五蓮縣松柏地熱井回灌可行性分析

王士路 秦福鋒

（山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 277500）

五蓮縣松柏1號地熱井屬花崗巖地區裂隙含水層帶狀熱儲類型。勘查單位采用水文地質調查與大地音頻電磁法物探相結合的手段確定地熱井位置，并成功施工一眼深度1570m的地熱井（松柏1號井）。產能測試最大降深為70.28m時，涌水量2645.76m3/d，出水溫度為75℃。地熱流體中氟(7.50mg/L)及偏硅酸(145.73mg/L)達到命名礦水濃度，具有較高的醫療價值，為優質理療熱礦水。按壓力降低值不大于0.3MPa，允許開采涌水量為1486.08m3/d(S=31.40m)，井產能為4493.61kW，熱流體年開采累計可利用的熱能量為2.362×108MJ[1]。由于地下熱水資源補給緩慢，需施工地熱回灌井以保證地熱資源的可持續開發利用。

1 地熱地質條件

五蓮縣松柏地熱勘查項目松柏1號井工作區東、南、西三面環山，僅西北方向為山狹谷出口，為低山丘陵間盆地形態，地表水沿斷層破碎帶形成的谷地匯成溪流，并最終匯集到西北方向的長城嶺水庫。匯水面積較大，有利于大氣降水及地表水的下滲補給。

工作區地層不發育，局部保存白堊紀地層，巖性以凝灰巖、凝灰質砂礫巖等火山噴出巖為主。晉寧期、燕山晚期巖漿巖發育，巖性主要為中粗粒二長花崗巖及花崗斑巖。工作區內斷裂主要為北北東向的松柏—小王疃斷裂、北東向的F5斷裂及北西向的松柏—叩官斷裂。松柏—小王疃斷裂：走向NNE，傾向SE，傾角70°～80°，為壓扭性斷裂，斷層為導熱構造，導水性差[2]。F5斷裂：走向NE，傾向NW，傾角80°左右，為張性斷裂。松柏—叩官斷裂：走向NW，傾向NE，傾角80°左右，為張性斷裂，切割北北東向的松柏—小王疃斷裂和北東向的F5斷裂，具備較好的導水性，為本區地熱水的主要賦水構造（圖1）。熱儲類型為裂隙帶狀熱對流型熱儲（圖2）。

圖1 松柏地熱資源勘查區地質圖

圖2 松柏地熱資源勘查區熱儲概念模型圖

2 地熱回灌井的必要性分析

（1）為了減少地熱尾水對環境的污染，地熱水中通常含有較高的鹽分和一些特殊組分，直接排放地表，可造成熱污染和化學污染。

（2）為了改善或恢復地熱田的產熱能力，地熱田中的地熱能一部分儲存在其中的熱流體中，而絕大部分儲存在巖石骨架中，通過把溫度較低的水注入熱儲層中，經過加熱后再抽取出來，可以提高地熱田的利用效率[3]。

（3）保持熱流體的壓力，維持地熱田的開采條件。由于地熱的開發利用，儲層的流體壓力會降低，如果開采量過大，使補給和開采失去平衡，儲層的壓力會降低，使熱田的生產能力降低，造成資源枯竭，甚至喪失能力。通過回灌可以維持或恢復儲層壓力，穩定地熱資源的開采條件。地熱尾水回灌技術已經廣泛應用，不但減少了地表污染，真正做到了綠色環保，還循環利用了地熱水資源，減少了地質環境問題。

3 回灌的可行性分析

3.1 水文地質條件可行性分析

3.1.1 含水層容積分析

地下水體容積一般是指地層巖性的孔隙及裂隙，容積的大小也反應地下水賦水強弱。工作區位于松柏鎮，四周均有低山丘陵，中間平坦。其地下水主要受周邊的大氣降水補給，在工作區形成一個相對封閉承壓含水體，松柏1號井靜止水位埋深為25.04m，適合回灌的可利用容積較大，回灌難度較小。通過松柏1號井產能測試成果可知，產能測試結束后，水位恢復很快，說明含水層補給條件好。

3.1.2 含水層回灌適宜性分析

松柏1號井熱儲層巖性以花崗巖、二長花崗巖為主，含水裂隙在空間上分布不均，裂隙發育不一，厚度1.9～17.9m不等，孔隙度為0.10%～6.51%，滲透率為0.10～1.78×10-3μm2，造成了區內地下水富水性不均一的情況。松柏1號井施工期間，氣動潛孔錘鉆進過程中在816～832.34m發現出水點，從832.34m開始換用化學泥漿鉆進后開始出現不同程度的消耗液漏失情況，至1524m處鉆井液全部漏失，巖性破碎，表明裂隙發育，巖石滲透性較好，富水性強，含水層富水空間大，有利于回灌。

