砂岩层地热水回灌实践.doc

砂岩层地热水回灌实践

作者：（德国）彼得·赛毕特，马库斯·沃夫格冉姆
翻译：刘道选 孙启邦 肖红

摘    要
     德国北部盆地地热资源开发利用集中调查始于20世纪80年代初。第一次在砂岩层进行生产、回灌实验于1982年开始，从而建成了第一家地热供暖企业1984年起向瓦伦镇居民供暖。随后，又有更多的地热供暖企业在新勃兰登堡、新格莱维、柏林、诺伊鲁平等地相继投入运行。
在德国，越来越多地区正在筹备建设地热供暖和发电项目。
用砂岩层作为热储层是一项新的技术解决办法。掌握准确的地质知识和地球化学条件是地热利用项目规划、建设、运营成功十分重要的先决条件。过滤实验，地球化学、水文数学模拟实验，以及这几种实验的综合应用都是为了这个目的。本文重点介绍地质、地球化学条件以及技术解决办法和实践经验。

     1、地热能应用和热储
     在地热能应用中，先将地热水通过生产井提升到地面，提取热能以后，再将尾水通过注入井回灌到地下原层位。
     将提取热能后的地热尾水回灌到地下，是为了保持地下水力平衡，更重要的是，防止矿化度较高的地热水排放到地表水中，引发环境污染。因此，地热水在生产井和回灌井之间是一个封闭的循环系统。
     通过交换器将热能从地热水提取，再由第二个循环系统将热量提供给用户。这样，地热热储系统就要由开发同层的两个井或两组井来组成。两对（组）井都要下井泵，安装套管，以便地热水从两个方向都能通过。热交换器通过地面管网系统连接两对（组）井，提取和供应热能。这里特指的是德国北部—波兰的模式，这个模式是欧洲中部的主要模式，也包括丹麦—波兰和北海的模式。
     2、水文地质和地球化学条件
     2.1热储特点
     孔隙热储的特点是大量不规则的颗粒形成了空隙。这类颗粒是主要是由砂岩组成的。热储的大小、形状、沉积结构、基质、矿物质含量是第一位的，孔隙、渗透度、密度、水流情况是第二位的，当然也同等重要。
     从经济角度看，低温地热水热储（40—100℃）要求大规模的热水源和流速（50—100m3/h/well）。它们的应用是由下列地质条件决定的：
---有含水岩石结构（含水层）；
---这种岩石结构有充足的垂直、水平孔隙以保证长期生产（生产热储）；
---这个生产热储中的水温度从经济上角度分析符合要求；
---具有提取热能技术操作中所需的合适水量（地热水采、回循环中的材料和系统匹配）；
---含水层周围有广泛的扩展空间、高流速、能保证长期稳定生产、回灌，特别是有孔隙、能渗透、厚度高。我们寻找厚度高、孔隙大、密度低的砂岩，这种砂岩孔隙大，颗粒结构变化不大。具体要求要按实际情况确定。
      上世纪后十年，对地热水砂岩热储层回灌进行了广泛的研究，并在不同地方应用，取得了成功。尤其在德国，近几年或近十年来，砂岩层地热水开采回灌取得了一定的经验。
成功回灌最主要的标准是注入的指标，也就是积累的热储中地热水活动的数据。下列参数决定有效注入指数的成功。
     首先，用于地热开发的砂岩层，提供的数据表明：
---孔隙度大于20%；
---渗透度大于0.2μ㎡；
---砂岩层最低厚度 20m；
    同时，它们的特点：
---孔隙层中大孔隙（半径大于5.000 nm）比例超过60%或中小孔隙小于50%；
---在大孔隙范围内的孔隙半径大于5.000 nm；
---好的和更好的孔隙半径分类大于0.4--0.5；
---在大于10.000 nm半径的孔隙层中有大于20%的孔隙；
---小于0.063mm的细泥沙粒（淤泥和粘土）小于10—12%；
---粘在一起的物质和泥浆的平均含量不超过8—10%。
    在德国北部盆地约3,000m的地下发现这样的砂岩。

