[科普中国]-地热回灌

简介目前北京市最重要的城区地热田和小汤山地热田的水位每年下降1.5～2m ;天津市基岩热储的水位每年下降6-9m;西安市热储水位一般每年下降10m,在开采量最大的部位可达20m。地热回灌就是把地热废水、常温地下水、地表水甚至污水灌入热储中, 其目的有以下几个方面:

(1)处理地热废水 地热废水的温度一般高于环境温度, 其中通常含有较高的盐份, 其中有些化学组分是有毒有害的, 地热废水的直接排放可能对环境造成热污染和化学污染。

(2)改善或恢复热储的产热能力 地热田中的地热能一部分储存在其中的热流体中, 而绝大部分储存在岩石骨架中, 通过把温度较低的水注入热储中, 经过加热后再抽取出来, 就可能提高地热资源的利用效率。

(3)保持热储的流体压力, 维持地热田的开采条件 一般来说, 地热的开采会导致热储压力降低, 如果开采量过大, 使补给和开采失去平衡时, 热储压力会持续降低, 使地热田的生产能力降低, 甚至丧失生产能力和引起地面沉降。回灌对于维持或恢复热储压力, 稳定地热田的开采条件, 预防地面沉降具有重要作用。在最早的回灌工程中, 其目的主要是处理地热废水, 但是后两个方面的目的在近年来已经受到了日益重视1。

国际发展现状1969 年, 在美国加州Geysers地热田的回灌项目揭开了地热回灌的序幕。同年, 法国也在巴黎盆地的中、低温地热田开展了地热回灌。随后萨尔瓦多的Ahuachapan地热田也于1970年开展了回灌。目前, 这项技术在美国、新西兰、冰岛、意大利、法国、日本、罗马尼亚、菲律宾、埃赛俄比亚、丹麦[、哥斯达黎加、肯尼亚、克罗地亚、墨西哥、萨尔瓦多亚、俄罗斯等国家得到了不同程度的应用, 无论是在用于发电, 还是在直接利用的地热田都取得了一定的效果。

美国的Geysers 地热田是最有代表性的高温地热回灌实例。该地热田位于陡峻的山地, 是世界著名的热汽田。由于长期开采, 热储压力从34巴下降到了13巴, 使地热田的产汽量和电站的发电能力严重下降。1969年在该地热田开展了世界上第一个地热回灌项目,把发电之后冷凝的地热流体回灌入热储中,以避免热流体在地表排放而引起的热污染和化学污染,克服热储压力的降低, 维持地热田的生产能力。但是,即使将开采的所有地热流体均回灌到热储中, 仍然不能完全克服热储压力的降低。这样, 就考虑采用其它水源进行回灌。从1980年开始使用地表水进行回灌。

在1997年, 地热田投资4500万美元用于回灌处理后的污水和湖水的试验。利用长46.7km直径50.8cm的管线将加州几个社区处理后的污水和湖水输送到6个地热电站进行回灌, 使回灌量达到约400l s。这一项目是世界上第一个利用污水回灌增加地热田发电能力的系统, 大大提高了电站的发电能力。1999年初电站的发电能力比1998年初增加了9MWe。而在这一工程实施之前电站发电能力每年下降25～30MWe 。从1996～1998年, 在Geysers 地热田共施工了20眼地热井, 其中13眼为生产井, 7眼为回灌井。二期工程的规划正在进行之中。另外,还计划将Santa Rosa市处理后的污水通过一条66km的管线输送到Geysers地热田。项目预计投资额为1.63×108 美元, 计划2002年前后投产。通过这两个回灌项目, 预期可使Geysers 地热田实现可持续生产, 并为城市污水处理开辟了新的途径。

而法国是低温地热回灌最为突出的代表。法国的地热以中、低温资源为主, 主要分布在巴黎盆地和Aquitaine 盆地, 大都用于冬季采暖。由于法国的地热流体含盐量较高, 采暖之后的地热流体需要回灌到热储中去。据Laplace et al, 1969 年在巴黎附近的Melunl' Almont 建立了世界上第一个“对井”系统, 为3000间房屋供暖。其中一眼井从2000m 深的热储中开采地热流体, 另一眼井将采暖后的地热流体回灌到热储中去。1995 年又建成了一眼新的地热井, 开始尝试“三井”系统, 其中两眼井生产, 一眼井回灌, 使供暖系统服务的房屋增加到了5200 间。这一地热供暖系统至今仍在运行着。由于这一供暖系统的带动和上世纪80年代初石油危机的刺激, 法国的巴黎盆地、Aquitaine盆地及其它地区在1980 ～ 1986 年建成了74个这样的地热供暖系统。从1986年到1990年, 随着石油危机的结束, 法国的地热经历了一次衰退。但是, 现在仍然有61个地热供暖系统正在运行, 其中41个在巴黎盆地,15个在Aquitaine盆地, 还有5个在其它地区。这些地热供暖系统服务的房屋约200,000间。