3.1.3 斷層導水和儲水性能分析

勘查區內共發育三條斷裂構造，分別是松柏-小王疃、F5、松柏-叩官斷裂。北北東向的松柏-小王疃斷裂傾角在70°～80°，為壓扭性斷裂。根據物探資料顯示，該斷層切割深、斷距大，為地殼深部熱能向上運移提供了較好的通道，屬于導熱構造。北西向的松柏-叩官斷裂是一條燕山期形成的規模較大的張性大斷裂。該斷裂在本區傾角大（傾角80°左右），切割深，斷距大，斷層破碎帶較寬，為地下熱水的儲存提供了空間，為其運移提供了良好的通道。松柏1號井在1524m鉆遇此斷裂，沖洗液全漏。北東向的F5斷裂，傾角在80°左右，為張性斷裂。北北東向的松柏-小王疃斷裂與北東向的F5斷裂在一定深度上與北西向的松柏-叩官大斷裂交匯，形成良好的縱橫交錯熱通道網絡。區內導水及儲水斷層，為回灌提供了有效空間和導水通道。松柏-叩官斷裂為工作區地熱主控斷裂，從松柏鎮一直延伸至叩官鎮，斷裂帶附近巖性破碎，富水性相對較好，導水及儲水性能較好，所以松柏-叩官斷層帶附近適宜布置回灌井。

3.2 回灌技術的可行性

根據松柏1號井產能測試成果分析，工作區地熱水儲存運移明顯受構造影響，構造帶附近巖層完整性差，裂隙較發育，巖石滲透性中等，靜止水位埋深為25.04m，滿足真空回灌條件。

根據松柏1號井在1524m處鉆井液全部漏失以及產能測試成果可知，工作區存在一定回灌空間。松柏1號井開發利用后，隨著地熱水開采量增大及開采時間增加，會在工作區形成一個較大的降落漏斗，有利于回灌的實施。當熱儲層水位下降后可進行真空回灌，真空回灌至水位高度超出地表時，可進行加壓回灌。

4 回灌井定井及回灌技術方案

4.1 回灌井井位的確定

為保證回灌井的定位準確，需要確定大致靶區，在靶區開展物探施工。采用可控源大地音頻電磁法，對重點區加密施工，與松柏1號地熱井物探數據相對比，確保回灌井與開采井揭露同一條含水構造，尋找水文地質條件相對較好的地段，提高回灌井的成功率。

4.2 回灌井與開采井間距

把溫度較低的水灌入熱儲層是一項比較復雜的技術，回灌井與開采井的間距過近，可能引起回灌水加熱溫度不夠，形成熱突破，降低開采井的出水溫度；距離太遠，有可能受斷層分叉、裂隙導水條件的限制，造成回灌水向開采井滲流速度過慢、滲流量低，開采井水位恢復慢，失去了回灌的作用。松柏地熱1號井屬構造裂隙含水層帶狀熱儲，裂隙含水層灌采井間距應比孔隙含水層大，建議間距大于1000m。

4.3 回灌井防堵塞措施

為防止堵塞含水層，對回灌水采取除砂、過濾措施，管路全密閉，防止接觸空氣。回灌過程中要定期回揚[4]，回揚周期通過試驗確定。根據2017年兗州地區松散巖類含水層回灌試驗研究數據，在定流量回灌試驗過程中，穩定一段時間后，水位逐漸上升，水位上升至井口后，回灌試驗終止。需要回揚至水清砂凈，恢復含水層的出水能力后，再進行回灌試驗。根據試驗結果，不加過濾器的原水回灌試驗，回揚周期為4.5d；加粗效過濾器和精密過濾器的水處理后回灌試驗，回揚周期為11d。在回揚時，僅僅回揚至水清砂凈不能達到疏通含水層的目的，根據實際回灌試驗，長時間的回揚，可以對含水層進行更好的疏通。回揚時應觀測井內水位變化，待水位穩定，或者回揚水量與初始開采量相近為止[5]。

采取定期回揚清除物理沉淀、管路密封防止地下水氧化、定期清洗或者更換過濾器解決生物堵塞問題，是延長回灌井服務年限的有效手段。另外，開采井、回灌井采用交替采灌法也是解決回灌井堵塞的有效措施，即兩井交替抽水、交替回灌，互為采灌井，交替時間為一個水文年。

5 結 論

五蓮縣松柏地熱1號井屬典型的帶狀熱儲地熱資源，此類地熱資源的回灌研究程度低，回灌井的施工及回灌工藝尚處于探索階段。松柏1號井所揭露的松柏-叩官斷裂，斷裂破碎帶寬度較大，巖石破碎，導水及儲水性能較好，適宜布置回灌井。采取適當的水文地質調查分析，結合物探手段，經分析論證施工回灌井是可行的。回灌井采用與松柏1號井相同的管井結構、相似的鉆井深度，形成一對互為采灌的地熱井，采用合適的回灌工藝，可以提高地熱開采量，大幅度延長地熱田服務年限，防止地熱資源過早枯竭，實現經濟效益、社會效益、環境效益的和諧統一。