孔隙型热储回灌衰减原因分析

孔隙型热储回灌衰减原因分析

作为一个开发深层地热资源的唯一手段，热流元件受到潜水泵的施工和经济限制。当水位合并深度小于一定深度时，采矿热没有经济意义。此时，所使用的热量仅占热储层总热储量的一定比例。人工回灌就是解决地下水位下降过快、提高地热资源利用率的有效方法之一。通过回灌水在地层中的再加热,使蕴藏在岩石骨架中的热量带出来得以循环利用。天津从80年代初开始了不同热储类型、不同方式和目的的回灌研究。至2005年底,共有回灌对井27对,年回灌量177.6×104m3;若以平均回灌水温45℃、基准温度13.5℃计,相当于节能5.59×1010kcal,折合标准煤7992t,而此回灌量还不及当年开采量2563.5×104m3的1/14;但回灌量衰减、尤其是孔隙型热储层由各种原因引起的堵塞问题一直是阻碍回灌工作快速发展的重要因素。本文以天津的回灌试验为基础,初步探讨了引起回灌量衰减的主要因素及其可能的解决办法。1层的热储存特性和回灌模式1.1基岩地热储层结构天津地区的地热资源主要分布在宝坻断裂以南的广大平原区(图1),自上而下主要分布有5个热储层:新近系明化镇组和馆陶组2个孔隙型热储层;古生界奥陶系和寒武系、中元古界蓟县系雾迷山组3个基岩裂隙型热储层。受构造运动及沉积环境的影响,拗陷区的基岩顶板埋深普遍大于5000m,所以全部的基岩地热井均位于沧县隆起区。馆陶组在沧县隆起区只有小范围分布,集中开采区位于冀中坳陷的武清城区和黄骅坳陷的塘沽区、大港区,明化镇组地热井在广大平原区均有分布。1.2基岩裂隙型热储层回灌效果影响因素分析天津地区二十多年的地热回灌实践表明:热储层的岩性特征(孔隙或裂隙)及孔(裂)隙率、水化学成份(表1)是影响回灌效果的主要因素。总的来说,基岩裂隙型热储层回灌易于孔隙型热储层、渗透度大的热储层易于渗透率小的;对于孔隙型热储来说,粒径粗的热储层易于粒径细的。1.3原水同层回灌的原则天津地区的回灌模式主要有:同层一采一灌、二采一灌和异层一采一灌。不同水质相遇引起的化学反应及生成的沉淀物往往难以预测,所以进行地热回灌时应遵循原水同层回灌的原则;必须采取异层回灌的,开采层的水质应好于回灌层,以防止回灌水质对良好热流体造成不可逆转的影响。2热态液体处理2.1基岩水的流变学特征天津地区除个别矿化度较高的奥陶系热流体的阳离子以Ca2+、Mg2+为主外,所有热储层的地热流体的阳离子均以Na+为主。阴离子的变化较阳离子复杂,基岩裂隙水以Cl-、SO-4为主;孔隙水受分布地区及赋存深度的影响显著:埋藏较浅的明化镇组以HCO-3为主,埋藏较深的馆陶组以HCO-3或Cl、HCO-3为主(图2-a)。此外,裂隙水与孔隙水的异同还表现在:①地热流体有着相似的Cl/Na比,但孔隙水所受的淋滤程度强于裂隙水(图2-b);②反映水岩相互作用的log(Na/K)-温度图(图2-c)及Na/K-深度图(图2-d)显示:孔隙热水的log(Na/K)与温度(或Na/K与深度)高度相关,说明其流体中的K+、Na+与围岩没有达到平衡,而裂隙水的Na+、K+与围岩达到了相对的平衡状态。一般来说,天津地区的孔隙水水质较好,没有腐蚀性;基岩水多具中等腐蚀性。对回灌水质影响较大的TFe离子含量:孔隙水多在0.2~0.6mg/L之间,最高可达4.4mg/L,裂隙水多在0.4~2mg/L之间,水质普遍较差的奥陶系热水最高可达12.8mg/L。2.2在热流中产生的气体天津地区地热流体中所含气体成份:孔隙水中以N2为主,基岩裂隙水以CO2为主(图3)。3封锁恢复的原因参考一些国内外专家对不同热田的40个回灌事例进行调查考证的有关统计数据,有80%的回灌井出现了堵塞,堵塞原因极其复杂(表2)。3.1滤出物的检测结果地热流体中的悬浮物是引起回灌系统堵塞的一个重要因素。2005年天津地热院与佛罗伦萨大学地球科学系实验室合作,首次对天津地区的地热流体中的悬浮物颗粒采用0.45μm聚四氟乙烯过滤膜进行过滤,并对截留物质进行SEM分析,统计结果表明:某些地热井仅过滤了50mL的水量,就在过滤膜上积累了较多的颗粒物。新近系孔隙水9个样品中6个有滤出物,占67%;基岩裂隙水18个样品中16个有滤出物,占89%。