山東省惠民縣淄角地區(qū)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嘌芯?/h1>
2023-06-21 09:19王兆林劉蘇哲紀(jì)洪磊夏影蒙永輝
山東國(guó)土資源 2023年3期
王兆林 劉蘇哲 紀(jì)洪磊 夏影 蒙永輝
摘要： 在闡述山東省惠民縣淄角地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及其地?zé)豳Y源類(lèi)型和主要熱儲(chǔ)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)本次工作采集的熱儲(chǔ)巖心測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，研究了熱儲(chǔ)層巖性、孔隙度、砂巖顆粒直徑及滲透性能對(duì)回灌的影響。對(duì)本次工作開(kāi)展的砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜匀换毓唷?.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四組定壓力回灌試驗(yàn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)針對(duì)回灌壓力對(duì)回灌量的影響進(jìn)行了研究，為研究區(qū)開(kāi)展地?zé)豳Y源生產(chǎn)性回灌和進(jìn)一步加快地?zé)峄毓嗟耐茝V提供了參考。
關(guān)鍵詞： 地?zé)豳Y源；砂巖熱儲(chǔ)；地?zé)嵛菜毓?；山東省惠民縣
中圖分類(lèi)號(hào)： P641.12 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.011
引文格式： 王兆林，劉蘇哲，紀(jì)洪磊，等.山東省惠民縣淄角地區(qū)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嘌芯浚跩］.山東國(guó)土資源，2023，39（3）：72 78.WANG Zhaolin， LIU Suzhe， JI Honglei， et al. Study on Geothermal Tail Water Reinjection of Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area in Huimin County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：72 78.
0 引言
山東省地?zé)豳Y源非常豐富，是全國(guó)利用地?zé)彷^早的省份之一［1］，但是長(zhǎng)期以來(lái)粗放的開(kāi)采利用方式，造成了資源嚴(yán)重浪費(fèi)、地?zé)崴淮蠓陆?、熱?chǔ)層壓力不斷降低、地表環(huán)境污染等問(wèn)題，而進(jìn)行地?zé)嵛菜毓鄤t可以有效解決這些難題［2 7］。地?zé)峄毓嗍侨斯⒗眠^(guò)的地?zé)嵛菜虺氐叵滤?、地表水灌回到熱?chǔ)中。目前省內(nèi)對(duì)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)進(jìn)行了大量研究，但是地?zé)峄毓嗍痉豆こ滔鄬?duì)較少。尤其是濱州地區(qū)，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用較晚，利用程度較低，目前尚未建立地?zé)峄毓嗍痉豆こ蹋? 11］。
為了解決地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地?zé)崴Y源的清潔開(kāi)發(fā)和持續(xù)利用，推進(jìn)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)研究，為地?zé)豳Y源生產(chǎn)性回灌提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步加快地?zé)峄毓嗟耐茝V，在濱州地區(qū)起到示范引領(lǐng)作用，開(kāi)展了本次地?zé)峄毓嘌芯俊?/p>
1 研究區(qū)概況
惠民縣淄角地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用始于2005年，在惠民縣淄角鎮(zhèn)美孚德食品公司院內(nèi)鉆探地?zé)峋?眼，用于供暖，現(xiàn)已停用。截至2022年6月，研究區(qū)共有地?zé)峋?6眼，其中開(kāi)采井6眼，回灌井9眼，停用1眼。地?zé)峋?298～1500m，開(kāi)采層位均為新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層，井口水溫50～52℃，單井涌水量80～85m3/h，水位埋深約50m左右，地?zé)嵛菜匀换毓鄺l件下平均回灌量約60m3/h。
當(dāng)前孔隙型砂巖熱儲(chǔ)難以回灌的現(xiàn)狀嚴(yán)重的制約了地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)，本次工作在吸取國(guó)內(nèi)、省內(nèi)外同類(lèi)熱儲(chǔ)回灌的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)，獲取不同回灌壓力條件下回灌量，改進(jìn)回灌技術(shù)方法。
2 地?zé)豳Y源類(lèi)型及熱儲(chǔ)特征
2.1 地?zé)豳Y源類(lèi)型
研究區(qū)位于魯西北平原，在地質(zhì)構(gòu)造上為基底上發(fā)育起來(lái)的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響，沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地?zé)崴饕患诠拧⑿陆o(jì)層狀砂巖的孔隙 裂隙和古生代石灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。本區(qū)地?zé)豳Y源主要賦存于新生代新近系和古近系碎屑沉積巖中，地表無(wú)熱流顯示。按地?zé)豳Y源的形成條件，研究區(qū)地?zé)豳Y源屬于沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源［12］，熱儲(chǔ)類(lèi)型為層狀孔隙 裂隙型熱儲(chǔ)。研究區(qū)已有地?zé)峋臏y(cè)溫資料表明，地?zé)崴臏囟却蠖嘈∮?0℃，根據(jù)地?zé)豳Y源溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于低溫地?zé)豳Y源、溫水—熱水型［13 18］。
