采暖尾水回灌對砂巖熱儲地溫場的影響
——以魯北地區為例

劉帥，劉志濤，馮守濤，王學鵬，白通，馬雪梅， 王華飛

1)山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊(山東省魯北地質工程勘察院)，山東德州，253072；2)山東省地熱清潔能源探測開發與回灌工程技術研究中心，山東德州，253072；3)中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定，071051；4)中科華魯土壤修復工程有限公司，山東德州，253072

內容提要: 為保證地熱資源可持續開發利用，深入開展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短時間內發生熱突破是地熱領域的重大關切。本文根據全井段測溫結果，對砂巖熱儲不同采灌工程地溫場變化特征進行了分析。研究表明：隨著回灌年度的增加，冷水范圍越來越大，熱量對回灌井有效補給路徑變長，回灌井熱儲段溫度曲線波動幅度越小；當采灌井距較小、底部溫度相對較低時，回灌冷水會對開采井造成影響，致使開采井熱儲溫度降低；在回灌初期熱對流在熱量恢復中占主導作用，隨著回灌年數的增加，冷水范圍越來越大，熱對流對溫度場恢復的作用逐漸減弱，周邊和相鄰隔水層熱傳導在溫度恢復中的作用越來越顯著，溫度恢復越來越慢，因此，在規模化回灌條件下，熱突破是必然的。

地熱資源作為集熱能、水資源為一體的可再生能源和清潔能源，受到越來越多的關注(Rybach et al.，1999；Axelsson et al.，2002；Sullivan et al.，2005；康鳳新等，2013；),并且在清潔能源取暖中發揮著越來越重要的作用。魯北地區地熱資源較為豐富，主要為砂巖熱儲，已大規模開采十多年，但存在尾水直排造成的水資源浪費和熱儲水位顯著下降的問題，并對周邊環境造成了一定的熱污染和水化學污染 (陶虹和丁佳，2014；吳立進等，2016)。

地熱尾水回灌是解決以上問題的有效途徑(何滿潮等，2003；朱家玲等，2012；劉志濤等，2019；王學鵬等，2020)。但在魯北地區近幾年的回灌研究中發現，低溫地熱尾水回灌又出現了新問題，即回灌井周邊熱儲溫度降低，在下一個供暖季之前遠不能恢復到最初的熱儲溫度(劉志濤等，2019；馮守濤等，2019)，使得開采井和回灌井交替使用以緩解回灌井的堵塞問題的設想落空。本文以期通過分析幾個地熱采灌工程的地溫場測溫資料，研究地熱尾水回灌后回灌井周邊地溫場變化特征，對魯北平原和其他類似地區的地熱利用有所借鑒。

1 地質背景

魯北地區是在華北地臺基礎上發展起來的中新生代斷陷盆地，在大地構造單元上屬于華北板塊(Ⅰ級)的華北坳陷區(Ⅱ級)。中新生代以來，受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，斷裂構造發育，形成凸凹相間的Ⅲ級構造單元濟陽坳陷(Ⅲ級)、臨清坳陷(Ⅲ級)(劉桂儀，2001；顏世強等，2007；王彥俊等，2008；劉志濤等，2019)。在坳陷和隆起區內受斷裂活動的影響和控制，形成了眾多的次級構造單元——凸起與凹陷(圖1)。區內除無棣大山等局部地區有基巖出露外，其余均被第四紀沉積物覆蓋。區內自中新世以來，受差異性升降運動的影響，一直緩慢下沉，沉積了厚度巨大的新生代地層，由老到新為古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組，第四系平原組(楊詢昌等，2019)。

區內地熱資源形成受地殼深部的地幔結構、巖漿活動和地殼淺部地質構造、地層巖性、地下水活動等影響，與蓋層(保溫層)、熱儲空間、熱源和熱水補給源等因素有關(劉志濤等，2019)，主要熱儲有新近系館陶組、古近系東營組砂巖孔隙裂隙熱儲，寒武系—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲。其中館陶組為區內最具開發利用的熱儲(康鳳新等，2013；劉志濤，2019)，根據已有地熱井測溫資料，館陶組熱儲地熱水溫度大多小于90 ℃，屬于低溫地熱資源。