检测出的成份有:斜长石、石英、钾长石、Mg和Fe的硅酸盐、Fe(或Zn、Cu、Hg)的硫化物或氧化物、NaCl、CaCO3等等。根据滤出量的多少分为高、中、低、无四档含量,滤出物含量为高档时,成份以Zn、Fe的硫化物、NaCl和斜长石为主;中档时以Fe的硫化物、NaCl、斜长石为主;低档时以Fe的硫化物、CaCO3、NaCl、石英为主。值得注意的是:从高档向低档,滤出物的检出成份逐渐复杂,从低档向高档,滤出物则向某几种成份集中。此外,还对处理回灌水的过滤棒的截留物进行了分析,表3是馆陶组开采井DL24的循环尾水回注到回灌井DL25前被过滤棒截留的固体成份分析结果。由分析数据可知,Zn、Fe的化合物是造成悬浮物堵塞的主要原因,根据滤膜截留物分析,应为FeS、ZnS。而根据水质全分析报告,Fe、Zn2+含量一般为0.02~2mg/L,仅占主要阳离子Na+、Ca2总量的万分之几,所以对回灌水进行除Fe、除Zn就可以有效地防止悬浮物的阻塞。3.2天津地热流体中矿物的性质应用PHREEQC-2.11模拟软件对矿物的饱和指数SI进行计算,结果表明:天津地热流体中的大部分矿物(如CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2、CaF2、Ca5(PO4)3F、SiO2)都处于饱和状态;Fe、Zn矿物多处于超饱和状态。因此,在热流体的赋存环境发生变化时,可产生一系列的化学沉淀而引起堵塞。3.2.1+4+2hco地热流体自地下深处向上运移时压力快速减小,HCO-3含量较高的流体会释放一定量的CO2气体,从而产生Ca(Mg)CO3沉淀:Ca2+(Mg2+)+2HCO-3=Ca(Mg)CO3+H2O+CO2↑如位于宝坻区的地震观测孔(王4:寒武系,孔深2712m)),自1978年成井一直自流,在井口周围产生了大量的钙华。地热流体在热量被利用后回灌到热储层前,为预防气堵都采取放气措施,致使部分CO2气体逸出而生成Ca(Mg)CO3沉淀。大部分沉积在管道循环末端和接头处(如宝坻的某些井),还有部分可沉积在滤水管附近,虽然这部分量较小,但长期运行可产生一定程度的堵塞。3.2.2石英在热流体中的溶解度石英饱和主要是因为可溶解性SiO2在温度达到250℃之前,其在热流体中的溶解度与温度呈显著的线性相关关系,所以任何形式的传导性、对流性或者混合降温过程都可能导致石英的沉淀,但其沉淀速度较慢。3.2.3热土流体悬浮物根据佛罗伦萨大学的分析结果:Fe、Zn化合物的SI多大于5,其中Fe(OH)2的SI=2~6,FeS2、Fe3O4、Fe2O3多为SI>10,最大的Fe3O4的SI=21.3;ZnSiO3、Zn2SiO4的SI=2~7(仅FeS的SI=-1~-3.5,处于非饱和状态)。但根据地球化学原理,反应性矿物不可能在地下水中长期保持未饱和状态:当SI<0时,若含水层中存在该矿物时,它就不是一种反应性矿物;或如果某种矿物的SI显著地大于0,则该矿物可能为非反应性矿物。所以认为这些矿物在地热流体中主要以悬浮物的状态存在(见3.1);或被地热流体腐蚀的成井套管、潜水泵管、镀锌管的Fe、Zn进入流体中引起的过饱和。悬浮物的大部分可以被过滤棒截留,但以过饱和离子状态存在的Fe、Zn(尤其是不稳定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以缓慢地形成稳定的化合物而逐渐沉淀下来,有一部分堵塞于滤水管或细小的孔裂隙中。实际上,悬浮物堵塞与化学堵塞存在着交差、重叠部分,某一方面的解决,也可能使另一问题迎刃而解。对这些问题提出理论上的合理解释,有助于优化解决回灌中出现的不同原因的堵塞问题。3.3水层含水层导水性存在于回灌水中或地表的微生物可能在适宜的条件下在注水井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介质孔隙,降低含水层的导水能力。天津地区有些基岩回灌水中如华馨公寓、中山门等同层采灌对井中均发现存在硫酸盐还原菌、铁细菌,致使回灌效果受到一定影响。