案例解析北京深层地热回灌两大关键因素

北京从上世纪70年代开始进行深层地热供暖,已经实施40多年,积累了丰富的监测数据和实践经验。如今从中央到北京市都高度重视地热这一清洁能源的利用,经过对北京地热供暖的长期研究,认为北京市推进规模化深层地热供暖必须实现热量、流体量和流体化学的采灌均衡,保证资源的可持续利用,关键技术包括:资源勘查和评价、地热回灌制约因素研究、地热回灌衰减防治、地热动态监测等。这些关键技术的研究成果对于其他地区和其他形式的地热供暖也有非常大的借鉴意义。


本文节选自由北京市地质工程勘察院徐巍、李海京、丁桂伶、杨亚军、王小玲、鲁鹤、张俊华、王雨石撰写的题为《北京市深层地热供暖的关键技术研究》一文的第二章节“地热回灌技术”内容,供业界交流探讨。原文刊登于“四季春·2018第十届中国国际地源热泵行业高层论坛会刊”。投稿邮箱:dyrbw@dyrbw.com



地热供暖要求必须采用“采灌结合”的方式进行,因此地热回灌是地热供暖的必要条件。北京地区从上世纪90年代开始实施地热回灌,到2000年以后达到生产性回灌规模,其中小汤山热田从2001年开始有1家单位回灌,到2004年增加到6家回灌,热田的灌采率迅速突破50%,供暖尾水实现全部回灌,热田的地热水消耗量减少了一半,热储压力由每年2m左右的下降速度突然减缓,后来地热供暖单位逐步增加,目前热田的供暖单位达到12家,是北京市供暖规模最大的热田,供暖尾水仍然保持全部回灌,热储压力逐渐趋稳,不再下降。北京市现有7个热田实施了地热回灌,供暖尾水90%实现回灌,2017年6个热田的热储压力全部转降为升,地热回灌效果非常明显。经过我们的研究,地热回灌关键技术主要包括:


1、地热井回灌能力制约因素分析


北京市的热储类型全部为岩溶裂隙型热储,大部分开采与回灌选择同一热储层,影响回灌能力的制约因素如下。


(1)地热地质条件


地热井的回灌能力与地热地质条件密切相关,热储的岩溶裂隙发育,出水能力强,则回灌能力也强。例如北京市小汤山、良乡、李遂、延庆、京西北等热田的核心区,单井出水量平均在1500m³/d以上,降深不超过50m,而单井的回灌量基本能达到出水量的80%,水位抬升不超过50m;其他热田或地区地热单井出水量低于1500/d或者降深超过50m,回灌能力大大减弱。


(2)回灌井成井结构


地热回灌是利用回灌井将供暖尾水重新灌入热储的过程,因此回灌井的质量是一个重要的回灌条件。目前,北京市的回灌井中,有的是由上个世纪的生产井改造过来的,有的是新施工的。原来的生产井井身结构一般为四开,井深500-1500m,裸眼段的井径为152mm或127mm,蓟县系热储厚度仅有100-300m,通过回灌试验,我们发现这些老生产井可以用来回灌,但回灌时阻力较大,回灌水位明显抬升,单位回灌量与单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,裸眼段的蓟县系热储厚度均超过500m,有的三开成井,裸眼段井径为216mm或152mm,回灌时井内水位上升幅度不大,单位回灌量与单位涌水量的比值基本超过80%。例如:表1是小汤山热田的4眼回灌井,经过对比可以发现,2000年之后新施工的回灌井,回灌能力远远大于改造的生产井。因此,回灌井裸眼段的蓟县系热储层厚度越大,向热储层渗透的过水断面越大,回灌能力也就越强。


(3)区域热储压力


通过多年监测发现,地热井的回灌能力与热储压力关系密切。北京地区各个热田热储压力差异较大,延庆、京西北热田的热储压力最大,地热水位高出地面,还在自流,小汤山、李遂、后沙峪等热田地热水位在地下0-50m,其他热田的地热水位50-100m。在井内实施地热回灌,井筒内的地热水位会逐渐抬升,如果区域热储压力很大,回灌水位就没有抬升的空间,只能带压回灌,考虑到带压回灌的成本和安全,回灌能力就会受到制约;如果区域热储压力很小,回灌水位有很大的抬升空间,就可以无压回灌,回灌能力会大大增强。因此,延庆和京西北热田以加压回灌为主,回灌能力受到区域热储压力的影响相对较大,其他热田受到的影响较小。


(4)回灌原水的温度


回灌原水的温度对回灌能力也有很大影响。地热回灌的原水都是供暖后的尾水,由于各个单位在各个季节供暖利用的温差不同,因此供暖后的尾水温度也不同,从而导致回灌原水的温度存在差异,对回灌能力造成一些影响。例如下表是回灌原水在各个温度条件下对回灌能力的计算(见表2)。



7灌井回灌温度最低,单位回灌量最大,3灌井回灌温度最高,单位回灌量最小。后两眼井为新井,每次成井时都先利用冷水进行简易回灌试验,然后才利用供暖尾水进行正式回灌。在同一眼井上利用冷、热水进行回灌,很容易发现温度偏低的地热水回灌能力相对较强,温度偏高的地热水回灌能力相对较弱。这主要是由于低温水密度大,灌入井内很快下沉,加快了回灌水从井筒向储层的渗流速度,提高了回灌能力。但值得注意的是,回灌原水温度越低,对热储温度场的破坏越严重,越容易热突破,目前北京地区要求回灌温度不得低于25℃。另外,回灌水温越低,水中的矿物质越容易结晶沉淀,对回灌井造成堵塞,因此应科学计算利用温差,保证顺利回灌。


(5)回灌原水的化学特征


回灌原水的化学特征也不容忽视,它往往是造成地热回灌衰减和堵塞的主要因素。北京市各个热田的地热流体化学成份差异较大,由西往东,由北往南主要的阳离子由钙、镁离子过渡为钠离子,主要的阴离子由重碳酸根过渡为硫酸根和氯根,矿化度由300mg/l左右过渡到1500mg/l以上。同时全市地热流体中普遍含有浓度较高的铁、氟、硫化氢、偏硅酸等特殊组分,有些区域还含有黑色沥青质有机物。总所周知,回灌原水的矿化度越高、特殊组分和有机物质越多,越容易在回灌井内产生腐蚀和结垢现象,造成回灌衰减和堵塞。从2014年开始,北京地区地热流体特殊组分浓度较高的城区热田、小汤山热田东部、以及矿化度较高的天竺和李遂热田陆续出现回灌衰减现象,地热供暖尾水无法正常回灌,供暖规模只能逐渐缩小,其中城区热田的地热供暖单位由原来的6家缩小到2家。因此,地热回灌原水的化学特征制约了地热回灌的持续稳定性。


总之,开展地热供暖回灌工作必须综合考虑以上因素,它们是保证地热回灌能力的关键。


2、地热回灌衰减问题研究与防治


北京从2000年实施生产性回灌规模以来,回灌规模呈现逐渐增长的趋势,但2014年开始,全市的地热回灌规模逐年下降,原因是一些回灌井陆续出现回灌衰减的问题。2016年我们开始在全市范围内对回灌衰减现象进行调研,并开展试验研究,发现地热回灌出现衰减主要是化学和物理作用的结果,具体机理如下:


低温回灌原水在回灌过程中,对回灌井壁进行腐蚀,并逐渐结垢,随着回灌时间的延长,腐蚀和结垢的程度越严重。之后,腐蚀过的铁皮屑或结的水垢一旦脱落,就会下沉,当落在变径口上,非常容易形成搭桥,将井筒堵死,对回灌造成阻力,从而导致回灌衰减;当落在井底,积聚的残渣逐渐会对热储层岩溶裂隙形成堵塞,同样造成回灌衰减。


针对以上分析,2016年以来我们对发生回灌衰减现象的5眼代表性回灌井进行了恢复回灌能力的试验,全部恢复了这些井的回灌能力,摸索出地热回灌井修复的方法。


另外,为了预防回灌能力衰减的问题,减缓衰减的速度,针对北京地区地热流体腐蚀和结垢的特点,我们选择代表性回灌井,对回灌工艺进行了研究和改进。通过进一步对供回路改造,在回灌井口增加过滤装置和加压装置,改变回灌的环境条件,目前我们取得一些进展,下一步我们将对回灌衰减原因进行分类,制定减缓地热回灌衰减的预防措施。


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