江蘇海安濱海新區砂巖熱儲回灌試驗研究

平利姣， 丁小琴， 周 欣， 竇傳偉

(1. 地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇南京210007；2. 海安市自然資源和規劃局，江蘇海安226600)

0 引 言

地熱回灌是保持地熱田可持續開發最有效的措施(Pan，2006；戴寶華，2017；鄭克棪等，2018；李文等，2019)，不僅可避免地熱廢水直接排放引起的熱污染、化學污染等(劉久榮，2003；吳繼強等，2014；梁靜等，2016；畢雯雯，2019；張海嬌，2019)，還可使地熱儲層壓力回升，開發巖石骨架中的熱量(潘小平，2005)。

江蘇海安老壩港濱海新區地熱資源豐富但開發滯后(王軍成等，2017)。該區地熱開發利用的理想層位為孔隙-裂隙型砂巖熱儲，砂巖儲層因粒徑較小、孔隙率及滲透率較低成為回灌工作的難題(孫穎等，2009；朱紅麗等，2011)。為促進該區地熱資源循環利用，了解鹽城組孔隙-裂隙型熱儲回灌能力，開展同層對井回灌試驗并分析回灌可行性，為區內鹽城組熱儲層地熱資源循環開發利用提供依據。

1 地熱地質條件

1.1 構造條件

研究區位于海安凹陷，是在燕山晚期盆地基礎上發展起來的新生代斷陷盆地，盆地沉陷中心在海安曲塘一帶，靖江—如皋斷裂為該盆地控制性斷裂，該斷裂穿過研究區，區域地熱異常受該斷裂控制明顯。研究區屬于具有相對較高大地熱流值的蘇北盆地，巖石圈厚度約100 km，居里面(560 ℃)深度約為30 km，大地熱流值為70 mW/m2。

1.2 熱源

主要來自地下深處經自然增溫而形成的熱源，通過巖石的熱傳導和熱水的對流作用傳遞到地表淺部，包括地下深處的熱包幔源熱和地殼中放射性元素衰變長期積累的熱量(趙劍畏等，1997)。根據地熱井溫度測量結果，1 km以淺地溫梯度為每100 m 2.8～3.0 ℃。

1.3 熱儲層

熱儲層為新近系鹽城組下段砂巖熱儲，頂板埋深為770～810 m，底板埋深約1 130 m。有2個沉積旋回：上旋回(即上段)含水層巖性上部為灰白色泥巖夾含細礫中粗砂巖，下部為淺灰、棕灰色砂巖；下旋回(即下段)含水層巖性上部為棕紅色、咖啡色粉砂質泥巖，中部為蘭綠、灰綠色粉細砂巖、砂巖及含礫砂巖，底部為塊狀巨厚(厚48 m)灰色、淺灰綠色砂礫巖及中礫石層。該儲層埋藏深、厚度較大，水溫高、水量大、水質復雜，單井涌水量為1 000～2 000 m3/d，富水性較好。礦化度<1 000 mg/L，水化學類型為HCO3·Cl-Na型，地熱水溫度為40～45 ℃。

1.4 蓋層

研究區地熱蓋層主要為第四系(Q)—新近系(N)上部地層，厚度>800 m，其中黏土、亞黏土層熱導率低，所含泥巖、頁巖熱導率低，起到了很好的隔熱保溫作用。

2 砂巖熱儲地熱回灌

2.1 試驗條件

對井回灌試驗抽水井為已有井川港1井，取水層段為968～1 076 m；回灌井為施工地熱井，井間距為573 m，取水層段為959.92～982.16 m；取水層對象為中-粗砂巖、細礫巖等含水層(表1)；試驗為同層回灌，回灌井為填礫成井，填礫結構更有利于回灌(沈健等，2016)。

表1 回灌井與觀察井結構特征Table 1 Structure characteristics of the recharge well and the observation well

2.2 試驗情況

回灌水采用當地民用自來水，檢測主要陰陽離子以及污染物的含量，結果水質良好，符合飲用水標準。回灌水溫度受氣溫影響有一定的變化，水溫為18.2～24.2 ℃。

川港1井的抽水與正式自然回灌同步開始，至第二次加壓回灌結束時停止。涌水量約為30 m3/h，水位降深平均為58.5 m，水溫42 ℃。回灌期間抽水井川港1井的水溫、水量、水位降深基本保持穩定，變化幅度較小。

試驗分無壓回灌(即自然回灌)和加壓回灌2種方式，試驗前均進行了試回灌，最終選擇3種流量進行正式試驗。為保護含水層，試回灌和正式回灌時回灌流量由小到大逐步調節，加壓<0.3 MPa，自然回灌及2次加壓試驗完成后進行了水位恢復試驗，停灌后水位能較快恢復到靜水位。

回灌統計結果(表2)顯示：自然回灌試驗回灌量為17.5 m3/h，累計回灌時間為5 910 min，累計回灌量為1 718.17 m3(圖1)；第一次加壓回灌量為24.0 m3/h，穩定壓力為0.17 MPa，累計回灌時間為6 480 min，累計回灌量為2 611.13 m3；第二次加壓回灌量為28.0 m3/h，穩定壓力為0.27 MPa，累計回灌時間為6 240 min，累計回灌量為2 919.03 m3(圖2)。

