孔隙型熱儲回灌衰減原因分析

孔隙型熱儲回灌衰減原因分析

作為一個(gè)開發(fā)深層地?zé)豳Y源的唯一手段，熱流元件受到潛水泵的施工和經(jīng)濟(jì)限制。當(dāng)水位合并深度小于一定深度時(shí)，采礦熱沒有經(jīng)濟(jì)意義。此時(shí)，所使用的熱量僅占熱儲層總熱儲量的一定比例。人工回灌就是解決地下水位下降過快、提高地?zé)豳Y源利用率的有效方法之一。通過回灌水在地層中的再加熱,使蘊(yùn)藏在巖石骨架中的熱量帶出來得以循環(huán)利用。天津從80年代初開始了不同熱儲類型、不同方式和目的的回灌研究。至2005年底,共有回灌對井27對,年回灌量177.6×104m3;若以平均回灌水溫45℃、基準(zhǔn)溫度13.5℃計(jì),相當(dāng)于節(jié)能5.59×1010kcal,折合標(biāo)準(zhǔn)煤7992t,而此回灌量還不及當(dāng)年開采量2563.5×104m3的1/14;但回灌量衰減、尤其是孔隙型熱儲層由各種原因引起的堵塞問題一直是阻礙回灌工作快速發(fā)展的重要因素。本文以天津的回灌試驗(yàn)為基礎(chǔ),初步探討了引起回灌量衰減的主要因素及其可能的解決辦法。1層的熱儲存特性和回灌模式1.1基巖地?zé)醿咏Y(jié)構(gòu)天津地區(qū)的地?zé)豳Y源主要分布在寶坻斷裂以南的廣大平原區(qū)(圖1),自上而下主要分布有5個(gè)熱儲層:新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組2個(gè)孔隙型熱儲層;古生界奧陶系和寒武系、中元古界薊縣系霧迷山組3個(gè)基巖裂隙型熱儲層。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及沉積環(huán)境的影響,拗陷區(qū)的基巖頂板埋深普遍大于5000m,所以全部的基巖地?zé)峋挥跍婵h隆起區(qū)。館陶組在滄縣隆起區(qū)只有小范圍分布,集中開采區(qū)位于冀中坳陷的武清城區(qū)和黃驊坳陷的塘沽區(qū)、大港區(qū),明化鎮(zhèn)組地?zé)峋趶V大平原區(qū)均有分布。1.2基巖裂隙型熱儲層回灌效果影響因素分析天津地區(qū)二十多年的地?zé)峄毓鄬?shí)踐表明:熱儲層的巖性特征(孔隙或裂隙)及孔(裂)隙率、水化學(xué)成份(表1)是影響回灌效果的主要因素?？偟膩碚f,基巖裂隙型熱儲層回灌易于孔隙型熱儲層、滲透度大的熱儲層易于滲透率小的;對于孔隙型熱儲來說,粒徑粗的熱儲層易于粒徑細(xì)的。1.3原水同層回灌的原則天津地區(qū)的回灌模式主要有:同層一采一灌、二采一灌和異層一采一灌。不同水質(zhì)相遇引起的化學(xué)反應(yīng)及生成的沉淀物往往難以預(yù)測,所以進(jìn)行地?zé)峄毓鄷r(shí)應(yīng)遵循原水同層回灌的原則;必須采取異層回灌的,開采層的水質(zhì)應(yīng)好于回灌層,以防止回灌水質(zhì)對良好熱流體造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。2熱態(tài)液體處理2.1基巖水的流變學(xué)特征天津地區(qū)除個(gè)別礦化度較高的奧陶系熱流體的陽離子以Ca2+、Mg2+為主外,所有熱儲層的地?zé)崃黧w的陽離子均以Na+為主。陰離子的變化較陽離子復(fù)雜,基巖裂隙水以Cl-、SO-4為主;孔隙水受分布地區(qū)及賦存深度的影響顯著:埋藏較淺的明化鎮(zhèn)組以HCO-3為主,埋藏較深的館陶組以HCO-3或Cl、HCO-3為主(圖2-a)。此外,裂隙水與孔隙水的異同還表現(xiàn)在:①地?zé)崃黧w有著相似的Cl/Na比,但孔隙水所受的淋濾程度強(qiáng)于裂隙水(圖2-b);②反映水巖相互作用的log(Na/K)-溫度圖(圖2-c)及Na/K-深度圖(圖2-d)顯示:孔隙熱水的log(Na/K)與溫度(或Na/K與深度)高度相關(guān),說明其流體中的K+、Na+與圍巖沒有達(dá)到平衡,而裂隙水的Na+、K+與圍巖達(dá)到了相對的平衡狀態(tài)。一般來說,天津地區(qū)的孔隙水水質(zhì)較好,沒有腐蝕性;基巖水多具中等腐蝕性。