館陶組熱儲的蓋層為第四系平原組和明化鎮組松散沉積層的黏性土與砂性土組成的松軟層。館陶組砂巖、砂礫巖富水性強，該層既傳熱又儲熱、儲水，具備了較好的儲集空間，構成了區內館陶組孔隙—裂隙層狀熱儲層。熱源主要來自正常的地殼深部及上地幔傳導熱流和深部巖漿熱，滄東、聊城—蘭考、廣饒—齊河等規模較大的超殼斷裂對地殼深部和上地幔的巖漿熱源起到了重要的溝通和傳導作用，并構成地下熱流的良好通道。地熱水主要為盆地沉積物形成時保存下來的沉積水和封存水，另一部分為沉積物形成后由遠近山區的大氣降水補給(周紹智等，2007；劉志濤等，2019)。

2 研究方法

本文通過多個地熱回灌井的全井段測溫資料，分析了相同采灌條件下不同年份以及不同采灌條件下地熱尾水回灌對地溫場影響。本次監測5個采灌工程(圖1)，分別位于德州市德城區水文家園、德州市陵城區鄭家寨鎮、德州市武城縣宏圖嘉苑、禹城市宜家北苑、東營市墾利區凱旋廣場，其中水文家園地熱井重點監測，各工程回灌井部分參數見表1。

表1 魯北地區回灌井含水層和濾水管基本情況一覽表Table 1 Basic condition list of aquifers and filter pipes of recharge wells in northern Shandong

圖2 德州市德城區水文家園地熱井相對位置圖Fig. 2 Map of relative location of geothermal wells in the Hydrological Home of Decheng District， Dezhou City

2.1 測溫工程概況

2.1.1德城區水文家園

德城區水文家園采灌工程共測井3個，包括開采井、回灌井和觀測井(圖1)，開采井與回灌井間距180 m左右，中間有一停用的開采井作為觀測井進行監測。該回灌井施工于2016年，至2020年10月，已回灌4個供暖季，回灌井2019年11月8日至2020年4月2日回灌期間，回灌水溫28.3～38.7 ℃，累計平均34.12 ℃。

2.1.2鄭家寨鎮

鄭家寨鎮地熱供暖工程包括2眼開采井及2眼回灌井(圖3)，采用1對1方式進行回灌，即開采1井開采的供暖尾水回灌至回灌1井，井距約250 m，開采2井供暖尾水回灌至回灌2井，井距約270 m。開采井水溫約56 ℃，回灌尾水溫度32～34 ℃，大致與德城區水文家園回灌情況相同。

圖3 德州市陵城區鄭家寨鎮地熱供暖工程地熱井相對位置圖Fig. 3 Map of relative location of geothermal wells of geothermalheating project in Zhengjiazhai, Lingcheng district, Dezhou

2.1.3宏圖嘉苑

宏圖嘉苑地熱供暖工程包括2眼開采井及2眼回灌井(圖4)。開采井水溫約60 ℃，回灌尾水溫度32 ℃左右，單井年回灌量18.5萬m3。

圖4 德州市武城縣宏圖嘉苑地熱井相對位置圖Fig. 4 Map of relative location of geothermal wells in Hongtujiayuan, Wucheng County, Dezhou

2.1.4宜家北苑

宜家北苑地熱供暖工程包括3眼開采井及3眼回灌井(圖5)。根據調查得知，開采井水溫約57 ℃，回灌尾水溫度32 ℃左右，三個開采井抽水供暖后，供暖尾水自由分配至三個回灌井，根據回灌數據，回灌1井回灌量為50 m3/h左右。

