西安與咸陽孔隙型熱儲(chǔ)尾水回灌堵塞機(jī)理對(duì)比

西安與咸陽孔隙型熱儲(chǔ)尾水回灌堵塞機(jī)理對(duì)比

鄭磊,馬致遠(yuǎn),鄭會(huì)菊,何丹,李妍

(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710054)

摘要：在分析西安與咸陽兩市地質(zhì)條件、熱儲(chǔ)環(huán)境特征和水化學(xué)類型的差異的基礎(chǔ)上,采用水文地球化學(xué)理論模擬、室內(nèi)堵塞模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)多種方法耦合的方法,對(duì)西安、咸陽孔隙型熱儲(chǔ)尾水回灌堵塞機(jī)理進(jìn)行對(duì)比研究。動(dòng)態(tài)巖心驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果表明,在同一溫度下,西安回灌模擬試驗(yàn)各個(gè)堵塞率均大于咸陽回灌一號(hào)井堵塞率。兩地化學(xué)、微生物堵塞對(duì)比顯示,西安回灌井水體含鐵量高,在回灌過程中產(chǎn)生大量鐵細(xì)菌及鐵類礦物黏泥,而咸陽回灌井水體鐵類礦物影響微乎其微。研究表明,在開放環(huán)境下,地下水中Fe2+與空氣中的O發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2O3和Fe(OH)3等礦物沉淀,這些膠狀沉淀物進(jìn)入地層后造成了堵塞。試驗(yàn)表明,西安三橋回灌井回灌地層適宜性不及咸陽回灌一號(hào)井;且西安三橋回灌井開放式回灌方式加重了化學(xué)、微生物堵塞。

關(guān)鍵詞：孔隙型熱儲(chǔ)流體;回灌;堵塞機(jī)理;地?zé)豳Y源;西安市;咸陽市

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.008

基金項(xiàng)目:陜西省財(cái)政廳科技項(xiàng)目(20130422);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2012JZ5001)

作者簡(jiǎn)介:鄭磊(1989—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境同位素地下水文學(xué)。E-mail:groundwater258@163.com

中圖分類號(hào)：P512.2+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-09-09編輯：高渭文)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.009

Comparison of clogging mechanism of pore-type heat storage tail

water recharge in Xi’an and Xianyang

ZHENG Lei, MA Zhiyuan, ZHENG Huiju, HE Dan, LI Yan

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

Abstract：Based on the analysis of the differences of the geological conditions, the environmental characteristics of heat storage and hydrochemical type between Xi’an City and Xianyang City, the author of this paper made a comparative study on the clogging mechanism of pore-type heat storage tail water recharge in Xi’an and Xianyang by coupling methods such as the hydrogeochemical theoretical simulation(PHREEQC), indoor simulation experiment of blockage and field recharge test. The results of dynamic core displacement test show that the blockage rates in the Xi’an recharge simulation experiment were larger than that of Xianyang No.1 Well under the same temperature. The comparison of chemical plugging and microorganism blockage in the two areas shows that there is a larger amount of iron in the water of Xi’an recharge well, and a lot of iron bacteria and iron minerals would be produced in the recharge process, while there is little impact on the water caused by iron minerals in Xianyang recharge well. Studies have shown that, in an open environment the Fe2+ in the groundwater and the O in the air occurs oxidation reaction, producing some precipi-tation of mineral such as Fe2O3 and Fe (OH)3, etc. A blockage is caused after these gelatinous precipitate go into the geological strata. The experiment shows that the suitability of reinjection formation in the Xi’an Sanqiao recharge well is less than that of Xianyang NO.1 recharge well, and the open recharge way of the Xi’an Sanqiao recharge well increases the chemical and microbiological clogging.

Key words： pore-type heat storage fluid; recharge; clogging mechanism; geothermal resources; Xi’an City; Xianyang City

