王光輝，趙娜，唐永香，李嫄嫄，沈健

（1.天津市國(guó)土資源和房屋管理局地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300042；2.天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

孔隙型地?zé)豳Y源回灌模式研究
——以天津市濱海新區(qū)為例

王光輝1，趙娜2，唐永香2，李嫄嫄2，沈健2

（1.天津市國(guó)土資源和房屋管理局地質(zhì)事務(wù)中心，天津 300042；2.天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

孔隙型地?zé)豳Y源回灌模式的研究對(duì)于實(shí)際回灌操作具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)濱海新區(qū)南部孔隙型熱儲(chǔ)層進(jìn)行不同回灌模式的回灌試驗(yàn)研究，筆者認(rèn)為“回?fù)P-回灌”的循環(huán)運(yùn)行方式可以保證該系統(tǒng)回灌的持續(xù)性，是現(xiàn)階段最適宜孔隙型回灌系統(tǒng)的運(yùn)行方式。對(duì)于灌量較小的地?zé)峋?，?yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定最佳回?fù)P時(shí)間及回灌率，必要時(shí)采用加壓回灌，才能更大地發(fā)揮地?zé)峄毓嗑幕毓嘧饔?，保障區(qū)域地?zé)豳Y源可持續(xù)發(fā)展。

孔隙型；地?zé)豳Y源回灌；回?fù)P-回灌；加壓回灌；濱海新區(qū)

天津地?zé)釋儆诔练e盆地型地?zé)豳Y源，回灌開(kāi)采歷史長(zhǎng)、規(guī)模大。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2013年度回灌量近1087.49×104m3/a,整體回灌率近40%，其中基巖回灌率達(dá)57%,回灌效果明顯。相對(duì)而言，孔隙型熱儲(chǔ)回灌工作率不足6%[1，2]，究其原因是由于各種因素引起的堵塞致使回灌量衰減過(guò)快，回灌率太低。地?zé)峄毓鄬?shí)質(zhì)上是熱流體的壓縮，儲(chǔ)層巖性、巖土顆粒、地層的孔隙率和滲透性對(duì)于回灌起著非常重要的作用[3，4]。但對(duì)儲(chǔ)層巖性為粉細(xì)砂巖，顆粒粒徑較小，孔隙小的熱儲(chǔ)層，回灌難度較大，表現(xiàn)為：回灌量小，難以做到連續(xù)穩(wěn)定的回灌，長(zhǎng)期開(kāi)采而缺乏有效回灌，導(dǎo)致這些地區(qū)儲(chǔ)層水力平衡破壞，因此在這類(lèi)地區(qū)回灌持續(xù)性尤為重要。而回灌模式的采用和回灌的操作方法是影響回灌持續(xù)進(jìn)行的一個(gè)重要因素。本文將從不同回灌模式的回灌試驗(yàn)入手，通過(guò)對(duì)濱海新區(qū)南部BH-49B地?zé)峋毓嘣囼?yàn)的數(shù)據(jù)分析和后期運(yùn)行狀況，研究自然回灌、“回?fù)P-回灌”及加壓回灌三種回灌模式對(duì)孔隙型地?zé)峄毓嗑幕毓嘈Ч?/p>

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件及地?zé)峋艣r

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

BH-49B地?zé)峋幱诎鍢虬枷輧?nèi)（圖1）。板橋凹陷位于黃驊坳陷的中部，北以海河斷裂為界，西以滄東斷裂為界。凹陷分布呈NE向，中心部位在官港附近?；鶐r頂板埋深1500～5200 m。凹陷區(qū)發(fā)育了巨厚的新生界[5-8]。

1.2 地層特征

BH-49B地?zé)峋貙訌纳系较聻椋旱谒南灯皆M，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營(yíng)組，基本情況見(jiàn)表1。

1.3 熱儲(chǔ)層特征

館陶組在濱海新區(qū)南部發(fā)育普遍，巖性穩(wěn)定，旋回性強(qiáng)，是大港區(qū)一個(gè)重要的熱儲(chǔ)層。一般厚度為300～350 m，底板埋深為1820～1930 m。根據(jù)濱海新區(qū)地?zé)崞詹楣ぷ鞒晒?，該組熱儲(chǔ)層一般開(kāi)采層主要為館Ⅰ和館Ⅲ[4]。BH-49B回灌井的回灌目的層為館Ⅲ。

BH-49B地?zé)峄毓嗑^陶組熱儲(chǔ)層聲波孔隙度16.19%～29.21%，平均26%左右，滲透率（105.84～664）×10-3μm2，砂巖泥質(zhì)含量7.06%～22.73%（表2），整體來(lái)講，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率均相對(duì)較低，泥質(zhì)含量偏高，回灌難度也相對(duì)較大。熱流體礦化度1961.8 mg/L，水化學(xué)類(lèi)型為Cl·HCO3-Na型，pH值8.38。

