配伍性實驗在西安市地熱水回灌試驗中的應用

陳玉林，田 濤，奇富民

(1，西北大學地質學系，陜西 西安 710069;2.陜西省黃陵縣礦區粉煤灰蒸壓制磚有限公司，陜西 黃陵 727307)

經過近年來對西安市地下熱水的動態監測分析，地下熱水的水頭隨著開采量的增加呈現持續下降的趨勢，在地熱井密集的東南部，水頭年平均下降幅度大于15 m。根據國內外地熱井利用經驗，回灌補源是延長地熱水井的開發利用年限，實現地熱水能源可持續利用的最有效的途徑之一。

西安市地熱井主要目的層位為藍天灞河組和高陵群組熱儲層，均為第三系砂巖儲層，孔隙度和滲透率都比較低。藍天灞河組砂巖孔隙度主要分布在15%～30%之間，滲透率主要分布在250～300×10-3μm2之間。高陵群砂巖孔隙度主要分布在10% ～30%之間，滲透率小于50×10-3μm2。

配伍性的好壞直接決定地熱尾水回灌是否可行和回灌效果的好壞。一旦將不配伍的地熱水回灌到地層中后就會生成大量水垢，固體顆粒進入孔隙吼道后就會堵塞吼道，導致地熱儲層孔隙度、滲透率下降，回灌率降低。最后發生孔隙吼道堵塞，導致回灌率非常低或回灌難以進行。

1 同層回灌的配伍性

同層回灌是指開采井和回灌井的取水層位相同，其中一眼井作為開采井抽取地熱水，將利用后的地熱尾水回灌到另一眼井中，經過地層滲透到開采井時又能重新開發利用，達到了資源的循環利用，從根本上達到熱水資源可持續利用。由于同層水的水質相差不大，同層水的配伍性一般情況下較為理想，不會發生不配伍的現象。本次實驗以西安工程技術學院內的兩眼地熱井為例。

1.1 開采井和回灌井概況

西安工程技術學院開采井完鉆井深1 784.9 m，井口出水水溫 68℃，取水段1 372.95 m ～1 761.2 m，層位藍田灞河組。回灌井完鉆井深1 750.8 m，水溫61℃，取水段1 393.73 m～1 728.15 m，層位藍田灞河組。地熱水由開采井抽取到換熱器換熱，換熱后溫度為42℃左右，作為回灌水源，自然壓力下由泵管內回灌到回灌井中。

1.2 開采井和回灌井水質對比

開采井地熱水中所含陽離子主要有Na+，其含量為510.1 mg/L占陽離子總量的毫克當量百分數為95.3%;陰離子主要為SO42-，其含量為 708.9 mg/L，占陰離子總量的毫克當量百分數為63.9%;按化學類型定名原則，該井地熱水化學類型為SO4—Na型水(見表1)。

回灌井地熱水中所含陽離子主要有 Na+，其含量為580.8mg/L占陽離子總量的毫克當量百分數為93.5%;陰離子主要為SO42-，其含量為816.5mg/L，占陰離子總量的毫克當量百分數為63.7%;按化學類型定名原則，該井地熱水化學類型為SO4—Na型水(見表1)。

表1 開采井和回灌井水質離子成分分析數據

水質分析顯示:西安工程技術學院開采井和回灌井水質沒有較大差別，各離子含量、總礦化度、水型基本一致。

1.3 配伍性分析

回灌水與地層水在地球化學性質上一般存在一定的差異，兩種水混合如果不配伍將引發固體沉淀物堵塞濾水管，給地熱儲層造成災難性破壞，因此很有必要對回灌水與地層水的配伍性進行研究。

表2 西安工程技術學院開采井水和回灌井水的配伍性結果

西安工程技術學院開采井和回灌井水樣配伍性實驗結果顯示:用開采井水回灌到回灌井中是可行的，不會發生CaSO4型水垢，CaCO3型水垢只有在回灌水和地層水為9:1的情況下會出現輕微結垢，結垢量為6.26 mg/L(見表2)。

2 異層水回灌的配伍性

異層回灌和同層回灌的區別是異層回灌的開采井和回灌井的取水層位不同。異層地熱水由于其開采層位不同，一般水質相差較大，出現不配伍的可能性也非常大。因此異層水回灌前一定要進行配伍性研究。一旦不配伍，就要進行回灌前的處理，選擇合理經濟的處理工藝和處理措施。本次實驗以西安市曲江春曉苑小區地熱井為例。

2.1 開采井和回灌井概況

西安市曲江春曉苑小區開采井完鉆井深3 450.08 m，井口出水水溫104℃，取水段2 793.48～3 402.87 m，層位高陵群、白鹿塬組、紅河組。回灌井完鉆井深2 885.00 m，水溫90℃，取水段1 461.05～2 859.07 m，層位高陵群。地熱水由開采井抽取到換熱站，換熱后經過濾器過濾，再由水源熱泵二次利用，尾水溫度為18℃左右，作為回灌水源人工自然壓力下由井管回灌。

2.2 開采井和回灌井水質對比

開采井地熱水中所含陽離子主要有Na+，其含量為690 mg/L占陽離子總量的毫克當量百分數為94.7%;陰離子主要為SO42-和HCO3-，其含量分別為 840.5 mg/L 和 701.7 mg/L，分別占陰離子總量的毫克當量百分數為51.7%和34.0%;按化學類型定名原則，該井地熱水為SO4.HCO3—Na型水(見表3)。

回灌井地熱水中所含陽離子主要有Na+，其含量為1 912.2 mg/L占陽離子總量的毫克當量百分數為89.4%;陰離子主要為SO42-，其含量為4 010.5 mg/L，占陰離子總量的毫克當量百分數為85.4%;按化學類型定名原則，該井地熱水為SO4—Na型水(見表3)。

表3 開采井和回灌井水質離子成分分析數據

水質分析顯示:西安市曲江春曉苑小區開采井和回灌井水質差異很大。開采井水的礦化度比回灌井的礦化度低近4 500 mg/L。前者為 SO4·HCO3—Na型水，后者為 Na2SO4型水。

2.3 配伍性分析

異層地熱水由于其礦化度、水型都有很大差異，兩種水混合后都會產生水垢。本次實驗的實驗溫度為50℃，按不同比例混合，恒溫密閉，測量生成水垢的類型和結垢的數量。

曲江春曉苑小區開采井和回灌井水樣配伍性報告顯示:用開采井水回灌到回灌井中是可行的。不會產生CaSO4型水垢，CaCO3型水垢只有在回灌水和地層水為9∶1和7∶3的情況下會出現結垢，結垢量分別為86.68 mg/L和31.83 mg/L。均小于100 mg/L，配伍性較好(見表4)。

表4 西安市曲江春曉苑小區開采井水和回灌井水的配伍性結果

3 結論及建議

(1)地熱水回灌前研究其配伍性是必要的。西安市地熱儲層主要為第三系砂巖孔隙型儲層，一旦將不配伍或配伍性不好的水回灌到熱儲層，對地熱儲層的破壞將是災難性的。

(2)同層回灌的配伍性好于異層回灌。地熱開采水井和回灌水井一般井距不大，如果取水層段相同，地熱水的水質相差不大;雖然地熱水經過利用后溫度有所下降，但是總體讓對水水質的影響較小，同層回灌的配伍性較好。

(3)異層回灌配伍性一般不是很理想。取水層段不同的地熱水水質一般都有較為明顯的差異，水型和礦化度也不同。一旦不配伍，就要根據實際情況，添加處理設備，調整回灌方案。

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