2.2 主要熱儲(chǔ)及其埋藏分布
按熱儲(chǔ)所處地層的時(shí)代，研究區(qū)1300m深度內(nèi)自上而下主要?jiǎng)澐譃?個(gè)熱儲(chǔ)層組：明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層組—新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組含水層組和館陶組熱儲(chǔ)層組—新近紀(jì)館陶組含水層組，其中新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)是本次工作重點(diǎn)。明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)在全工作區(qū)皆有分布，其頂板埋深250～340m，底板埋深900～1040m，厚度600～800m。明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂及中細(xì)砂為主。含水層單層厚度為1.6～9.2m，可采用層數(shù)一般13～15層，累計(jì)厚度70～105m。該熱儲(chǔ)分布廣泛，厚度穩(wěn)定，單井涌水量1000～1500m3/d，溶解性總固體1000mg/L左右，水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3 Na和HCO3·SO4 Na型，水溫35～40℃。由于溫度較低，可做為館陶組熱儲(chǔ)的蓋層。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層分布于惠民縣全境內(nèi)，熱儲(chǔ)埋藏深度自南部、東部向中部及西北部逐漸加深，厚度也逐漸增大，局部地區(qū)略有變化（圖1）。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)含水層巖性為細(xì)砂巖及中砂巖，約占熱儲(chǔ)層總厚度的17.63％～38.74％。熱儲(chǔ)頂界面埋深900～1040m，底界面埋深1000～1300m，厚度100～300m，熱儲(chǔ)巖性為中砂巖、細(xì)砂巖，熱儲(chǔ)砂層厚度一般50～150m。熱儲(chǔ)中心溫度50～60℃，單井出水量900～2800m3/d，水化學(xué)類(lèi)型Cl Na型，溶解性總固體7～16g/L。富含對(duì)人體有益的多種微量及放射性元素。
3 回灌過(guò)程
3.1 回灌試驗(yàn)方法
本次回灌試驗(yàn)采用同層對(duì)井回灌模式，回灌井的注水層與開(kāi)采井的取水層都位于新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層?；毓喾椒ú捎妹芊饧訅夯毓啵冗M(jìn)行自然無(wú)壓回灌，在水溫一定的條件下進(jìn)行，控制灌入流量，以20m3/h的回灌量梯度增量進(jìn)行回灌?；毓嗔枯^小時(shí)通過(guò)加壓泵加壓進(jìn)行回灌。本次回灌壓力取0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，壓力由小到大逐步調(diào)節(jié)到適宜壓力，直至回灌能正常運(yùn)行?；毓鄷r(shí)間為一個(gè)供暖期（約4個(gè)月），每個(gè)壓力回灌時(shí)間不少于1月?；毓嗨匆赞r(nóng)業(yè)大棚種植供暖后地?zé)嵛菜鳛榛毓嗨础?/p>
3.2 回灌試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
本次回灌為館陶組熱儲(chǔ)同層回灌?；毓喾绞綖樽匀换毓嗪图訅夯毓唷Ｔ囼?yàn)前，回灌井水位埋深52.00m，開(kāi)采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗(yàn)采用壓力階梯回灌的方式進(jìn)行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)?；毓嗨疁?3.6～50.1℃。累計(jì)回灌量170269m3。
本次無(wú)壓回灌試驗(yàn)于2021年11月9日開(kāi)始，2021年12月10日結(jié)束。回灌水溫25～50℃。回灌33日，99臺(tái)班，累計(jì)回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水溫度28℃，回灌井穩(wěn)定水位埋深10.0m左右時(shí)，開(kāi)采井穩(wěn)定水位埋深63.90m，開(kāi)采量58m3/h，穩(wěn)定回灌量為58m3/h；回灌井井口壓力為0，階段回?fù)P2次。
0.1MPa回灌于2021年12月10日開(kāi)始，2022年1月9日結(jié)束，回灌30日，90臺(tái)班，累計(jì)回灌量76862m3，該壓力段回灌量39582m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位64.5m，開(kāi)采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩(wěn)定回灌量為65.0m3/h，階段回?fù)P2次。
0.2MPa回灌于2022年1月9日開(kāi)始，2022年2月4日結(jié)束，回灌27日，81臺(tái)班，累計(jì)回灌量112701m3，該壓力段回灌量35839m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位65.5m，開(kāi)采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩(wěn)定回灌量為70m3/h，階段回?fù)P1次。
0.3MPa回灌于2022年2月4日開(kāi)始，2022年3月5日結(jié)束，回灌30日，90臺(tái)班，累計(jì)回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位66.8m，開(kāi)采量72.8m3/h；回灌井井口壓力0.3MPa，穩(wěn)定回灌量為73m3/h，階段回?fù)P2次。
