地?zé)峋菜毓嗉夹g(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

梅 博，郭 亮，王 鵬，李 歡，高云鵬

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 滄州 061000）

地?zé)豳Y源是一種無污染、能夠再生的清潔能源，與傳統(tǒng)能源相比，有著儲(chǔ)量豐富、低碳以及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但并不是取之不盡、用之不竭的，一旦過度開采，就會(huì)造成地?zé)豳Y源的枯竭。地?zé)豳Y源在過分的開采后已經(jīng)面臨逐漸枯竭的危險(xiǎn)，為了有效實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用與發(fā)展，同時(shí)達(dá)到低碳、環(huán)保的目的，防止環(huán)境污染，目前最有效的技術(shù)措施就是采用地?zé)峄毓嗉夹g(shù)，其回灌系統(tǒng)水處理原理如圖1所示。地?zé)峄毓嗉夹g(shù)主要有以下作用。

一是處理地?zé)釓U水。地?zé)釓U水一般溫度較高，其中含有較高的鹽分，有很多有毒的化學(xué)物質(zhì)，因此直接將地?zé)釓U水排放到環(huán)境中可能會(huì)造成污染。

二是恢復(fù)地?zé)峋臒醿?chǔ)能。在地?zé)崽镏杏胁糠譄崮苁谴鎯?chǔ)在內(nèi)部的地?zé)崴?，地?zé)崴蟛糠侄荚趲r石骨架中，如果人們把溫度較低的水注入到地?zé)峋?，?jīng)過地?zé)峋募訜幔蜁?huì)提高地?zé)豳Y源的利用率。

三是維持地?zé)崽锏拈_采條件。地?zé)豳Y源開采過度就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)熱儲(chǔ)能降低，一旦開采數(shù)量與補(bǔ)給數(shù)量失去平衡，就會(huì)使得整個(gè)地?zé)豳Y源的熱儲(chǔ)能逐漸降低，甚至使其失去生產(chǎn)能力，最終導(dǎo)致整個(gè)地面的沉降。

圖1 回灌系統(tǒng)水處理原理

1 國(guó)內(nèi)外地?zé)峄毓嗟陌l(fā)展現(xiàn)狀

地?zé)峋菜毓嗉夹g(shù)是延長(zhǎng)生產(chǎn)井壽命、保護(hù)地?zé)豳Y源、減少資源浪費(fèi)的有效途徑，在資源連續(xù)開發(fā)、減少環(huán)境污染等方面具有非常積極的意義。1969年，美國(guó)加利福尼亞州Geysers地?zé)崽锏幕毓囗?xiàng)目揭開了地?zé)峄毓嗟拇竽?，但是研究發(fā)現(xiàn)，即使把全部開采的地?zé)崴Y源回灌到熱儲(chǔ)中，也不能完全彌補(bǔ)開采造成的熱儲(chǔ)損失，人們必須考慮其他回灌方式來提高補(bǔ)充效率。從20世紀(jì)80年代以來，人們開始采用地表水進(jìn)行引流回灌，利用污水回灌來提高地?zé)崽锏陌l(fā)電能力。

法國(guó)是地?zé)峄毓嗉夹g(shù)最為成熟的國(guó)家之一，法國(guó)的地?zé)豳Y源基本上以中、低溫度的地?zé)豳Y源為主，其主要作用是供人們冬季取暖。法國(guó)地?zé)崴Y源的鹽分比較高，因此必須將利用過的地?zé)崴Y源回灌到熱儲(chǔ)中，現(xiàn)在這一供暖系統(tǒng)仍在為當(dāng)?shù)氐木用穹?wù)。

我國(guó)的地?zé)峄毓嘌芯孔钤缡加?982年初在北京的地?zé)崽飽|南部進(jìn)行的回灌試驗(yàn)。2000年，科學(xué)家在北京小湯山開展了地?zé)峄毓嘣囼?yàn)，經(jīng)過一個(gè)采暖期并未發(fā)現(xiàn)技術(shù)性問題，這樣就初步肯定了回灌的可行性。通過采取一系列資源整合和節(jié)能措施、加大地?zé)峋菜幕毓嗔Χ?，人們基本可以?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)與利用，但是必須對(duì)相應(yīng)的熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行研究，防止大規(guī)模熱回灌造成熱度過量現(xiàn)象。