圖5 禹城市宜家北苑地熱井相對位置圖Fig. 5 Map of relative location of geothermal wells in Yijiabeiyuan, Yucheng City

2.1.5凱旋廣場

凱旋廣場地熱供暖工程包括1眼開采井及1眼回灌井(圖6)，采灌井間距100 m左右開采井水溫約59 ℃，回灌尾水溫度32 ℃左右，回灌量為60 m3/h左右。

圖6 東營市墾利區凱旋廣場地熱井相對位置圖Fig. 6 Map of relative location of geothermal well in Kaixuan Square, Kenli District, Dongying City

圖 7 2020年德州市德城區水文家園回灌井全井段測溫曲線圖Fig. 7 Temperature measurement curves of the whole well section of recharge well in the Hydrological Home, Decheng District, Dezhou, in 2020

2.2 測溫概況

2020年度全井段測溫工作在4月至10月進行(表2)。測溫方式為將溫度傳感器通過回灌井井筒下放至井底，每5 m記錄一個溫度數據，分辨力0.1 ℃。每次單井測溫獲得溫度數據300點以上。同時收集了水文家園、鄭家寨鎮等工程前幾年度的測溫資料。

表2 魯北回灌井測溫時間一覽表Table 2 Schedule of temperature measurement of recharge wells in northern Shandong

3 地溫場變化特征分析

3.1 回灌井地溫場變化特征分析

圖8 德州市陵城區鄭家寨鎮回灌2井(a)和武城縣宏圖嘉苑回灌2井(b)測溫曲線圖Fig. 8 Temperature measurement curves of recharge well No. 2 in Zhengjiazhai Town， Lingcheng District, Dezhou (a) and recharge well No. 2 in Hongtujiayuan, Wucheng County, Dezhou (b)

根據以上測溫工作，繪制了不同工程回灌井垂向溫度變化曲線(圖7至圖9)，根據溫度變化整體特征，自井口至井底可分為三個區段，分別為均勻變溫段、均勻增溫段和溫度波動段。

(1) 均勻變溫段，該段自井口起，底部深度各次測溫有所不同，在65～90 m，平均80 m，與水位埋深基本一致。該段測溫曲線特征為隨深度增加而較均勻的上升或下降，測溫結果為上升趨勢正好對應大氣環境溫度較低時，下降趨勢正好對應氣溫較高時，說明本段升降與氣溫關系密切。

該段位于地熱水水位以上，測溫結果受氣溫和地層溫度的共同影響，但分析受氣溫影響更為顯著，因為按照一般的地溫變化特征，在深度20 m左右會存在一個恒溫帶，恒溫帶以下為增溫帶，地溫隨深度增加會逐漸增加，而該井20 m以下測溫曲線并未表現出該特征。本井測溫曲線顯示，氣溫影響深度遠大于恒溫帶深度，主要是因為回灌井井管材質為鋼管，導熱性好，熱量主要通過井管傳導至下部，另外該段井筒內為空氣，其密度和比熱很小，且井徑最大也僅有450 mm，空氣體積有限，很容易受傳導熱量的影響而引起溫度的改變。

(2) 均勻增溫段，自85 m處為地熱水冷水頭，溫度約為19～24 ℃，由此向下地溫隨深度的增加而遞增，不同時間所得曲線在600～800 m深度左右有個交點，不同回灌井測溫曲線交點位置有所差別，相同的是，在交點之上，相同深度處溫度隨時間延續而降低，交點之下則隨時間延續而升高，交點附近溫度基本保持不變。這是因為地熱尾水回灌影響了回灌井周邊的地溫場，使得地層溫度大體和回灌水溫度一致，停止回灌后，受外圍地層熱傳導等作用的影響，回灌井周邊地溫逐漸恢復，趨于和原始地層溫度一致。交點之上地層原始溫度小于回灌水溫度，因此停止回灌后溫度逐漸降低，交點之下正好相反，而交點附近地層原始溫度與回灌水溫度大體相同，因此基本保持穩定不變。基于該特征，我們也可以通過測溫曲線交點溫度推測回灌水溫度。