試驗(yàn)過(guò)程中及結(jié)束后對(duì)回灌井回?fù)P，達(dá)到水清為止。受井深和回?fù)P流量等因素影響一般回?fù)P開(kāi)始后約60min回?fù)P熱水較為渾濁，呈褐色—黑褐色，120min后水逐漸清澈。
根據(jù)回灌試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在回灌過(guò)程中，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩(wěn)定時(shí)，回灌壓力也趨于穩(wěn)定，回灌量輕微變化對(duì)回灌壓力基本沒(méi)有影響，說(shuō)明回灌入滲穩(wěn)定，含水層較為通暢。
4 回灌研究
4.1 熱儲(chǔ)層巖性對(duì)回灌影響研究
地層結(jié)構(gòu)對(duì)回灌量的影響主要體現(xiàn)在熱儲(chǔ)砂巖厚度和熱儲(chǔ)層物理性質(zhì)。累計(jì)厚度越大和單層厚度越大，地層中砂巖厚度占比越高，回灌性能越好，回灌量越大［19］。相反，累計(jì)厚度小，熱儲(chǔ)砂巖厚度占比小的地層回灌性能較差，回灌量也越小。工作區(qū)砂巖熱儲(chǔ)厚度為80～120m，約占地層總厚度的30%～50%，熱儲(chǔ)厚度較大，回灌性能良好。本次鉆探采取新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)巖心30m，熱儲(chǔ)巖性主要為砂巖，對(duì)采集的熱儲(chǔ)巖心進(jìn)行了顆粒分析（圖2），顯示顆粒粒徑集中在0.075～0.5mm之間，上部顆粒較粗，底部顆粒變細(xì)，0.075～0.25mm之間的顆粒占30%～65%，0.25～0.50mm之間的顆粒占21%～37%；0.5～2mm的顆粒在1.3%～7.3%左右，其中0.075～0.25mm顆粒所占比例較大，最大可達(dá)65.2%；1077～1249m深度處孔隙比為0.492～0.737，含水率為12.9%～22.8%，密度為1.88～2.05g/cm3，比重2.66～2.71。
4.1.1 孔隙度
魯北地區(qū)館陶組熱儲(chǔ)回灌層孔隙度基本在25%以上，屬于極好的。相同地?zé)峋删に?、回灌工藝的條件下，分別對(duì)本次回灌井與鄰區(qū)2眼館陶組大口徑填礫回灌井進(jìn)行回灌試驗(yàn)分析（表1），2014—2015年度在平原魏莊社區(qū)進(jìn)行的地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)，2014—2015年供暖季在德州市開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行的地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)，回灌試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)與回灌工藝相同，德州市城區(qū)地?zé)峄毓嗑^陶組熱儲(chǔ)層巖性為中砂巖，孔隙度為26.9%，平原縣回灌井館陶組熱儲(chǔ)巖性為砂礫巖，孔隙度為32.51%，本次回灌井館陶組巖性為中砂巖，孔隙度為38.8%，采用同水位升幅條件下的單位濾水管面積回灌量進(jìn)行比較可看出，本次試驗(yàn)井回灌能力最強(qiáng)，平原魏莊社區(qū)回灌能力次之。
4.1.2 顆粒直徑及滲透性能
砂巖孔隙型熱儲(chǔ)回灌率低的主要原因?yàn)榛毓喽氯麌?yán)重，不同地區(qū)的熱儲(chǔ)巖性在垂向和水平向上都有一定差距，理論上來(lái)說(shuō)砂巖熱儲(chǔ)厚度、顆粒粒徑和孔隙度越大，滲透性也就越好，越利于回灌。本次試驗(yàn)與德州開(kāi)發(fā)區(qū)、武城二中三組回灌試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)回灌井采用相同的成井工藝，惠民淄角館陶組砂巖熱儲(chǔ)為0.5～5mm粒徑的中砂巖，滲透率為101.5×10 3～859.4×10 3μm2；德州開(kāi)發(fā)區(qū)館陶組砂巖熱儲(chǔ)為0.5～2mm粒徑的粗細(xì)砂巖和砂礫巖，滲透率為225.3×10 3～391.7×10 3μm2；武城二中回灌井館陶組砂巖熱儲(chǔ)為2～5mm粒徑的砂巖和砂礫巖，滲透率為265.74×10 3～906.62×10 3μm2，三者最大自然回灌量分別為73m3/h、40m3/h、60m3/h，單位面積最大回灌量分別為0.658m3/h·m2、0.407m3/h·m2、0.628m3/h·m2。
4.2 回灌壓力對(duì)回灌量影響研究
本次回灌為館陶組熱儲(chǔ)同層回灌，回灌方式為自然回灌和加壓回灌。試驗(yàn)前，回灌井水位埋深52.00m，開(kāi)采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗(yàn)采用壓力階梯回灌的方式進(jìn)行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)，回灌水溫23.6～50.1℃，累計(jì)回灌量170269m3。
無(wú)壓回灌水溫25～50℃，回灌33日99臺(tái)班，累計(jì)回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3?；毓嗨疁囟?8℃，回灌井穩(wěn)定水位埋深10.0m左右時(shí)，開(kāi)采井穩(wěn)定水位埋深63.90m，開(kāi)采量58m3/h，穩(wěn)定回灌量58m3/h，階段回?fù)P2次（圖3）。
0.1MPa回灌30日90臺(tái)班，累計(jì)回灌量76862m3，回灌量39582m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位64.5m，開(kāi)采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩(wěn)定回灌量為65.0m3/h，階段回?fù)P2次（圖4）。
0.2MPa回灌27日81臺(tái)班，累計(jì)回灌量112701m3，回灌量35839m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位65.5m，開(kāi)采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩(wěn)定回灌量為70m3/h，階段回?fù)P1次（圖5，表2）。