圖1 天津地區(qū)濱海新區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geo logica l struc tu re o f Tian jin Binhai New Distric t

1.4 井身結(jié)構(gòu)

一開(kāi)：采用Φ444.5 mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn)至孔深308.8 m，下入Φ339.7 mm套管至308.8 m?；毓嗑斫Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

二開(kāi)：采用Φ241.3 mm三牙輪鉆頭鉆至孔深1892 m完鉆,下入Φ177.8 mm技術(shù)套篩管總長(zhǎng)1618.64 m（其中篩管總長(zhǎng)112.35 m，有效長(zhǎng)度88.93 m），在892.77 m對(duì)技術(shù)套管進(jìn)行了水泥封固。技術(shù)套管排列：Φ177.8 mm套管×1487.39 m+Φ 177.8 mm篩管×112.35 m+Φ177.8 mm沉砂管×18.9 m。

BH-49B在回灌目的層采用下入兩種不同篩管的成井結(jié)構(gòu)，1659.9 m～1840.5 m為4組籠式篩管，底部為2組單絲篩管。

表1 BH-49B回灌井揭露地層簡(jiǎn)表[9]Table 1 Litho logica l section o f the we ll BH-49B

表2 BH-49B回灌井回灌熱儲(chǔ)層段測(cè)井解釋成果表Table 2 Geophysica l logging resu lt o f the w e ll BH-49B

2 地面回灌過(guò)濾系統(tǒng)

在回灌系統(tǒng)中增加了回灌過(guò)濾設(shè)備（圖3），其具體流程為：經(jīng)過(guò)間接換熱后的地?zé)嵛菜M(jìn)入回灌站房后，先經(jīng)過(guò)加壓泵

進(jìn)行加壓，再進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾分為粗效過(guò)濾和精密過(guò)濾兩部分,其中粗效過(guò)濾器的過(guò)濾精度達(dá)到50μm，精過(guò)濾器的過(guò)濾精度達(dá)到3～5μm，過(guò)濾后的尾水進(jìn)入排氣裝置，排除由于壓力變化而從地?zé)崴形龀龅臍怏w，最后從回灌井井口裝置進(jìn)入回灌井。

3 回灌試驗(yàn)

3.1 回灌試驗(yàn)過(guò)程

回灌試驗(yàn)自2008年1月7日開(kāi)始，至3月21日結(jié)束，持續(xù)時(shí)間共計(jì)75天，進(jìn)行了四組13次比較完整的試驗(yàn)，取得了大量珍貴有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（表3）。

第一組：自然間歇回灌試驗(yàn)

本組共進(jìn)行了三次回灌試驗(yàn)，均為自然回灌。當(dāng)水位接近井口時(shí)，判定此次試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)回灌井以自然間歇方式恢復(fù)水位24小時(shí)后開(kāi)始進(jìn)行下一次試驗(yàn)，以判斷自然間歇情況下該井的回灌能力。

第二組：定流量“回?fù)P－回灌”試驗(yàn)

本組共進(jìn)行了4次回灌試驗(yàn)，全部為自然回灌，回灌量控制在20 m3/h左右，每次試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行一段時(shí)間的回?fù)P，以判斷不同回?fù)P量對(duì)回灌能力的

影響。

表3 回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表[10]Table 3 Data o f the rein jection test

第三組：大流量“回?fù)P－回灌”試驗(yàn)

本組共進(jìn)行了4次回灌試驗(yàn)，全部為自然回灌，每次試驗(yàn)開(kāi)始前仍先進(jìn)行一段時(shí)間的回?fù)P，而回灌量則以30 m3/h為目標(biāo)逐漸增加，以判斷“回?fù)P－回灌”模式下的最大回灌能力。

第四組：加壓回灌試驗(yàn)

本組共進(jìn)行了兩次加壓回灌試驗(yàn)，壓力均為0.2 MPa，每次試驗(yàn)開(kāi)始前仍先進(jìn)行一段時(shí)間的回?fù)P，然后進(jìn)行自然回灌，當(dāng)水位漲至井口后開(kāi)始加壓回灌，加壓回灌開(kāi)始時(shí)將流量直接調(diào)至40 m3/h，以判斷壓力對(duì)回灌效果的影響。

3.2 吸水指數(shù)

為了解回灌后地層吸水能力的變化情況，我們?cè)诖艘搿拔笖?shù)”這個(gè)參數(shù)，吸水指數(shù)即單位時(shí)間的灌水量與井底壓差的比值。它是衡量回灌井吸水能力的重要指標(biāo)。

