地熱回灌

地熱回灌是一種避免地熱廢水直接排放引起的熱污染和化學污染的措施, 並對維持熱儲壓力, 保證地熱田的開採技術條件具有重要的作用。目前回灌已經成為世界範圍內數十個重要的地熱田生產運行中的一項日常工作, 在美國、紐西蘭、冰島、義大利、法國、日本、羅馬尼亞、丹麥、菲律賓和薩爾瓦多等十多個國家得到了廣泛的套用。在國內, 北京、天津的地熱回灌也已經有了良好的開端。回灌是地熱田管理中最為複雜的一項技術, 為了避免因回灌而引起熱儲冷卻, 需要進行回灌試驗和示蹤試驗, 並在回灌過程進行全面的監測工作。

基本介紹

• 中文名：地熱回灌
• 外文名：geothermal reinjection
• 領域：能源
• 學科：新能源
• 類型：地熱
• 缺點：堵塞

簡介

目前北京市最重要的城區地熱田和小湯山地熱田的水位每年下降1.5～2m ;天津市基岩熱儲的水位每年下降6-9m;西安市熱儲水位一般每年下降10m,在開採量最大的部位可達20m。地熱回灌就是把地熱廢水、常溫地下水、地表水甚至污水灌入熱儲中, 其目的有以下幾個方面:

(1)處理地熱廢水　地熱廢水的溫度一般高於環境溫度, 其中通常含有較高的鹽份, 其中有些化學組分是有毒有害的, 地熱廢水的直接排放可能對環境造成熱污染和化學污染。

(2)改善或恢復熱儲的產熱能力　地熱田中的地熱能一部分儲存在其中的熱流體中, 而絕大部分儲存在岩石骨架中, 通過把溫度較低的水注入熱儲中, 經過加熱後再抽取出來, 就可能提高地熱資源的利用效率。

(3)保持熱儲的流體壓力, 維持地熱田的開採條件 一般來說, 地熱的開採會導致熱儲壓力降低, 如果開採量過大, 使補給和開採失去平衡時, 熱儲壓力會持續降低, 使地熱田的生產能力降低, 甚至喪失生產能力和引起地面沉降。回灌對於維持或恢復熱儲壓力, 穩定地熱田的開採條件, 預防地面沉降具有重要作用。在最早的回灌工程中, 其目的主要是處理地熱廢水, 但是後兩個方面的目的在近年來已經受到了日益重視。

國際發展現狀

1969 年, 在美國加州Geysers地熱田的回灌項目揭開了地熱回灌的序幕。同年, 法國也在巴黎盆地的中、低溫地熱田開展了地熱回灌。隨後薩爾瓦多的Ahuachapan地熱田也於1970年開展了回灌。目前, 這項技術在美國、紐西蘭、冰島、義大利、法國、日本、羅馬尼亞、菲律賓、埃賽俄比亞、丹麥[、哥斯大黎加、肯亞、克羅地亞、墨西哥、薩爾瓦多亞、俄羅斯等國家得到了不同程度的套用, 無論是在用於發電, 還是在直接利用的地熱田都取得了一定的效果。

美國的Geysers 地熱田是最有代表性的高溫地熱回灌實例。該地熱田位於陡峻的山地, 是世界著名的熱汽田。由於長期開採, 熱儲壓力從34巴下降到了13巴, 使地熱田的產汽量和電站的發電能力嚴重下降。1969年在該地熱田開展了世界上第一個地熱回灌項目,把發電之後冷凝的地熱流體回灌入熱儲中,以避免熱流體在地表排放而引起的熱污染和化學污染,克服熱儲壓力的降低, 維持地熱田的生產能力。但是,即使將開採的所有地熱流體均回灌到熱儲中, 仍然不能完全克服熱儲壓力的降低。這樣, 就考慮採用其它水源進行回灌。從1980年開始使用地表水進行回灌。