1—水溫；2—水位；3—水量；4—回灌量 ??圖5 0.2MPa壓力回灌狀態(tài)下開(kāi)采井 回灌井水位、流量、溫度歷時(shí)曲線(xiàn)圖 ??????表2 不同回灌壓力回灌水文地質(zhì)參數(shù)成果表 ????項(xiàng)目 ??試驗(yàn)數(shù)據(jù) 成果數(shù)據(jù) 熱水水位/m 穩(wěn)定水位/m 水位升幅/m 回灌量/（m3/h） 滲透系數(shù)/（m/d） 影響半徑/m 導(dǎo)水系數(shù)/（m2/d） ?自然回灌 42.00 10.00 32.00 58 0.39 200 49.9 0.1MPa 42.00 0 52.00 65 0.29 281 36.4 0.2MPa 42.00 0 62.00 70 0.26 316 31.6 0.3MPa 42.00 0 72.00 73 0.24 345 29.4 ?????0.3MPa回灌30日90臺(tái)班，累計(jì)回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位66.8m，開(kāi)采量72.8m3/h，回灌井井口壓力0.3MPa，穩(wěn)定回灌量為73m3/h，階段回?fù)P2次（圖6）。
回灌試驗(yàn)可視為產(chǎn)能試驗(yàn)的逆過(guò)程?；毓嘣囼?yàn)的地?zé)岬刭|(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型可利用產(chǎn)能試驗(yàn)的模型進(jìn)行相關(guān)研究和計(jì)算。利用本次回灌試驗(yàn)，由小到大選取了四組不同累計(jì)回灌量時(shí)的回灌數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究隨著回灌量的持續(xù)增加對(duì)熱儲(chǔ)層水文地質(zhì)參數(shù)的影響（表2）。
5 結(jié)論
（1）惠民縣淄角地區(qū)，地?zé)豳Y源屬于傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源，熱儲(chǔ)類(lèi)型為層狀孔隙 裂隙型熱儲(chǔ)。地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用近20年，地?zé)崴幌陆?，熱?chǔ)層壓力減小，具備地?zé)峄毓嗟牡刭|(zhì)條件和空間。
（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖熱儲(chǔ)層顆粒粒徑、孔隙度越大，濾水管直徑越大，回灌能力就越強(qiáng)；砂巖熱儲(chǔ)的巖性顆粒粒徑越大，其滲透率也越大，越利于回灌的進(jìn)行。
（3）在回灌過(guò)程中，壓力回灌優(yōu)于自然回灌，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩(wěn)定時(shí)，回灌壓力也趨于穩(wěn)定，回灌量輕微變化對(duì)回灌壓力基本沒(méi)有影響，說(shuō)明回灌入滲穩(wěn)定，含水層較為通暢。滲透系數(shù)隨著水位增幅的增加逐漸減小，即滲透系數(shù)隨著回灌壓力和回灌量的增大逐漸減小并趨于穩(wěn)定。
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Study on Geothermal Tail Water Reinjection of ??Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area ??in Huimin County in Shandong Province
WANG Zhaolin1， LIU Suzhe2， JI Honglei2， XIA Ying2，MENG Yonghui1
（1.Shandong Provincial Land and Space Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan，250014，China;2.No.2 Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources （Lubei Geo-engineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072，China）
Abstract： On the basis of describing present condition of geothermal resources development and utilization in Zijiao area in Huimin county in Shandong province， as well as the types of geothermal resources and main characteristics of thermal reservoirs， the core test results of thermal reservoirs collected in this work have been analyzed， and the effects of thermal reservoir lithology， porosity， sandstone particle diameter and permeability on reinjection have been studied. 4 groups of constant pressure reinjection test， such as under the natural reinjection， 0.1MPa， 0.2MPa and 0.3MPa， geothermal tailwater from sandstone thermal reservoir have been analyzed. The impact of reinjection pressure on reinjection volume has been studied. It will provide some references for carrying out productive reinjection of geothermal resources and further accelerating the popularization of geothermal reinjection in the study area.
Key words： Geothermal resources; Thermal reservoir in sandstone;geothermal tail water reinjection; Huimin county；Shandong province
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王兆林 劉蘇哲 紀(jì)洪磊 夏影 蒙永輝
摘要： 在闡述山東省惠民縣淄角地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及其地?zé)豳Y源類(lèi)型和主要熱儲(chǔ)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)本次工作采集的熱儲(chǔ)巖心測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，研究了熱儲(chǔ)層巖性、孔隙度、砂巖顆粒直徑及滲透性能對(duì)回灌的影響。對(duì)本次工作開(kāi)展的砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜匀换毓唷?.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四組定壓力回灌試驗(yàn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)針對(duì)回灌壓力對(duì)回灌量的影響進(jìn)行了研究，為研究區(qū)開(kāi)展地?zé)豳Y源生產(chǎn)性回灌和進(jìn)一步加快地?zé)峄毓嗟耐茝V提供了參考。
關(guān)鍵詞： 地?zé)豳Y源；砂巖熱儲(chǔ)；地?zé)嵛菜毓?；山東省惠民縣
中圖分類(lèi)號(hào)： P641.12 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.011
引文格式： 王兆林，劉蘇哲，紀(jì)洪磊，等.山東省惠民縣淄角地區(qū)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵛菜毓嘌芯浚跩］.山東國(guó)土資源，2023，39（3）：72 78.WANG Zhaolin， LIU Suzhe， JI Honglei， et al. Study on Geothermal Tail Water Reinjection of Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area in Huimin County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：72 78.
0 引言
山東省地?zé)豳Y源非常豐富，是全國(guó)利用地?zé)彷^早的省份之一［1］，但是長(zhǎng)期以來(lái)粗放的開(kāi)采利用方式，造成了資源嚴(yán)重浪費(fèi)、地?zé)崴淮蠓陆?、熱?chǔ)層壓力不斷降低、地表環(huán)境污染等問(wèn)題，而進(jìn)行地?zé)嵛菜毓鄤t可以有效解決這些難題［2 7］。地?zé)峄毓嗍侨斯⒗眠^(guò)的地?zé)嵛菜虺氐叵滤?、地表水灌回到熱?chǔ)中。目前省內(nèi)對(duì)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)進(jìn)行了大量研究，但是地?zé)峄毓嗍痉豆こ滔鄬?duì)較少。尤其是濱州地區(qū)，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用較晚，利用程度較低，目前尚未建立地?zé)峄毓嗍痉豆こ蹋? 11］。
為了解決地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地?zé)崴Y源的清潔開(kāi)發(fā)和持續(xù)利用，推進(jìn)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)研究，為地?zé)豳Y源生產(chǎn)性回灌提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步加快地?zé)峄毓嗟耐茝V，在濱州地區(qū)起到示范引領(lǐng)作用，開(kāi)展了本次地?zé)峄毓嘌芯俊?/p>
1 研究區(qū)概況
惠民縣淄角地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用始于2005年，在惠民縣淄角鎮(zhèn)美孚德食品公司院內(nèi)鉆探地?zé)峋?眼，用于供暖，現(xiàn)已停用。截至2022年6月，研究區(qū)共有地?zé)峋?6眼，其中開(kāi)采井6眼，回灌井9眼，停用1眼。地?zé)峋?298～1500m，開(kāi)采層位均為新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層，井口水溫50～52℃，單井涌水量80～85m3/h，水位埋深約50m左右，地?zé)嵛菜匀换毓鄺l件下平均回灌量約60m3/h。
當(dāng)前孔隙型砂巖熱儲(chǔ)難以回灌的現(xiàn)狀嚴(yán)重的制約了地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)，本次工作在吸取國(guó)內(nèi)、省內(nèi)外同類(lèi)熱儲(chǔ)回灌的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)，獲取不同回灌壓力條件下回灌量，改進(jìn)回灌技術(shù)方法。
2 地?zé)豳Y源類(lèi)型及熱儲(chǔ)特征
2.1 地?zé)豳Y源類(lèi)型
研究區(qū)位于魯西北平原，在地質(zhì)構(gòu)造上為基底上發(fā)育起來(lái)的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響，沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地?zé)崴饕患诠拧⑿陆o(jì)層狀砂巖的孔隙 裂隙和古生代石灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。本區(qū)地?zé)豳Y源主要賦存于新生代新近系和古近系碎屑沉積巖中，地表無(wú)熱流顯示。按地?zé)豳Y源的形成條件，研究區(qū)地?zé)豳Y源屬于沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源［12］，熱儲(chǔ)類(lèi)型為層狀孔隙 裂隙型熱儲(chǔ)。研究區(qū)已有地?zé)峋臏y(cè)溫資料表明，地?zé)崴臏囟却蠖嘈∮?0℃，根據(jù)地?zé)豳Y源溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于低溫地?zé)豳Y源、溫水—熱水型［13 18］。