式中：

Q—回灌量（m3/h）；P2—灌水后的井底壓力（MPa）；P1—灌水前的井底壓力（MPa）；

3.3 自然回灌模式分析

自然間歇模式回灌，平均灌量為16 m3/h，回灌持續(xù)時(shí)間均在24小時(shí)。若以吸水指數(shù)來(lái)比較的話，如圖4，曲線1-1、1-2、1-3的走勢(shì)說(shuō)明了在自然間歇模式下，儲(chǔ)層吸水能力逐漸減小，水位短時(shí)間內(nèi)接近井口，回灌持續(xù)時(shí)間較短。

3.4 “回?fù)P－回灌”模式分析

3.4.1 回?fù)P對(duì)回灌效果的影響

圖4 吸水指數(shù)歷時(shí)變化曲線圖Fig.4 Index o f the absorb water for the BH-49B

在經(jīng)過(guò)第一次回?fù)P4小時(shí)后，BH-49B井的回灌能力得基本恢復(fù)到了回灌初期的水平（圖4曲線2-1）。而經(jīng)過(guò)第二次回?fù)P8小時(shí)后，BH-49B井的回灌能力得到了顯著的提升，在灌量基本穩(wěn)定的情況下，回灌延續(xù)時(shí)間也大大增強(qiáng)（圖4曲線2-2）。第三次回?fù)P4小時(shí)后，BH-49B井的回灌能力與前一次相比有了一定程度的下降，雖然受當(dāng)時(shí)回灌量不穩(wěn)定的影響導(dǎo)致曲線2-3在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，但總體而言，其回灌效果仍然好于前4次回灌試驗(yàn)。

通過(guò)回灌試驗(yàn)的對(duì)比，可以看出BH-49B回灌井在自然間歇模式下回灌能力有限，要使回灌持續(xù)進(jìn)行，必須定期進(jìn)行回?fù)P?；?fù)P的方法可以比較明顯的恢復(fù)甚至提高回灌井的回灌能力，但隨著回灌量的不斷累計(jì)，在回?fù)P量不變的情況下，回?fù)P的效果會(huì)逐漸減弱。

3.4.2 回?fù)P率的確定

一次“回?fù)P－回灌”實(shí)際上就是回灌能力的一次“恢復(fù)-消耗”的過(guò)程，在回?fù)P-回灌模式下，引入“回?fù)P率”這一參數(shù)，即一次回?fù)P量與回?fù)P后能夠灌入的水量的比值，來(lái)評(píng)估不同“回?fù)P-回灌”模式的效果。回?fù)P率越低，說(shuō)明回灌能力消耗的越緩慢，回灌效果越佳。表3為第二組和第三組不同模式下的回?fù)P率對(duì)比表。從中我們可以得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)回?fù)P率在20%～30%左右時(shí)，平均回灌量在20 m3/h左右，回灌持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，累計(jì)灌量最大。前提條件當(dāng)回?fù)P率超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，應(yīng)及時(shí)重新回?fù)P，以避免地層的可灌能力過(guò)度消耗，影響回灌的持續(xù)。

（2）在第三組大流量“回?fù)P-回灌”模式下，回?fù)P率大于50%，回灌的整體效益不好?？梢耘卸?，BH-49B回灌量無(wú)法滿(mǎn)足30 m3/h的要求。

（3）在回灌的具體操作中我們發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)始時(shí)應(yīng)以小流量回灌，在兩小時(shí)之后再以額定流量回灌，這樣可有效延長(zhǎng)回灌的持續(xù)時(shí)間，降低回?fù)P率。

3.5 加壓回灌模式分析

在自然回灌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩次加壓回灌試驗(yàn)，即利用加壓泵增加回灌壓力進(jìn)行回灌。加壓壓力均為0.2 MPa。在壓力額定的條件下，兩次試驗(yàn)都出現(xiàn)了回灌逐漸衰減的狀況（圖5），第一次在50 h內(nèi)從40 m3/h左右衰減到34 m3/h左右，第二次在49 h內(nèi)從40 m3/h衰減到30 m3/h左右。從曲線中也可以看出，回灌量衰減的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，預(yù)計(jì)當(dāng)衰減到30 m3/h左右時(shí)趨于穩(wěn)定。通過(guò)兩次加壓

試驗(yàn)可以得出，在0.2 MPa壓力下，遵循“回?fù)P－加壓回灌”模式，BH-49B的回灌能力在30 m3/h左右。

3.6 實(shí)際生產(chǎn)回灌運(yùn)行

為了驗(yàn)證回灌試驗(yàn)分析結(jié)果，回灌試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)該井又進(jìn)行了一次生產(chǎn)性試驗(yàn)，回灌方式與之前的回灌試驗(yàn)相同，首先進(jìn)行自然回灌，當(dāng)動(dòng)水位漲至井口后，封閉井口進(jìn)行帶壓回灌。結(jié)果證明采用自然回灌與加壓回灌相結(jié)合的方式，以?xún)商鞛橹芷冢裱盎毓?4 h－回?fù)P4 h”的定時(shí)循環(huán)運(yùn)行方式，其平均灌量可提升至25 m3/h左右。