图1 德国东北部含地热水砂岩示意图
2.2地热水的化学特点
在德国东北部开发的中生代地热水，据分析，是盐矿化度高的Na-(Ca-Mg)-Cl水。深水中盐的含量超过300g/L。其主要成份是氯离子（最大值49毫摩尔%）和钠离子（43—47毫摩尔%）。镁、钙、钾、铁、锶、锰，还有硫、溴、碘离子等为次要成份或微量。甚至当水冷却以后，其溶解离子仍维持在饱和线以下。当二氧化碳释放后，碳化合物可能沉淀下来。硅酸和硼离子只有很少的含量。
地热水中含有少量可溶气，叫作“结构气”，主要是氮和二氧化碳，其次是甲烷，还有少量的乙烷、氢气和氦气。
中生代深水对比表明，PH值显示酸性。

表1 德国东北部地热工厂地热水特性

柏林
（国会大楼）
新勃兰登堡
瓦伦
诺伊鲁平
新格莱维
温度(℃)
19
54
61
64
99
深度(m)
295
1,270
1,510
1,620
2,195
地层
埃唐
普斯特瑞
堪托塔
阿来尼
堪托塔
PH [T(℃)]
7.2
6.1（25）
5.9（25）
6.5（50）
5.3（52）
氧化反应条件

减少

减少

整个矿化作用(g/L)
28
134
160
199
219
密度(g/cm3)
1.01
1.089
1.108
1.124
1.147
气体(vol.%)
微量
约10
约3
约5
约10
阳离子(mg/L)
钾
52
210
260
446
800
钠
11,000
49,000
58,000
74,700
80,000
钙
300
2,000
2,800
1,540
8,400
镁
250
630
780
1,070
1,410
锶
20
97
150
44
441
铁
1.1
12
20
31
82
锰
0.03
0.7
1.5
1.2
10
阴离子(mg/L)
氯
17,000
81,000
96,000
116,800
137,000
溴
17
98
170
111
390
硫
1
1,000
900
3,830
470
碳酸氢盐
300
165
130
247
40