2.2 主要熱儲(chǔ)及其埋藏分布
按熱儲(chǔ)所處地層的時(shí)代，研究區(qū)1300m深度內(nèi)自上而下主要?jiǎng)澐譃?個(gè)熱儲(chǔ)層組：明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層組—新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組含水層組和館陶組熱儲(chǔ)層組—新近紀(jì)館陶組含水層組，其中新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)是本次工作重點(diǎn)。明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)在全工作區(qū)皆有分布，其頂板埋深250～340m，底板埋深900～1040m，厚度600～800m。明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂及中細(xì)砂為主。含水層單層厚度為1.6～9.2m，可采用層數(shù)一般13～15層，累計(jì)厚度70～105m。該熱儲(chǔ)分布廣泛，厚度穩(wěn)定，單井涌水量1000～1500m3/d，溶解性總固體1000mg/L左右，水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3 Na和HCO3·SO4 Na型，水溫35～40℃。由于溫度較低，可做為館陶組熱儲(chǔ)的蓋層。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層分布于惠民縣全境內(nèi)，熱儲(chǔ)埋藏深度自南部、東部向中部及西北部逐漸加深，厚度也逐漸增大，局部地區(qū)略有變化（圖1）。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)含水層巖性為細(xì)砂巖及中砂巖，約占熱儲(chǔ)層總厚度的17.63％～38.74％。熱儲(chǔ)頂界面埋深900～1040m，底界面埋深1000～1300m，厚度100～300m，熱儲(chǔ)巖性為中砂巖、細(xì)砂巖，熱儲(chǔ)砂層厚度一般50～150m。熱儲(chǔ)中心溫度50～60℃，單井出水量900～2800m3/d，水化學(xué)類(lèi)型Cl Na型，溶解性總固體7～16g/L。富含對(duì)人體有益的多種微量及放射性元素。
3 回灌過(guò)程
3.1 回灌試驗(yàn)方法
本次回灌試驗(yàn)采用同層對(duì)井回灌模式，回灌井的注水層與開(kāi)采井的取水層都位于新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層?；毓喾椒ú捎妹芊饧訅夯毓啵冗M(jìn)行自然無(wú)壓回灌，在水溫一定的條件下進(jìn)行，控制灌入流量，以20m3/h的回灌量梯度增量進(jìn)行回灌?；毓嗔枯^小時(shí)通過(guò)加壓泵加壓進(jìn)行回灌。本次回灌壓力取0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，壓力由小到大逐步調(diào)節(jié)到適宜壓力，直至回灌能正常運(yùn)行?；毓鄷r(shí)間為一個(gè)供暖期（約4個(gè)月），每個(gè)壓力回灌時(shí)間不少于1月?；毓嗨匆赞r(nóng)業(yè)大棚種植供暖后地?zé)嵛菜鳛榛毓嗨础?/p>
3.2 回灌試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
本次回灌為館陶組熱儲(chǔ)同層回灌?；毓喾绞綖樽匀换毓嗪图訅夯毓唷Ｔ囼?yàn)前，回灌井水位埋深52.00m，開(kāi)采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗(yàn)采用壓力階梯回灌的方式進(jìn)行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)?；毓嗨疁?3.6～50.1℃。累計(jì)回灌量170269m3。
本次無(wú)壓回灌試驗(yàn)于2021年11月9日開(kāi)始，2021年12月10日結(jié)束。回灌水溫25～50℃。回灌33日，99臺(tái)班，累計(jì)回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3。回灌水溫度28℃，回灌井穩(wěn)定水位埋深10.0m左右時(shí)，開(kāi)采井穩(wěn)定水位埋深63.90m，開(kāi)采量58m3/h，穩(wěn)定回灌量為58m3/h；回灌井井口壓力為0，階段回?fù)P2次。
0.1MPa回灌于2021年12月10日開(kāi)始，2022年1月9日結(jié)束，回灌30日，90臺(tái)班，累計(jì)回灌量76862m3，該壓力段回灌量39582m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位64.5m，開(kāi)采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩(wěn)定回灌量為65.0m3/h，階段回?fù)P2次。
0.2MPa回灌于2022年1月9日開(kāi)始，2022年2月4日結(jié)束，回灌27日，81臺(tái)班，累計(jì)回灌量112701m3，該壓力段回灌量35839m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位65.5m，開(kāi)采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩(wěn)定回灌量為70m3/h，階段回?fù)P1次。
0.3MPa回灌于2022年2月4日開(kāi)始，2022年3月5日結(jié)束，回灌30日，90臺(tái)班，累計(jì)回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位66.8m，開(kāi)采量72.8m3/h；回灌井井口壓力0.3MPa，穩(wěn)定回灌量為73m3/h，階段回?fù)P2次。