圖5 加壓回灌歷時(shí)曲線圖Fig.5 Pressurized in jection test

4 試驗(yàn)結(jié)果

自然回灌，回灌量小，回灌持續(xù)時(shí)間極短，而采用“回?fù)P－回灌“模式時(shí)，系統(tǒng)具備20m3/h的回灌能力；采用自然回灌與封閉井口帶壓回灌方法相結(jié)合時(shí)，該系統(tǒng)具備25m3/h的回灌能力；采用加壓回灌方法，在管道壓力額定為0.2MPa時(shí)，系統(tǒng)具備30m3/h的回灌能力?？紤]到回灌運(yùn)行成本，采用自然回灌與有壓回灌相結(jié)合的方法最為經(jīng)濟(jì)可行。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)遵循自然回灌與封閉井口帶壓回灌相結(jié)合，以25m3/h定流量回灌，應(yīng)以2天為周期，遵循“回灌44h－回?fù)P4h”的定時(shí)循環(huán)運(yùn)行方式，可以保證回灌的持續(xù)性。

5 結(jié)論與建議

孔隙性熱儲(chǔ)回灌量小且衰減嚴(yán)重，影響地?zé)峄毓喙ぷ鞯娜骈_(kāi)展，這也是世界性難點(diǎn)問(wèn)題，尤其對(duì)于粉細(xì)砂巖巖熱儲(chǔ)層，回灌量小，回灌持續(xù)性差是其回灌主要特征。此類(lèi)熱儲(chǔ)層所處地區(qū)長(zhǎng)期的地?zé)衢_(kāi)采而缺乏有效回灌，導(dǎo)致熱儲(chǔ)壓力持續(xù)下降，開(kāi)采成本逐漸增加，直接影響地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)，因此這類(lèi)地區(qū)回灌的持續(xù)性是保障回灌進(jìn)行的關(guān)鍵。回?fù)P對(duì)于回灌的可灌性具有促進(jìn)作用，可增大回灌量，延長(zhǎng)回灌持續(xù)時(shí)間，回?fù)P的時(shí)間與回?fù)P率需根據(jù)回灌試驗(yàn)確定。加壓回灌在一定程度上能夠增大回灌量，但考慮回灌運(yùn)行成本，采用“回?fù)P－回灌”與“加壓回灌”相結(jié)合的方式，操作性、經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，是現(xiàn)階段最適宜的回灌運(yùn)行方式。而在供暖嚴(yán)寒期開(kāi)采高峰期，地?zé)崃黧w開(kāi)采量較大時(shí)，也可直接采取封閉井口加壓回灌模式與回?fù)P模式相結(jié)合的方式，更好的應(yīng)對(duì)地?zé)衢_(kāi)采高峰期，減少資源浪費(fèi)。

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Research on GeothermalReinjection M odeof Neogene in the BinhaiNew Area，Tianjin

WANG Guang-hui1,ZHAO Na2,TANGYong-xiang2,LIYuan-yuan2,SHEN Jian2,

(1.Tianjin Bureau of Land,Resourcesand Real Estate Management,Center ofGeology,Tianjin,300042,China; 2.Tianjin Geothermal Exploration DevelopmentDesigning Institute,Tianjin,300250,China)

Research on the reinjectionmode of Neogenegeothermal resources isan importantguidance for the actual injection operation.This article mainly discribe reijection experiments w ith different rechargemode in the southern part of the BinhaiNew Area.The result shows that the cycle of"pump lifting-recharge"mode can ensure continuous reinjection for pooreffectof geothermal reinjetion.The rate and time of pump lifting should determ ine by the actual situation，and themethod of pressurized injection should be adopted if necessary.The reinjection well of Neogene can play greatest injection capacity by thismethod,and this aslo can guarantee the sustainable developmentof regionalgeothermal resources.

Neogene;geothermal resouces;reinjection;pump lifting-injection;pressurized injection；Binhai New Area

P314.1;P641.25

A

1672－4135（2014）02－0155-06

2014-04-18

天津市礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用項(xiàng)目（國(guó)土房地?zé)崛巫諿2008]008號(hào)）

王光輝（1981-），男，學(xué)士，工程師，2004年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，現(xiàn)從事水工環(huán)和地?zé)岬刭|(zhì)工作，E-mail：tjdrzn@126.com。