孔隙型热储层地热流体回灌试验影响因素分析

孔隙型热储层地热流体回灌试验影响因素分析

天津地热资源分为两类：新生代近期植物、老近系碎屑岩间隙低温地热资源、古生代和元古代碳酸盐岩间隙、间隙和低温地热资源。而最近的热储存属于低热系统，热流质量好，硬度低，温度约为4080。广泛用于民用建筑供暖、生活热水、印刷等用途。据统计,2006年天津共有新近系热储地热井182眼,其中新近系明化镇热储地热井85眼,年开采量524.2×104m3,馆陶热储地热井97眼,年开采量759.8×104m3。随着天津市经济的快速发展,地热资源开发利用的规模逐渐增大。由于大部分地热井长期以单井形式开采,造成热储层水位持续下降,水位降幅1.8～5.5m/a,目前新近系地热流体的水位埋深在55m以下;而且利用效率低,弃水温度高,既污染环境,也浪费资源。1天津地区灌区基岩回灌4.5年的情况地热回灌就是地热流体利用后把尾水通过自然或人工加压方式回注到开采的热储层中,它是解决过量开采地热流体造成地下水位持续下降与尾水排放造成环境污染的最有效方法。天津地区地热回灌研究始于20世纪80年代初。截至2006年底,天津地区共有地热井287眼,回灌井38眼,占地热开采井的15.26%,其中基岩回灌井30眼,新近系回灌井8眼;回灌量349.7×104m3/a,占开采量的12.36%,其中基岩回灌量336.9×104m3/a,占开采量的11.91%,新近系回灌量12.8×104m3/a,占开采量的0.45%。天津地区地热流体回灌量与开采量之间还存在巨大差距,其原因是回灌中还有很多关键性问题如回灌的机理、影响回灌量因素、回灌堵塞的原因没有得到根本解决,特别是新近系地热流体回灌。2馆陶组的大规模回灌试验天津地区新近系地热流体回灌研究已有20多年历史,对新近系馆陶组的大规模回灌试验进行了3次。各次试验中回灌井热储层参数和井身结构情况见表1。(1)回灌过程压力和温度在热2井和热12井分别进行了4次试验,累计时间4728h(197d),累计回灌量77943m3(表2)。在回灌过程中,随时间的推移,回灌量逐渐减小,井底压差逐渐增大。回灌压力对热储层回灌能力影响明显(图1);回灌温度对回灌效果有影响,温度越高,热储层回灌指数越大,回灌也越容易(表2);同时不同的回灌方式热储层回灌效果也不一样,井管回灌比泵管回灌效果好(图2)。(2)回灌试验设计1995年冬季供暖期间在塘沽区新开里进行了新近系馆陶组热储层回灌试验,历时79d,有效的回灌试验3组。具体数据见表3。通过分析回灌量与回灌压力之间的关系,发现回灌压力越大回灌量越大,而且在同一压力下,回灌量随时间的推移都存在衰减现象(图3),这是由于回灌水没有进行任何过滤处理造成含水层阻塞引起的。(3)回灌流体方式2004年在东丽区华泰农业科技园区和武清国环各开凿了一眼回灌井进行回灌试验工作。本次试验特点是在回灌过程中安装了过滤处理系统,对回灌流体进行两级过滤处理。华泰农业园区的回灌试验共进行了138d,回灌方式为自然回灌,试验基本数据见表4。武清国环结合冬季供暖,利用供暖后的地热尾水进行了回灌试验,共70d。回灌方式为自然回灌和加压回灌二种,回灌总量48665m3。图4为武清自然回灌方式下的关系曲线,从图中可看出回灌温度对回灌量有影响,温度越高,回灌量越大,回灌也越容易;温度低,回灌量小,回灌就愈困难。4影响因素分析综合各次试验情况,分析影响新近系地热回灌影响因素如下:(1)新开里和层序地层灌制对地下热流体进行深部回灌实质上是热流体的压缩。热储层的地层岩性、岩土颗粒大小、地层的孔隙率和渗透性对回灌起着非常重要的作用。塘沽新开里和华泰农业园区的地层属砂砾岩,颗粒粒径较大,孔隙较大,胶结程度差,渗透性较好,其回灌量比其他地区的大,平均回灌量45m3/h左右;而大港水电厂和武清国环地热井,其地层为粉细砂岩,颗粒粒径较小,孔隙小,渗透率172～875mD,平均回灌量只有20～30m3/h左右(表1)。(2)动速度k通过几次试验发现回灌温度越高,回灌量越大,回灌也越容易。究其原因是回灌流体运动能力受温度控制,回灌流体在热储层中的运动速度可以用渗透系数K来表示,它与地层的渗透率k、水的密度ρ和动力粘滞系数μ存在如下关系:K=ρ⋅gμkΚ=ρ⋅gμk式中:g——重力加速度。当温度变化时,ρ和μ也随之变化,而同一地层渗透率k保持不变。故当回灌流体温度较高时,粘滞系数减小,渗透系数K增大,水在热储层中的运动速度也加快,地层的回灌能力变大。回灌能力和温度呈正相关变化,温度高,回灌效果好。(3)回灌压力和回灌含水层水力坡度从塘沽的回灌试验中可以看到,加压回灌在一定程度上能增大回灌量,回灌压力与回灌量呈正相关关系,回灌压力增大回灌含水层之间水力坡度增加,相应回灌量能力增强(图3)。(4)数的4.65倍通过在大港水电厂进行了单井回灌和对井回灌对比试验,发现对井回灌的回灌指数是单井的回灌指数的4.55倍。这是因为单井回灌和对井回灌地下水动力场不一样,对井回灌增大了回灌井和开采井之间的水力坡度,使过水通畅,提高了回灌效果。而且回灌井和开采井之间的距离对回灌也有很大的影响,其间距离小,水力坡度大,流体的流速大,过水通畅,回灌量大,回灌效果越好。(5)绑丝间距试验通过回灌试验发现:①水力坡度小,流体的流速小,滤水管缠丝间距在满足挡砂要求的前提下,缠丝间距越大,过水越通畅,回灌效果越好;②钻井过程使用泥浆护壁,洗井效果、方式对回灌有一定影响,井壁泥浆清洗愈干净,回灌效果越好。(6)粒径和微生物通过对回灌水质分析发现:①回灌水中有大量悬浮细小颗粒,其粒径基本集中在1.057～2.246μm之间,占总数的93.71%,另有个别粒子在2.510～5.812μm之间,但其最大粒径为19.55μm。几乎全部粒子粒径小于5.9μm(99.99%)(表5),如果回灌水不经过过滤,回灌水中悬浮细小颗粒就可能堵塞热储层,导致地层的渗透率下降,回灌效果差。②含有大量微生物,如铁细菌(FB)、硫酸盐还原菌(SRB)和腐生菌(TGB)(表5),由于这三种细菌有共生性,在地下热流体运移过程中及化学组分的气体和在回灌水运移过程中繁殖累积产生沉淀。若用含有大量铁细菌及硫酸盐还原菌的流体进行回灌,则可能导致地层的有效渗透率下降,管道堵塞,甚至可能由于硫化氢含量的增加,导致地下热流体质量恶化,对回灌产生很大的影响。5影响新型热储层地热流体回灌的主要因素地热回灌具有非常重要的现实意义。从天津地区新近系回灌试验中