試驗(yàn)過(guò)程中及結(jié)束后對(duì)回灌井回?fù)P，達(dá)到水清為止。受井深和回?fù)P流量等因素影響一般回?fù)P開(kāi)始后約60min回?fù)P熱水較為渾濁，呈褐色—黑褐色，120min后水逐漸清澈。
根據(jù)回灌試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在回灌過(guò)程中，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩(wěn)定時(shí)，回灌壓力也趨于穩(wěn)定，回灌量輕微變化對(duì)回灌壓力基本沒(méi)有影響，說(shuō)明回灌入滲穩(wěn)定，含水層較為通暢。
4 回灌研究
4.1 熱儲(chǔ)層巖性對(duì)回灌影響研究
地層結(jié)構(gòu)對(duì)回灌量的影響主要體現(xiàn)在熱儲(chǔ)砂巖厚度和熱儲(chǔ)層物理性質(zhì)。累計(jì)厚度越大和單層厚度越大，地層中砂巖厚度占比越高，回灌性能越好，回灌量越大［19］。相反，累計(jì)厚度小，熱儲(chǔ)砂巖厚度占比小的地層回灌性能較差，回灌量也越小。工作區(qū)砂巖熱儲(chǔ)厚度為80～120m，約占地層總厚度的30%～50%，熱儲(chǔ)厚度較大，回灌性能良好。本次鉆探采取新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)巖心30m，熱儲(chǔ)巖性主要為砂巖，對(duì)采集的熱儲(chǔ)巖心進(jìn)行了顆粒分析（圖2），顯示顆粒粒徑集中在0.075～0.5mm之間，上部顆粒較粗，底部顆粒變細(xì)，0.075～0.25mm之間的顆粒占30%～65%，0.25～0.50mm之間的顆粒占21%～37%；0.5～2mm的顆粒在1.3%～7.3%左右，其中0.075～0.25mm顆粒所占比例較大，最大可達(dá)65.2%；1077～1249m深度處孔隙比為0.492～0.737，含水率為12.9%～22.8%，密度為1.88～2.05g/cm3，比重2.66～2.71。
4.1.1 孔隙度
魯北地區(qū)館陶組熱儲(chǔ)回灌層孔隙度基本在25%以上，屬于極好的。相同地?zé)峋删に?、回灌工藝的條件下，分別對(duì)本次回灌井與鄰區(qū)2眼館陶組大口徑填礫回灌井進(jìn)行回灌試驗(yàn)分析（表1），2014—2015年度在平原魏莊社區(qū)進(jìn)行的地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)，2014—2015年供暖季在德州市開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行的地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)，回灌試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)與回灌工藝相同，德州市城區(qū)地?zé)峄毓嗑^陶組熱儲(chǔ)層巖性為中砂巖，孔隙度為26.9%，平原縣回灌井館陶組熱儲(chǔ)巖性為砂礫巖，孔隙度為32.51%，本次回灌井館陶組巖性為中砂巖，孔隙度為38.8%，采用同水位升幅條件下的單位濾水管面積回灌量進(jìn)行比較可看出，本次試驗(yàn)井回灌能力最強(qiáng)，平原魏莊社區(qū)回灌能力次之。
4.1.2 顆粒直徑及滲透性能
砂巖孔隙型熱儲(chǔ)回灌率低的主要原因?yàn)榛毓喽氯麌?yán)重，不同地區(qū)的熱儲(chǔ)巖性在垂向和水平向上都有一定差距，理論上來(lái)說(shuō)砂巖熱儲(chǔ)厚度、顆粒粒徑和孔隙度越大，滲透性也就越好，越利于回灌。本次試驗(yàn)與德州開(kāi)發(fā)區(qū)、武城二中三組回灌試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)回灌井采用相同的成井工藝，惠民淄角館陶組砂巖熱儲(chǔ)為0.5～5mm粒徑的中砂巖，滲透率為101.5×10 3～859.4×10 3μm2；德州開(kāi)發(fā)區(qū)館陶組砂巖熱儲(chǔ)為0.5～2mm粒徑的粗細(xì)砂巖和砂礫巖，滲透率為225.3×10 3～391.7×10 3μm2；武城二中回灌井館陶組砂巖熱儲(chǔ)為2～5mm粒徑的砂巖和砂礫巖，滲透率為265.74×10 3～906.62×10 3μm2，三者最大自然回灌量分別為73m3/h、40m3/h、60m3/h，單位面積最大回灌量分別為0.658m3/h·m2、0.407m3/h·m2、0.628m3/h·m2。
4.2 回灌壓力對(duì)回灌量影響研究
本次回灌為館陶組熱儲(chǔ)同層回灌，回灌方式為自然回灌和加壓回灌。試驗(yàn)前，回灌井水位埋深52.00m，開(kāi)采井水位埋深50.00m。本次回灌試驗(yàn)采用壓力階梯回灌的方式進(jìn)行，分別為自然回灌、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa四組定壓力進(jìn)行地?zé)峄毓嘣囼?yàn)，回灌水溫23.6～50.1℃，累計(jì)回灌量170269m3。
無(wú)壓回灌水溫25～50℃，回灌33日99臺(tái)班，累計(jì)回灌量37280m3，自然回灌回灌量37280m3?；毓嗨疁囟?8℃，回灌井穩(wěn)定水位埋深10.0m左右時(shí)，開(kāi)采井穩(wěn)定水位埋深63.90m，開(kāi)采量58m3/h，穩(wěn)定回灌量58m3/h，階段回?fù)P2次（圖3）。
0.1MPa回灌30日90臺(tái)班，累計(jì)回灌量76862m3，回灌量39582m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位64.5m，開(kāi)采量65.0m3/h；回灌井井口壓力0.1MPa，回灌水溫度28℃，穩(wěn)定回灌量為65.0m3/h，階段回?fù)P2次（圖4）。
0.2MPa回灌27日81臺(tái)班，累計(jì)回灌量112701m3，回灌量35839m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位65.5m，開(kāi)采量70m3/h；回灌井井口壓力0.2MPa，穩(wěn)定回灌量為70m3/h，階段回?fù)P1次（圖5，表2）。
