩(wěn)定回灌，還需對技術、工藝進行研究，并實現經濟上的最大化。

3.5 東營市南展區(qū)地熱回灌

山東省地礦工程集團有限公司于2014年在東營市施工了2眼地熱井，一采一灌，屬同層對井回灌。分別進行了自然回灌，低壓力(0～0.2MPa)回灌、中壓力(0.2～0.3MPa)回灌、高壓力(大于0.3MPa)回灌4組回灌試驗。

在吸取其他回灌試驗經驗的基礎上，優(yōu)化了成井工藝，回灌井采用優(yōu)質石英砂充填過濾層，上部粘土球止水的施工工藝。加壓回灌，壓力越大，回灌量越大。回揚對地熱井回灌量有較明顯的改善，該次回灌相同壓力條件下，較回揚前，回揚后的回灌量增加4m3/h。

回灌管路的密封性對回灌有影響，當管路內的氣體經過充分排放后，回灌量有所增加，該現象在自然回灌前期、中后期尤為明顯，該次設定的自然回灌實際上是定期排空狀態(tài)下的“偽自然回灌”。初步分析主要與開始設定的回灌量過大有關[13]。

3.6 濟南市商河縣地熱回灌

商河縣地熱資源豐富，開發(fā)利用層位主要為新近紀館陶組，開采量較大，因此進行的回灌試驗工作較多，分不同地區(qū)進行3次回灌試驗工作。

3.6.1 玉苑小區(qū)回灌

2012年，商河縣在玉皇廟鎮(zhèn)玉苑小區(qū)施工了地熱開采井和回灌井擬用于回灌工作，并于2013年初進行了短期的回灌調試，回灌調試初期采用無壓自然回灌：回灌量分別為15m3/h，25m3/h，45m3/h，至45m3/h左右井口有水溢出。

回灌試驗證明，該區(qū)開展回灌試驗是可行的。

工作區(qū)內欲推行地熱尾水回灌工作，應加強地熱尾水回灌的研究工作，明確工作區(qū)孔隙熱儲地熱回灌效果的影響因素、回灌對同層位地熱儲層水溫、水質的影響、研究回灌條件下的熱儲層各項參數的變化規(guī)律、提出合理的地熱尾水回灌方案。

3.6.2 旭潤新城小區(qū)回灌

該回灌試驗采用的是同層對井回灌，2井地面直線距離150.1m，回灌井為斜井，340m以深，NE方向傾斜，角度約30°，兩井熱儲層中點間距約500m。為提高回灌率，地熱尾水在注入回灌井之前，利用粗效過濾器和精效過濾器進行了過濾處理，過濾精度達到了3～5μm。

根據數據曲線的階梯回灌形態(tài)，開采量可分為77m3/h,71m3/h,65m3/h，60m3/h,56m3/h;回灌量相應呈階梯型分為75m3/h,66m3/h,54m3/h,43m3/h，37m3/h(表3、圖3)，尾水最大回灌量約75m3/h，連續(xù)時間達40380min。

表3 商河縣城旭潤新城回灌試驗數據

圖3 旭潤新城小區(qū)地熱回灌試驗總體曲線圖

回灌試驗所求得的滲透系數為成井時降壓試驗所求得的滲透系數的67.8%，館陶組熱儲含水層的回灌性能要遠弱于涌水性能。無壓情況下，回灌井初始水位埋深對回灌量有很大影響。相同地質條件下，回灌井初始水位埋深越大，回灌量越大，回灌效果越好。該次試驗為同層回灌，熱儲層為館陶組，水質分析結果表明，同層回灌，水質差異小，對熱儲層水質穩(wěn)定影響小。采用同層對井無壓流-回揚的回灌模式，并在地面設施方面增加除砂、過濾、排氣等設施，在商河縣開展回灌工程是可行的。

該次回灌試驗，對比以往省內砂巖熱儲回灌試驗，在自然回灌條件下，尾水最大回灌量約75m3/h，連續(xù)時間達673h，合計28d，該次回灌試驗取得了重大突破。

此次回灌試驗在回灌井成井結構方面，由于成孔口徑較小，過水斷面較小，一定程度上影響了回灌量和灌采比?；毓嗄Ｊ街饕捎脽o壓自流回灌，隨著開采量變小，回灌量降低，灌采比逐漸減小[14]。

3.6.3 泰和名都小區(qū)回灌

2015年，山東省地礦工程集團有限公司在泰和名都小區(qū)內施工一眼地熱尾水回灌井。水源井位于商河縣泰和名都小區(qū)內，于2014年6月成井。水源井與回灌井井口直線距離240m。回灌場地靠近商河縣城地區(qū)降落漏斗中心，儲水空間大。采用大口徑成孔工藝，含水層采用優(yōu)質石英砂填礫。該次回灌主要采用自然同層對井回灌，回灌層位位于館陶組熱儲富水性好的砂礫巖層，含泥量少。

建立了一套完善的回灌系統(tǒng)，回灌流程見圖4。

主要設備包括地熱潛水泵、除砂器、曝氣塔、粗效過濾器、精效過濾器、加壓泵、循環(huán)泵、流量計等。完全模擬了供暖期間地熱尾水回灌工作。整個供暖季回灌量為13.84萬m3，其中，自然回灌階段回灌率高達84.4%，基本達到完全回灌的狀態(tài)，回灌量依據開采量而定，最大回灌量可達75m3/h。回灌效果非常好(表4)。

地熱尾水在輸送過程中存在管道壓力降低，造成井口壓力小于泵房內所加壓力，因此加壓回灌階段數據并不能準確反應加壓對回灌效果的影響。因此綜合研究過程中未選用加壓回灌階段的數據，雖設置了加壓泵，但最后未采用加壓后的回灌數據。

圖4 泰和名都小區(qū)回灌工藝流程圖

表4 泰和名都小區(qū)自然回灌階段水源井與回灌井數據對比

4 試驗結果總結分析

回灌場地宜選取靠近降落漏斗的中心區(qū)位，回灌層位宜選擇滲透率較高，泥頁巖含量較少，顆粒較大的砂礫巖層；回灌井成井宜采用大口徑定向造斜成孔工藝；同層回灌優(yōu)于異層回灌，采用同層回灌模式進行回灌，回灌效果好，同層回灌對水源井熱儲層水化學條件影響較小，不過可能會降低水源井的出水溫度；壓力回灌優(yōu)于自然回灌，自然回灌率高的情況下，若考慮節(jié)約成本，可不采用壓力回灌；建立一套完善的回灌系統(tǒng)，為減少回灌過程中的堵塞，可加裝除砂、除鐵等過濾裝置，過濾精度越高，回灌效果越好；回灌過程中適當采用回揚措施，且注意回揚時間及間隔；提高地熱資源利用率，降低回水溫度，但同樣熱突破風險也就隨之變大，所以合理安排井距，控制好恰當的回灌水溫非常重要；鉆探工藝、成井工藝和過濾工藝對回灌量的影響至關重要，但限于篇幅所限，此文不再展開。

探求最合理的回灌方式對于使地熱尾水回灌技術得到進一步的推廣和應用有著重大意義，希望本文能為下一步山東省地熱尾水的回灌工作提供一些參考，若有不當之處敬請各位批評指正。