     2.3地热工厂前期调研
     在实验室和野外现场进行的地热水通过空隙流动实验中，地热水注入运行状态、液体与液体、液体与岩石的反应可以显现出来。
     近几年来，一系列自然和人工合成的不同液体标本通过孔隙流动的实验都已完成。仔细准备液体样品，选择合适的设备材料，这些在实验室和野外现场进行的试验证明是十分有效，它能够阻止热储层岩石中水的渗透。这些液体样品的选择和准备，特别是随着研究工作的进行，对实验具有非常重要的意义。
     孔隙流动实验证明，造成德国东北部地热水热储层渗透率下降的主要因素（不考虑实验中工艺结构造成的一些堵塞）：
---根据流速不同，在机械运行过程中小颗粒进入和重新组合；
---由于氧气进入，产生氢氧化铁造成化学沉淀，引起堵塞；
图2  过滤实验示意图
     在实验中，从渗透率下降的情况来看，矿化物、碳酸盐沉淀物、硫酸盐、硅酸、氢氧化铝，还有粘土膨胀，都不起重要作用。上述实验连同引起化学沉淀模拟实验一起进行。
所有的实验只是一个模拟，不能直接照搬用于地热工厂和热储层岩。但是，它可以证明，在地热工厂做的时候，需要考虑的特殊效果（例如：井、过滤器、除氧器、注入、温度）。
     2.4 地热水的回灌
     地热工厂在将地热尾水回灌到有孔隙、能渗透层位时要特别注意，从经济运行上要有保证，回灌要长期，不需要多少动力，也就是说，回灌时不要出现堵塞。实际上，渗透率的降低主要是由于下列因素产生的固体造成的：
---生产和回灌中水流速过高产生的颗粒（腐蚀物）的流动；
---凉的地热尾水与原热储的水和含水层（例如：粘土或碳酸盐）不发生化学反应；
---地热水管道中产生的氧化物和腐蚀物；
---细菌活动；
---设备安装时工艺技术造成的；
     最危险的区域是在井的附近。
     尾水（也就是经过过滤，在井附近区域，流经热储岩的地热水）的回灌量等于过滤量。这就是为什么对回灌的地热水质量要求非常高。
     要考虑影响地热水回灌的下列因素：
     2.4.1　沉淀反应
     地热水评价需要专业化学分析，以取得准确的数据。这个分析可以用地球化学模拟计算来完成。地球化学模拟测试表明，德国东北部的地热水，不加别的水，铁分子如果与氧结合，会产生铁化合沉淀物。
     其他的硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐等矿物质在地热水管道表面和热储岩中都没有。从热储层中取出砂岩进行的通过孔隙流动实验也反映出同样的结果。
     2.4.2 氧气进入
     氧气有可能进入地热水管道，引起氧化反应。氧气与地热水接触，严格地讲，不仅仅产生铁化合物沉淀——主要问题是氧气进入了热储水层。如果含铁的化合物溶入了热储层，沉淀物会逐步降低渗透率，对热储造成永久的损坏。
     德国东北部三个地热工厂回灌经验表明，中生代砂岩热储对含氧的地热水回灌的反应是不同的。
为了有效地防止氧气进入造成危险，在连续回灌和地热工厂停运（例如检修或修理）后重新启动时，对氧气是否进入要进行经常性的检测。只有这样，才能保证回灌地热水的质量。
     2.4.3腐蚀
     含酸的液体、电解质成份（溶质离子，特别是氯离子）、腐蚀性气体（二氧化碳，有时是硫化氢，其次是氧气）、高温都会造成或加速腐蚀。
     由于不能改变地热水的成分（例如，通过分离成分，添加抑制剂，提高PH值的基本值等），因此，要采取严格的防腐措施，选择合适的材料、套管、衬管。
     2.4.4 微生物
     在地热水循环系统里，由于微生物活动，引起化学反应，在地热水中产生一些固体物质，这是大家都知道的。特别是硫化氢，在细菌活动的影响下，改变PH值，加速腐蚀和硫的形成。另外细菌本身也会产生固体附着在管道壁上。
     3、地热水循环系统的技术原理
     3.1地下装置
     3.1.1 钻井工程
     地热井钻凿采用了大家熟悉的石油、天然气钻井技术，主要是旋转钻凿。按井的结构可以分为：
——传统对井（垂直式）
——对井（垂直+定向）
——对井（双定向）
     传统对井是两个垂直井，要求相对大一点的地上面积，以保持地下足够的距离。另外，由于需要两个分开的钻井位，建两个操作台，并用管道连接，增加了成本。
     定向钻井是在一个地方钻两口井，对到地下热储层位的距离要求，有所限制。首选方案是钻垂直井+定向井，第一口井必须钻垂直井，花费较小的成本进行钻凿，也用于钻探可开发的层位。一旦确定了热储水层，就可以钻凿第二口井，根据第一口井的资料，准确地完成。
     沉积岩对定向井钻凿的影响以及它们在回灌中可能产生的负面影响将是今后研究的一个课题。
     3.1.2 成井
     井钻好后，还要完成成井工艺。地热井在热储层部分可以是“开放式”或“套管式”。如果是“开发式”，最后一根套管下到热储层上面，底下开放的。（也就是说热储层没有套管）(见图3)
如果能证明砂岩是稳定的，选择“开放式”从成本核算出发绝对是最好的，特别是循环旧井，安装衬管就可以限制其使用。另外，这种成井方式能提供更多的水量。然而从技术角度看，开放式井的运行时是很危险的。
     例如，如果热储中的砂岩不是非常稳定的（砂岩热储在储水时砂岩容易垮塌），必须采用特殊的成井工艺，如沙砾包裹。一口深2,500m的地热井在热储层位井壁外要留有环形空间用沙烁填充。用金属丝缠绕钢管，周围填充与热储砂岩颗粒大小一致的过滤沙烁。（见图4）
     套管成井工艺包括在热储层下套管和热储与套管之间的环形处灌水泥浆。热储层与地热井的隔层随后必须通过射孔的办法，击穿套管壁和水泥层，使热储层与地热井相通。
     这种成井工艺不限制同时采用其他技术，减少技术风险。

