西安與咸陽孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理對比

西安與咸陽孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理對比

鄭磊,馬致遠,鄭會菊,何丹,李妍

(長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安710054)

摘要：在分析西安與咸陽兩市地質條件、熱儲環境特征和水化學類型的差異的基礎上,采用水文地球化學理論模擬、室內堵塞模擬試驗及現場回灌試驗多種方法耦合的方法,對西安、咸陽孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理進行對比研究。動態巖心驅替試驗結果表明,在同一溫度下,西安回灌模擬試驗各個堵塞率均大于咸陽回灌一號井堵塞率。兩地化學、微生物堵塞對比顯示,西安回灌井水體含鐵量高,在回灌過程中產生大量鐵細菌及鐵類礦物黏泥,而咸陽回灌井水體鐵類礦物影響微乎其微。研究表明,在開放環境下,地下水中Fe2+與空氣中的O發生氧化反應生成Fe2O3和Fe(OH)3等礦物沉淀,這些膠狀沉淀物進入地層后造成了堵塞。試驗表明,西安三橋回灌井回灌地層適宜性不及咸陽回灌一號井;且西安三橋回灌井開放式回灌方式加重了化學、微生物堵塞。

關鍵詞：孔隙型熱儲流體;回灌;堵塞機理;地熱資源;西安市;咸陽市

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.008

基金項目:陜西省財政廳科技項目(20130422);陜西省自然科學基礎研究計劃(2012JZ5001)

作者簡介:鄭磊(1989—),男,碩士研究生,研究方向為環境同位素地下水文學。E-mail:groundwater258@163.com

中圖分類號：P512.2+2文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-09-09編輯：高渭文)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.009

Comparison of clogging mechanism of pore-type heat storage tail

water recharge in Xi’an and Xianyang

ZHENG Lei, MA Zhiyuan, ZHENG Huiju, HE Dan, LI Yan

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

Abstract：Based on the analysis of the differences of the geological conditions, the environmental characteristics of heat storage and hydrochemical type between Xi’an City and Xianyang City, the author of this paper made a comparative study on the clogging mechanism of pore-type heat storage tail water recharge in Xi’an and Xianyang by coupling methods such as the hydrogeochemical theoretical simulation(PHREEQC), indoor simulation experiment of blockage and field recharge test. The results of dynamic core displacement test show that the blockage rates in the Xi’an recharge simulation experiment were larger than that of Xianyang No.1 Well under the same temperature. The comparison of chemical plugging and microorganism blockage in the two areas shows that there is a larger amount of iron in the water of Xi’an recharge well, and a lot of iron bacteria and iron minerals would be produced in the recharge process, while there is little impact on the water caused by iron minerals in Xianyang recharge well. Studies have shown that, in an open environment the Fe2+ in the groundwater and the O in the air occurs oxidation reaction, producing some precipi-tation of mineral such as Fe2O3 and Fe (OH)3, etc. A blockage is caused after these gelatinous precipitate go into the geological strata. The experiment shows that the suitability of reinjection formation in the Xi’an Sanqiao recharge well is less than that of Xianyang NO.1 recharge well, and the open recharge way of the Xi’an Sanqiao recharge well increases the chemical and microbiological clogging.

Key words： pore-type heat storage fluid; recharge; clogging mechanism; geothermal resources; Xi’an City; Xianyang City

1研究背景

深層孔隙型地熱資源是寶貴的綠色清潔能源,其開發利用是解決能源緊張和環境污染問題的關鍵[1]。但是,過度開采地下熱水引發的一系列環境污染、地下熱水水位衰減問題嚴重制約著經濟的和諧發展。針對這一狀況,比節制性開采地下熱水之外更為積極、主動和關鍵的應對措施是實施地下熱水資源的人工尾水回灌[2]。然而,國內外眾多地熱田調查結果顯示:有80%的孔隙型熱儲回灌井出現了堵塞,部分回灌井被迫停滯[3],因此,解決回灌堵塞問題是現階段開采利用地下熱水的關鍵。Bedrikovetsky等[4]曾采用模擬和試驗方法模擬了熱水中硫酸鹽礦物的結垢規律；鄭西來等[5-6]應用礦物平衡模型對淺層熱水系統中相關物質的化學沉淀進行了有益嘗試；劉雪玲等[7]對熱水懸浮物的形成及堵塞機理做了論述。迄今為止,國內外學界對于淺層及常溫孔隙型地下熱水尾水回灌堵塞機理做了大量研究,然而,對深層孔隙型熱儲地熱尾水回灌堵塞機理及系統緩減回灌量衰減的綜合性研究鮮見報道。鑒于此,筆者在2011—2012年間分別在咸陽、西安兩地對采灌井進行地下熱水尾水回灌試驗,對兩地的尾水回灌堵塞機理進行了深入研究,西安三橋回灌井運用開放式回灌方式,其回灌量為24m3/h,咸陽一號回灌井采用密閉式回灌方式,其回灌量為50～70 m3/h。本文以水文地球化學理論模擬與室內堵塞模擬試驗及現場回灌試驗多種方法耦合,結合西安咸陽城區兩地地質條件、熱儲環境特征和水化學類型的差異,對西安、咸陽孔隙型熱儲尾水回灌堵塞機理進行了對比研究,試圖比較在不同構造單元、不同熱儲物性、不同回灌方式下其堵塞程度、堵塞機理的同異性,為相似條件地區尾水回灌堵塞機理研究提供研究實例。

2地質條件對比

西安三橋回灌井位于西安地熱田三橋—含元殿斷塊的西部、渭河斷陷盆地內,屬西安凹陷中部深凹陷帶,其地質構造條件為該區地下熱水的儲存與運移提供了良好的通道;而咸陽回灌一號井構造位置處于西安凹陷北部緩斜坡區的斷階帶南部,構造相對簡單,斷裂構造主要有南部的近東西向渭河北側斷裂和西部的北西向咸陽-長安斷裂。渭河北側斷裂屬基地巖性分界線，其北為下古生界碳酸鹽巖,其南部為元古宇變質巖和印支-燕山期花崗巖類。該斷裂南傾67°～80°,最大斷距可達700～1000m。咸陽-長安斷裂,走向北西,傾向西南,傾角70°左右。位于該回灌井西約3km,斷距不大(圖1)。兩地回灌井所處位置都不在斷裂帶上,因此具有可比性。

圖1　西安凹陷、咸陽-禮泉縣斷階剖面示意圖

3回灌井的熱儲層對比

3.1熱儲層的物性特征

西安、咸陽城區大多數開采井和回灌井以藍田灞河組為主要取水層,因此,就藍田灞河組物性特征加以論述。西安三橋回灌井的回灌目的層是埋藏深度為1611.90～2876.60m的三門組、藍田灞河組和高嶺群組,其中藍田灞河組埋藏深度為1637.3～2851.2m,厚度為1213.9m。據測井解釋成果反映,該地層中共有133層砂巖,砂巖總厚度為321.7m,砂巖總厚度與該地層總厚度之比為26.50%。砂巖孔隙度15.22%～38.94%,滲透率3.65～867.53mD(1mD=0.9869×10-9m2)。咸陽回灌一號井的回灌目的層埋藏深度為1270.7～2452.15m的藍田灞河組,厚度為1181.45m。該地層中砂巖共有91層,砂巖總厚度為412.3m,單層最大厚度19.3m,最薄厚度0.9m,砂巖總厚度與該地層總厚度之比為34.90%,孔隙度10.22%～22.44%,滲透率2.06～35.96mD。由對比可知,西安與咸陽回灌井熱儲層的厚度相近,但其孔隙度和滲透率都比咸陽大。西安和咸陽藍田灞河組地層物性特征分布頻率進行對比,如圖2所示。

圖2　西安和咸陽地區地熱井地層物性特征頻率分布

對比顯示,西安藍田灞河組地層泥質質量分數主要分布在5%～15%之間,頻率為5%～10%,而咸陽城區地熱井藍田灞河組泥質質量分數變化大,數值相對分散,主要分布在10%～20%之間,頻率為15%～20%。表明藍田灞河組泥質質量分數西安比咸陽相對較低(圖2(a));西安藍田灞河組砂巖孔隙度屬于中等偏上,滲透率分布主要集中在250～300mD之間,而咸陽藍田灞河組砂巖滲透率主要集中在0～100mD之間,頻率為0～50%(圖2(b),圖2(c)),說明西安比咸陽藍田灞河組砂巖孔隙度和滲透率都相對較好。為了進一步進行熱儲物性綜合評價分析,應用了模糊數學綜合影響評價方法對兩地滲透率、孔隙度、斷裂關系、泥質質量分數、粒徑、膠結程度、砂層總厚度、單層最大厚度、砂層總厚度與該地層總厚度之比、水位下降速度和流量進行了模糊綜合評價。模糊綜合評價具體步驟為:①建立水質評價因子集合及等級集合;②建立單因子評價矩陣;③確定各因素的權重;④建立水質評價模型,計算評價結果。模糊綜合評價結果顯示,主觀賦值情況下西安三橋地熱回灌井的回灌難度排在咸陽全部34口井中第22位,咸陽回灌一號井排在19位,運用客觀熵值法結果顯示,西安地熱回灌井排在27位,咸陽回灌一號井排在23位。因此,西安三橋回灌井進行地熱尾水回灌的難度較咸陽回灌一號井的回灌難度更大。

表1　開采井、回灌井水化學離子質量濃度 　mg/L

3.2水化學特征

圖3　西安、咸陽回灌井、開采井piper圖

圖4　咸陽與西安回灌井、開采井七大離子指紋圖

3.3主要成垢離子

圖5　回灌井和開采井成垢離子分布

4水文地球化學模擬

4.1熱儲環境

熱儲環境的對比包括熱儲溫度、pH值和混入量。西安開采井、回灌井及咸陽職業技術學院井屬西安凹陷構造單元,而咸陽回灌一號井和咸陽185隊井屬于咸禮斷階構造單元,由表2可得出,根據水文地球化學(PHREEQC軟件)模擬結果的熱儲溫度,西安凹陷內熱水井較咸禮斷階內熱水井熱儲溫度高,混入量小,因此,西安凹陷內三橋回灌井較咸陽回灌一號井更為封閉,回灌難度更大。

表2　西安、咸陽熱儲環境對比

圖6　咸陽地熱尾水與熱儲熱水混合后的 靜態配伍的模擬結果

圖7　西安地熱尾水與熱儲熱水混合后的 靜態配伍的模擬結果

4.2水質配伍軟件模擬結果

西安、咸陽回灌水質靜態配伍軟件模擬結果(圖6、圖7)對比顯示,咸陽回灌井靜態配伍結果在原水與尾水混配比達到6∶4時沉淀量達到最大,同時出現冷鋒面,其中方解石沉淀量最大,其次為石英,少量尾水混入還會有一部分透閃石沉淀生成;在沉積物中雖然也檢出了白云石,但是由于在常溫下不能發生白云巖化,地層中的白云石都是地質歷史時期的產物[10],所以在地球化學模擬中未將白云石列入沉積物,因為Mg2+質量濃度的降低并不是白云石沉淀的結果。在西安三橋回灌井,隨著原水和尾水的比例增加,沉淀量呈線性增加,冷鋒面并未出現,其中方解石和石英沉淀量最大,其次為重晶石、針鐵礦、白云母和黃鐵礦。

5室內模擬試驗

5.1靜態配伍試驗

咸陽西安兩地靜態配伍試驗結果見圖8。咸陽回灌井在50℃時尾水、原水水質基本不配伍(配伍性標準[11]:P=100mg/L),而西安三橋回灌井在50℃時配伍性較好,在30℃時水質配伍的結果為配伍。因此西安三橋尾水回灌的水質配伍條件較好,其水質總沉淀量在50℃時比同溫度下的咸陽井總沉淀量低15.41%。

5.2動態驅替模擬試驗對比

西安三橋及咸陽一號回灌井堵塞模擬試驗結果如表3與圖9所示，可見,就總堵塞率而言,在同一溫度下,西安三橋回灌模擬試驗各個堵塞率均大于咸陽回灌一號井堵塞率,50℃溫度下,西安三橋回灌井化學堵塞率高出咸陽回灌一號井30.91%。表3顯示,影響西安三橋回灌井較高堵塞率的主要因素為化學堵塞;在開放條件下,Fe2+易被氧化成Fe3+生成Fe(OH)3和Fe2O3等礦物沉淀,這些礦物在水中呈現為膠狀體,加劇了化學物堵塞。值得注意的是,西安三橋回灌井在實際回灌30℃水溫且經過5μm過濾級的條件下,懸浮物堵塞仍占據主位,說明開放環境下懸浮物堵塞影響不容忽視。采用密閉式回灌,提高對懸浮物過濾級數,加大過濾量是保證回灌初期順利進行的關鍵。

圖8　咸陽、西安回灌井靜態配伍試驗結果

城市試驗井類型堵塞率/%30℃50℃70℃90℃西安咸陽化學堵塞25.5357.2175.1383.56三橋懸浮物堵塞35.9717.189.897.18氣體堵塞24.55化學堵塞26.333.442.4回灌一號懸浮物堵塞1.48.418.5氣體堵塞11.59.46.3

圖9　西安、咸陽回灌驅替試驗結果對比

回灌過程中,微生物的滋生不容小視,微生物的大量繁殖會相互聚集并吸附水中細小的懸浮物顆粒及微生物尸體,粘附于井壁和孔隙造成堵塞。將西安與咸陽回灌水質中這3種微生物進行對比發現,西安三橋回灌井微生物的影響更為嚴重(表4)。

表4　微生物測試對比結果　個/mL

腐生菌自身細胞大,可在水中大量繁殖生長,為三橋回灌井開放回灌方式下微生物堵塞的主要菌種;硫酸鹽還原菌數量上雖在本區數量不多,但其存在可催生異常逸出物的形成;值得一提的是,在開放回灌系統中，鐵細菌成為三橋回灌試驗中的關鍵性菌種。

西安及咸陽回灌井熱水微生物測試結果對比顯示,咸陽185隊地熱井腐生菌含量達1.4×106個/mL,明顯大于西安原水(1.5×105個/mL)和商貿學院井(1.1×105個/mL),而西安三橋回灌井中的大池屬完全開放的回灌方式,其腐生菌含量高達1.4×107個/mL,比密閉式回灌方式高出1或2個數量級，提示腐生菌的繁殖是開放環境微生物堵塞的特征之一。值得注意的是在西安三橋原水、回揚水、尾水中鐵細菌分別為2.0×105個/mL、1.1×106個/mL和1.1×104個/mL,高于咸陽密閉式回灌方式3～5個數量級,鐵細菌能夠產生Fe(OH)3,可累積成褐鐵礦(Fe2O3)聚集在細菌周圍產生大量棕色黏泥[12],粘附在井壁周圍和孔隙中,造成嚴重堵塞,從回灌現場取得的大量黏稠狀堵塞物充分證明了這一事實。故而,非金屬管材的普及應用十分必要,是提高回灌率的主要措施之一。

6地面設備對比

西安三橋屬于開放式大池回灌,在開放環境下,微生物、水質和懸浮物都發生了巨大改變,為回灌帶來了很大的阻力,在沒有二級過濾、除砂器和除鐵曝氣等工藝設備的情況下,西安三橋地區的最大回灌量達到33m3/h,而咸陽回灌一號井采取了二級過濾和除砂器等設備,并且采取密閉式回灌,大大降低了咸陽地區所面臨的回灌難度,最大回灌量高達60m3/h。因此,在地熱尾水回灌中,為了減小回灌堵塞,通常采用密閉式地面設備對尾水中的懸浮物堵塞、氣體堵塞進行去除,現階段一般采用的地面設備有過濾器、排氣罐、除砂器、除鐵器等。采取以上設備可對堵塞起到緩解并且有效地增加回灌量。對西安、咸陽兩地區回灌井地面設備配備及相應回灌量進行對比結果顯示(表5),盡管西安三橋與咸陽回灌一號井的最大回灌量差異的影響是多方面的,其熱儲物性、加壓程度及地面設備均有貢獻,然而開放式與密閉式這兩種回灌方式的不同是潛在的不容忽視的因素之一。

表5　西安、咸陽現場設備對回灌量的影響

7結語

a. 室內模擬試驗結果顯示,在同一溫度下,西安三橋回灌井各個堵塞率均大于咸陽回灌一號井。鐵質管道的使用會出現大量鐵類物質,在開放條件下,Fe2+易被氧化成Fe3+生成Fe(OH)3和Fe2O3等膠狀體,加劇了化學物堵塞。值得注意的是,在實際回灌30℃水溫且經過5μm過濾級的開放式回灌條件下,懸浮物堵塞仍占據主位,說明懸浮物堵塞影響不容忽視。采用密閉式回灌,提高對懸浮物過濾級數,加大過濾量是保證回灌初期順利進行的關鍵。

b. 開放回灌環境下,腐生菌和鐵細菌大量繁殖,并相互凝集吸附水中細小的懸浮物顆粒及微生物尸體,且大量的鐵細菌能夠產生Fe(OH)3累積成褐鐵礦(Fe2O3)聚集在細菌周圍,產生大量的棕色黏泥,粘附在井壁周圍和孔隙中,加重了懸浮物堵塞、化學堵塞和微生物本身堵塞程度。因此,采用密閉式回灌方式尤為重要。

c. 西安咸陽回灌對比顯示,在回灌試驗中,必須進行密閉式回灌,以避免因開放環境造成大量堵塞。

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