1研究背景

深層孔隙型地?zé)豳Y源是寶貴的綠色清潔能源,其開發(fā)利用是解決能源緊張和環(huán)境污染問題的關(guān)鍵[1]。但是,過度開采地下熱水引發(fā)的一系列環(huán)境污染、地下熱水水位衰減問題嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。針對(duì)這一狀況,比節(jié)制性開采地下熱水之外更為積極、主動(dòng)和關(guān)鍵的應(yīng)對(duì)措施是實(shí)施地下熱水資源的人工尾水回灌[2]。然而,國(guó)內(nèi)外眾多地?zé)崽镎{(diào)查結(jié)果顯示:有80%的孔隙型熱儲(chǔ)回灌井出現(xiàn)了堵塞,部分回灌井被迫停滯[3],因此,解決回灌堵塞問題是現(xiàn)階段開采利用地下熱水的關(guān)鍵。Bedrikovetsky等[4]曾采用模擬和試驗(yàn)方法模擬了熱水中硫酸鹽礦物的結(jié)垢規(guī)律；鄭西來等[5-6]應(yīng)用礦物平衡模型對(duì)淺層熱水系統(tǒng)中相關(guān)物質(zhì)的化學(xué)沉淀進(jìn)行了有益嘗試；劉雪玲等[7]對(duì)熱水懸浮物的形成及堵塞機(jī)理做了論述。迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)界對(duì)于淺層及常溫孔隙型地下熱水尾水回灌堵塞機(jī)理做了大量研究,然而,對(duì)深層孔隙型熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓喽氯麢C(jī)理及系統(tǒng)緩減回灌量衰減的綜合性研究鮮見報(bào)道。鑒于此,筆者在2011—2012年間分別在咸陽、西安兩地對(duì)采灌井進(jìn)行地下熱水尾水回灌試驗(yàn),對(duì)兩地的尾水回灌堵塞機(jī)理進(jìn)行了深入研究,西安三橋回灌井運(yùn)用開放式回灌方式,其回灌量為24m3/h,咸陽一號(hào)回灌井采用密閉式回灌方式,其回灌量為50～70 m3/h。本文以水文地球化學(xué)理論模擬與室內(nèi)堵塞模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)多種方法耦合,結(jié)合西安咸陽城區(qū)兩地地質(zhì)條件、熱儲(chǔ)環(huán)境特征和水化學(xué)類型的差異,對(duì)西安、咸陽孔隙型熱儲(chǔ)尾水回灌堵塞機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比研究,試圖比較在不同構(gòu)造單元、不同熱儲(chǔ)物性、不同回灌方式下其堵塞程度、堵塞機(jī)理的同異性,為相似條件地區(qū)尾水回灌堵塞機(jī)理研究提供研究實(shí)例。

2地質(zhì)條件對(duì)比

西安三橋回灌井位于西安地?zé)崽锶龢颉顢鄩K的西部、渭河斷陷盆地內(nèi),屬西安凹陷中部深凹陷帶,其地質(zhì)構(gòu)造條件為該區(qū)地下熱水的儲(chǔ)存與運(yùn)移提供了良好的通道;而咸陽回灌一號(hào)井構(gòu)造位置處于西安凹陷北部緩斜坡區(qū)的斷階帶南部,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,斷裂構(gòu)造主要有南部的近東西向渭河北側(cè)斷裂和西部的北西向咸陽-長(zhǎng)安斷裂。渭河北側(cè)斷裂屬基地巖性分界線，其北為下古生界碳酸鹽巖,其南部為元古宇變質(zhì)巖和印支-燕山期花崗巖類。該斷裂南傾67°～80°,最大斷距可達(dá)700～1000m。咸陽-長(zhǎng)安斷裂,走向北西,傾向西南,傾角70°左右。位于該回灌井西約3km,斷距不大(圖1)。兩地回灌井所處位置都不在斷裂帶上,因此具有可比性。

圖1　西安凹陷、咸陽-禮泉縣斷階剖面示意圖

3回灌井的熱儲(chǔ)層對(duì)比

3.1熱儲(chǔ)層的物性特征

西安、咸陽城區(qū)大多數(shù)開采井和回灌井以藍(lán)田灞河組為主要取水層,因此,就藍(lán)田灞河組物性特征加以論述。西安三橋回灌井的回灌目的層是埋藏深度為1611.90～2876.60m的三門組、藍(lán)田灞河組和高嶺群組,其中藍(lán)田灞河組埋藏深度為1637.3～2851.2m,厚度為1213.9m。據(jù)測(cè)井解釋成果反映,該地層中共有133層砂巖,砂巖總厚度為321.7m,砂巖總厚度與該地層總厚度之比為26.50%。砂巖孔隙度15.22%～38.94%,滲透率3.65～867.53mD(1mD=0.9869×10-9m2)。咸陽回灌一號(hào)井的回灌目的層埋藏深度為1270.7～2452.15m的藍(lán)田灞河組,厚度為1181.45m。該地層中砂巖共有91層,砂巖總厚度為412.3m,單層最大厚度19.3m,最薄厚度0.9m,砂巖總厚度與該地層總厚度之比為34.90%,孔隙度10.22%～22.44%,滲透率2.06～35.96mD。由對(duì)比可知,西安與咸陽回灌井熱儲(chǔ)層的厚度相近,但其孔隙度和滲透率都比咸陽大。西安和咸陽藍(lán)田灞河組地層物性特征分布頻率進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。