(3) 溫度波動段，該段是主要回灌區段，幾乎包含了整個回灌層位。本段整體溫度顯著低于非回灌段底部溫度，至最后一次觀測最高溫度也未恢復到熱儲溫度。各次測量井溫曲線并非如以上各段總體表現為隨深度增加而升高或降低，而是表現為波動，同一深度的溫度隨時間延續逐步回升，但升溫速率有所不同，2020年度水文家園回灌井升溫速率為0.01 ℃/d，鄭家寨鎮回灌井增溫速率為0.01 ℃/d，宏圖嘉苑回灌井升溫速率為0.017 ℃/d，宜家北苑回灌井升溫速率為0.037 ℃/d，凱旋廣場回灌井升溫速率為0.016 ℃/d，這幾個工程升溫速率的差異性主要與回灌年度、回灌量、地層有關。

較其他回灌井溫度變化曲線，宜家北苑回灌井曲線垂向規律性較差，經分析，可能存在三方面的原因：①回灌1井回灌量相對較少；②本工程回灌段垂向分布較長，為1192.50～1888.90 m，總長將近700 m，其他工程只有不到200 m，從而使回灌水在垂向每層進入的量較為分散，有利于溫度恢復；③本回灌井底層溫度相對較高，如附近開采1井在1870 m左右溫度達到了71.8 ℃，回灌井底部溫度將更高，回灌冷水進入后將很快被加熱。因此，本工程回灌井溫度恢復較快。

此外，通過對比水文家園回灌井不同年度測溫曲線，回灌段測溫曲線并非表現為隨深度增加而上升或降低，而表現為波動，并且隨著年內溫度恢復時間的延續，波動幅度越來越大(圖10、圖11)，但隨著回灌的持續進行，2020年度曲線波動幅度變小(圖12)，即回灌段極大值與極小值的差變小，究其原因主要是，回灌井已回灌四個供暖季，冷卻場范圍逐漸擴大，水平方向上的熱量補給路徑變長，溫度恢復速度因而變緩。本年度回灌層段平均水溫恢復速率約0.01 ℃/d，小于2019年度升溫速率0.03 ℃/d，主要原因是回灌水與回灌井底部溫差變小，導致溫度恢復速度較慢，預計至下年度溫度恢復速率將更小。

圖11 2019年德州市德城區水文家園回灌井熱儲層段測溫曲線圖Fig. 11 Temperature measurement curves of the hot reservoir section in the recharge well of the Hydrological Home, Decheng District, Dezhou, in 2019

圖12 2020年德州市德城區水文家園回灌井熱儲層段測溫曲線圖Fig. 12 Temperature measurement curves of the hot reservoir section in the recharge well of the Hydrological Home, Decheng District, Dezhou, in 2020

3.2 開采井地溫場變化特征分析

根據測溫結果，分別繪制了不同工程回灌井垂向溫度變化曲線(圖13至圖15)，根據溫度變化整體特征，自井口至井底可分為兩段：均勻變溫段、均勻增溫段。

圖13 德州市德城區水文家園開采井(a)與觀測井(b)測溫曲線Fig. 13 Temperature measurement curves of themining well (a) and observation well (b) in the Hydrological Home,Decheng District, Dezhou

圖14 德州市陵城區鄭家寨鎮開采2井(a)和德州市武城縣宏圖嘉苑開采2井(b)測溫曲線圖Fig. 14 Temperature measurement curves of mining well No. 2 in Zhengjiazhai, Lingcheng District, Dezhou (a) and mining well No. 2 in Hongtujiayuan, Wucheng County, Dezhou (b)

圖15 禹城市宜家北苑開采1井(a)和東營市墾利區凱旋廣場開采井(b)測溫曲線Fig. 15 Temperature measurement curves of mining well No. 1 in Yijiabeiyuan, Yucheng City (a) and mining well in Kaixuan Square, Kenli District, Dongying (b)