在1997年, 地熱田投資4500萬美元用於回灌處理後的污水和湖水的試驗。利用長46.7km直徑50.8cm的管線將加州幾個社區處理後的污水和湖水輸送到6個地熱電站進行回灌, 使回灌量達到約400l s。這一項目是世界上第一個利用污水回灌增加地熱田發電能力的系統, 大大提高了電站的發電能力。1999年初電站的發電能力比1998年初增加了9MWe。而在這一工程實施之前電站發電能力每年下降25～30MWe 。從1996～1998年, 在Geysers 地熱田共施工了20眼地熱井, 其中13眼為生產井, 7眼為回灌井。二期工程的規劃正在進行之中。另外,還計畫將Santa Rosa市處理後的污水通過一條66km的管線輸送到Geysers地熱田。項目預計投資額為1.63×108 美元, 計畫2002年前後投產。通過這兩個回灌項目, 預期可使Geysers 地熱田實現可持續生產, 並為城市污水處理開闢了新的途徑。

而法國是低溫地熱回灌最為突出的代表。法國的地熱以中、低溫資源為主, 主要分布在巴黎盆地和Aquitaine 盆地, 大都用於冬季採暖。由於法國的地熱流體含鹽量較高, 採暖之後的地熱流體需要回灌到熱儲中去。據Laplace et al, 1969 年在巴黎附近的Melunl' Almont 建立了世界上第一個“對井”系統, 為3000間房屋供暖。其中一眼井從2000m 深的熱儲中開採地熱流體, 另一眼井將採暖後的地熱流體回灌到熱儲中去。1995 年又建成了一眼新的地熱井, 開始嘗試“三井”系統, 其中兩眼井生產, 一眼井回灌, 使供暖系統服務的房屋增加到了5200 間。這一地熱供暖系統至今仍在運行著。由於這一供暖系統的帶動和上世紀80年代初石油危機的刺激, 法國的巴黎盆地、Aquitaine盆地及其它地區在1980 ～ 1986 年建成了74個這樣的地熱供暖系統。從1986年到1990年, 隨著石油危機的結束, 法國的地熱經歷了一次衰退。但是, 現在仍然有61個地熱供暖系統正在運行, 其中41個在巴黎盆地,15個在Aquitaine盆地, 還有5個在其它地區。這些地熱供暖系統服務的房屋約200,000間。

國內發展現狀

中國最早的地熱回灌為1982 初在北京城區地熱田東南部進行的回灌試驗。當時, 北京城區地熱田內已經有地熱井40眼,年地熱水開採量已超過30×104m3 a , 熱儲壓力逐年下降。為了充分利用地熱資源, 研究地熱回灌的效果, 利用一眼深1274.65m的地熱井回灌40℃的地熱採暖尾水。目前,天津市的地熱回灌已經具有一定的規模,北京地區又開始了最新的地熱回灌, 西安市正在計畫開展地熱回灌。雖然地熱回灌在全國範圍的發展程度還比較低, 但地熱回灌的作用和意義已經得到了廣泛的認識和關注。

天津地區有兩種熱儲, 即第三系砂岩和中上元古界薊縣系白雲岩。近年來, 天津市開展了一系列地熱回灌的試驗和研究工作。砂岩熱儲的回灌因為比較嚴重堵塞, 存在一定技術上的困難。但從1996 年開始立項進行的天津市薊縣系熱儲地熱回灌研究取得了明顯的效果。到2001 年底, 天津市薊縣系熱儲有地熱開採井196 眼, 年開採量為120 ×105m3 a , 回灌井12 眼, 年回灌量166 ×104m3 a 。每眼回灌井一般和一眼開採井組成一個開採-回灌的“對井” 。這些對井系統一般為定向井, 開採-回灌井間的地表距離一般很小, 但開採井段和回灌井段的距離在200m 以上。從試驗結果看, 在天津地區的薊縣系熱儲開展地熱回灌是可行的,對保持熱儲壓力, 提高地熱資源的利用效率具有一定作用。從另一方面看, 目前的回灌量或回灌率仍然太低, 雖然回灌量已達到了開採量的約14 %, 但天津市薊縣系熱儲的壓力水頭仍在以每年6～9m的速度下降。