国内发展现状中国最早的地热回灌为1982 初在北京城区地热田东南部进行的回灌试验。当时, 北京城区地热田内已经有地热井40眼,年地热水开采量已超过30×104m3 a , 热储压力逐年下降。为了充分利用地热资源, 研究地热回灌的效果, 利用一眼深1274.65m的地热井回灌40℃的地热采暖尾水。目前,天津市的地热回灌已经具有一定的规模,北京地区又开始了最新的地热回灌, 西安市正在计划开展地热回灌。虽然地热回灌在全国范围的发展程度还比较低, 但地热回灌的作用和意义已经得到了广泛的认识和关注。

天津地区有两种热储, 即第三系砂岩和中上元古界蓟县系白云岩。近年来, 天津市开展了一系列地热回灌的试验和研究工作。砂岩热储的回灌因为比较严重堵塞, 存在一定技术上的困难。但从1996 年开始立项进行的天津市蓟县系热储地热回灌研究取得了明显的效果。到2001 年底, 天津市蓟县系热储有地热开采井196 眼, 年开采量为120 ×105m3 a , 回灌井12 眼, 年回灌量166 ×104m3 a 。每眼回灌井一般和一眼开采井组成一个开采-回灌的“对井” 。这些对井系统一般为定向井, 开采-回灌井间的地表距离一般很小, 但开采井段和回灌井段的距离在200m 以上。从试验结果看, 在天津地区的蓟县系热储开展地热回灌是可行的,对保持热储压力, 提高地热资源的利用效率具有一定作用。从另一方面看, 目前的回灌量或回灌率仍然太低, 虽然回灌量已达到了开采量的约14 %, 但天津市蓟县系热储的压力水头仍在以每年6～9m的速度下降。

自从上世纪80 年代初北京城区地热田的试验之后, 北京地区的地热回灌未得以继续下去。近几年, 地热回灌又被列为北京地区地热研究和管理的一项重要工作。北京城区地热田和小汤山地热田是北京地区最为重要的两个地热田。在1985 年以前, 两地热田的开采量不断增大, 水位也随着大幅度下降。此后, 虽然开采量基本保持稳定, 但地热田的水位仍在以1.5 -2m a的速度下降。因此在这两个地热田开展地热回灌是非常必要的。从2001年冬季开始, 在小汤山地热田开展了回灌试验, 把35℃～40℃的采暖尾水通过距开采井约200m 的回灌井进行回灌, 经过一个采暖期的试验未发现任何问题, 初步肯定了回灌的可行性。

天安门以南约5km的郭庄北里小区属于北京城区地热田的东南部, 在2001～2002年采暖期也进行了地热回灌试验。目前, 在北京城区地热田的北京工业大学也在进行地热回灌试验, 在小汤山地热田的地热回灌正在扩大规模。

城区北部的奥运公园地区具有一定的地热潜力。但是根据区域地质情况和周围地热井资料分析, 这一地区地热水的补给很少, 甚至处于一个封闭的地热系统中。这样, 地热开采必将导致热储压力的明显下降, 地热回灌就成为热储管理的一个必不可少的手段。规划在奥运公园地区将开凿10眼地热井(2眼即将开工), 其中3～4眼用于回灌。

存在重要问题把温度较低的水灌入热储中是一项非常复杂的技术。如果回灌井的位置不当可能引起热储的冷却, 降低开采井的出水温度或产汽量;如果采用的回灌工艺存在问题, 回灌井的回灌能力可能逐渐降低, 甚至最后丧失回灌能力。为了研究回灌的效果, 需要进行示踪试验, 并对地热田进行全面的监测2。

回灌和示踪试验把水灌入热储中会改变热储的状态, 有时影响范围可以达到很大的距离。回灌的影响从回灌点开始以不同的形式向外扩展, 最主要的是压力传导、流体的机械运动和热传导。正确理解三者的机理和关系对回灌工程的设计是非常重要的。在三者之中, 压力传导界面的运动是最快的, 因为它是流体分子能量的传递, 其影响可能几天、几小时甚至几分钟就能到达开采井。化学界面的运移慢于压力传导, 因为它是回灌的物质分子的实际运移, 一般需要几星期或几天才能到达开采井。温度界面的运移是最慢的, 因为回灌水在其运移过程中会被逐渐加热。