均勻變溫段與回灌井類似，主要受氣溫控制，在此不再贅述。均勻增溫段主要與地溫梯度有關，多次測溫結果繪制的曲線基本重合，變化不大，本次重點分析熱儲層溫度變化。

根據對比分析發現，部分工程開采井熱儲段非供暖季溫度處于上升狀態，如水文家園工程開采井熱儲層各次測溫平均水溫分別為53.30 ℃、54.28 ℃、54.34 ℃、54.13 ℃、54.36 ℃、54.39 ℃，呈緩步回升的趨勢(圖16、17)，非供暖季開采井熱儲層平均水溫共回升1.09 ℃，月平均升溫速率為0.136 ℃，距離較近的觀測井水溫在回灌前溫度最高，平均水溫56.08 ℃，回灌中期水溫54.81 ℃，回灌水溫55.60 ℃(表3)。根據鄭家寨鎮開采井不同時間測溫曲線發現，年際相同或鄰近月份的測溫曲線基本相同，說明開采井溫度年際變化不大。在同一年份中，回灌結束后，開采井熱儲段溫度有緩慢升高的趨勢，直至經歷一個回灌期后溫度有所降低，如此循環，2019年7月至10月熱儲段平均溫度上升了0.40 ℃，經過一個供暖季后，下降后又進行回升，至2020年6月回升至56.40 ℃，至2020年10月回升至56.78 ℃(表4)。凱旋廣場開采井熱儲段平均溫度由60.18 ℃(5月21日)升高至60.37 ℃(10月15日)，升高了0.19 ℃，熱儲層之所以呈現這樣的規律，主要是由于供暖季回灌井冷水的注入，較短時間內已經對開采井溫度造成了影響，即已經發生了熱突破。

圖16 德州市德城區水文家園開采井熱儲層段測溫曲線Fig. 16 Temperature measurement curves of hot reservoir section in the mining well of Hydrology Home, Decheng District, Dezhou

表3 德州市德城區水文家園觀測井測溫基本信息表Table 3 Basic information table of temperature measurement of observation well in Hydrological Home, Decheng District, Dezhou

表4 德州市陵城區鄭家寨鎮開采2井測溫基本信息表Table 4 Basic temperature measurement information of the Mining Well No. 2 in Zhengjiazhai, Lingcheng District, Dezhou

其他工程開采井熱儲段測溫曲線基本重合，說明開采井受回灌冷水影響較小，經過分析主要存在以下原因：①采灌井距較大，如宏圖嘉苑采灌工程，開采2井與最近回灌井間距為326 m，開采井熱儲段測溫結果基本未發生變化；②回灌量較少、回灌底部溫度較高，如宜家北苑采灌工程，根據上述分析，回灌1井單層回灌量較少，溫度恢復快，即使采灌井間距只有不到100 m，回灌冷水對開采井影響仍較小。

此外，凱旋廣場開采井在1500 m左右溫度有突然降低的現象，經分析是由于開采井與回灌井距離較小，只有100 m左右，回灌冷水容易對開采井造成影響，推測1500 m左右地下水流動性較強，對開采井溫度影響明顯。通過對比凱旋廣場與水文家園開采井溫度變差情況，發現相同時間內凱旋廣場開采井溫度變差小于水文家園開采井，主要是因為凱旋廣場地熱井底部溫度高于水文家園，溫度補給較強，冷水影響范圍較小，導致開采井溫度變差較小。

4 熱儲溫度恢復來源分析

劉志濤等(2019)以德城區水文家園采灌工程為例對回灌條件下熱儲溫度恢復來源進行了分析，認為底部大地傳導熱流和頂部地層傳導熱流在熱儲溫度恢復中的作用及其微弱，周邊同層相對高溫地層傳導的熱量和熱對流帶來的熱量是其溫度恢復的主要熱量來源，并定性分析了得出熱對流補給的熱量在熱儲溫度恢復中占主導作用。本次根據2020年測溫數據，對熱對流補給熱量所占主導作用進行了補充分析。

本次統計了2018年與2020年1270～1310 m和1375～1505 m兩個典型區間的井內測溫數據，兩個統計區間分別位于非回灌段和回灌段，但均避開了非回灌段和回灌段結合部位地層溫度互相影響較大的區段，且其深度較為接近，地層熱物性等特征相似。2018年1270～1310 m區間第一次測溫平均溫度為44.03 ℃，最后一次(208 d)為48.31 ℃，升高了4.28 ℃。1375～1505 m區間第一次測溫平均溫度為35.79 ℃，最后一次為40.68 ℃，升高了4.85 ℃。2020年1270～1310 m區間第一次測溫平均溫度為44.99 ℃，最后一次(171 d)為48.22 ℃，升高了3.23 ℃。1375～1505 m區間第一次測溫平均溫度為36.34 ℃，最后一次為38.62 ℃，升高了2.29 ℃(表5)。

表5 德州市德城區水文家園回灌井不同年份不同層段測溫情況一覽表

兩者相比，2018年非回灌段增溫略高一些，由于回灌期間非回灌段主要通過井壁熱傳導影響周邊地溫場，因此影響范圍相對較小。而回灌段低溫地熱水直接進入地層，影響范圍要大得多，所以推測水平方向上溫度梯度前者大于后者。前者溫度恢復熱量來源主要為周邊同層相對高溫地層傳導的熱量，假如后者溫度恢復熱量主要來源相同，那么前者溫度恢復應該更快一些，但測溫結果正好相反，所以推測1375～1505 m區段還有其他熱源補給，即地熱水流動帶來的熱量。另外，1270～1310 m區間不同深度增溫幅度較為均勻，均在4.2～4.3 ℃，說明熱傳導作用是比較均勻的；而1375～1505 m區間最小增溫幅度2.8 ℃，最大7.8 ℃，差別巨大，僅靠熱傳導不會造成如此大的差異，所以推測地下水流動帶來的熱量也在其溫度恢復中發揮有重要作用，甚至可能發揮著主導作用。

根據上述可知2020年冷水范圍較大，回灌井熱量補給路徑變長，溫度恢復量較小，通過對比非回灌段與回灌段增溫可知，非回灌段平均增溫量大于回灌段的平均增溫量，可知隨著回灌年度的增加，熱對流補給的主導作用逐漸減弱，周邊同層相對高溫地層傳導的熱量逐漸成為主要的熱量恢復來源。

圖17 德州市德城區水文家園開采井熱儲層段平均溫度變化曲線圖Fig. 17 Average temperature variation curve of the hot reservoirsection in the mining well of Hydrological Home, Decheng District, Dezhou

綜上，回灌條件下，在回灌初期熱對流在熱量恢復中占主導作用，隨著回灌年度的增加，冷水范圍越來越大，熱對流對溫度恢復的主導作用逐漸減弱，周邊同層相對高溫地層傳導的熱量在溫度恢復中的作用越來越強，溫度恢復的程度也越來越小，因此，在規模化回灌條件下，熱突破是必然的。

5 結論

本文主要通過砂巖熱儲不同采灌工程測溫數據，分析了開采井、回灌井垂向地溫場變化規律及原因，發現隨著回灌年限的增大，熱儲層對回灌冷水熱量的有效補給越來越小，當采灌井距較小時，短時間內會對開采井水溫造成影響，并且隨著回灌年限的增加，影響程度也越來越大，致使地熱資源品質不斷降低，最終可能會對供暖效果造成影響，因此，在進行地熱采灌工程建設時，應注重合理采灌井距的布設。但由于本次監測周期較短，數據較少，結論仍需在今后實際工作中進行驗證。