對回灌水質(zhì)影響較大的TFe離子含量:孔隙水多在0.2~0.6mg/L之間,最高可達(dá)4.4mg/L,裂隙水多在0.4~2mg/L之間,水質(zhì)普遍較差的奧陶系熱水最高可達(dá)12.8mg/L。2.2在熱流中產(chǎn)生的氣體天津地區(qū)地?zé)崃黧w中所含氣體成份:孔隙水中以N2為主,基巖裂隙水以CO2為主(圖3)。3封鎖恢復(fù)的原因參考一些國內(nèi)外專家對不同熱田的40個(gè)回灌事例進(jìn)行調(diào)查考證的有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),有80%的回灌井出現(xiàn)了堵塞,堵塞原因極其復(fù)雜(表2)。3.1濾出物的檢測結(jié)果地?zé)崃黧w中的懸浮物是引起回灌系統(tǒng)堵塞的一個(gè)重要因素。2005年天津地?zé)嵩号c佛羅倫薩大學(xué)地球科學(xué)系實(shí)驗(yàn)室合作,首次對天津地區(qū)的地?zé)崃黧w中的懸浮物顆粒采用0.45μm聚四氟乙烯過濾膜進(jìn)行過濾,并對截留物質(zhì)進(jìn)行SEM分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:某些地?zé)峋畠H過濾了50mL的水量,就在過濾膜上積累了較多的顆粒物。新近系孔隙水9個(gè)樣品中6個(gè)有濾出物,占67%;基巖裂隙水18個(gè)樣品中16個(gè)有濾出物,占89%。檢測出的成份有:斜長石、石英、鉀長石、Mg和Fe的硅酸鹽、Fe(或Zn、Cu、Hg)的硫化物或氧化物、NaCl、CaCO3等等。根據(jù)濾出量的多少分為高、中、低、無四檔含量,濾出物含量為高檔時(shí),成份以Zn、Fe的硫化物、NaCl和斜長石為主;中檔時(shí)以Fe的硫化物、NaCl、斜長石為主;低檔時(shí)以Fe的硫化物、CaCO3、NaCl、石英為主。值得注意的是:從高檔向低檔,濾出物的檢出成份逐漸復(fù)雜,從低檔向高檔,濾出物則向某幾種成份集中。此外,還對處理回灌水的過濾棒的截留物進(jìn)行了分析,表3是館陶組開采井DL24的循環(huán)尾水回注到回灌井DL25前被過濾棒截留的固體成份分析結(jié)果。由分析數(shù)據(jù)可知,Zn、Fe的化合物是造成懸浮物堵塞的主要原因,根據(jù)濾膜截留物分析,應(yīng)為FeS、ZnS。而根據(jù)水質(zhì)全分析報(bào)告,Fe、Zn2+含量一般為0.02~2mg/L,僅占主要陽離子Na+、Ca2總量的萬分之幾,所以對回灌水進(jìn)行除Fe、除Zn就可以有效地防止懸浮物的阻塞。3.2天津地?zé)崃黧w中礦物的性質(zhì)應(yīng)用PHREEQC-2.11模擬軟件對礦物的飽和指數(shù)SI進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明:天津地?zé)崃黧w中的大部分礦物(如CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2、CaF2、Ca5(PO4)3F、SiO2)都處于飽和狀態(tài);Fe、Zn礦物多處于超飽和狀態(tài)。因此,在熱流體的賦存環(huán)境發(fā)生變化時(shí),可產(chǎn)生一系列的化學(xué)沉淀而引起堵塞。3.2.1+4+2hco地?zé)崃黧w自地下深處向上運(yùn)移時(shí)壓力快速減小,HCO-3含量較高的流體會(huì)釋放一定量的CO2氣體,從而產(chǎn)生Ca(Mg)CO3沉淀:Ca2+(Mg2+)+2HCO-3=Ca(Mg)CO3+H2O+CO2↑如位于寶坻區(qū)的地震觀測孔(王4:寒武系,孔深2712m)),自1978年成井一直自流,在井口周圍產(chǎn)生了大量的鈣華。地?zé)崃黧w在熱量被利用后回灌到熱儲層前,為預(yù)防氣堵都采取放氣措施,致使部分CO2氣體逸出而生成Ca(Mg)CO3沉淀。大部分沉積在管道循環(huán)末端和接頭處(如寶坻的某些井),還有部分可沉積在濾水管附近,雖然這部分量較小,但長期運(yùn)行可產(chǎn)生一定程度的堵塞。