1—水溫；2—水位；3—水量；4—回灌量 ??圖5 0.2MPa壓力回灌狀態(tài)下開(kāi)采井 回灌井水位、流量、溫度歷時(shí)曲線(xiàn)圖 ??????表2 不同回灌壓力回灌水文地質(zhì)參數(shù)成果表 ????項(xiàng)目 ??試驗(yàn)數(shù)據(jù) 成果數(shù)據(jù) 熱水水位/m 穩(wěn)定水位/m 水位升幅/m 回灌量/（m3/h） 滲透系數(shù)/（m/d） 影響半徑/m 導(dǎo)水系數(shù)/（m2/d） ?自然回灌 42.00 10.00 32.00 58 0.39 200 49.9 0.1MPa 42.00 0 52.00 65 0.29 281 36.4 0.2MPa 42.00 0 62.00 70 0.26 316 31.6 0.3MPa 42.00 0 72.00 73 0.24 345 29.4 ?????0.3MPa回灌30日90臺(tái)班，累計(jì)回灌量170269m3，該壓力段回灌量57568m3。開(kāi)采井穩(wěn)定水位66.8m，開(kāi)采量72.8m3/h，回灌井井口壓力0.3MPa，穩(wěn)定回灌量為73m3/h，階段回?fù)P2次（圖6）。
回灌試驗(yàn)可視為產(chǎn)能試驗(yàn)的逆過(guò)程?；毓嘣囼?yàn)的地?zé)岬刭|(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型可利用產(chǎn)能試驗(yàn)的模型進(jìn)行相關(guān)研究和計(jì)算。利用本次回灌試驗(yàn)，由小到大選取了四組不同累計(jì)回灌量時(shí)的回灌數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究隨著回灌量的持續(xù)增加對(duì)熱儲(chǔ)層水文地質(zhì)參數(shù)的影響（表2）。
5 結(jié)論
（1）惠民縣淄角地區(qū)，地?zé)豳Y源屬于傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源，熱儲(chǔ)類(lèi)型為層狀孔隙 裂隙型熱儲(chǔ)。地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用近20年，地?zé)崴幌陆?，熱?chǔ)層壓力減小，具備地?zé)峄毓嗟牡刭|(zhì)條件和空間。
（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖熱儲(chǔ)層顆粒粒徑、孔隙度越大，濾水管直徑越大，回灌能力就越強(qiáng)；砂巖熱儲(chǔ)的巖性顆粒粒徑越大，其滲透率也越大，越利于回灌的進(jìn)行。
（3）在回灌過(guò)程中，壓力回灌優(yōu)于自然回灌，回灌量隨著回灌壓力的增加而增加，回灌量較為穩(wěn)定時(shí)，回灌壓力也趨于穩(wěn)定，回灌量輕微變化對(duì)回灌壓力基本沒(méi)有影響，說(shuō)明回灌入滲穩(wěn)定，含水層較為通暢。滲透系數(shù)隨著水位增幅的增加逐漸減小，即滲透系數(shù)隨著回灌壓力和回灌量的增大逐漸減小并趨于穩(wěn)定。
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Study on Geothermal Tail Water Reinjection of ??Thermal Reservoir in Sandstone in Zijiao Area ??in Huimin County in Shandong Province
WANG Zhaolin1， LIU Suzhe2， JI Honglei2， XIA Ying2，MENG Yonghui1
（1.Shandong Provincial Land and Space Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan，250014，China;2.No.2 Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources （Lubei Geo-engineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072，China）
Abstract： On the basis of describing present condition of geothermal resources development and utilization in Zijiao area in Huimin county in Shandong province， as well as the types of geothermal resources and main characteristics of thermal reservoirs， the core test results of thermal reservoirs collected in this work have been analyzed， and the effects of thermal reservoir lithology， porosity， sandstone particle diameter and permeability on reinjection have been studied. 4 groups of constant pressure reinjection test， such as under the natural reinjection， 0.1MPa， 0.2MPa and 0.3MPa， geothermal tailwater from sandstone thermal reservoir have been analyzed. The impact of reinjection pressure on reinjection volume has been studied. It will provide some references for carrying out productive reinjection of geothermal resources and further accelerating the popularization of geothermal reinjection in the study area.
Key words： Geothermal resources; Thermal reservoir in sandstone;geothermal tail water reinjection; Huimin county；Shandong province
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