圖2　西安和咸陽地區(qū)地?zé)峋貙游镄蕴卣黝l率分布

對(duì)比顯示,西安藍(lán)田灞河組地層泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要分布在5%～15%之間,頻率為5%～10%,而咸陽城區(qū)地?zé)峋{(lán)田灞河組泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化大,數(shù)值相對(duì)分散,主要分布在10%～20%之間,頻率為15%～20%。表明藍(lán)田灞河組泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)西安比咸陽相對(duì)較低(圖2(a));西安藍(lán)田灞河組砂巖孔隙度屬于中等偏上,滲透率分布主要集中在250～300mD之間,而咸陽藍(lán)田灞河組砂巖滲透率主要集中在0～100mD之間,頻率為0～50%(圖2(b),圖2(c)),說明西安比咸陽藍(lán)田灞河組砂巖孔隙度和滲透率都相對(duì)較好。為了進(jìn)一步進(jìn)行熱儲(chǔ)物性綜合評(píng)價(jià)分析,應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)綜合影響評(píng)價(jià)方法對(duì)兩地滲透率、孔隙度、斷裂關(guān)系、泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑、膠結(jié)程度、砂層總厚度、單層最大厚度、砂層總厚度與該地層總厚度之比、水位下降速度和流量進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)具體步驟為:①建立水質(zhì)評(píng)價(jià)因子集合及等級(jí)集合;②建立單因子評(píng)價(jià)矩陣;③確定各因素的權(quán)重;④建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模型,計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,主觀賦值情況下西安三橋地?zé)峄毓嗑幕毓嚯y度排在咸陽全部34口井中第22位,咸陽回灌一號(hào)井排在19位,運(yùn)用客觀熵值法結(jié)果顯示,西安地?zé)峄毓嗑旁?7位,咸陽回灌一號(hào)井排在23位。因此,西安三橋回灌井進(jìn)行地?zé)嵛菜毓嗟碾y度較咸陽回灌一號(hào)井的回灌難度更大。

表1　開采井、回灌井水化學(xué)離子質(zhì)量濃度 　mg/L

3.2水化學(xué)特征

圖3　西安、咸陽回灌井、開采井piper圖

圖4　咸陽與西安回灌井、開采井七大離子指紋圖

3.3主要成垢離子

圖5　回灌井和開采井成垢離子分布

4水文地球化學(xué)模擬

4.1熱儲(chǔ)環(huán)境

熱儲(chǔ)環(huán)境的對(duì)比包括熱儲(chǔ)溫度、pH值和混入量。西安開采井、回灌井及咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院井屬西安凹陷構(gòu)造單元,而咸陽回灌一號(hào)井和咸陽185隊(duì)井屬于咸禮斷階構(gòu)造單元,由表2可得出,根據(jù)水文地球化學(xué)(PHREEQC軟件)模擬結(jié)果的熱儲(chǔ)溫度,西安凹陷內(nèi)熱水井較咸禮斷階內(nèi)熱水井熱儲(chǔ)溫度高,混入量小,因此,西安凹陷內(nèi)三橋回灌井較咸陽回灌一號(hào)井更為封閉,回灌難度更大。