3.2.2石英在熱流體中的溶解度石英飽和主要是因?yàn)榭扇芙庑許iO2在溫度達(dá)到250℃之前,其在熱流體中的溶解度與溫度呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,所以任何形式的傳導(dǎo)性、對流性或者混合降溫過程都可能導(dǎo)致石英的沉淀,但其沉淀速度較慢。3.2.3熱土流體懸浮物根據(jù)佛羅倫薩大學(xué)的分析結(jié)果:Fe、Zn化合物的SI多大于5,其中Fe(OH)2的SI=2~6,FeS2、Fe3O4、Fe2O3多為SI>10,最大的Fe3O4的SI=21.3;ZnSiO3、Zn2SiO4的SI=2~7(僅FeS的SI=-1~-3.5,處于非飽和狀態(tài))。但根據(jù)地球化學(xué)原理,反應(yīng)性礦物不可能在地下水中長期保持未飽和狀態(tài):當(dāng)SI<0時(shí),若含水層中存在該礦物時(shí),它就不是一種反應(yīng)性礦物;或如果某種礦物的SI顯著地大于0,則該礦物可能為非反應(yīng)性礦物。所以認(rèn)為這些礦物在地?zé)崃黧w中主要以懸浮物的狀態(tài)存在(見3.1);或被地?zé)崃黧w腐蝕的成井套管、潛水泵管、鍍鋅管的Fe、Zn進(jìn)入流體中引起的過飽和。懸浮物的大部分可以被過濾棒截留,但以過飽和離子狀態(tài)存在的Fe、Zn(尤其是不穩(wěn)定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以緩慢地形成穩(wěn)定的化合物而逐漸沉淀下來,有一部分堵塞于濾水管或細(xì)小的孔裂隙中。實(shí)際上,懸浮物堵塞與化學(xué)堵塞存在著交差、重疊部分,某一方面的解決,也可能使另一問題迎刃而解。對這些問題提出理論上的合理解釋,有助于優(yōu)化解決回灌中出現(xiàn)的不同原因的堵塞問題。3.3水層含水層導(dǎo)水性存在于回灌水中或地表的微生物可能在適宜的條件下在注水井周圍迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介質(zhì)孔隙,降低含水層的導(dǎo)水能力。天津地區(qū)有些基巖回灌水中如華馨公寓、中山門等同層采灌對井中均發(fā)現(xiàn)存在硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌,致使回灌效果受到一定影響。3.4回灌阻塞的測定氣體、粘粒膨脹和擴(kuò)散、含水層細(xì)顆粒重組等引起的回灌阻塞也比較普遍,但其所占比重較小,所以天津在這方面研究的程度較低。隨著回灌技術(shù)和理論研究水平的不斷提高,這方面的研究也將逐漸加強(qiáng)。4解決回水壓的問題因?yàn)榈責(zé)峄毓嗔黧w中的固體懸浮顆粒、化學(xué)沉淀、微生物等是產(chǎn)生堵塞的主要原因,所以保證回灌水的質(zhì)量、減少懸浮物、避免形成微生物是解決堵塞的關(guān)鍵。4.1熱儲層水質(zhì)要求參照油田注水水質(zhì)要求:注入水的懸浮固體含量<7.0mg/L,硫酸鹽還原菌(SRB)<10個(gè)/mL,鐵細(xì)菌<n×104個(gè)/mL,腐生菌<n×104個(gè)/mL,溶解氧<0.5mg/L,侵蝕性CO2<1.0mg/L,pH值控制在7±0.5為宜,且不含亞鐵離子。地?zé)峄毓鄬λ|(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)于油田注水要求,一般要求原水回灌,而且水質(zhì)要求也因熱儲層性質(zhì)而異?？紫缎蜔醿拥目紫堵孰m然遠(yuǎn)大于基巖裂隙率,但其孔隙直徑卻比裂隙小,回流的懸浮物和化學(xué)沉淀更易聚集堵塞含水層,所以對水質(zhì)提出了較嚴(yán)格的要求。一般要求回灌水質(zhì)的鐵離子含量<0.2mg/L,雷茲納指數(shù)>7.0,pH>8.0,若地?zé)崴泻腥芙庋?尚應(yīng)根據(jù)溶解氧的成分和含量對回灌水質(zhì)提出相應(yīng)要求。天津基巖裂隙型熱儲層都是碳酸鹽巖,除上述要求外,還要限制PO3?443-的含量,防止磷酸鈣堵塞裂隙。