自從上世紀80 年代初北京城區地熱田的試驗之後, 北京地區的地熱回灌未得以繼續下去。近幾年, 地熱回灌又被列為北京地區地熱研究和管理的一項重要工作。北京城區地熱田和小湯山地熱田是北京地區最為重要的兩個地熱田。在1985 年以前, 兩地熱田的開採量不斷增大, 水位也隨著大幅度下降。此後, 雖然開採量基本保持穩定, 但地熱田的水位仍在以1.5 -2m a的速度下降。因此在這兩個地熱田開展地熱回灌是非常必要的。從2001年冬季開始, 在小湯山地熱田開展了回灌試驗, 把35℃～40℃的採暖尾水通過距開採井約200m 的回灌井進行回灌, 經過一個採暖期的試驗未發現任何問題, 初步肯定了回灌的可行性。

天安門以南約5km的郭莊北里小區屬於北京城區地熱田的東南部, 在2001～2002年採暖期也進行了地熱回灌試驗。目前, 在北京城區地熱田的北京工業大學也在進行地熱回灌試驗, 在小湯山地熱田的地熱回灌正在擴大規模。

城區北部的奧運公園地區具有一定的地熱潛力。但是根據區域地質情況和周圍地熱井資料分析, 這一地區地熱水的補給很少, 甚至處於一個封閉的地熱系統中。這樣, 地熱開採必將導致熱儲壓力的明顯下降, 地熱回灌就成為熱儲管理的一個必不可少的手段。規劃在奧運公園地區將開鑿10眼地熱井(2眼即將開工), 其中3～4眼用於回灌。

存在重要問題

把溫度較低的水灌入熱儲中是一項非常複雜的技術。如果回灌井的位置不當可能引起熱儲的冷卻, 降低開採井的出水溫度或產汽量;如果採用的回灌工藝存在問題, 回灌井的回灌能力可能逐漸降低, 甚至最後喪失回灌能力。為了研究回灌的效果, 需要進行示蹤試驗, 並對地熱田進行全面的監測。

回灌和示蹤試驗

把水灌入熱儲中會改變熱儲的狀態, 有時影響範圍可以達到很大的距離。回灌的影響從回灌點開始以不同的形式向外擴展, 最主要的是壓力傳導、流體的機械運動和熱傳導。正確理解三者的機理和關係對回灌工程的設計是非常重要的。在三者之中, 壓力傳導界面的運動是最快的, 因為它是流體分子能量的傳遞, 其影響可能幾天、幾小時甚至幾分鐘就能到達開採井。化學界面的運移慢於壓力傳導, 因為它是回灌的物質分子的實際運移, 一般需要幾星期或幾天才能到達開採井。溫度界面的運移是最慢的, 因為回灌水在其運移過程中會被逐漸加熱。

在回灌工程設計中, 非常重要的一點就是避免由於回灌水過快地到達開採井,從而引起開採井溫度的降低。反之, 如果回灌井距離開採井或地熱田開採區過遠, 又不能起到保持熱儲壓力, 穩定地熱田生產能力的作用。地熱回灌是高度依賴場地的, 也就是說每個回灌工程之間會因為開採井和回灌井之間的地質條件不同而存在差異, 甚至存在很大的差異。因此, 在生產性回灌之前必須進行回灌試驗, 並在回灌試驗的過程中進行示蹤試驗, 以研究回灌水在熱儲中運移的規律,研究回灌對於穩定熱儲壓力和改善地熱田生產技術條件方面的作用, 研究合理的回灌量和運行方式。

預測溫度界面的運移速度在回灌工程設計中的重要性是可想而知的。但是, 在不掌握回灌水運移路徑的性質之前, 是很難對此進行計算的。因此, 經常根據示蹤試驗成果來預測回灌引起開採井冷卻的可能性。