表2　西安、咸陽熱儲(chǔ)環(huán)境對(duì)比

圖6　咸陽地?zé)嵛菜c熱儲(chǔ)熱水混合后的 靜態(tài)配伍的模擬結(jié)果

圖7　西安地?zé)嵛菜c熱儲(chǔ)熱水混合后的 靜態(tài)配伍的模擬結(jié)果

4.2水質(zhì)配伍軟件模擬結(jié)果

西安、咸陽回灌水質(zhì)靜態(tài)配伍軟件模擬結(jié)果(圖6、圖7)對(duì)比顯示,咸陽回灌井靜態(tài)配伍結(jié)果在原水與尾水混配比達(dá)到6∶4時(shí)沉淀量達(dá)到最大,同時(shí)出現(xiàn)冷鋒面,其中方解石沉淀量最大,其次為石英,少量尾水混入還會(huì)有一部分透閃石沉淀生成;在沉積物中雖然也檢出了白云石,但是由于在常溫下不能發(fā)生白云巖化,地層中的白云石都是地質(zhì)歷史時(shí)期的產(chǎn)物[10],所以在地球化學(xué)模擬中未將白云石列入沉積物,因?yàn)镸g2+質(zhì)量濃度的降低并不是白云石沉淀的結(jié)果。在西安三橋回灌井,隨著原水和尾水的比例增加,沉淀量呈線性增加,冷鋒面并未出現(xiàn),其中方解石和石英沉淀量最大,其次為重晶石、針鐵礦、白云母和黃鐵礦。

5室內(nèi)模擬試驗(yàn)

5.1靜態(tài)配伍試驗(yàn)

咸陽西安兩地靜態(tài)配伍試驗(yàn)結(jié)果見圖8。咸陽回灌井在50℃時(shí)尾水、原水水質(zhì)基本不配伍(配伍性標(biāo)準(zhǔn)[11]:P=100mg/L),而西安三橋回灌井在50℃時(shí)配伍性較好,在30℃時(shí)水質(zhì)配伍的結(jié)果為配伍。因此西安三橋尾水回灌的水質(zhì)配伍條件較好,其水質(zhì)總沉淀量在50℃時(shí)比同溫度下的咸陽井總沉淀量低15.41%。

5.2動(dòng)態(tài)驅(qū)替模擬試驗(yàn)對(duì)比

西安三橋及咸陽一號(hào)回灌井堵塞模擬試驗(yàn)結(jié)果如表3與圖9所示，可見,就總堵塞率而言,在同一溫度下,西安三橋回灌模擬試驗(yàn)各個(gè)堵塞率均大于咸陽回灌一號(hào)井堵塞率,50℃溫度下,西安三橋回灌井化學(xué)堵塞率高出咸陽回灌一號(hào)井30.91%。表3顯示,影響西安三橋回灌井較高堵塞率的主要因素為化學(xué)堵塞;在開放條件下,Fe2+易被氧化成Fe3+生成Fe(OH)3和Fe2O3等礦物沉淀,這些礦物在水中呈現(xiàn)為膠狀體,加劇了化學(xué)物堵塞。值得注意的是,西安三橋回灌井在實(shí)際回灌30℃水溫且經(jīng)過5μm過濾級(jí)的條件下,懸浮物堵塞仍占據(jù)主位,說明開放環(huán)境下懸浮物堵塞影響不容忽視。采用密閉式回灌,提高對(duì)懸浮物過濾級(jí)數(shù),加大過濾量是保證回灌初期順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

圖8　咸陽、西安回灌井靜態(tài)配伍試驗(yàn)結(jié)果

城市試驗(yàn)井類型堵塞率/%30℃50℃70℃90℃西安咸陽化學(xué)堵塞25.5357.2175.1383.56三橋懸浮物堵塞35.9717.189.897.18氣體堵塞24.55化學(xué)堵塞26.333.442.4回灌一號(hào)懸浮物堵塞1.48.418.5氣體堵塞11.59.46.3

圖9　西安、咸陽回灌驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

回灌過程中,微生物的滋生不容小視,微生物的大量繁殖會(huì)相互聚集并吸附水中細(xì)小的懸浮物顆粒及微生物尸體,粘附于井壁和孔隙造成堵塞。將西安與咸陽回灌水質(zhì)中這3種微生物進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),西安三橋回灌井微生物的影響更為嚴(yán)重(表4)。

表4　微生物測(cè)試對(duì)比結(jié)果　個(gè)/mL

腐生菌自身細(xì)胞大,可在水中大量繁殖生長(zhǎng),為三橋回灌井開放回灌方式下微生物堵塞的主要菌種;硫酸鹽還原菌數(shù)量上雖在本區(qū)數(shù)量不多,但其存在可催生異常逸出物的形成;值得一提的是,在開放回灌系統(tǒng)中，鐵細(xì)菌成為三橋回灌試驗(yàn)中的關(guān)鍵性菌種。

