蘭考縣地熱回灌影響因素分析及對策

回灌是保障水熱型地熱資源可持續開發利用的關鍵環節之一，影響回灌的因素有多種，包括地質條件（裂隙通道、地下水運移通道順暢程度等）、地熱水水質、回灌井成井工藝、井管腐蝕結垢、回灌堵塞（物理、化學、微生物、氣體）等。

1 地質及地熱回灌概況

蘭考縣位于河南省東北部，是國家能源局批復的全國首個農村能源革命試點建設示范縣，也是河南省地熱能清潔供暖規模化利用試點地區之一。蘭考地區主要斷裂為新鄉—商丘大斷裂（F3）、聊蘭斷裂的次級斷裂（F6）及推測斷層（F7、F8）（如圖1）。自2000年起，蘭考地區早期建設的井深1000m左右、以洗浴為主要用途的地熱井逐步關停[中深層水熱型地熱資源開發深度為1500～2200 m，主要利用新近系館陶組孔隙熱儲層，熱儲巖性上部為淺棕色砂礫巖、灰色粉砂質泥巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層，下部為雜色砂礫巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層含水層。井口出水溫70℃左右，水量一般為80～120 m3/h，主要用途為地熱供暖。

根據資料收集和現場調查，蘭考地熱供暖項目中抽水井與回灌井的比例一般為1∶1、1∶2或1∶3，地熱供暖項目開采井與回灌井深度基本相同，滿足同層回灌的要求[熱儲地熱井單井回灌量20～115 m3/h不等。位于F6斷裂東側與F3斷裂結合處附近的地熱供暖系統，開采井及回灌井都位于F6斷裂東側即下盤位置，在自然回灌條件下，回灌效果不理想；位于F6斷層西側即上盤位置的地熱供暖項目回灌效果較好，有實例表明，此區域內單井回灌量達114.8m3/h，加壓回灌量可達到170 m3/h。

 圖1 蘭考城區主要斷裂分布

2 回灌影響因素分析

2.1 流體特征及化學沉淀

根據蘭考地區現場取樣化驗和以往收集到的地熱水水質分析結果，該地區地熱水化學類型分別為：新近系明化鎮組上部（約300～800 m）以HCO3·ClNa型為主；新近系明化鎮組下部（約800～1300 m）以HCO3·Cl-Na型為主，還有少數HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系館陶組（約1300～2200 m）以Cl-Na型為主。通過對23組地表水、淺層地下水及地熱水水質的匯總分析，主要指標的垂向水化學類型特征變化趨勢為（圖2）：隨埋深增加，Cl-、Na+、溶解性總固體TDS呈增大趨勢，2000 m以深處呈小幅波動狀態；Ca2+、Mg2+含量先降低后增加，2000 m以深小幅波動；微量元素F-的含量淺層地下水含量較高，隨深度增加呈降低趨勢。

根據地下水中化學平衡反應的質量作用定律和質量守恒原理，運用PHREEQC地球化學模擬軟件，對于館陶組的回灌水源能采用的有地表水、淺層水、明化鎮組上部、明化鎮組下部和館陶組同層水源，選取的“可能礦物相”，計算各水樣點礦物的飽和指數及淺層地下水到深層地熱水路徑上礦物（氣體）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趨勢，選擇石英、鈉長石、鈣長石、鉀長石、鈣蒙脫石、方解石、白云石、石膏、螢石、巖鹽、高嶺石和伊利石為水文地球化學反應可能的礦物相。在不考慮不同含水層相互污染的情況下，計算采用不同回灌水源混合后，回灌地層中主要礦物成分的飽和指數SI。飽和指數是水文地球化學研究中應用最多的一個指標，它研究的是礦物在地下水的飽和狀態。飽和指數反應了礦物組分與地下水之間的相對狀態，即地下水化學組分溶解-沉淀的趨勢以及內在的水動力和化學條件。當SI=0時，礦物在水溶液中處于平衡狀態；當SI<0時，表明礦物在水溶液中未達到飽和狀態；當SI>0時，表示該礦物相對水溶液處于飽和狀態，礦物將發生沉淀。

圖2 蘭考地區地熱流體主要組分含量

3 提高地熱回灌效果的對策

鑒于蘭考地區地熱水水質Cl-、溶解性總固體含量高的特點，隨著地熱回灌井使用時間的增加，井管內腐蝕結垢現象有極大可能會對回灌產生影響。結合蘭考地區地熱資源開發利用情況、地熱水水質的分析以及室內腐蝕觀察實驗，提高蘭考地區地熱回灌效果可從以下幾個方面著手。