图3开放式成井                图4 金属丝缠绕式成井
图5 套管射孔式成井
     3.1.3 测试含地热水层
     水力的测试反映含地热水层的情况，如同测试深井水位一样。按照常规做法，当地热深层水含盐浓度大于1g/L时，采用氮气高低变化测试水位，盐浓度小于1g/L时，用一个小的重金属物体通过套管压到井里。这些测试分步实施，一方面采用与设计的水生产流速有关的三步流速，另一方面按照水位测试的技术限度（最大流量约80 L/s）进行。 为了确定井的生产能力和井周围含水层的渗透率，在测试时，需要确定测试流速的判断时间，水层中水的压力和温度。另外，水质还需要化验，分析它的参数和成分，以确定其更多的特征，如渗透率等。在观察井增加压力测试，能反映测试点与生产井之间含水层的情况。测试的时间长短与水的流速和压力有关系。为了获得准确的评估数据，在水流速不变的情况下，压力不能变化或者变化很小。关于热储十分重要的数据还可以通过测试地下水位升高的速度来获得。这种测试的时间必须至少与井生产的时间一样长。
     此外，还要明确井周围含水层水流的区域范围（位置、有效深度），以掌握含水层的更多特征。为此，通常要安装流量计，同时，安装温度计，能从另一方面反映情况。
     用于回灌的井也要通过测试水位来研究，因为，回灌注水试验存在许多问题，甚至可能破坏含水层和井。同地球化学问题一样，冷水注入到热水井里会产生一个叫做套管压力问题。但是，从生产井注入是可能的，因为它可以用测水位办法来确定。根据不同实验以及地热工厂的运行数据反映，生产的注入比系数低于1.7.
     3.2 地面装置
     按照技术设计，地面装置的主要部件如下：（见图6）
     3.2.1 地热水生产
     由于地热水含盐成分较高，因此需要特殊的潜水泵。泵本身要用防锈材料制成（例如，转轮要用红铜）。管子要有外包或内衬材料，以防止锈蚀，将水渗透到别的含水层，特别是淡水资源的地表水层。
     3.2.2 防氧进入装置
     无论运行还是非运行，整个系统要一直保持压力，防止氧气或其他气体可能进入。要另外安装一个气体装置，地面罐系统和墙体安装的环形管子里面都要充满氮气。
图6地热工厂地热水系统设计示意图：
1、生产井2、生产泵；3、生产管；4、换热器；5、回灌井；6、过滤器；7、惰性气；8、压力控制系统；9、溢水处理池；10、二侧（供热）循环系统
     3.2.3 材料
     20世纪90年代以前，在德国瓦伦、新勃兰登堡地热工厂都采用的是未保护的金属管。腐蚀后就不可能阻止一些氧气进入系统，腐蚀无法控制，特别是非合金或低合金的材料。
适用于地热水循环的材料很多，要根据特殊的型号、地热水温度、材质的压力和加工程序来选择。特别是，塑料和复合材料（塑料/玻璃纤维）、环氧基树脂外包金属和高合金钢管等，以不同方式结合一起都可以使用。
     3.2.4 热水过滤
     正如在第2.4章所阐述的，采用技术方式的目的是为了减少和防止沉淀，同样，为了防止热储层的堵塞，必须对地热水进行过滤。根据热储和地热水中固体情况，过滤器空隙范围应在1—25μm之间。
      考虑到地热水流速，过滤的固体量一般很小。在一般操作中，过滤网（袋）在它的使用时间到期后，要定期更换，——而不是因为它满了才更换，这要按照生产厂家的说明去做。地热井长时间不用，重新开启后，就会出现如图8所示的物质。根据地球化学分析，这些固体物质主要是不规则透明的铁化合物（硫化物、氧化物），硫酸盐（方解石、文石）和从热储流上来的小颗粒，例如石英、长石、粘土矿物、硫酸盐。长石和硫酸盐的量比石英、粘土矿物少得多。
     深层过滤技术（将固体沉淀在过滤器里面）能产生好的和比较好的结果。地面过滤技术（将固体过滤在过滤器上面）可将较大的固体颗粒分开。两者结合在地热工厂里使用能产生分开、沉淀的好过滤效果。
     这里所阐述的技术细节只是一个解决问题基本办法，需要根据具体环境使用。这样，地热工厂长期稳定安全的操作就不会出现任何问题，即使是在德国东北部复杂的地热热储条件下。
图7 过滤器（打开状态）            图8 井重新开启后，过滤的纤维等物质。F-纤维、I-硫化铁、S-粘土绣块、C-粘土
     根据上面描述，采用各种技术所研究的成果说明，经过过滤，回灌是可行的，也就是说不需要再增加注入泵。
     4、已应用实践的工程
     4.1 瓦伦
     自1985年以来，20多年了，德国东北部梅克伦堡—西波美拉尼亚地区瓦伦市第一家地热工厂，通过一口注入井成功地将凉的地热尾水回灌下去。该含水层为埃唐砂岩，在1,470m以下，水流速约60m3/h。地热水温度62℃，回灌水温度20—40℃。这种含纳、氯的地热水盐的矿化度158g/L，铁含量12mg/L。20世纪90年代初，工厂地面设施改造更新，采用了防腐蚀设备。
图9 瓦伦地热工厂——安装了玻璃纤维—防固套

      4.2 新格莱维
      1989年勘探，发现该地条件极端。地热水温99℃，盐矿化度220g/L，铁含量80mg/L，水流含气量高。从1995年工厂运行以来，基本运行正常。地热水从2,200m深的砂岩层，以125m3/h时的最大流速生产、回灌。
图10  新格莱维发电系统
     2003年工厂加装了地热发电系统，成为德国第一家地热发电工厂。从2003年底开始，该厂以110m3/h的回灌流速运行。
     4.3 柏林
     作为德国国会大厦（包括新楼）热源的组成部分的含水层只有质地紧密的砂岩，约300m深。最初，水温19℃，盐矿化度29g/L，从2000年，引进了菜油加工厂的余热，将温度提升到60℃，没有出现任何技术问题。一生产一回灌的对井交替使用。
图11 安装双管                          图12 热储存井井口
     4.4 新勃兰登堡
     该地热工厂1989年兴建。地热水取自两层砂岩，深度分别为1,150m和1,250m，水温52℃和53℃，盐矿化度113g/L和133g/L，水流速100m3/h，然后回灌到原层位。20世纪90年代初，地面建筑建成，但没有安装充氮气系统，因此，回灌问题不断。
     2003年该工厂重新改造，利用一家热电联产企业余热将地热水加热储存到水层，并建了一个利用含盐尾水洗浴疗养中心。新的地热水系统按照国家有关标准设计安装。
     从深井砂岩水层中取出岩石样本，进行试验，测试地热尾水能够常年回灌下去。实验结果证明渗透率能够提高，也证明没有因为地热水生产和回灌引起井附近热储结构变化和沉淀而产生堵塞。
     2004年初，工厂开始进行试运行。凉的地热尾水（约45℃）从注入井生产上来，经过热电联产工厂余热提升温度，再注入到生产井（夏天运行）。这些热能在冬天就能恢复好，这大大提高了工厂的效益。
图13有生产井和回灌井的井口装置       图14改造后的新勃兰登堡地热工厂
     4.5 诺伊鲁平
     该厂建于2003年。地热水来自阿连阶砂岩层，井深1,620米，水温64℃，盐矿化度199g/L，流速50m3/h，尾水回灌到原水层。对井由一个垂直生产井和一个定向回灌井组成。两口井在地下含水层距离为875m。
     目前，该厂能力为3ＭＷ，为附近一个宾馆和周围楼房供暖，还有一个含盐的地热水洗浴中心。该地热水含碘对人体健康有益。该工厂有可能在将来提升档次，将能力增加到8ＭＷ，与另一家地热工厂连通，为当地居民供暖。

图15  地热工厂（设计图和建成后图，2007年8月）
     5、回灌中出现问题应采取的措施和调查实例
     5.1 新格莱维
     1989年，在新格莱维地热工厂，有一小段时间氧气经过有问题的调节阀进入了封闭的地热水系统，导致铁物质沉淀，引发注水压力增加。接着，里面又发现了碳酸盐。经过检查和修复注入系统后，注入量恢复到100%。
     然而，到2007年，注水压力又增高了，而且是持续的。通过录像和在地下取样调查原因。注入困难主要是由于在井壁发现的碳酸盐、铁化合物、铅化合物沉淀所引起的。
要在注入井回灌水，就必须清除这些固体。同时，由于在地面系统加入了盐酸（弱酸化），回灌水的PH值下降了。
     2007年进行酸化处理，加了比1998年三倍的乙酸。主要是因为碳酸盐渗透到了热储里。
     1998年酸化处理以前，通过录像还可以看见碳酸盐组织。2007年录像检查发现，基本上没有沉淀。
     由于最近几年，工厂对注水压力工作的改进，在回灌井区域再没有出现长时间、地下重压。在相对一个短的时间内，也没有出现碳酸盐大量沉淀的现象。这是因为现在少量的碳酸盐能渗透到了热储深部，井周围大部分区域被碳酸盐沉淀所影响，加速了酸化。
通过两次酸化方式处理，回灌基本上又能完全实现了。

新格莱维地热工厂——回灌检测图

图16 新格莱维地热工厂——回灌检测图
     弱酸化处理方法对于沉积岩地热田产生了很好的效果，既对修复井套管，又能对热储岩组织本身。然而，最重要的是，它只能用于地热对井开采时（无故障运行），不能使用重型设备和钻具。弱酸化处理采用轻型设备和缠管，可用于处理热储层中问题严重的部分。这种经济适用办法比其他任何井和热储修理办法都具有长期有效的结果。
     5.2 克莱彼达
     克莱彼达地热项目始于1996年，投入生产在2000年。含水层是泥盆系砂岩，深度1,150m。主含Na-Cl的深地热水温度约40℃，含盐成分约为95g/L，含少量气体。就因为这一点，回灌水平不高。2002，2003年，采用的措施没有能够解决问题。2002年采用缠管酸化处理办法，短时间实现了100%的回灌。很多石膏沉淀在地面系统里，2003年把这些石膏清理之后，引起KJDP I4号井回灌量的显著下降。采用使用阻化剂的办法，地面装置的石膏被清理了，但造成回灌水平下降的原因还没有找到。因此，在2003年地面装置清理工作过程中，认为回灌水平连续下降的原因是由于技术问题所致。另外，造成回灌水平的持续下降也许有其他原因，例如，由于生物活动产生了硫化物组织，由于氧气进入产生了氢氧化铁，由于细砂岩含量高颗粒组织发生了变化，石膏沉淀在含水层里，套管的腐蚀，井周围组织的破坏，过滤渣形成堵塞，地面过滤器过滤空隙或底孔大小的不合适等。
图17 克莱彼达地热工厂KJDP I1号井和KJDP I4号井回灌数据
2001年3月至2007年6月
     克莱彼达地热工厂的调查证明，重新实现回灌必须采用弱酸化处理方法。然而，要长期保持回灌效果，就必须搞清回灌水平下降的原因，采取适当的解决办法。要从基础准备工作做起，例如，采集井下样品，化验微生物和水质（液体和气体），地面装置安装氧气测量以检查是否漏气，地质物理检查是否造成含水层粘土结构发生变化引起堵塞，设备的评估、咨询、检查，收集地热井数据以确定过滤器空隙大小，分析可能造成腐蚀的原因（如使用不合适的套管），等等。
从上述调查可以看到，要使地热井具有良好的回灌效果，必须采用一定的技术方法。
     6、结论
     将地热水回灌到可渗透的热储中从技术上分析是可行的，但是，为了选择和评估回灌地点，必须研究分析地质状况、地热水参数，设计钻井方案和地面循环系统，还要进行整个地热工厂的经济可行性分析。
      研究表明，在德国柏林、瓦伦、新勃兰登堡、新格莱维地热工厂的实践可以供欧洲其他类似地质条件地区借用。