2 地?zé)峋菜毓嗉夹g(shù)及其應(yīng)用效果研究進(jìn)展

地?zé)峋谶M(jìn)行大量開采后，必然造成熱儲(chǔ)壽命的縮短，同時(shí)會(huì)造成地下水位下降，最終導(dǎo)致整個(gè)地面發(fā)生沉降。將利用后的地?zé)崴Y源回灌到地?zé)崽镏?，可有效緩解這種危機(jī)，減少地?zé)崴畬?duì)地面水體的污染。

2.1 地?zé)崴恼婵栈毓?/h3>

真空回灌是指在回灌的過程中保持整個(gè)管道處在真空的環(huán)境，同時(shí)使回灌井處于真空狀態(tài)，防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入，如圖2所示。真空回灌的基本原理是：在地下水位較低條件下，利用更具有密封裝置的回灌井揚(yáng)水時(shí)，泵管及水管內(nèi)即充滿水；當(dāng)停泵時(shí)關(guān)閉控制閥和揚(yáng)水閥后，由于水的重力作用，其隨泵內(nèi)水面下跌，泵內(nèi)水面與控制閥區(qū)間即會(huì)產(chǎn)生真空，使泵內(nèi)外水位產(chǎn)生10 m高的水頭差；當(dāng)開啟水源閥門和控制閥門后，因真空虹吸作用，水就能進(jìn)入泵內(nèi)，破壞原有的壓力平衡，在井周圍產(chǎn)生水力坡降，回灌水就能克服阻力向含水層中滲透。

真空回灌時(shí)需要注意的幾個(gè)問題：（1）進(jìn)行回灌時(shí)，應(yīng)該首先檢查真空的密封的效果；（2）回灌的數(shù)量應(yīng)該是出水量的一半左右，并且回灌的量應(yīng)該從小到大進(jìn)行；（3）必須要及時(shí)采取沖洗措施；（4）一定要保證回灌記錄的完整性，做到有據(jù)可查；（5）在冬季進(jìn)行作業(yè)時(shí)應(yīng)該要做好管道的防凍措施，同時(shí)保證內(nèi)部的儲(chǔ)能水資源不受其他雜質(zhì)污染。

圖2 真空回灌

壓力回灌指的是在壓力泵的作用下，將地?zé)峋奈菜訅鹤⑷牖毓嗑校眠@種方式來進(jìn)行回灌，如圖3所示。壓力回灌的難易程度和熱儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育程度息息相關(guān)，有時(shí)候還與地下水熱水的流動(dòng)順暢程度有一定關(guān)系。如果在熱儲(chǔ)條件比較好的地方或者是裂縫發(fā)育比較好的地方，回灌就顯得很容易；如果在熱儲(chǔ)條件比較差的地方或者裂縫發(fā)育并不完全的地方，回灌就會(huì)顯得比較困難?？障缎偷幕毓喾绞皆诨毓嘀跄芰ι詮?qiáng)，因此人們?cè)诨毓喑跗诳梢圆扇∽匀换毓嗯c壓力回灌并行的方式，然后在后期獨(dú)立采用壓力回灌的形式。

進(jìn)行壓力回灌時(shí)，人們應(yīng)該注意：要提前將管道內(nèi)的空氣排空，保持真空狀態(tài)；要定期清除過濾網(wǎng)上的雜質(zhì)，定期放氣；離心泵不要把空氣打入井內(nèi)，這樣很容易造成阻塞。

無論哪種地?zé)峋毓嗉夹g(shù)，其直接目的是盡可能多且經(jīng)濟(jì)地將回灌水輸入地下，但是由于回灌水質(zhì)及地層條件的原因，隨著回灌時(shí)間的延續(xù)，回灌時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種阻塞現(xiàn)象，導(dǎo)致單位時(shí)間的回灌量下降。所以，無論采用哪種回灌技術(shù)，在回灌過程中，人們都要結(jié)合各種防腐蝕阻塞處理技術(shù)來盡可能保證回灌水量持續(xù)穩(wěn)定。

圖3 壓力回灌

3 地?zé)峄毓嗉夹g(shù)存在的問題

地?zé)峄毓嗉夹g(shù)最重要的一步是把溫度低的水灌入熱儲(chǔ)中，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)。如果回灌井的位置選擇不當(dāng)，就可能使熱儲(chǔ)冷卻，整個(gè)回灌井的開采量就會(huì)降低；如果回罐工藝選擇不當(dāng)，有可能導(dǎo)致回灌井逐步喪失回灌能力。所以，為了研究回灌的效果，人們有必要對(duì)回灌井進(jìn)行全方位的檢測(cè)。

