河南新乡地热回灌试验及可行性分析

梁静，郭全成

（新乡市节约用水办公室，河南新乡453000）

河南新乡地热回灌试验及可行性分析

梁静，郭全成

（新乡市节约用水办公室，河南新乡453000）

回灌是解决地热水过度开采引发的一系列问题的有效办法，也是地热开发管理中最重要的手段之一。在对新乡市地热井回灌试验的基础上，从回灌空间、回灌能力和开采量3个方面对回灌的可行性进行分析，探讨了回灌时间、回灌水源、回灌场地和回灌方式等地热回灌的注意事项。

河南新乡；地热井；回灌试验；可行性分析；注意事项

0 引言

地热资源是一种宝贵的清洁能源。积极开发利用地热资源对缓解我国能源资源压力，实现非化石能源目标，促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。但是，由于地热资源形成历史漫长，地热水补给途径远，径流缓慢，再生能力较弱［1］，如果长期大规模开采，不仅会降低热储温度和压力，也会造成资源的严重浪费，并产生环境污染问题，更有可能加剧地面沉降。

新乡市地热田位于安阳汤阴县凹陷沉积盆地埋藏型地热田南部，地热类型以沉积盆地型（传导型）为主，热储类型为层状热储，热源供给主要是大地热流传导及深部热能沿断裂通道对流两种形式。目前，新乡市已有地热井50余眼，井深为900～1 500m，单井出水量为20～60m3／h，年地热水开采量约为90× 104m3，主要用于供暖、洗浴等。随着周边地热开发持续发展，地下水位不断下降。为预防并解决新乡市地热水给本地环境带来的问题，2014年，新乡市节水办和河南省地质矿产勘探局合作，开展了地热井回灌试验。（A3）为试验井。试验井的基本信息如表1所示。

表1 试验地热井基本信息表Tab.1 Test geothermal well basic information

1 地热井回灌试验

1.1 试验目的

地热井回灌试验的目的是了解回灌量与涌水量、回灌水头及渗透系数等参数的关系。

1.2 试验井基本情况

该回灌试验选取向阳路与和平大道交叉口常青藤小区地热井（A1）、振中路师大嘉苑小区地热井（A2）、健康路与解放路交叉口翰林国际小区地热井

1.3 绘制回灌曲线

回灌试验采用同层回灌。回灌水经由水量控制闸阀和计量表回灌入井内。A1回灌井的回灌试验于2014年7月31日8时开始，至2014年8月4日08时结束，总计96 h，回灌量Q为15.2m3／h。A2回灌井的回灌试验于2014年10月13日11时开始，至2014年10月18日07时结束，总计116 h，回灌量Q为30.1m3／h。A3回灌井的回灌试验于2014年11月29日6时开始，至2014年12月3日07时结束，总计97 h，回灌量Q为30.1m3／h。根据3眼地热井的稳定回灌观测资料，绘制回灌曲线如图1～图3所示。

由图1～图3可知，在回灌期间，A1回灌井水头共升高20.41m，回灌量稳定时间在60 h以上；A2回灌井水头共升高49.08m，回灌量稳定时间在40 h以上；A3回灌井水头共升高76.28m，回灌量稳定时间在50 h以上。

1.4 回灌参数计算

地热水回灌是抽水的逆过程。对于同一含水层而言，地热水抽水的理论公式同样适用于地热水回灌［2］。本试验采用公式（1）计算水文地质参数。计算时，取水头近似稳定时段回灌水量平均值代替出水量，用回灌水头近似稳定时段内水头升高平均值代替抽水过程中的水位降深。

图1 A1井回灌曲线Fig.1 A1 well reinjection curve

图2 A2井回灌曲线Fig.2 A2 well reinjection curve

图3 A3井回灌曲线Fig.3 A3 well reinjection curve

式中：K为渗透系数，m／d；H为水头升高，m；Q为抽水井流量，m3／d；R为影响半径，m，取600m；M为含水层厚度，m；r为地热井半径m；

经计算，各回灌井的回灌参数如表2所示。

表2 地热井回灌试验与抽水试验对比表Tab.2 Geotherm al w ell reinjection test and water pum ping test com parison

从表2可以看出，渗透系数与单位回灌量呈正相关关系，渗透系数越大，则相应单位回灌量越大。采用稳定流计算公式计算的回灌渗透系数为0.283～0.482m／d，抽水渗透系数为0.47～1.2m／d，前者是后者的40%～60%。于是，对于单井回灌来说，长时间回灌将导致井温下降，用水水温得不到保障。因此，单井回灌运行基本不可取。

1.5 回灌量、单位回灌量与水头升高关系

回灌井回灌水量与水头升高关系曲线如图4所示，单位回灌量与水头升高关系曲线如图5所示。

由图4可知，回灌水量与水头升高呈正相关性，大致符合指数函数关系。但是，随着回灌量的增大，水头升高幅度要大大快于回灌量增大幅度。

由图5可知，回灌井单位回灌量与水头升高呈负相关关系，变化趋势大致呈对数函数类型。

1.6 热储温度场变化分析

图4 回灌水量与水头升高关系曲线图Fig.4 Reinjection water quantity and waterhead elevate relation s

图5 单位回灌量与水头升高关系图Fig.5 Unit reinjection quantity and waterhead elevate relation

回灌对原热储含水层热水温度的影响主要取决于水源水与回灌热储层中热水之间温度差的大小。同时，还与回灌量及回灌过程间隔时间长短有关。温度差大，回灌量大，回灌过程连续或间断时间短，回灌水对热储层水温度影响就大，影响时间也长；反之，对热储中热水温度影响也就小，影响持续时间也短。

由于试验井附近没有可供监测热储温度的观测井，因此，不能从平面上具体掌握回灌水对热储水温度影响范围和影响程度究竟有多大。理论上，随着回灌的进行，水源水与热储含水层水交界面向外逐步推移，靠近回灌井处，热储中水温与水源水温度接近，向远处，则与原热储水温度相仿。因此，以回灌井为中心，向外影响程度越来越小。具体到本次回灌试验，A1、A2、A3回灌井出水口温度分别为64℃、40℃和42.7℃。回灌量相对于庞大的地下热水储量，微乎其微。因此，短期回灌不会对热储层热水温度产生明显影响。

2 回灌可行性分析

2.1 回灌空间

新乡市热储层水位埋深为56～157m，特别是市中心一带，水位埋深大，回灌自然水头大，有较大回灌空间。因此，具备回灌条件。

据天津、北京、河北等省市地热回灌情况，当热水水头埋深降到60m左右后，进行回灌比较适宜。考虑到新乡市地热开发实际情况，建议地热水头埋深降低到60m应进行回灌，降低到80m必须进行回灌。

2.2 回灌能力

2.2.1 自然回灌模式

根据试验，在自然回灌条件下，A1井回灌水量为15.2m3／h，水头升高20.41m，单位回灌量为0.745 m3／（h·m）；A2井回灌水量为30.1m3／h，水头升高49.08m，单位回灌量为0.613m3／（h·m）；A3井回灌水量为52.0m3／h，水头升高76.28m，单位回灌量为0.682m3／（h·m）。但是，随着回灌时间的延长，回灌井通常会发生堵塞，热储层回灌渗透系数大大减小，回灌能力随之大幅度降低。

2.2.2 加压回灌模式

据天津、北京等地地热加压回灌研究情况，加压回灌会比自然回灌取得较明显效果。

2.3 开采量

目前，新乡市有50余眼地热生产井，年开采量约90×104m3。不论是从已开发的地热井数量，还是从地热水现状开采量上来看，相对于整个地热田，还有一定的开发潜力。

3 回灌应注意问题

3.1 回灌时间

地热井回灌时间易选在供暖期，可保障有充足的热弃水水源。另外，在供暖期，地热水开采量最大，水位埋深增大，有相对较大的回灌水头差。因此，确定回灌时间宜在当年11月至来年3月。

3.2 回灌水源

以浅层和深层地下水及可利用的地热弃水相结合作为回灌水源，条件允许时，地热弃水为优先选择。

3.3 回灌场地

（1）热储渗透性能好，回灌流畅地段。

（2）水源井与回灌井距离适中。尽量减少长距离输水管道的铺设，同时不宜太近，否则会过早造成热突破，导致生产井水温降低。

根据天津武清地热田回灌资料研究，经数学模拟预测，回灌水量为50.4m3／h时，冷锋面运移到距离回灌井800m地方需要39年时间（热储平均厚度按12m计，热储总厚度的10%），即当生产井距离回灌井800m时，在20～30年内不会引起热突破。而实际操作过程中，回灌工作只在冬季取暖期进行，其余时段，回灌水将从岩体吸收更多的热量，进一步减缓热储冷却速度。由于新乡市主要热储回灌层为馆陶组，同天津武清地热田具有相近地热地质条件，因此，新乡市水源井与回灌井距离宜在800～1 000m。

（3）减少溶气影响。热储中含有较多水溶气时，使回灌水流运动受阻，径流不畅，影响回灌井回灌能力。因此，回灌井尽量选在地热井水中含水溶气较少的地段。

（4）宜选在地热井群分布密集、开采强度较大、地热水径流上游方向［3］。

3.4 回灌方式

宜采用自然结合压力回灌。回灌模式采用同层对井回灌（回灌井注水层与开采井取水层位于同一热储层）或同层两采一灌（同一热储层位上布设2眼开采井和1眼回灌井）。

回灌期间注意回扬。回扬以每次抽完浑水后出清水为准，并注意密切关切生产井水温、水质和水头等。

4 结语

（1）回灌井回灌水量与水头升高呈正相关关系。在自然回灌条件下，单位回灌量为单位涌水量的40%～60%。因此，单井回灌运行基本不可取。

（2）新乡市地热水水位埋深40～147m，自然回灌产生的压力差不同。其中，市中心一带水位低，压力差较大，有较大的回灌空间。因此，结合热储层水文地质条件及开采现状，建议在市中心开采较集中的区域开展回灌工作。

（3）加强地热水动态监测。所有地热井安装监测设备（测水管、压力表、流量表及温度计等），对地热井压力、水温、水量及水质进行定期观测，以便掌握地热水水头压力场、流场、水化学场等动态变化特征。

（4）受条件限制，本次回灌试验井数少，且时间较短。在适宜的条件下，建议开展生产性回灌试验。在大规模的回灌工程之前，开展多次不同位置的规范化回灌试验［4］，并进行以同层地下水为回灌水源及加压回灌方面的尝试。

［1］高宗军，郭加朋，李哲，等.东营市城区地热储人工回灌条件及分区研究［J］.地下水，2009（5）：4－8.

［2］杨海军，杨芳，茹爽英.深层地下水回灌试验与研究［J］.投资与合作，2012（10）：206－207.

［3］张新文，胡彩萍，胡松涛，等.东营市中心城区地热田地热回灌可行性分析［J］.2009（8）：18－19.

［4］朱红丽.开封市超深层地热水人工回灌补源研究［D］.郑州：河南理工大学，2011.

[责任编辑 杨明庆]

On Xinxiang Geothermal Reinjection Test and Feasibility Analysis

LIANG Jing，GUO Quan－cheng
（Water-saving Office of Xinxiang City，Xinxiang 453000，Henan，China）

Reinjection is an effective way to solve a series of the problem of excessive exploitation of geothermal water，is also one of the most important means of geothermal development and management.On the basis of Xinxiang geothermal well reinjection test，this paper analyzes the feasibility of reinjection from the reinjection space，reinjection ability and exploitation quantity three aspects，and discusses the matters needing attention of geothermal reinjection，such as the reinjection time and reinjection water，reinjection area and reinjection mode.

Xinxiang city of Henan province；geothermal well；reinjection test；feasibility analysis；attention matters

TV213.6

B

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.013

2016-04-27

梁静（1976－），女，河南新乡人，工程师，主要从事节水和水资源管理方面的工作。