東營市南展區砂巖熱儲地熱回灌量與溫度的關系探討

賀淼，張樂，袁一鳴，張建英，高延華

(1.東營市國土資源局，山東 東營 257091；2.東營市國土資源局東營分局,山東 東營 257091；3.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 250014)

水文地質環境地質

東營市南展區砂巖熱儲地熱回灌量與溫度的關系探討

賀淼1，張樂1，袁一鳴1，張建英2，高延華3

(1.東營市國土資源局，山東 東營 257091；2.東營市國土資源局東營分局,山東 東營 257091；3.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 250014)

東營地區地熱資源豐富，主要開采層位為新近紀館陶組、古近紀東營組，熱儲類型為低溫溫熱水、熱水型層狀孔隙-裂隙型砂巖熱儲，地下熱水補給條件較差。近年來，隨著地熱資源的開發利用規模的加大，開采密集地帶的熱水頭明顯下降，存在資源枯竭，引發地質環境問題的威脅。采用回灌方式補充地下水源，是實現地熱資源可持續利用和地質環境保護的有效措施。為研究該區地熱回灌可行性與回灌制約因素，在南展區開展了多次回灌試驗，試驗表明，該層熱儲回灌空間大，回灌條件較好，壓力對回灌效果影響明顯，回灌水體溫度對回灌效果影響較大。利用回灌量與回灌水頭之間的影響關系，模擬計算不同溫度下回灌水頭的變化情況，探討了回灌量與回灌水體溫度的影響關系，對回灌研究具有一定的指導意義。

地熱資源；砂巖熱儲；溫度；回灌量；南展區；東營市

地熱回灌是人工將利用過的地熱尾水或常溫地下水、地表水灌回到熱儲中[1-3]，是維持地熱資源可持續開采和預防地面沉降等地質環境問題[4-8]的有效措施，但是地熱回灌技術復雜,回灌過程中可能引起回灌井井管及其周圍熱儲的物理、化學阻塞,使得回灌效率降低,并有可能導致回灌井損壞等。為此，在東營市開展了多次回灌試驗研究①，對回灌影響因素[9-10]進行了分析與研究，提出了回灌水頭(壓力)、回灌井工藝、回灌水源等對回灌效果的影響。根據以往研究成果，回灌壓力影響回灌效果，溫度直接影響回灌水密度，進而影響回灌壓力，因此，回灌水溫度對回灌效果的影響同樣不容忽視。南展區回灌試驗采用同層對井回灌模式，試驗持續時間較長，取得了豐富的動態數據，通過研究該區回灌試驗[11-14]中回灌水頭高度、回灌溫度、回灌量三者之間的關系，模擬計算不同溫度下的水頭高度，進一步分析回灌溫度與回灌量的關系。

1 回灌試驗概況

1.1 熱儲條件

南展區位于東營市六戶鎮東南，行政區劃隸屬東營市東營區。構造單元劃分上，該區位于華北坳陷濟陽坳陷區東營凹陷東南部的牛莊洼陷內，區域上發育有王崗斷裂構造背斜帶。區內熱儲類型為層狀熱儲[15]，屬低溫地熱資源中的溫熱水—熱水型地熱資源[1],主要熱儲層位為古近紀東營組及新近紀館陶組。

(1)東營組熱儲底板埋深約1600～1900m，與下伏沙河街組呈整合或假整合接觸，砂層厚度130～200m，該層巖性為砂泥巖互層，半膠結狀，正韻律沉積，下部顆粒粗，以含礫砂為主，孔隙度較大，平均孔隙度約29%，富水性較強，單井涌水量大，可達80～100m3/h，水溫53～76℃，礦化度18.0～20.0g/L，水化學類型主要為Cl-Na·Ca型和Cl-Na型。

(2)館陶組熱儲頂板埋深1000m左右，底板埋深1350～1500m，與下伏古近紀東營組呈不整合接觸關系，砂層厚度在120～150m之間，蓋層分上下兩段，下段巖性為灰色、灰白色塊狀礫巖、含礫砂巖、砂巖。上段巖性為紫紅色、灰綠色泥巖與粉砂巖互層，孔隙度大，平均孔隙度為31%,熱儲溫度一般為53～55℃，單井涌水量大，一般在80m3/h左右，礦化度17.8～20.0g/L，水化學類型為Cl-Na型。