在回灌井的工程設(shè)計(jì)中，有一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)就是避免回灌水過快到達(dá)開采井，從而導(dǎo)致整個(gè)井體的溫度快速降低。同樣，如果回灌井距離開采井過遠(yuǎn)，就不能夠保證熱儲(chǔ)的壓力，達(dá)不到穩(wěn)定熱氣田的效果在地?zé)峄毓嗉夹g(shù)對(duì)于場(chǎng)地的依賴性很大，由于開采井與回灌井之間地質(zhì)條件的不同，回灌的設(shè)計(jì)方案也不盡相同。所以，人們?cè)诨毓嘀氨仨氝M(jìn)行回灌試驗(yàn)，同時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，這樣有助于人們研究熱水在熱儲(chǔ)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究熱水回灌對(duì)于熱氣田穩(wěn)定生產(chǎn)的積極影響，從而更加合理地進(jìn)行回灌。

為了避免開采井和回灌井之間距離過近，人們首先可以考慮將回灌井設(shè)置在熱氣田的邊緣部分，通過回灌來使得熱氣田冷卻概率大大降低。一旦回灌井的位置確定，人們就應(yīng)該研究合理的回灌方式和回灌量，避免熱突破現(xiàn)象。

在地?zé)峄毓喙こ讨?，堵塞?jīng)常會(huì)導(dǎo)致回灌井的回灌能力降低，其主要原因有物理和化學(xué)兩方面。物理堵塞發(fā)生的原因是水中懸浮微小顆粒的作用，在回灌壓力的作用下，能夠進(jìn)入熱儲(chǔ)的縫隙或管道，從而降低整個(gè)回灌井的回灌能力。同時(shí)，回灌水中的氣泡也可能影響回灌速度。為了盡量減少物理堵塞，人們可以利用過濾的方法來減少水中懸浮的顆粒，然后再進(jìn)行回灌。化學(xué)堵塞是指在回灌水中發(fā)生化學(xué)變化或反應(yīng)使得回灌水與地?zé)崴g產(chǎn)生沉淀，這種沉淀主要是碳酸鈣或者二氧化硅，從而降低整個(gè)回灌井的回灌能力。在熱氣田里，發(fā)電過后的水化學(xué)成分增加，容易形成飽和溶液，會(huì)有沉淀析出。因此，在設(shè)計(jì)回灌管道時(shí)，人們應(yīng)該合理考慮回灌水的溫度和壓力，盡可能避免化學(xué)沉淀的產(chǎn)生，避免其對(duì)回灌井的回灌能力產(chǎn)生影響。同時(shí)，人們還要注意整個(gè)系統(tǒng)的密封，盡量避免回灌水與周圍的環(huán)境接觸，防止生成沉淀，如果回灌水的化學(xué)成分較高，人們可以調(diào)節(jié)回灌水的pH值來避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

回灌技術(shù)是地?zé)崽锕芾砗途C合利用的一種有效手段，有著廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用與發(fā)展具有積極意義。無論是在高溫地?zé)嵯到y(tǒng)還是在中低溫的地?zé)嵯到y(tǒng)中，回灌都是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，因此在對(duì)回灌井進(jìn)行回灌操作之前，人們必須進(jìn)行回灌試驗(yàn)。跟蹤試驗(yàn)也是一項(xiàng)非常重要的手段，它對(duì)于研究回灌對(duì)熱氣田的影響具有非常重要意義。通過回灌試驗(yàn)和跟蹤試驗(yàn)，人們能夠?qū)Φ責(zé)崮艿臒醿?chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 阮傳俠，沈 健，李立亮，等.天津市濱海新區(qū)東麗湖地區(qū)基巖熱儲(chǔ)回灌研究[J].地質(zhì)通報(bào)，2017，（8）：1439.

2 周 萌，任曉霞，楊淑云.地?zé)峄毓嗑讐簭?qiáng)新解[J].山東國(guó)土資源，2016，32（1）：37-40.

3 陳建兵，張 斌.西安三橋地區(qū)地?zé)峄毓嗑當(dāng)?shù)值模擬研究[J].地下水，2017，39（2）：21-23.

4 云 釧，湯 勇，陳國(guó)富，等.黃驊市新近系砂巖熱儲(chǔ)回灌能力分析[J].中國(guó)高新區(qū)，2017，（11）：114-115.