3.1 地熱水的處理

通過PHREEQC軟件模擬，蘭考地區明化鎮組地熱水可能發生化學沉淀堵塞的礦物是白云石和方解石；館陶組地熱水可能發生化學沉淀堵塞的礦物是云母、白云石、方解石、高嶺石和石英。通過室內腐蝕觀察實驗中沉淀物的XRD衍射分析，不同溫度條件下，主要腐蝕沉淀產物包括鐵化物、NaCl、Ca?CO3、CaSi2O7F2、CaPO3(OH）·2H2O中的一種或幾種。建議蘭考地區地熱水回灌前過濾沉淀物、堵塞物，針對上述化學沉淀或腐蝕沉淀產物選擇環保型的阻垢劑、除垢劑等，有效去除井管材料的腐蝕產物，降低化學沉淀堵塞的發生，提高回灌效率。

3.2 井管材料選擇

與其他地區地熱水水質相比，蘭考地區水質Cl-、溶解性總固體、Na+含量高，屬于鹽水，具有較高的腐蝕性。耐腐蝕是該地區井管材料選擇的重點之一，建議選擇耐腐蝕、耐高溫的管材，就目前的主流成井管材，推薦使用J55石油套管，不宜使用螺旋鋼管、無縫鋼管作為成井管材。考慮電偶腐蝕作用，并結合本次蘭考地熱水腐蝕觀察實驗中，鐵片上捆綁不銹鋼鐵絲時其鐵片的腐蝕速率均高于或基本相當于鐵片上捆綁普通鐵絲，盡量避免使用不同材質或材質差別過大的井管和過濾管作為成井材料，否則易形成局部電勢差，加快電偶腐蝕。

3.3 優化鉆井與成井工藝

蘭考地區地熱供暖發展較快，在地熱鉆井之前應做好當地水文地質、地熱井現狀的技術資料收集，吸取此前地熱井建井過程的經驗，掌握更為詳盡的區域地熱地質資料。采用鉆井液回轉鉆進工藝時，建議結合蘭考地區使用膨潤土鉆井液體系鉆進時在1200 m處發生粘附卡鉆事故及其處理經驗，提前做好預案，及時調整鉆井液體系。目前，氣舉反循環鉆進工藝在河南、北京、遼寧、貴州、天津等地區的地熱井鉆井中都有成功應用，氣舉反循環鉆進工藝較鉆井液回轉鉆進工藝具有更強的攜帶巖屑能力，對孔壁的堵塞作用小，有助于提高回灌效率。石油鉆井工藝的理念是利用大泵量、高壓力、適當的環空間隙，使巖石呈體積破碎并以較高的速度上返，避免巖屑重復破碎、保持井底干凈，實現高效率的鉆井的目的。在鉆井工藝優化方面，建議探索氣舉反循環、石油鉆井工藝在該地區地熱鉆井中的應用。

地熱井成井目的層井徑、礫料類型和填充厚度、洗井是否充分等均會對回灌產生影響。充分的洗井是保障回灌效果的基礎。借鑒國內砂巖熱儲回灌的研究，大口徑填礫成井工藝不易造成熱儲孔隙的堵塞，可以保證回灌的長期正常運行。

3.4 回灌溫度的平衡

目前，蘭考地區地熱供暖項目的回灌溫度在40℃左右。通過初步的室內腐蝕觀察實驗，結合蘭考地區地熱回灌調查情況，在分析蘭考地區地熱水水質、結垢趨勢、腐蝕性評價等基礎上，溫度越高腐蝕速度越緩慢、腐蝕產物越少，有助于提高回灌率。回灌溫度通過改變回灌壓力對回灌量產生影響，理論上溫度越低回灌效果越佳。建議在實際工作中，優化地熱供暖運行過程，找到最優的回灌溫度，保證回灌效果。需要結合蘭考地區地熱水水質情況，做好前期工作，如有針對性的進行回灌水水質的處理，將低溫對回灌的影響降至最低，保證回灌效率。

3.5 項目做好選址

結合蘭考地區主要斷裂帶分布情況以及現有地熱井回灌情況，在項目可行性研究階段，應結合地熱開發利用情況前期做好勘查工作，盡可能地充分利用主要斷裂帶進行項目選址，場地條件不允許時，可采用定向井方式，從地質設計上提高回灌效果。

4 結論

(1）蘭考地區地熱水Cl-、溶解性總固體含量高，腐蝕性高。通過PHREEQC地球化學模擬軟件，明化鎮組地熱水中方解石、白云石等礦物易發生化學沉淀；館陶組地熱水中高嶺石、石英、方解石、白云石、云母等礦物易發生化學沉淀。

(2）蘭考地區地熱回灌效果的影響因素主要包括：地熱水水質的高腐蝕性、地熱水化學沉淀產物，鉆井過程中鉆井液材料對含水層堵塞，洗井不徹底，回灌溫度、回灌井選址等。

(3）提高蘭考地區地熱回灌效果，建議通過化學、物理方式進行阻垢除垢、減少腐蝕結垢產物對回灌井的堵塞作用；選擇如J55石油套管等耐腐蝕成井材料，降低腐蝕堵塞產物對回灌效果的影響；采用鉆井液回轉鉆進時，及時調整鉆井液體系，探索氣舉反循環、石油鉆井工藝等鉆井工藝的應用，減少鉆井過程泥皮對含水層的堵塞，保證回灌效果。