在回灌工程设计中, 非常重要的一点就是避免由于回灌水过快地到达开采井,从而引起开采井温度的降低。反之, 如果回灌井距离开采井或地热田开采区过远, 又不能起到保持热储压力, 稳定地热田生产能力的作用。地热回灌是高度依赖场地的, 也就是说每个回灌工程之间会因为开采井和回灌井之间的地质条件不同而存在差异, 甚至存在很大的差异。因此, 在生产性回灌之前必须进行回灌试验, 并在回灌试验的过程中进行示踪试验, 以研究回灌水在热储中运移的规律,研究回灌对于稳定热储压力和改善地热田生产技术条件方面的作用, 研究合理的回灌量和运行方式。

预测温度界面的运移速度在回灌工程设计中的重要性是可想而知的。但是, 在不掌握回灌水运移路径的性质之前, 是很难对此进行计算的。因此, 经常根据示踪试验成果来预测回灌引起开采井冷却的可能性。

我们把回灌水中化学组分(示踪剂)从回灌点运移到开采井称为“示踪剂突破(tracer breakthrough)”, 所用的时间称为“示踪剂突破时间” ;把由于回灌引起开采井温度降低称为“热突破(thermal breakthrough)”, 所需时间称为“热突破时间”。首先, 示踪剂突破是热突破的前奏, 预示着热突破即将到来。通过示踪试验还可以推断热储的性质和求取预测热突破时间的一些必要参数, 比如裂隙的宽度和高度, 进而计算热突破时间。为慎重起见, 尽可能避免回灌井和开采井距离过近, 可首先考虑把回灌井布置在地热田边缘, 这样因回灌而导致地热田冷却的可能性将会大大降低。但是,在回灌井位置已经确定时, 就要研究合理的回灌量, 以避免“过快热突破(premature thermal breakthrough)”。

堵塞问题在地热回灌中, 经常由于堵塞而使井的回灌能力降低。堵塞的原因包括物理的和化学的。物理堵塞主要是由于水中含有的悬浮物颗粒, 在回灌压力的作用下附着在回灌井壁上或进入热储的裂隙中而影响回灌能力。此外, 回灌水中的气泡也可能影响回灌的速度。

为了避免或减轻物理堵塞, 可以用过滤的方法去除水中的悬浮物, 然后再进行回灌。当回灌井的水位低于地表时, 应在回灌井中安装回灌管, 使回灌水通过回灌管直接到达井水位以下, 以避免回灌水在井筒中自由下落过程中混入气泡, 从而影响井的回灌能力。化学堵塞是由于物理化学状态的改变或回灌水与地热水之间的化学反应而产生沉淀(主要为二氧化硅或碳酸钙等), 从而降低井的回灌能力。在高温地热田, 发电后的地热水的化学组分浓度增加, 温度和压力降低, 可能形成过饱和溶液, 产生沉淀析出。空气的作用也可能加速沉淀作用。因此, 在设计回灌系统时, 应研究合理的回灌水温度和工作压力, 尽可能避免产生化学沉淀而影响井的回灌能力。还应注意保证系统的密闭性,尽量避免回灌水和空气接触。在可能产生沉淀的化学组分含量较高时, 可以通过调节回灌水的pH值避免化学沉淀的产生。

回灌效果的监测和研究为了掌握回灌的效果, 及时发现回灌引起的不利影响, 应该对开展回灌的地热田进行更为严格的监测。对于回灌井, 需要观测回灌的水量、水温、井口压力(水位)和水质。对于开采井, 观测项目包括开采量、出水温度、压力(水位)和出水的水质, 还要监测示踪剂的浓度。此外, 还应对周围的地热井进行监测, 除了正常的水量、水温、压力和水质监测外, 也应采取一些水样监测示踪剂的浓度。当回灌停止或暂停时, 应以一定的时间间隔测量回灌井和开采井内的温度剖面, 以观测回灌井停灌后的升温情况和开采井中可能的冷却。

根据监测数据可以发现回灌的短期效果, 要研究回灌的长期效果就需要建立适当的模型。一种较为简单适用的模型就是根据示踪试验得到的参数, 求取解析解。对于复杂的情况, 需要建立数值模型。

总结应用回灌技术作为地热田管理的一种手段是非常有效的, 将会得到日益广泛的应用, 无论是在高温地热系统, 还是低温地热系统。地热回灌是一项非常复杂的技术, 在大规模回灌之前需要进行回灌试验。示踪试验是回灌试验中非常重要的一种手段, 对于研究回灌引起地热田冷却的可能性具有重要的意义。反之,通过回灌和示踪试验又能够改善对地热田的认识, 促进地热田的热储工程研究3。