陳雷強調，扎實做好新形勢下的水利財務工作，一要進一步落實中央水利投入政策，二要進一步擴大公共財政投入規模，三要進一步加大水利資金監管力度，四要進一步加快水利預算執行進度，五要進一步規范水利基建財務管理，六要進一步加強水利預算績效管理，七要進一步強化水利國有資產管理，八要進一步健全水價合理形成機制。陳雷強調，要全面落實水利財務工作各項保障措施，確保水利財務工作各項任務落到實處。

圖2 加壓試驗曲線Fig. 2 Pressure test curves

表2 回灌井與觀察井回灌情況Table 2 Recharge data of the recharge well and the observation well

圖1 自然回灌試驗曲線Fig. 1 Natural recharge test curves

2.3 試驗結果

自然回灌試驗時，由于研究區靜水位埋深淺，尚未大規模開采，儲層壓力保持較好，在自然狀態下水柱壓力過小，無法達到動態平衡，回灌水位緩慢上升直至溢出。在2次加壓試驗期間，回灌量和回灌壓力保持相對穩定，加壓回灌效果良好，回灌結束后觀察井和回灌井水位均能迅速恢復至初始靜水位，回灌過程并沒有對抽水井的涌水量、水位及水溫造成影響。

2.4 回灌可行性分析

由回灌試驗可知，在當前試驗條件下，回灌過程未影響開采，因此邊開采邊回灌在研究區切實可行。

由于靜水位埋深淺，在開采量不大的情況下采取自然回灌的方式進行，并采用間歇回灌的方式進行短暫水位恢復，保證回灌的長期可持續性。

若開采量在400 m3/d以上，欲達到100%回灌需要采取加壓措施。為保證熱儲層的結構穩定，建議回灌壓力≤0.50 MPa，如有必要可以考慮增加回灌井數量。

3 回灌影響因素分析

3.1 熱儲層孔隙度及滲透率

熱儲層的孔隙度和滲透率對回灌效果起著重要的作用(高志娟等，2012)，回灌效果與熱儲層的孔隙度和滲透率呈正相關關系，孔隙度和滲透率越大，回灌效果越好。根據RHA2井鉆探及相關測試數據可知，該井熱儲層平均孔隙度為30.05%，平均滲透率為808.21×10-3μm2(表3)，熱儲層孔隙度和滲透率均較大，該井回灌效果較好與其儲層的滲透率和孔隙度較大有良好的對應性。

表3 RHA2井熱儲層參數Table 3 Thermal reservoir parameters of Well RHA2

水位上升高度換算公式：

靜水位

(1)

根據式(1)計算水位上升高度以及與回灌量相對應的抽水條件下的水位降深，以更好地說明回灌效果(表4)。

表4 地熱井涌水量與回灌量對比Table 4 Comparison of water inflow and recharge in geothermal wells

由表4可見，無論是在自然條件還是加壓條件下，當涌水量和回灌量相同時，回灌的水位上升高度均小于抽水時的水位降深。

3.2 水位與壓力

地熱回灌過程中回灌壓力的變化對回灌量的影響即為井筒底部壓強的變化對含水層吸水能力的影響。若回灌井中水位未達地表，井筒底部壓強變化的表現形式呈現為水位的變化，所以壓力的影響分為水位和壓力罐罐壓2部分。采用自然回灌和加壓回灌2種方式，為方便對比，將壓力罐壓力換算成水位上升高度(表5)，繪制水頭上升高度與回灌量關系曲線(圖3)。

表5 地熱回灌壓力換算Table 5 Geothermal recharge pressure conversion

圖3 水頭上升高度與回灌量的關系曲線Fig. 3 Relationship curve between water head rise and recharge amount

圖3顯示，隨著水位上升，井筒底部壓力增大，含水層吸水增強，回灌量逐漸增大。

根據非穩定流抽水理論，抽水流量與水頭降深成正比，即回灌流量與水頭升高值成正比；但隨著回灌總量增加，滲透系數逐漸變小，要灌入等量的水，水頭升高值會逐漸變大，水頭上升高度與回灌量成對數函數關系。

為進一步了解回灌量與壓力的關系，將水柱壓力統一換算為相對于靜水位的壓力(表5)，并繪制回灌量與壓力關系曲線(圖4、圖5)。圖4顯示，回灌量與水柱壓力呈正相關，水柱壓力越大，回灌量越大。圖5顯示，單位壓力回灌量與水柱壓力呈負相關，水柱壓力越大，單位壓力回灌量越小，且隨著壓力的增加而迅速減小。

圖4 回灌量與壓力的關系Fig. 4 Relationship between recharge amount and pressure

圖5 單位壓力回灌量與壓力的關系Fig. 5 Relationship between pressure rechargeamount per unit and pressure

4 結 論

(1)江蘇海安老壩港濱海新區砂巖熱儲層易于回灌，由于自然狀態下水柱壓力過小，回灌量不大時可采取間歇回灌的方式進行短暫水位恢復，以保證回灌的長期可持續性；若回灌量>400 m3/d，可采取加壓措施。

(2)當前試驗條件下未見回灌對抽水井的涌水量、水位、水溫產生影響，即回灌未對開采造成影響，邊抽邊回灌在研究區切實可行。

(3)影響地熱回灌的因素主要有含水層孔隙度及滲透率、水位與壓力。回灌效果與含水層孔隙度和滲透率呈正相關，回灌量與水柱壓力呈正相關，單位回灌量與水柱壓力呈負相關。