我們把回灌水中化學組分(示蹤劑)從回灌點運移到開採井稱為“示蹤劑突破(tracer breakthrough)”, 所用的時間稱為“示蹤劑突破時間” ;把由於回灌引起開採井溫度降低稱為“熱突破(thermal breakthrough)”, 所需時間稱為“熱突破時間”。首先, 示蹤劑突破是熱突破的前奏, 預示著熱突破即將到來。通過示蹤試驗還可以推斷熱儲的性質和求取預測熱突破時間的一些必要參數, 比如裂隙的寬度和高度, 進而計算熱突破時間。為慎重起見, 儘可能避免回灌井和開採井距離過近, 可首先考慮把回灌井布置在地熱田邊緣, 這樣因回灌而導致地熱田冷卻的可能性將會大大降低。但是,在回灌井位置已經確定時, 就要研究合理的回灌量, 以避免“過快熱突破(premature thermal breakthrough)”。

堵塞問題

在地熱回灌中, 經常由於堵塞而使井的回灌能力降低。堵塞的原因包括物理的和化學的。物理堵塞主要是由於水中含有的懸浮物顆粒, 在回灌壓力的作用下附著在回灌井壁上或進入熱儲的裂隙中而影響回灌能力。此外, 回灌水中的氣泡也可能影響回灌的速度。

為了避免或減輕物理堵塞, 可以用過濾的方法去除水中的懸浮物, 然後再進行回灌。當回灌井的水位低於地表時, 應在回灌井中安裝回灌管, 使回灌水通過回灌管直接到達井水位以下, 以避免回灌水在井筒中自由下落過程中混入氣泡, 從而影響井的回灌能力。化學堵塞是由於物理化學狀態的改變或回灌水與地熱水之間的化學反應而產生沉澱(主要為二氧化矽或碳酸鈣等), 從而降低井的回灌能力。在高溫地熱田, 發電後的地熱水的化學組分濃度增加, 溫度和壓力降低, 可能形成過飽和溶液, 產生沉澱析出。空氣的作用也可能加速沉澱作用。因此, 在設計回灌系統時, 應研究合理的回灌水溫度和工作壓力, 儘可能避免產生化學沉澱而影響井的回灌能力。還應注意保證系統的密閉性,儘量避免回灌水和空氣接觸。在可能產生沉澱的化學組分含量較高時, 可以通過調節回灌水的pH值避免化學沉澱的產生。

回灌效果的監測和研究

為了掌握回灌的效果, 及時發現回灌引起的不利影響, 應該對開展回灌的地熱田進行更為嚴格的監測。對於回灌井, 需要觀測回灌的水量、水溫、井口壓力(水位)和水質。對於開採井, 觀測項目包括開採量、出水溫度、壓力(水位)和出水的水質, 還要監測示蹤劑的濃度。此外, 還應對周圍的地熱井進行監測, 除了正常的水量、水溫、壓力和水質監測外, 也應採取一些水樣監測示蹤劑的濃度。當回灌停止或暫停時, 應以一定的時間間隔測量回灌井和開採井內的溫度剖面, 以觀測回灌井停灌後的升溫情況和開採井中可能的冷卻。

根據監測數據可以發現回灌的短期效果, 要研究回灌的長期效果就需要建立適當的模型。一種較為簡單適用的模型就是根據示蹤試驗得到的參數, 求取解析解。對於複雜的情況, 需要建立數值模型。

總結

套用回灌技術作為地熱田管理的一種手段是非常有效的, 將會得到日益廣泛的套用, 無論是在高溫地熱系統, 還是低溫地熱系統。地熱回灌是一項非常複雜的技術, 在大規模回灌之前需要進行回灌試驗。示蹤試驗是回灌試驗中非常重要的一種手段, 對於研究回灌引起地熱田冷卻的可能性具有重要的意義。反之,通過回灌和示蹤試驗又能夠改善對地熱田的認識, 促進地熱田的熱儲工程研究。