3.4回灌阻塞的测定气体、粘粒膨胀和扩散、含水层细颗粒重组等引起的回灌阻塞也比较普遍,但其所占比重较小,所以天津在这方面研究的程度较低。随着回灌技术和理论研究水平的不断提高,这方面的研究也将逐渐加强。4解决回水压的问题因为地热回灌流体中的固体悬浮颗粒、化学沉淀、微生物等是产生堵塞的主要原因,所以保证回灌水的质量、减少悬浮物、避免形成微生物是解决堵塞的关键。4.1热储层水质要求参照油田注水水质要求:注入水的悬浮固体含量<7.0mg/L,硫酸盐还原菌(SRB)<10个/mL,铁细菌<n×104个/mL,腐生菌<n×104个/mL,溶解氧<0.5mg/L,侵蚀性CO2<1.0mg/L,pH值控制在7±0.5为宜,且不含亚铁离子。地热回灌对水质的要求应严于油田注水要求,一般要求原水回灌,而且水质要求也因热储层性质而异。孔隙型热储层的孔隙率虽然远大于基岩裂隙率,但其孔隙直径却比裂隙小,回流的悬浮物和化学沉淀更易聚集堵塞含水层,所以对水质提出了较严格的要求。一般要求回灌水质的铁离子含量<0.2mg/L,雷兹纳指数>7.0,pH>8.0,若地热水中含有溶解氧,尚应根据溶解氧的成分和含量对回灌水质提出相应要求。天津基岩裂隙型热储层都是碳酸盐岩,除上述要求外,还要限制PO3−443-的含量,防止磷酸钙堵塞裂隙。4.2确保水质安全的具体措施4.2.1循环水系统材质水质较好、氯离子含量低的地热水可采用较为经济、简单的直接供暖方式,但由于地热水与供热循环管网的金属设备长期直接接触,因此对其水质要求非常高,一旦系统漏气或管道材质低劣,极易造成氧化、腐蚀,使循环水水质发生较大变化,这种直接供热的尾水不宜作为回灌水源。对井系统一般要采用间供方式,换热后地热水的变化主要是温度的降低部分气体的逸出,其它化学成份受影响较小,基本能做到“原水”回灌。4.2.2管道开口状态由长期的对井系统的监测结果提出警示:如果回灌运行时采用直供钢制管道,当地热水流经铁制管道和终端设备后,排放口处尾水中铁离子的含量要大大高于地热生产井出口处的含铁量,并发现铁食菌,当工作系统处于开口状态时,系统腐蚀是较严重的。因此为有效防止腐蚀和物理、生物堵塞,在回灌输水管道的材料上,应首选非金属管材(玻璃钢管材或PP-R管材)。4.2.3精、粗两级过滤系统实践证明,对回灌水进行过滤是有效减少悬浮物堵塞的措施之一。目前在天津的基岩回灌工艺中一般要求采用滤径为50μm的粗过滤系统,此种过滤装置能有效将管道及系统残留的相对直径较大的颗粒过滤;而在孔隙型回灌井中则要求同时安装精、粗两级过滤系统,精过滤器的滤径为3~5μm,可滤掉大部分悬浮颗粒,有效地减少物理堵塞;此外还可以滤掉部分微生物。4.2.4自动排气阀一般安装在回灌井口和加压泵之后,用来排除回灌水中的多余气体,但须注意两点:其一在罐体顶部要设置自动排气阀,当气体聚集到一定程度时,可以及时释放到罐体外,以保证安全;其二注意如果地热水中含气体容量较高时,要采用风道方式将已释放出的气体排出设备间,以防中毒和引发火灾。4.2.5井管没有空气气体空气气体利用自动控制的充气装置,将回灌井液面之上的井管充满惰性气体(如氮气),以阻止空气中的氧气渗入到回灌井内,这样既能防止产生井管腐蚀,又能避免由于氧化反应所产生的氧化物沉淀。4.2.6除砂器、回灌4.为了保证地热流体中裹携的岩屑微粒尤其是孔隙型地层(因为岩性松散,细小的砂粒容易随水流被吸出)的砂岩颗粒不被传输到回灌井口,生产井口处要求安装除砂器、回灌井口设置除污器,以减小过滤器的工作负担。在天津的对井井口一般都安有这种装置,效果较好。4.2.7机械、化学的方法具体情况,应根据现场地质条件和回灌水质具体分析可能的堵塞原因,并制定相应的对策。运行中,视可能的堵塞原因运用机械的或是化学的办法,对回灌井进行周期性的再生处理是保持其回灌能力的基本要求。其中可采用机械的方法解决,如反抽、射入高压空气或水以及分段冲洗;化学的方法包括加酸、加药杀菌以及加入氧化剂等。许多实例表明,如果回灌井得到良好的维护,回灌工程即能发挥很好的效益。5回灌和回灌之间的问题(1)目前出现在天津地区某些(主要是孔隙型)回灌系统中的堵塞问题是极其复杂的: