砂岩层地热水回灌实践

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1、砂岩层地热水回灌实践作者：（德国）彼得赛毕特，马库斯沃夫格冉姆翻译：刘道选 孙启邦 肖红摘 要 德国北部盆地地热资源开发利用集中调查始于20世纪80年代初。第一次在砂岩层进行生产、回灌实验于1982年开始，从而建成了第一家地热供暖企业1984年起向瓦伦镇居民供暖。随后，又有更多的地热供暖企业在新勃兰登堡、新格莱维、柏林、诺伊鲁平等地相继投入运行。在德国，越来越多地区正在筹备建设地热供暖和发电项目。用砂岩层作为热储层是一项新的技术解决办法。掌握准确的地质知识和地球化学条件是地热利用项目规划、建设、运营成功十分重要的先决条件。过滤实验，地球化学、水文数学模拟实验，以及这几种实验的综合应用都是为了这

2、个目的。本文重点介绍地质、地球化学条件以及技术解决办法和实践经验。 1、地热能应用和热储 在地热能应用中，先将地热水通过生产井提升到地面，提取热能以后，再将尾水通过注入井回灌到地下原层位。 将提取热能后的地热尾水回灌到地下，是为了保持地下水力平衡，更重要的是，防止矿化度较高的地热水排放到地表水中，引发环境污染。因此，地热水在生产井和回灌井之间是一个封闭的循环系统。 通过交换器将热能从地热水提取，再由第二个循环系统将热量提供给用户。这样，地热热储系统就要由开发同层的两个井或两组井来组成。两对（组）井都要下井泵，安装套管，以便地热水从两个方向都能通过。热交换器通过地面管网系统连接两对（组）井，提取

3、和供应热能。这里特指的是德国北部波兰的模式，这个模式是欧洲中部的主要模式，也包括丹麦波兰和北海的模式。 2、水文地质和地球化学条件 2.1热储特点 孔隙热储的特点是大量不规则的颗粒形成了空隙。这类颗粒是主要是由砂岩组成的。热储的大小、形状、沉积结构、基质、矿物质含量是第一位的，孔隙、渗透度、密度、水流情况是第二位的，当然也同等重要。 从经济角度看，低温地热水热储（40100）要求大规模的热水源和流速（50100m3/h/well）。它们的应用是由下列地质条件决定的：-有含水岩石结构（含水层）；-这种岩石结构有充足的垂直、水平孔隙以保证长期生产（生产热储）；-这个生产热储中的水温度从经济上角度分

4、析符合要求；-具有提取热能技术操作中所需的合适水量（地热水采、回循环中的材料和系统匹配）；-含水层周围有广泛的扩展空间、高流速、能保证长期稳定生产、回灌，特别是有孔隙、能渗透、厚度高。我们寻找厚度高、孔隙大、密度低的砂岩，这种砂岩孔隙大，颗粒结构变化不大。具体要求要按实际情况确定。 上世纪后十年，对地热水砂岩热储层回灌进行了广泛的研究，并在不同地方应用，取得了成功。尤其在德国，近几年或近十年来，砂岩层地热水开采回灌取得了一定的经验。成功回灌最主要的标准是注入的指标，也就是积累的热储中地热水活动的数据。下列参数决定有效注入指数的成功。 首先，用于地热开发的砂岩层，提供的数据表明：-孔隙度大于20

5、%；-渗透度大于0.2；-砂岩层最低厚度 20m； 同时，它们的特点：-孔隙层中大孔隙（半径大于5.000 nm）比例超过60%或中小孔隙小于50%；-在大孔隙范围内的孔隙半径大于5.000 nm；-好的和更好的孔隙半径分类大于0.4-0.5；-在大于10.000 nm半径的孔隙层中有大于20%的孔隙；-小于0.063mm的细泥沙粒（淤泥和粘土）小于1012%；-粘在一起的物质和泥浆的平均含量不超过810%。 在德国北部盆地约3,000m的地下发现这样的砂岩。图1 德国东北部含地热水砂岩示意图2.2地热水的化学特点在德国东北部开发的中生代地热水，据分析，是盐矿化度高的Na-(Ca-Mg)-Cl

6、水。深水中盐的含量超过300g/L。其主要成份是氯离子（最大值49毫摩尔%）和钠离子（4347毫摩尔%）。镁、钙、钾、铁、锶、锰，还有硫、溴、碘离子等为次要成份或微量。甚至当水冷却以后，其溶解离子仍维持在饱和线以下。当二氧化碳释放后，碳化合物可能沉淀下来。硅酸和硼离子只有很少的含量。地热水中含有少量可溶气，叫作“结构气”，主要是氮和二氧化碳，其次是甲烷，还有少量的乙烷、氢气和氦气。中生代深水对比表明，PH值显示酸性。表1 德国东北部地热工厂地热水特性柏林（国会大楼）新勃兰登堡瓦伦诺伊鲁平新格莱维温度()1954616499深度(m)2951,2701,5101,6202,195地层埃唐普斯特瑞

7、堪托塔阿来尼堪托塔PH T()7.26.1（25）5.9（25）6.5（50）5.3（52）氧化反应条件减少减少整个矿化作用(g/L)28134160199219密度(g/cm3)1.011.0891.1081.1241.147气体(vol.%)微量约10约3约5约10阳离子(mg/L)钾52210260446800钠11,00049,00058,00074,70080,000钙3002,0002,8001,5408,400镁2506307801,0701,410锶209715044441铁1.112203182锰0.030.71.51.210阴离子(mg/L)氯17,00081,00096,