西安及咸陽回灌井熱水微生物測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示,咸陽185隊(duì)地?zé)峋窟_(dá)1.4×106個(gè)/mL,明顯大于西安原水(1.5×105個(gè)/mL)和商貿(mào)學(xué)院井(1.1×105個(gè)/mL),而西安三橋回灌井中的大池屬完全開放的回灌方式,其腐生菌含量高達(dá)1.4×107個(gè)/mL,比密閉式回灌方式高出1或2個(gè)數(shù)量級(jí)，提示腐生菌的繁殖是開放環(huán)境微生物堵塞的特征之一。值得注意的是在西安三橋原水、回?fù)P水、尾水中鐵細(xì)菌分別為2.0×105個(gè)/mL、1.1×106個(gè)/mL和1.1×104個(gè)/mL,高于咸陽密閉式回灌方式3～5個(gè)數(shù)量級(jí),鐵細(xì)菌能夠產(chǎn)生Fe(OH)3,可累積成褐鐵礦(Fe2O3)聚集在細(xì)菌周圍產(chǎn)生大量棕色黏泥[12],粘附在井壁周圍和孔隙中,造成嚴(yán)重堵塞,從回灌現(xiàn)場(chǎng)取得的大量黏稠狀堵塞物充分證明了這一事實(shí)。故而,非金屬管材的普及應(yīng)用十分必要,是提高回灌率的主要措施之一。

6地面設(shè)備對(duì)比

西安三橋?qū)儆陂_放式大池回灌,在開放環(huán)境下,微生物、水質(zhì)和懸浮物都發(fā)生了巨大改變,為回灌帶來了很大的阻力,在沒有二級(jí)過濾、除砂器和除鐵曝氣等工藝設(shè)備的情況下,西安三橋地區(qū)的最大回灌量達(dá)到33m3/h,而咸陽回灌一號(hào)井采取了二級(jí)過濾和除砂器等設(shè)備,并且采取密閉式回灌,大大降低了咸陽地區(qū)所面臨的回灌難度,最大回灌量高達(dá)60m3/h。因此,在地?zé)嵛菜毓嘀?為了減小回灌堵塞,通常采用密閉式地面設(shè)備對(duì)尾水中的懸浮物堵塞、氣體堵塞進(jìn)行去除,現(xiàn)階段一般采用的地面設(shè)備有過濾器、排氣罐、除砂器、除鐵器等。采取以上設(shè)備可對(duì)堵塞起到緩解并且有效地增加回灌量。對(duì)西安、咸陽兩地區(qū)回灌井地面設(shè)備配備及相應(yīng)回灌量進(jìn)行對(duì)比結(jié)果顯示(表5),盡管西安三橋與咸陽回灌一號(hào)井的最大回灌量差異的影響是多方面的,其熱儲(chǔ)物性、加壓程度及地面設(shè)備均有貢獻(xiàn),然而開放式與密閉式這兩種回灌方式的不同是潛在的不容忽視的因素之一。

表5　西安、咸陽現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)回灌量的影響

7結(jié)語

a. 室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,在同一溫度下,西安三橋回灌井各個(gè)堵塞率均大于咸陽回灌一號(hào)井。鐵質(zhì)管道的使用會(huì)出現(xiàn)大量鐵類物質(zhì),在開放條件下,Fe2+易被氧化成Fe3+生成Fe(OH)3和Fe2O3等膠狀體,加劇了化學(xué)物堵塞。值得注意的是,在實(shí)際回灌30℃水溫且經(jīng)過5μm過濾級(jí)的開放式回灌條件下,懸浮物堵塞仍占據(jù)主位,說明懸浮物堵塞影響不容忽視。采用密閉式回灌,提高對(duì)懸浮物過濾級(jí)數(shù),加大過濾量是保證回灌初期順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

b. 開放回灌環(huán)境下,腐生菌和鐵細(xì)菌大量繁殖,并相互凝集吸附水中細(xì)小的懸浮物顆粒及微生物尸體,且大量的鐵細(xì)菌能夠產(chǎn)生Fe(OH)3累積成褐鐵礦(Fe2O3)聚集在細(xì)菌周圍,產(chǎn)生大量的棕色黏泥,粘附在井壁周圍和孔隙中,加重了懸浮物堵塞、化學(xué)堵塞和微生物本身堵塞程度。因此,采用密閉式回灌方式尤為重要。

c. 西安咸陽回灌對(duì)比顯示,在回灌試驗(yàn)中,必須進(jìn)行密閉式回灌,以避免因開放環(huán)境造成大量堵塞。

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