1.2 試驗場地

圖1 回灌試驗平面位置示意圖

地熱回灌試驗采用了該區域內一對地熱勘探井的試驗數據，其中一口為水源井(ZK01)，另一口為回灌井(ZK02)，水源井成井深度1716m，井壁管規格為177.8mm×8.05mm，濾水管長128.91m，取水段區間為1463.33～1704.91m，降深21.55m時，涌水量為90.8m3/h；回灌井成井深度1750m，井壁管規格為177.8mm×8.05mm，濾水管長128.64m，取水段區間為1553.6～1745.9m，降深22.20m時，涌水量為100m3/h。兩井取水層均為東營組，兩井之間間距532.3m。回灌試驗采用變頻、回灌加壓泵控制回灌量大小，除砂器、粗(精)效過濾器對回灌水進行二級過濾，以及排氣裝置、反沖儲水箱、反沖水泵等回灌設備，回灌井井口安裝可密封井口裝置，兩井之間通過鍍鋅管、法蘭進行連接，回灌水由水源井經輸水管道注入回灌井。試驗前期，采取小流量進行回灌，回灌水溫度逐漸上升然后趨于穩定，回灌井水位逐漸上漲，當水頭突破初始水位與井口的高度差產生噴涌后，進行密封回灌，回灌壓力、回灌溫度及回灌量同步進行觀測，根據試驗情況，逐步提高回灌量，最終達到設計的穩定回灌壓力，并維持一定的回灌時間,試驗共持續50.5d，總回灌量約5.98萬m3。

圖2 試驗工藝流程示意圖

2 回灌量與回灌溫度關系分析

2.1 回灌量與水頭高度關系分析

為研究回灌量同回灌壓力的關系[16],該試驗進行了4個流量段回灌，試驗初期水頭高度通過人工測量得出，密封回灌階段水頭高度通過壓力表讀數進行換算，回灌過程中的水頭高度以回灌前靜水位為起算點。根據回灌試驗數據，當回灌量為42.6m3/h時，水頭高度46.45m，隨著回灌量增加，水頭高度不斷升高，當回灌量增加至57.7m3/h時，水頭高度85.21m。結合回灌量與水頭高度關系圖(圖3)，可以看出回灌量與回灌壓力之間相互影響，二者呈正比例關系，即回灌量與水頭高度之間呈正比例關系，兩者線性相關關系式近似為：

H≈2.56Q-66.73

式中：H—水頭高度(m)；Q—回灌量(m3/h)。

圖3 回灌量-水頭高度關系圖

2.2 回灌溫度與水頭高度關系分析

回灌壓力與回灌量相互關聯，而使回灌壓力發生變化的因素除了回灌量以外，流體重力也是重要影響因素，根據物理學原理，流體重力與其體積、密度有關，根據地熱井成井結構，回灌井井筒[17-18]內總體積不發生變化，密度是影響回灌水重力的唯一因素。流體溫度影響密度，進而影響重力，因此，可借助回灌量與水頭高度的關系，研究溫度與水頭高度的關系，進一步分析溫度與回灌量的關系。該次地熱水密度參照《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615-2010)不同溫度下水的密度，進行適應性插分取值。

圖4 回灌井剖面圖

討論二者之間的關系，暫不考慮回灌目的層壓力的變化，只研究井管內由回灌水溫度改變引起的壓力變化。假設回灌井井管內原有地熱水被回灌水源完全置換，置換后井管內水溫一致，以南展區地熱回灌試驗值為參考，模擬計算在保持回灌量不變，即保持井底壓力[19-20](濾水管底壓力)不變的條件下，以不同溫度(50℃，40℃，30℃)水源進行回灌的回灌井水頭高度情況。以井口處為分界面，井底承受壓力為外界壓力與井筒內熱水產生的壓力之和，井底壓力計算公式為：

F=F外+F內=(P加+ρ0gh0)×S=ρ1g×(H+h0-h靜)

得出水頭高度計算公式：

式中：F外—密封回灌回灌壓力；F內—井筒內熱水產生壓力；S—井底面積；P加—密封回灌產生壓強(MPa)(數據來源于東營市南展區回灌試驗資料)；ρ0—實際回灌試驗中熱水密度(kg/m3)；ρ1—模擬回灌熱水密度(kg/m3)；g—重力值，取9.8N/kg；h0—回灌井濾水管埋深(m)；h靜—靜水位埋深(m)；H—回灌后水頭高度(m)。

計算結果如表1所示。

表1 回灌溫度與水頭高度對應關系

計算結果顯示，在保持一定回灌量的情況下，隨著回灌水溫度降低，水頭高度也在下降，為確定二者關系，繪制溫度-水頭高度曲線(圖5)，該曲線近拋物線形式，建立如下公式:

H=at2+bt+c

式中：H—水頭高度(m)；t—回灌溫度(℃)。

根據表1計算結果，代入法求得a≈0.01，b≈-0.25,c為常數N。得出水頭高度與回灌溫度之間的關系式：

H=0.01t2-0.25t+N

圖5 溫度-水頭高度關系曲線圖

2.3 回灌量與回灌溫度關系分析

2.3.1 回灌量與回灌溫度關系分析

在分析回灌溫度同水頭高度的公式關系時，發現常數N只受回灌量影響，且與回灌量呈正相關，當回灌量一定時，N為定值，不妨將其當作回灌量，結合水頭高度與回灌量呈正相關的關系，分析回灌溫度與回灌量的關系。在保持回灌量不變的情況下，隨著溫度升高，水頭高度增大。反之，回灌溫度變小，回灌井水頭高度變小，井內剩余回灌體積空間增加，要達到原來的水頭高度，回灌量會相應增加。即：兩者之間呈反比例關系。

2.3.2 回灌量與回灌溫度干擾因素分析

根據以往地熱回灌經驗，影響回灌效果的因素較多，包括回灌井成井結構、熱儲層特征、回灌壓力大小、水化學特征等。該次研究回灌量與回灌溫度之間關系過程中忽略了熱儲層特征變化及兩種地熱水混合后水化學特征的影響，因此，確定二者為該次研究的干擾因素。

(1)熱儲特征因素分析

熱儲特征通過熱儲特征參數體現，主要包括回灌滲透系數、導水系數、導壓系數(表2)。隨著回灌試驗進行，熱儲特征參數發生改變，熱儲層滲透性能發生改變。熱儲層結構復雜，不同溫度水體進入后，對熱儲層的影響及其反作用目前難以明確，只研究井管內水頭高度變化，可降低熱儲特征因素的干擾。

表2 回灌熱儲特征參數

(2)水化學因素分析

圖6 CaCO3溶解度曲線

3 結論

以水頭高度為結合點，利用回灌量、回灌溫度同水頭高度關系，創建回灌量與回灌溫度的關系式，經分析得出：

(1)回灌溫度通過改變回灌壓力對回灌量產生影響，二者呈反比例關系，即低溫水源回灌效果理論上要優于高溫水源。

(2)回灌溫度與回灌量的關系式是在南展區回灌試驗基礎上模擬推導得出，對于其他干擾因素的影響關系尚不明確，有待進一步優化。根據單井試驗建立溫度、回灌量之間的關系，對今后的回灌研究具有一定的指導意義。

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StudyontheRelationshipbetweenRe-injectionVolumeandTemperatureofSandstoneGeothermalReservoirinNanzhanAreaofDongyingCity

HE Miao1, ZHANG Le1, YUAN Yiming1, ZHANG Jianying2, GAO Yanhua3

(1.Dongying Bureau of land and resources, Shandong Dongying 257091, China;2.Dongying Branch Bureau of Dongying Bureau of Land and Resources , Shandong Dongying 257091, China;3. Shandong Geo-engineering Exploration Limited Corporation, Shandong Jinan 250014, China)

There is rich geothermal resources in Dongying area, and the main mining layers are Neogene Guantao formation and Paleogene Dongying formation. Thermal reservoir are warm -hot water type and layered pore fissure type sandstone reservoir. The geothermal water supply condition is poor. In recent years, accompanying with the increase of the scale of exploitation and utilization of geothermal resources, geothermal water head in the mining area has been decreased obviously, and there is a threat to resource depletion and geological environment. Re-injection is an effective way to realize the sustainable utilization of geothermal resources and the protection of geological environment. In order to study the feasibility of geothermal reinjection and controlling factors for re-injection in Dongying city, recharge tests have been carried out in Nanzhan area. It is showed that the reservoir has a large space and the recharge condition is good, pressure on the recharge effect is obvious, but the influence of temperature on the water recharge recharge effect can not be ignored. Based on the test process, by using the relation between recharge and recharge of water head, the changes under different temperatures have been simulated and calculated, the influence of the injection volume and injection water temperature has been studide. It will provide some references for re-charge study in future.

Geothermal resources; sandstone geothermal reservoir; temperature; re-injection volume; Nanzhan area; Dongying city

2017-04-24；

2017-09-04；

曹麗麗

賀淼(1984一)，男，山東東營人，工程師，主要從事礦產勘查工作；E-mail:dydk05@126.com

山東省地礦工程集團有限公司，山東省東營市南展區地熱資源普查報告，2014年12月。

P314.1

B

賀淼，張樂，袁一鳴,等.東營市南展區砂巖熱儲地熱回灌量與溫度的關系探討[J].山東國土資源，2018,34(1)：44-48.HE Miao, ZHANG Le, YUAN Yiming, etc. Study on the Relationship between Re-injection Volume and Temperature of Sandstone Geothermal Reservoir in Nanzhan Area of Dongying City[J].Shandong Land and Resources, 2018,34(1)：44-48.