8、000116,800137,000溴1798170111390硫11,0009003,830470碳酸氢盐30016513024740 2.3地热工厂前期调研 在实验室和野外现场进行的地热水通过空隙流动实验中，地热水注入运行状态、液体与液体、液体与岩石的反应可以显现出来。 近几年来，一系列自然和人工合成的不同液体标本通过孔隙流动的实验都已完成。仔细准备液体样品，选择合适的设备材料，这些在实验室和野外现场进行的试验证明是十分有效，它能够阻止热储层岩石中水的渗透。这些液体样品的选择和准备，特别是随着研究工作的进行，对实验具有非常重要的意义。 孔隙流动实验证明，造成德国东北部地热水热储层渗透率下降的

9、主要因素（不考虑实验中工艺结构造成的一些堵塞）：-根据流速不同，在机械运行过程中小颗粒进入和重新组合；-由于氧气进入，产生氢氧化铁造成化学沉淀，引起堵塞；图2 过滤实验示意图 在实验中，从渗透率下降的情况来看，矿化物、碳酸盐沉淀物、硫酸盐、硅酸、氢氧化铝，还有粘土膨胀，都不起重要作用。上述实验连同引起化学沉淀模拟实验一起进行。所有的实验只是一个模拟，不能直接照搬用于地热工厂和热储层岩。但是，它可以证明，在地热工厂做的时候，需要考虑的特殊效果（例如：井、过滤器、除氧器、注入、温度）。 2.4 地热水的回灌 地热工厂在将地热尾水回灌到有孔隙、能渗透层位时要特别注意，从经济运行上要有保证，回灌要长期

10、，不需要多少动力，也就是说，回灌时不要出现堵塞。实际上，渗透率的降低主要是由于下列因素产生的固体造成的：-生产和回灌中水流速过高产生的颗粒（腐蚀物）的流动；-凉的地热尾水与原热储的水和含水层（例如：粘土或碳酸盐）不发生化学反应；-地热水管道中产生的氧化物和腐蚀物；-细菌活动；-设备安装时工艺技术造成的； 最危险的区域是在井的附近。 尾水（也就是经过过滤，在井附近区域，流经热储岩的地热水）的回灌量等于过滤量。这就是为什么对回灌的地热水质量要求非常高。 要考虑影响地热水回灌的下列因素： 2.4.1沉淀反应 地热水评价需要专业化学分析，以取得准确的数据。这个分析可以用地球化学模拟计算来完成。地球化学

11、模拟测试表明，德国东北部的地热水，不加别的水，铁分子如果与氧结合，会产生铁化合沉淀物。 其他的硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐等矿物质在地热水管道表面和热储岩中都没有。从热储层中取出砂岩进行的通过孔隙流动实验也反映出同样的结果。 2.4.2 氧气进入 氧气有可能进入地热水管道，引起氧化反应。氧气与地热水接触，严格地讲，不仅仅产生铁化合物沉淀主要问题是氧气进入了热储水层。如果含铁的化合物溶入了热储层，沉淀物会逐步降低渗透率，对热储造成永久的损坏。 德国东北部三个地热工厂回灌经验表明，中生代砂岩热储对含氧的地热水回灌的反应是不同的。为了有效地防止氧气进入造成危险，在连续回灌和地热工厂停运（例如检修或修理）后

12、重新启动时，对氧气是否进入要进行经常性的检测。只有这样，才能保证回灌地热水的质量。 2.4.3腐蚀 含酸的液体、电解质成份（溶质离子，特别是氯离子）、腐蚀性气体（二氧化碳，有时是硫化氢，其次是氧气）、高温都会造成或加速腐蚀。 由于不能改变地热水的成分（例如，通过分离成分，添加抑制剂，提高PH值的基本值等），因此，要采取严格的防腐措施，选择合适的材料、套管、衬管。 2.4.4 微生物 在地热水循环系统里，由于微生物活动，引起化学反应，在地热水中产生一些固体物质，这是大家都知道的。特别是硫化氢，在细菌活动的影响下，改变PH值，加速腐蚀和硫的形成。另外细菌本身也会产生固体附着在管道壁上。 3、地热水

13、循环系统的技术原理 3.1地下装置 3.1.1 钻井工程 地热井钻凿采用了大家熟悉的石油、天然气钻井技术，主要是旋转钻凿。按井的结构可以分为：传统对井（垂直式）对井（垂直+定向）对井（双定向） 传统对井是两个垂直井，要求相对大一点的地上面积，以保持地下足够的距离。另外，由于需要两个分开的钻井位，建两个操作台，并用管道连接，增加了成本。 定向钻井是在一个地方钻两口井，对到地下热储层位的距离要求，有所限制。首选方案是钻垂直井+定向井，第一口井必须钻垂直井，花费较小的成本进行钻凿，也用于钻探可开发的层位。一旦确定了热储水层，就可以钻凿第二口井，根据第一口井的资料，准确地完成。 沉积岩对定向井钻凿的影

14、响以及它们在回灌中可能产生的负面影响将是今后研究的一个课题。 3.1.2 成井 井钻好后，还要完成成井工艺。地热井在热储层部分可以是“开放式”或“套管式”。如果是“开发式”，最后一根套管下到热储层上面，底下开放的。（也就是说热储层没有套管）(见图3) 如果能证明砂岩是稳定的，选择“开放式”从成本核算出发绝对是最好的，特别是循环旧井，安装衬管就可以限制其使用。另外，这种成井方式能提供更多的水量。然而从技术角度看，开放式井的运行时是很危险的。 例如，如果热储中的砂岩不是非常稳定的（砂岩热储在储水时砂岩容易垮塌），必须采用特殊的成井工艺，如沙砾包裹。一口深2,500m的地热井在热储层位井壁外要留有环形空间用沙烁填充。用金属丝缠绕钢管，周围填充与热储砂岩颗粒大小一致的过滤沙烁。（见图4） 套管成井工艺包括在热储层下套管和热储与套管之间的环形处灌水