砂岩层地热水回灌实践.doc

砂岩层地热水回灌实践

作者：（德国）彼得·赛毕特，马库斯·沃夫格冉姆
翻译：刘道选孙启邦肖红

摘要
德国北部盆地地热资源开发利用集中调查始于20世纪80年代初。第一次在砂岩层进行生产、回灌实验于1982年开始，从而建成了第一家地热供暖企业1984年起向瓦伦镇居民供暖。随后，又有更多的地热供暖企业在新勃兰登堡、新格莱维、柏林、诺伊鲁平等地相继投入运行。
在德国，越来越多地区正在筹备建设地热供暖和发电项目。
用砂岩层作为热储层是一项新的技术解决办法。掌握准确的地质知识和地球化学条件是地热利用项目规划、建设、运营成功十分重要的先决条件。过滤实验，地球化学、水文数学模拟实验，以及这几种实验的综合应用都是为了这个目的。本文重点介绍地质、地球化学条件以及技术解决办法和实践经验。

1、地热能应用和热储
在地热能应用中，先将地热水通过生产井提升到地面，提取热能以后，再将尾水通过注入井回灌到地下原层位。
将提取热能后的地热尾水回灌到地下，是为了保持地下水力平衡，更重要的是，防止矿化度较高的地热水排放到地表水中，引发环境污染。因此，地热水在生产井和回灌井之间是一个封闭的循环系统。
通过交换器将热能从地热水提取，再由第二个循环系统将热量提供给用户。这样，地热热储系统就要由开发同层的两个井或两组井来组成。两对（组）井都要下井泵，安装套管，以便地热水从两个方向都能通过。热交换器通过地面管网系统连接两对（组）井，提取和供应热能。这里特指的是德国北部—波兰的模式，这个模式是欧洲中部的主要模式，也包括丹麦—波兰和北海的模式。
2、水文地质和地球化学条件
2.1热储特点
孔隙热储的特点是大量不规则的颗粒形成了空隙。这类颗粒是主要是由砂岩组成的。热储的大小、形状、沉积结构、基质、矿物质含量是第一位的，孔隙、渗透度、密度、水流情况是第二位的，当然也同等重要。
从经济角度看，低温地热水热储（40—100℃）要求大规模的热水源和流速（50—100m3/h/well）。它们的应用是由下列地质条件决定的：
---有含水岩石结构（含水层）；
---这种岩石结构有充足的垂直、水平孔隙以保证长期生产（生产热储）；
---这个生产热储中的水温度从经济上角度分析符合要求；
---具有提取热能技术操作中所需的合适水量（地热水采、回循环中的材料和系统匹配）；
---含水层周围有广泛的扩展空间、高流速、能保证长期稳定生产、回灌，特别是有孔隙、能渗透、厚度高。我们寻找厚度高、孔隙大、密度低的砂岩，这种砂岩孔隙大，颗粒结构变化不大。具体要求要按实际情况确定。
上世纪后十年，对地热水砂岩热储层回灌进行了广泛的研究，并在不同地方应用，取得了成功。尤其在德国，近几年或近十年来，砂岩层地热水开采回灌取得了一定的经验。
成功回灌最主要的标准是注入的指标，也就是积累的热储中地热水活动的数据。下列参数决定有效注入指数的成功。
首先，用于地热开发的砂岩层，提供的数据表明：
---孔隙度大于20%；
---渗透度大于0.2μ㎡；
---砂岩层最低厚度20m；
同时，它们的特点：
---孔隙层中大孔隙（半径大于5.000nm）比例超过60%或中小孔隙小于50%；
---在大孔隙范围内的孔隙半径大于5.000nm；
---好的和更好的孔隙半径分类大于0.4--0.5；
---在大于10.000nm半径的孔隙层中有大于20%的孔隙；
---小于0.063mm的细泥沙粒（淤泥和粘土）小于10—12%；
---粘在一起的物质和泥浆的平均含量不超过8—10%。
在德国北部盆地约3,000m的地下发现这样的砂岩。

图1德国东北部含地热水砂岩示意图
2.2地热水的化学特点
在德国东北部开发的中生代地热水，据分析，是盐矿化度高的Na-(Ca-Mg)-Cl水。深水中盐的含量超过300g/L。其主要成份是氯离子（最大值49毫摩尔%）和钠离子（43—47毫摩尔%）。镁、钙、钾、铁、锶、锰，还有硫、溴、碘离子等为次要成份或微量。甚至当水冷却以后，其溶解离子仍维持在饱和线以下。当二氧化碳释放后，碳化合物可能沉淀下来。硅酸和硼离子只有很少的含量。
地热水中含有少量可溶气，叫作“结构气”，主要是氮和二氧化碳，其次是甲烷，还有少量的乙烷、氢气和氦气。
中生代深水对比表明，PH值显示酸性。

表1德国东北部地热工厂地热水特性
柏林
（国会大楼）新勃兰登堡瓦伦诺伊鲁平新格莱维温度(℃)1954616499深度(m)2951,2701,5101,6202,195地层埃唐普斯特瑞堪托塔阿来尼堪托塔PH[T(℃)]7.26.1（25）5.9（25）6.5（50）5.3（52）氧化反应条件减少减少整个矿化作用(g/L)28134160199219密度(g/cm3)1.011.0891.1081.1241.147气体(vol