4.2確保水質(zhì)安全的具體措施4.2.1循環(huán)水系統(tǒng)材質(zhì)水質(zhì)較好、氯離子含量低的地?zé)崴刹捎幂^為經(jīng)濟(jì)、簡單的直接供暖方式,但由于地?zé)崴c供熱循環(huán)管網(wǎng)的金屬設(shè)備長期直接接觸,因此對其水質(zhì)要求非常高,一旦系統(tǒng)漏氣或管道材質(zhì)低劣,極易造成氧化、腐蝕,使循環(huán)水水質(zhì)發(fā)生較大變化,這種直接供熱的尾水不宜作為回灌水源。對井系統(tǒng)一般要采用間供方式,換熱后地?zé)崴淖兓饕菧囟鹊慕档筒糠謿怏w的逸出,其它化學(xué)成份受影響較小,基本能做到“原水”回灌。4.2.2管道開口狀態(tài)由長期的對井系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果提出警示:如果回灌運(yùn)行時(shí)采用直供鋼制管道,當(dāng)?shù)責(zé)崴鹘?jīng)鐵制管道和終端設(shè)備后,排放口處尾水中鐵離子的含量要大大高于地?zé)嵘a(chǎn)井出口處的含鐵量,并發(fā)現(xiàn)鐵食菌,當(dāng)工作系統(tǒng)處于開口狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)腐蝕是較嚴(yán)重的。因此為有效防止腐蝕和物理、生物堵塞,在回灌輸水管道的材料上,應(yīng)首選非金屬管材(玻璃鋼管材或PP-R管材)。4.2.3精、粗兩級過濾系統(tǒng)實(shí)踐證明,對回灌水進(jìn)行過濾是有效減少懸浮物堵塞的措施之一。目前在天津的基巖回灌工藝中一般要求采用濾徑為50μm的粗過濾系統(tǒng),此種過濾裝置能有效將管道及系統(tǒng)殘留的相對直徑較大的顆粒過濾;而在孔隙型回灌井中則要求同時(shí)安裝精、粗兩級過濾系統(tǒng),精過濾器的濾徑為3~5μm,可濾掉大部分懸浮顆粒,有效地減少物理堵塞;此外還可以濾掉部分微生物。4.2.4自動(dòng)排氣閥一般安裝在回灌井口和加壓泵之后,用來排除回灌水中的多余氣體,但須注意兩點(diǎn):其一在罐體頂部要設(shè)置自動(dòng)排氣閥,當(dāng)氣體聚集到一定程度時(shí),可以及時(shí)釋放到罐體外,以保證安全;其二注意如果地?zé)崴泻瑲怏w容量較高時(shí),要采用風(fēng)道方式將已釋放出的氣體排出設(shè)備間,以防中毒和引發(fā)火災(zāi)。4.2.5井管沒有空氣氣體空氣氣體利用自動(dòng)控制的充氣裝置,將回灌井液面之上的井管充滿惰性氣體(如氮?dú)?,以阻止空氣中的氧氣滲入到回灌井內(nèi),這樣既能防止產(chǎn)生井管腐蝕,又能避免由于氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化物沉淀。4.2.6除砂器、回灌4.為了保證地?zé)崃黧w中裹攜的巖屑微粒尤其是孔隙型地層(因?yàn)閹r性松散,細(xì)小的砂粒容易隨水流被吸出)的砂巖顆粒不被傳輸?shù)交毓嗑?生產(chǎn)井口處要求安裝除砂器、回灌井口設(shè)置除污器,以減小過濾器的工作負(fù)擔(dān)。在天津的對井井口一般都安有這種裝置,效果較好。4.2.7機(jī)械、化學(xué)的方法具體情況,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和回灌水質(zhì)具體分析可能的堵塞原因,并制定相應(yīng)的對策。運(yùn)行中,視可能的堵塞原因運(yùn)用機(jī)械的或是化學(xué)的辦法,對回灌井進(jìn)行周期性的再生處理是保持其回灌能力的基本要求。其中可采用機(jī)械的方法解決,如反抽、射入高壓空氣或水以及分段沖洗;化學(xué)的方法包括加酸、加藥殺菌以及加入氧化劑等。許多實(shí)例表明,如果回灌井得到良好的維護(hù),回灌工程即能發(fā)揮很好的效益。5回灌和回灌之間的問題(1)目前出現(xiàn)在天津地區(qū)某些(主要是孔隙型)回灌系統(tǒng)中的堵塞問題是極其復(fù)雜的: