地热井砂岩热储回灌现状及技术难点浅析

苏英华  ,赵保增

中国核电工程有限公司河北分公司   河北石家庄   050000

摘要：我国水热型地热资源储量巨大，主要用于地热井供暖，对其开发利用可以助推清洁供暖。目前，我国的地热井砂岩热储回灌处于项目实施阶段，通过对地热井砂岩热储回灌技术现状梳理，调研地热井供暖项目，进行技术难点分析，得出目前技术难以实现持续回灌，突破方向在提高经济过滤精度或探索新的回灌工艺。

关键词  地热井；砂岩热储；回灌

引言

地热能是蕴藏在地球内部的热能，是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源，具有供能持续稳定、高效循环利用、可再生的特点，可减少温室气体排放，改善生态环境，可助力双碳目标的实现。地热资源按温度、赋存状态可以分为浅层地热、水热型地热和干热岩地热资源[2]。据自然资源部中国地质调查局2015年调查评价结果，全国水热型地热资源量折合1.25万亿吨标准煤，年可开采资源量折合19亿吨标准煤，资源潜力巨大。

地热能开发具有不受天气、昼夜等自然条件变化制约，零污染零排放的优势，广泛用于发电和供暖领域。地热井供暖是目前水热型地热直接利用的主要形式，是清洁供暖的一种方式。我国地热井供暖区域地质主要为砂岩热储，具有孔隙小、水质差和易发生堵塞的特点，存在回灌量逐年降低和难以回灌的难点。

1  地热井砂岩热储回灌

地热井供暖系统通过抽取地热水，先进入旋流除砂器，去除大颗粒泥沙、铁锈块等机械性杂质，再进入换热器进行换热，换热后的地热尾水经过粗过滤器、精过滤器，进一步除掉尾水中悬浮物和胶体等杂质。此时出水基本达到回灌水的指标要求。然后进入排气罐，除掉地热尾水中空气和气泡，脱气后的地热尾水经过回灌泵送至地下回灌层。如图1所示。

图1地热水回灌示意图

2  地热井砂岩热储回灌现状

2.1 地热井砂岩热储回灌现状

近年来政府部门加大了地热井的管理力度，对不能满足回灌要求的地热井实施关停，使得地热井供暖项目难以快速发展。

目前地热井砂岩热储回灌面临的主要问题是回灌能力下降，具体原因及应对措施见表1。

表1 地热尾水回灌存在问题及应对措施

存在问题	原因	占比	应对措施
回灌能力下降	悬浮物堵塞	（40%）	加装过滤器，控制回灌水中悬浮固体物的含量。
	气泡堵塞	（10%）	在回灌井口水系统的最高点设置集气罐，集气罐上设置自动排气装置。
	化学沉淀堵塞	（10%）	注入CaCl2等盐。
	微生物的生长	（15%）	去除水中的有机物；进行预消毒，杀死微生物。
	含水层细颗粒介质重组	（5%）	很难处理。
	粘粒膨胀	（5%）
	其他	（15%）

为解决地热井砂岩热储回灌存在的问题，提高系统的回灌能力，地热行业的专家和单位在这方面进行了相应的研究：

丁祥认为回扬洗井只能暂时改善含水层气相堵塞，不能解决氧化物微生物堵塞，提出了封闭式等量取水还水技术，通过配置一系列的脱气手段，实现地热尾水的气水分离。中国海洋石油渤海有限公司天津水电热工程技术分公司采用了先进的管式分离膜过滤技术，有效过滤了地热供暖尾水中的微生物、铁锈及其他杂质，达到清洁回灌。北京市地质工程勘察院通过对北京地热回灌井的监测研究，查明地热回灌衰减机理主要有化学成因（H2S、溶解氧、铁）和物理成因（冲刷作用），提出地热回灌衰减的预防措施有隔绝氧气（加压、充氮）和除硫化氢（自制除硫设备）。可以看出，地热井砂岩热储回灌问题依然存在，主要是回灌量偏低，回灌持续时间短，主要原因是井孔周围发生了堵塞。

2.2 地热井砂岩热储回灌技术规范解读

地热水回灌是地热行业研究的热点方向，行业内形成了2本相关的技术规范，其中《地热回灌技术要求》（NB/T10099-2018）规定了地面回灌系统的配置和回灌水的精度要求，通过地面过滤降低回灌堵塞的发生；《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》（DZ/T0330-2019）针对华北地区规定了砂岩热储回灌目的层的选择，对地面回灌系统的配置和过滤设备精度选择提供了参考。

通过解读规范及与规范编制人沟通，《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》的回灌要求涵盖了《地热回灌技术要求》的内容，要求更严格；适用于华北地区的砂岩热储，但还很难解决河北、山西等地关停地热井的回灌问题，对于其他地区的砂岩热储回灌仅作为参考。同时对回灌系统配置要求提高，要求定期回扬，增加了地热井供暖项目的投资和运行成本。可以看出，地热水回灌的技术规范不能完全解决砂岩热储回灌的难题，仍需要进一步研究。

3  地热井砂岩热储回灌技术难点分析

砂岩热储是指埋藏于地下，具有一定的胶结或成岩性，且有一定有效孔隙度或渗透性的多孔介质，其中存储的地热流体可供开发利用。其特点如下：

相互连通的、大量粒间孔隙（25%～35%）既是储集空间，又是连通渠道。

平面上层状展布，分布面广；垂向多层叠加（砂泥比0.8～1.2:1；宁夏盆地上新统1010～1898m，厚888m，砂泥比7:1。）

钻井风险小，温度适宜，利用面广，是开发的主力热储层。

热焓较低，多大流量开采。

地热井砂岩热储回灌难点在减少悬浮物堵塞、气泡堵塞、化学沉淀和微生物生长。考虑砂岩热储的地质特性，需要配置相应的装置来实现地热水的长久回灌，主要的装置有除砂器、过滤器、排气罐、加压泵、流量计，以及其他的装置（气水分离器、电子水处理仪）。

可以看出，砂岩热储回灌系统首要是做到系统密闭，排除氧化物和细菌滋生；其次是提高过滤精度（<5μm），减少物理堵塞；同时还要做到充分脱气，避免气相堵塞。而现有的方法是在回灌系统上优化设计，无法从根本上避免回灌堵塞的发生。

4 建议

地热井砂岩热储回灌主要用于地热井供暖，存在回灌量偏低，回灌持续时间短，技术难点在实现持续有效的回灌。若取得技术突破，将具有一定的发展前景，建议结合已有项目的运行经验，提高经济回灌过滤精度，或探索新的回灌工艺，为清洁供暖贡献地热力量。

结束语

总而言之，通过上文的详细分析和论述，我们可以了解到，因为地下热能资源非常丰富，水只能够成为地热能的基本载体。如果选择一次性的开采地热水，其本身是非常有限的，而回灌就是目前解决地热井水位降低，延长地热田使用寿命的最有效的方式。通过回灌，可以使地热水形成良性的循环，并且在循环的过程中可以将深部的地热能直接带到地表之上，达到地热能的可持续利用。希望本文的研究分析能够对今后的开发与利用起到一定的借鉴作用。

参考文献

[1]安军红.高原地热尾水回灌技术的现状及发展前景浅析[J].中国设备工程,2017(24):137-138.

[2]赵志宏,刘桂宏,谭现锋,张平平.基于等效渗流通道模型的地热尾水回灌理论模型[J].水文地质工程地质,2017(03):158-164.

[3]刘志明，梁继运，刘春雷.地热回灌条件下流体可采量评价方法[J].地下水，2016，38（2）：61-63.