聊城市地热回灌试验工作方案改.doc

目目 录录 1 1 概况概况 1 1 1.1 试验意义.1 1.2 目标、任务.3 1.3 时间安排.4 2 2 区域地质背景区域地质背景5 5 2.1 自然经济地理.5 2.2 气象水文资源.6 2.3 地质构造条件.7 2.4 区域地层条件.8 2.5 区域水文地质条件.2 2.6 区域地热地质条件.4 3 3 以往地热及回灌工作研究程度及现状以往地热及回灌工作研究程度及现状5 5 3.1 地热地质工作研究程度.5 3.2 地热资源开发利用管理现状.6 3.3 国内外地热回灌研究工作程度及现状.7 4 4 地热资源特征地热资源特征 1010 4.1 地热井所处构造部位.10 4.2 地层特征.11 4.4 试验井概况.12 4.4 热储层组划分及其水文地质特征.14 4.5 地热水水质分析成果.14 4.6 地热资源类型.15 4.7 地热回灌条件分析.15 5 5 回灌实施方案回灌实施方案 1616 5.1 技术路线.16 5.2 技术方法.16 6 6 主要实物工作量主要实物工作量 2323 7 7 经费预算经费预算 2424 8 8 预期提交成果预期提交成果2424 9 9 附件：地热井回灌实验控制方案附件：地热井回灌实验控制方案2525 9.1 客户现状及需求25 9.2 系统解决方案28 1 概况概况 1.1 试验意义 聊城市位于北纬 35473702和东经 11516116 32之间，总面积 8715km2。实验区范围为东昌府辖区内地热开采区， 东昌府位于北纬 36163642和东经 1153911608之 间，总面积 1254 km2。回灌试验初步拟定在东昌府滨河花园地热开采井， 试验位置见图 1。 地热回灌就是把地热废水、常温地下水、地表水甚至污水灌入热储 层中，其目的包括以下几个方面。第一是为了对地热废水进行处理。地 热废水的温度一般高于环境温度，其中通常含有较高的盐份和一些特殊 组分，有些化学组分是有毒有害的。因此，地热废水的直接排放可能对 环境造成热污染和化学污染。第二是为了改善或恢复地热田的产热能力。 地热田中的地热能一部分储存在其中的热流体中，而绝大部分储存在岩 石骨架中。通过把温度较低的水注入热储层中，经过加热后在抽取出来， 就可能提高地热田的利用效率。此外，回灌的目的还在于保持热流体的 压力，维持热田的开采条件。一般来说，由于地热的开发利用，储层的 流体压力会降低，如果开采量过大，使补给和开采失去平衡时，储层的 压力会持续降低，使热田的生产能力降低，甚至丧失生产能力和引起地 面沉降。通过回灌可以维持或恢复储层压力，稳定地热资源的开采条件， 预防地面沉降的发生。在最早的回灌工程中，其目的主要是处理地热废 水，但是后两个方面的目的在近年来得到了越来越高的重视。 目前，国内外地热尾水回灌技术已广泛应用于地热开采，不但减少 图图 1 地热回灌试验区位置图地热回灌试验区位置图 了地表环境污染，真正做到了绿色环保，还循环利用了地热水资源，减 少了地质环境问题。各地的地热回灌也都是在进行地热尾水回灌试验研 究的基础上开展的，因为地热尾水回灌需要掌握当地的回灌地层条件， 了解回灌是可能否淤堵或溶蚀含水地层、回灌的经济可行性、建立回灌 模式等。但是我省的地热回灌工作尚未真正开始，主要原因之一就是缺 少指导性的试验工作和缺少地热回灌的成功模式。为此，聊城市政府、 国土资源局以保护地质环境为大局，以科学合理持续开发地热资源为基 本目的，及时开展地热尾水回灌试验研究工作，将为本区“资源开发与 环境保护并重”的管理工作提供依据。将为全省开展这项工作提供示范。 究其意义主要有以下几点： 1、避免地表环境的热污染和水化学污染； 2、避免因开采地热水引发的地面沉降； 3、减少水头损失，平衡地层压力，保持地热开采条件稳定； 4、增大热储层吸热能力。 把温度较低的水灌入热储层中是一项非常复杂的技术。如果回灌井 的位置过近或回灌量过大，可能引起热储的冷却，降低开采井的出水温 度或产汽量；如果采用的回灌工艺存在问题，回灌井的回灌能力可能逐 渐降低，甚至最后丧失回灌能力。为了研究回灌的效果，还需要对热田 进行全面的监测工作。 1.2 目标、任务 本次地热回灌试验的主要目标： 通过地热地质条件的调查、地热尾水回灌试验、动态监测和综合研 究，提交地热回灌研究报告，为科学合理开采管理地热资源提供依 据。 主要任务： （1）对地热回灌条件进行调查，选定试验场地和井孔； （2）调查不同开发利用形式的生产工艺流程，了解各生产环节的 水温水质变化，合理制定回灌时间和回灌量； （3）施工建设地热回灌试验设施，建设地热尾水集中收集、井口 回灌、回扬等装置； （4）研究回灌方案，编制自动回灌程序软件，进行自动智能回灌 试验，抽水试验，求取地层水文地质参数及其变化，计算回灌影响半径； （5）建设自动化远程监控装置，监测开采回灌过程中水位、水压、 水温、水量变化。对地热原水、尾水、回灌区热水的水质进行动态分析， 掌握动态变化规律； （6）统计计算回灌成本与收益，进行经济分析； （7）进行综合分析研究，得出试验结论，提交地热回灌试验研究 报告。 （8）编制地热回灌技术规范。 开展聊城市地热尾水回灌试验研究，为科学合理开采地热资源提供 依据。 1.3 时间安排 该项目计划 20092010 年内完成，具体时间安排如下 2009 年 1 月3 月份完成资料的收集及设计的编写、审查等； 2009 年 4 月份完成区域地热井调查，回灌井的调查、井的资料的收 集、井的确定等； 2009 年 5 月6 月份完成个月内完成项目的实施方案设计编制、完 善、审定等工作； 2009 年 79 月份完成井口试验装置研制安装调试工作 2009 年 10 月2010 年 3 月份完成回灌试验 2010 年 36 月资料整理、综合分析、工作总结报告编写。 2010 年 610 月编制地热回灌技术规范。 2 区域地质背景区域地质背景 2.1 自然经济地理 聊城市地处经济发达的山东省西北部，位于北纬 354737 02和东经 1151611632之间，南北直距 138 公里，东西直距 114 公里。市境地处黄河冲击平原，除东阿县沿黄河一带有 10 座剥蚀的 残山外，皆为黄河冲积平原。地势自西南向东北逐渐倾斜，莘县西南部 最高，海拔 49 米；高唐县的东北部最低，海拔 27.5 米。由于历史上黄 河多次在聊城改道泛滥，形成了高坡、洼地相间的微地形起伏地貌。 总面积 8715 平方公里，总人口 557.52 万人，人口密度每平方公里 640 人。下辖 126 个乡、镇、办事处，6516 个村委会。2001 年末，全市 企业单位 1219 个，事业单位 1481 个，机关单位 1010 个，全部单位在 岗职工人数为 325020 人。聊城是国家历史文化名城，自然资源与人文 景观相互交融形成了丰富的旅游资源。名胜古迹 2700 多处，有旅游开 发价值的景观有 470 多处。国家级重点文物保护单位 3 处，省级重点保 护单位 15 处，特别是聊城城区独具“江北水城”特色，素有“中国北 方的威尼斯”之称。聊城交通发达，京九铁路、邯济铁路、济馆高速公 路在此交汇，是连接东西南北的重要交通枢纽。聊城铁路编组站是京九 线上的 4 大编组站之一。近年来经济发展较快，地热热开发量逐渐加大。 2.2 气象水文资源 属于暖温带季风气候区，半干燥大陆性气候。气候适宜，光照充足， 全年光照时数在 2463.02741.8 小时之间，全市平均气温 12.8 13.4，全年降水量为 567.7637.3 毫米，年均相对湿度为 5668%， 无霜期 200 天左右，多南风和偏南风。 聊城“江北水城”是长江以北一座独具魅力的北方水城。聊城城市 建成区 43 平方公里，湖河水域面积多达 13 平方公里，占整个城市建成 区的 1/3。全市流域面积在 30 平方公里以上的河流有 23 条，流域面积 在 100 平方公里以上的河流有 3 条。中华母亲河黄河在聊城市境内蜿 蜒 130 多公里；马颊河、徒骇河、渭河、赵王河等市内主要河流纵横交 错，形成了独特的水系。市区内有我国北方最大的城市湖泊东昌湖， 水面总面积近 5 平方公里；著名的京杭大运河自南向北穿越而过，形成 “城在水中，水在城中，城中有湖、湖中有城、城河湖一体”的独特城 市风貌，被誉为“江北水城”。 聊城市资源物产丰富，可利用地表水资源多年平均总量为 454.86 亿立方米，过境黄河水资源 420.3 亿立方米，地下水资源可利用量 9.51 亿立方米。煤、石油、天然气、石灰石、石膏、铁等地下矿藏丰富,地 热资源尚待规模性开发。 2.3 地质构造条件 全市地质构造属华北地台()的一部分，聊考断裂带又将全市分为 2 个二级构造单元，其西部为辽冀台向斜(1)，东部为鲁西台背斜(2)。 辽冀台向斜中有 2 个三级构造单元，即临清坳断区(1)和内黄隆断区 (2)；鲁西台背斜中有 1 个三级构造单元，即茌平坳断区(3）。其次， 自西向东又分 7 个四级构造单元：馆陶凸起区(1)、临清凹陷区(2)、 新集凸起区(3)、莘县凹陷区(4)、桑阿凸起区(5)、阳谷凸起区 (6)、东阿凹陷区(7)。区内分布许多断裂，其走向一般呈北东向。 较大的断裂为聊考大断裂，其次有冠广断裂、冠县断裂、堂邑断裂、聊 城断裂、茌平断裂、东阿断裂、馆陶断裂、马陵断裂，另外还有许多小 断裂。聊考断裂，北自茌平，南至河南兰考，全长 270 公里，市内长度 110 公里，是市内辽冀台向斜与鲁西台背斜的分界线，同时控制着市内 第三系的发育及构造形态的发展。冠广断裂，西自冠县，穿过聊考大断 裂，东至广饶，全长 290 公里，市内长度约 100 公里。该断裂北盘下降， 南盘上升。冠县断裂，北自临清石槽，南至冠县梁堂，与冠广断裂相交， 全长约 60 公里，其北端是临清凹陷与新集凸起的分界线，南端是临清 凹陷与桑阿凸起的分界线。堂邑断裂，自莘县董杜庄向西北延伸，经过 堂邑，至博平与聊考大断裂相交，全长约 73 公里，其南盘为下降盘。 聊城断裂，其东北在聊城交于聊考大断裂，西南在莘县河店交于堂邑断 裂，全长约 40 公里，是北盘为下降盘的断裂。茌平断裂，为东盘下降 的断裂。其北自茌平王老，南至阳谷七级，全市约 55 公里。东阿断裂， 位于市内最东部，是西盘下降的断裂。其北自东阿高集，南至阳谷张秋， 全长约 50 公里。馆陶断裂，位于市内最西部，该断裂将北馆陶构造一 分为二，使断裂带两侧孔店组地层与奥陶纪灰岩接触。马陵断裂呈北西 走向，全长约 15 公里，北东为下降盘。该断裂带是临清凹陷与河南内 黄隆起的分界线，见图 2。 2.4 区域地层条件 自晚第三纪以来普遍接受了上第三系和第四系的沉积，主要为黄河泛滥 冲击物和洪积物，除东阿沿黄河艾山、香山、鱼山、关山一带不足 50 米高的 10 座孤山有古生界奥陶系灰岩出露处，其余均为新生界第四系 所覆盖。第四系厚度一般为 30270 米，以临清、莘县、高唐一带厚度 较大。第四系包括全新统和更新统，更新统又分上、中、下更新统。全 新统主要为冲积物和洪积物，沉积厚度 725 米，广泛分布于全市，主 要为冲击、沼泽项沉积，其上部为土黄色粉质粘土夹粉土，结构松散。 ；更新统主要为河湖相沉积，厚 30260 米，主要为河湖相沉积，岩性 上部为黄色、棕黄色、褐黄色粉土为主，夹有粉砂和粉细砂，结构松散； 下部多为棕黄色、灰绿色棕红色粉质粘土。 第四系以下为上第三系明化镇组和馆陶组，其中明化镇组在聊考大 断裂以西，底板埋深 810870 米，岩性主要为棕红色、棕黄色、棕褐 色粉质粘土和粘土夹粉砂和细砂岩；馆陶组底板埋深 7801490 米左右， 岩性上部以灰白色粉细砂岩及棕红色、灰绿色泥岩为主，中部为泥岩夹 中砂，下部为灰白色中砂岩、中细砂岩及砂砾岩夹棕色泥岩为主。 上第三系以下为下第三系东营组、沙河街组和孔店组。东营组厚度 370M 左右，其上部为棕红、灰绿色泥岩夹灰白、浅灰绿色砂岩和含砾砂 岩，下部为灰白、棕褐灰绿色细砾岩、砂岩夹薄层泥岩。沙河街组上部 图图 2 山东省地质构造纲要图山东省地质构造纲要图 以灰绿色泥岩为主，夹白云质灰岩，下部灰绿色泥岩、灰色页岩、 及砂砾岩，厚度 450 米左右。孔店组上部为棕红色、棕黄色、灰白色砂 岩与紫红色泥岩互层，中部为灰紫色泥岩、砂质泥岩与灰白、深灰、棕 红色砂岩互层，下部为褐、灰绿色泥岩及砂砾岩，该层厚度大于 400 米。 再向下为古生界石炭二迭系、奥陶系、寒武系地层，还有古生界变 质岩。 2.5 区域水文地质条件 聊城市含水地层，其上部主要由黄河沉积而成，下部为河湖相沉积， 总的沉积规律是上部颗粒细，下部颗粒粗。按照地质时代，含水层特点 和地下水水力性质，自上而下分为浅层、中深层、深层三个含水岩组。 (1)(1)浅层含水岩组分布发育规律及其特征浅层含水岩组分布发育规律及其特征 浅层含水岩组埋深在 60 米以内，地下水为潜水微承压水。根据 水化学分带的特点和咸淡水划分标准，确定一个咸淡水分界面，界面以 上为浅层淡水，以下则为浅层咸水。浅层淡水区处于全淡区和三层结构 的最上部，其含水层的发育、分布和埋藏严格受古河道（特别是黄河古 河道）和咸淡水的控制，并由此决定了含水层厚度及富水性。由于淡水 底界面呈波状起伏，因而各地段的含水层厚度及富水性也有差异。按照 淡水底界面、含水层厚度及富水性，又可将浅层淡水区分为浅层淡水丰 富区、浅层淡水较丰富区和浅层淡水贫乏区三部分。 浅层地下水虽然包括潜水和微承压水，但两者之间无良好隔水层， 故水力联系密切。浅层地下水总流向与地形倾斜方向和地表水流向基本 一致，呈北东向，水力坡度 0.11.1。它的运动方向以垂直方向为主， 而水平运动则很缓慢，不明显，只有在东阿和阳谷东南部的山前地带、 河流两侧及人工开采形成降落漏斗的地带才比较明显。浅层地下水补给 来源主要是大气降水和地表水灌溉，补给方式是垂直渗入，排泄则是通 过地表土层以蒸发的方式及通过机井抽吸（开采）地下水的方式进行。 由于浅层地下水的补给是季节性的，所以，渗入补给是断续的，而排泄 （蒸发和开采）则是连续的。又因浅层地下水埋藏较浅，则渗入补给和 排泄途径较短。所以，有补给条件的时候，排和补几乎是连续进行的， 形成就地补，就地排，断续补给，连续排泄，补排连续交替迅速的特征。 (2)(2)深层含水岩组分布发育规律及特征深层含水岩组分布发育规律及特征 深层含水岩组其顶、底板埋深一般在 200380 米，局部地段顶板 埋深 180185 米，含水层厚度 1880 米，岩性为粉砂、细砂、中细砂、 中砂、中粗砂、粗砂及粗砂夹砾石，但以中细砂为主。含水层上下均有 相对稳定的隔水层，其岩性无论是水平上的分布，还是垂向上的埋藏， 均无一定的规律。根据导水系数和水量分为深层淡水丰富区、深层淡水 较丰富区、深层淡水贫乏区。 深层地下水属承压水，在聊城市，其流向大部与浅层地下水的流向 基本一致，水力坡度 0.1左右。其主要补给来源是邻区同层水的迳流 补给，还有适当的越流补给，东南部则是黄河以南山区基岩裂隙水补给。 其运动方式以水平运动为主，但水平的自然径流缓慢，因此补给条件很 差，这就容易造成开采区降落漏斗的形成。在非开采区，深层地下水的 排泄是通过水平径流的方式流入邻区；在开采区则是通过深井开采，以 垂直方向排泄。 (3)(3)中深层含水岩组中深层含水岩组 中深层含水岩组是位于浅层含水岩组和深层含水岩组中间的含水体， 其顶、底板埋深在 60260 米之间。由于受古地理环境的制约，该层地 下水以咸水为主体（部分全淡区除外），矿化度一般 20005000mg/L, 个别高达 17000mg/L。目前，该层地下水尚无利用价值。 2.6 区域地热地质条件 (1)(1)区域地热地质条件区域地热地质条件 根据已开展浅层地热勘察工作，本区地温梯度在 2.73.8/100 米之间,推算 1500 米埋深等深面地温在 5265。地热资源为热水型低 温地热资源,地下热水赋存于新生界、中生界碎屑沉积岩中,属层状孔隙 裂隙型热储。根据热储含水岩系的底板埋深及热储温度,将中生界划 分为五个热储层组：明上段热储层组、明下段热储层组、馆陶组热储层 组、东营组热储层组和沙河街组热储层组。推测热储温度为 2568。 热储含水层岩性为灰白色含砾粗砂岩及砂砾岩,成岩性差,孔隙度大,一 般自在 2430%,具良好储水空间，单井涌水量 100210m3/h。古生代地 层中石炭二迭系中砂岩、砂砾岩也可作为较稳定的热储层。奥陶、寒 武系碳酸盐岩地层，赋存裂隙岩溶水，为较理想的热储层。 (2)(2)地热水化学条件地热水化学条件 本区地下热水来源绝大部分为盆地沉积物形成时保存下来的沉积水 和封存水。馆陶组地下热水温度为 55.556，水中 PH 为 7.83,矿 化度为 4711.84857.5mg/L,水化学类型为 CLNa 型。偏硼酸含量为 6.06.3Omg/L,偏硅酸含量 36.1342.41mg/L,均达到 GB1161589 附 录 C 中医疗热矿水水质标准规定的浓度值,氟含 1.081.40mg/L,达 到有医疗价值浓度。此外,水中还含有锶、锂、碘、溴、铁、锰等对人 体健康有益的微量元素,具有较高的医疗价值和保健作用,可做为洗浴、 浴疗矿水,长期洗浴可改善人体环境,增强体质,有益健康。 3 以往地热及回灌工作研究程度及现状以往地热及回灌工作研究程度及现状 3.1 地热地质工作研究程度 以往聊城市辖域内做过的地质、水文、地热地质工作较多，以下为 主要工作。 （1）上世纪 80 年代，山东地矿局水文二队提交的鲁北地区农田 供水报告及附件，系统性分析研究了鲁北地区浅层供水水文地质条件， 相对划分了浅、中、深含水层。 （2）上世纪 80 年代，山东省地质矿产局地质科学研究所提交的前 晚第三系地质图及说明书，基本阐明了山东省大地构造情况，圈定了晚 第三系以来地层厚度。 （3）1987 年地矿部 562 综合地质队提交的华北平原北部地温场 及地热资源研究报告，首次全区与研究了华北地温场形态和特征，初 步估算了地热资源赋存情况，为进一步勘探提供了依据。 （4）聊城市地质环境监测站历次提交的 5 年地质环境监测报告， 系统性连续性开展了地下水、地热水动态监测，科学客观的评价了地下 水环境。 （5）高唐幅 J50271/20 万综合水文地质图图幅说明书，详细 说明了该地区浅层地下水资源分布及有关地质环境问题。 （6）山东省地热资源开发利用调查报告，系统性调查了全省 地热资源勘探开发利用现状，划分了地热资源分区，初步估算了地热资 源储量。 （7）无组织零散施工地热生产井 20 眼，大多不取岩芯，靠岩屑录 井和物探测井曲线，编制地层资料，有粗略的抽水试验资料，动态监测 资料稀疏。 3.2 地热资源开发利用管理现状 前期勘察资料表明，聊城市地热资源面积约为：1806.21 平方公里。 全市有 20 眼地热井，主要分布在聊城城区周围、高唐、临清、冠县等 区域，其中城区范围内已有 13 眼，最深的是临清市颐清苑地热井 1860 米，井口温度 67；中深度的是聊城市城区星光房地产开发公司地热井， 井深 1619 米，井口温度 57；较浅的是聊城开发区图腾房地产开发公 司单官屯地热井，井深 1030 米，井口温度 54。多数为房地产开发公 司、大学、宾馆饭店等企事业单位，主要用于住宅小区供热、洗澡、游 泳等。由于历史遗留等多种因素，聊城城区内地热井分布密度大，井距 近，有待进一步加强科学的管理和规划。 目前，聊城市对 20 眼地热井加强办证力度，已办理 9 个采矿许可 证，其余正在办理之中。聊城市已制定了聊城市矿产资源总体规划 和聊城市地热资源管理办法，对地热资源管理加大了依法管理的力 度。最近聊城市城区地热资源勘查规划和地热资源收费暂行办法 ，山东省地质环境总站研发的“聊城市地热资源开发自动化远程监控管 理系统”运行正常，成套的管理制度和规定，对科学规范的综合开发利 用地热资源起到一定的保障作用，地热资源综合开发利用前景广阔。 3.3 国内外地热回灌研究工作程度及现状 在地热资源开发初期，由于人们认识不够，开采手段不完善，一般 未能制定科学合理的开发方案，致使地热田过量开采，热储水位下降迅 速，地热资源严重浪费。为有效控制水位下降，保护地热资源，地热回 灌技术应运而生。 地热回灌是将地热水利用后的尾水回灌到地下某层位中，作为避免 地热废水直接排放引起的热污染和化学污染的重要措施，在地热开采过 程中对减少水头损失，维持地层压力平衡，保持地热田的开采技术条件 稳定和延长地热田寿命具有重要的作用。目前，回灌技术已在世界范围 内推广应用，美国、新西兰、冰岛、意大利、法国、日本、罗马尼亚、 丹麦、菲律宾和萨尔瓦多等十多个国家得到了广泛利用。在国内，北京、 天津的地热回灌也已经有了良好的开端，并获得良好效果。回灌是地热 开发中较为复杂的一项技。为了避免因回灌一起资源破坏和不良地质环 境问题，需要进行回灌试验和长期监测工作，以此指导地热回灌工作。 资料表明，目前裂隙岩溶水型热储层中和孔隙裂隙水型热储层中均 可回灌，按照回灌的相对热储层位不同可划分为同层回灌和异层回灌， 按照回灌模式有：同层对井回灌、异层对井回灌与同层两采一灌。选择 回灌类型的原则是能进行同层回灌的则进行同层回灌，在无条件进行同 层回灌时，则进行异层回灌。因为异层回灌时，回灌水流经不同类型的 热储层会使水质发生改变，可能造成水源污染。 从 2001 年开始，北京地热研究所在小汤山电信疗养院进行地热回灌 试验，2002 年到现在，小汤山地热回灌项目已经扩展到六个单位，回灌 热水总量达到 150 万吨。经过三年的回灌，小汤山热田地热水位下降幅 度逐渐变小，甚至还出现回升，解决了该区热储压力持续下降的难题。 图 3 和照片 1、照片 2 为在北京小汤山热田内展开的地热回灌试验。 照片照片 1 现代农业科技示范园地热回灌井口装置现代农业科技示范园地热回灌井口装置 天津的地热资源回灌研究始于 1982 年在大港区利用原有地热井在 新近系明化镇组热储层进行过专门回灌试验探索，此后各地热田均进行 地不同方式的回灌研究。天津地热院、天津大学地热中心和塘沽区地热 中心有关专家和技术人员，从回灌井成井工艺、回灌井地面系统工艺和 生产性回灌试验三个方面进行认真地研究和总结，就新近系孔隙型热储 层回灌进行了深入细致的试验工作。截至 2007 年 11 月，天津地区已开 凿地热回灌井 41 眼，累计总回灌量已达 1600 多万立方米，回灌井最深 已达 3500 多米，走在了全国前列。为实施该工程，本市出台了地热矿 产资源补偿费收费标准，并将制定相应的鼓励政策。企业自行投资补建 回灌井设施的，将享受减收矿产资源补偿费的政策；对由于历史原因、 场地条件等情况无法实施回灌的，将及时对其进行技术、工艺等方面的 更新、改造，从而提高供热系统利用率，减少开采量。 照片照片 2 电信疗养院利用地热供暖回水的回灌试验电信疗养院利用地热供暖回水的回灌试验 山东省德州市近年来也开展了相应的研究工作，但到目前为止尚无 试验结果。 4 地热资源特征地热资源特征 4.1 地热井所处构造部位 滨河花园地热井所在位置在大地构造单元上处于华北地台(级)、 鲁西台背斜(级)、茌平拗断(级)、阳谷凸起(级)区内，其基本处于 临清拗陷和鲁西隆起的交界部位(见图 4)。 图图 4 地质构造图地质构造图 聊考断裂位于区域西部，走向 N3010E，倾向 NW，倾角 4070，为西盘下降东盘上升的正断层，落差 30007500m。断层两 侧新生界（Q+N）厚度相差 5001000m。重力、磁性、地震异常反映 明显。该断层的规模及活动时间长，在三叠纪就已存在，侏罗纪早第 三系时其活动强烈，晚第三纪第四纪亦有轻微活动。有史以来，曾多 次发生地震，它是鲁西隆起和临清拗陷的分界断裂，对东明凹陷、莘县 凹陷起着控制作用。滨河花园地热井处于聊考断裂的上盘，该断裂的分 布与存在可能构成了地下热水的良好通道。 4.2 地层特征 本区位于茌平拗断区的次级构造单元阳谷凸起之内，基底为奥陶系 灰岩，与上覆新生界古近系地层呈不整合接触。自奥陶纪以来，直至三 叠纪，以上升隆起为构造运动主旋律，因此绝大部分地层缺失，特别是 在聊城经济技术开发区一带，早第三系直接掩覆于奥陶系灰岩之上。现 就新生代地层由老至新简述如下： (1)新近系馆陶组(Ng) 上部为棕红色、浅灰色泥岩夹灰白色砂岩及砂砾岩；中部为灰绿色、 灰白色砂 岩、细砾岩夹棕红色、灰绿色泥岩；下部为灰白色、棕褐色、灰绿色细 砂岩、砾状砂岩夹薄层泥岩；底部为灰白色细砂岩。与下伏沙河街组呈 不整合接触。底板埋深 13001400m，厚度 400480m。 (2)新近系明化镇组(Nm) 上部为灰白色砂岩和灰绿色、棕红色泥岩互层，压性结构面发育； 下部为棕红色、灰绿色泥岩、砂质泥岩夹灰绿色粉砂岩。底板埋深 900920m，厚度 730750m。 (3)第四系平原组(Q) 上部以浅黄色冲击相粉质粘土、粘土及粉细砂为主；中部为冲击相 和湖积相，以棕黄色和棕红色粉质粘土为主，夹薄层粘土及粉细砂层； 下部以砂质粘土为主，结构致密，含钙质结核。底板埋深 150190m， 层厚 150190m。 4.4 试验井概况 （1）钻孔工艺）钻孔工艺 该地区地层为第四系松散层及新近系砂页岩地层，故以地层段确定 施工工艺。 开孔采用 394mm 喷射式三牙轮钻头全面钻进，钻铤孔底加压， 钻进至 1300m，改换 550 六翼钻头扩孔至 260m。其他技术参数为： 钻压 57T，转速 48110r/min,泵量 9001200L/min，深误差小于 1/%。 开钻前配置泥浆 1520m3。将粘土粉和清水混合搅拌，并加入纯碱 （纯碱量为粘土粉重量的 4%）和处理剂（CMC）控止失水。泥浆主要 性能指标为：比重 1.101.15；粘度 2022S；失水量小于 15ml/30min；PH 值 89；抗温性 70左右；胶体率大于 97%。 成井工艺流程： 钻进钻进技术物探测井通孔顺孔破壁打通水路冲孔换 浆下管再次冲孔换浆填砾料止水固井洗井抽水试验。 （2）成井结构）成井结构 固井深度 100m，固井材料采用 0.520mm 碎石子，围填固井。 井壁管 0.00240m 井壁管规格为 273mm7mm 的石油套管； 240m 以下井壁管的规格皆为 159mm6mm 的石油套管。 滤水管采用新式钢质镀锌梯形丝滤水管，其规格为 159mm6mm。滤水管总长度 127.70m。 止水方法为粘土球法，自 100m 下，向井壁投入优质干粘土球进行 止水，止水位置为 100955 m 。955m 至井底填砾砂，围填厚度大于 120mm。其井结构详见图5。 图图 5 5 滨河花园地热井钻孔柱状图滨河花园地热井钻孔柱状图 4.4 热储层组划分及其水文地质特征 （1）热储层组划分）热储层组划分 据滨河花园地热井所揭露地层的埋深、岩性、结构、地温等，结合 区域地热水文地质资料，可滨河花园地热井热储层划分为：新近系明化 镇组热储层组、馆陶组热储层组。其中新近系馆陶组热储层组是本次主 要勘探目的层。 （2）热储层的水文地质特征）热储层的水文地质特征 明化镇组热储层组 顶板埋深 150m，底板埋深 920m，厚度 770m，热储层含水层厚度 较薄，最大单层厚度小于 11m，热储含水层岩性以细砂岩和粉砂岩为主。 据区域水文地质资料，单井涌水量小于 1000m3/d，地下水现状承压水头 埋深一般 40m 左右。 馆陶组热储层组 是本次勘探的主要目的层，顶板埋深 920m，底板埋深 1300m，厚 度 380m。热储含水层累计厚度大于 100m，单层厚度多在 3.0019.0m 之间。热储含水层岩性为灰白色细砂岩和砾状砂岩，垂向上呈上细下粗 的正旋回沉积，底砾岩明显，砾石成分以砾石和燧石为主，呈次棱角状， 砾石直径 110mm 不等，呈疏松状。该热储含水层孔隙在 25%左右， 具有良好的储水空间。在取水段 9571278 m 区间内，共利用含水厚度 132.2m，单井出水量 56 m3/h，热水矿化度 9638.30 mg/l，水化学类型为 SO4ClNa 型，井口水温 51。承压水静止水位埋深 46m。 4.5 地热水水质分析成果 （1）物理性质）物理性质 滨河花园地热井水中由于铁离子含量较高，含量 251.2252.0mg/l， 该热水放置一段时间后呈微黄色，肉眼可见红色沉淀，色度 5 度，浑浊度 150160NTU，无臭，口感咸，井口水温51。 （2）水化学特征）水化学特征 该地热水的矿化度为 9646.099663.51mg/l，总硬度 1579.371599.97mg/l(以 CaCO3计)，pH 值 4.254.74。水中阴离子以 SO42-、Cl-为主，SO42-含量为 1333.061421.93mg/l，Cl-含量为 4599.364631.41mg/l。阳离子以 Na+离子为主，含量为 2996.003042.00mg/l，其次为 Ca2+离子，含量为 505.20514.00mg/l。地 下热水的水化学类型为 SO4ClNa 型。 4.6 地热资源类型 该地热井所揭露的地层为新生界第四系松散沉积物、新近系明化镇 组和馆陶组陆相碎屑沉积岩。地热资源主要赋存在新近系馆陶组层状砂 岩、砂砾岩、含砾砂岩的孔隙裂隙中，热储类型为层状孔隙裂隙型， 地表无热流显示，地热资源类型属热传导型；热水水温 51，根据地热 资源温度分级标准，为温热水型的低温地热资源。 4.7 地热回灌条件分析 该组热水井热储层为馆陶组，地层渗透系数一般满足回灌要求；目 前水温 51，回灌后的水温只要不低于 40，不影响直接供热，该住 宅小区建有热泵换能站，回灌后温度再低一些，也不会失去供暖价值； 水中阳离子以 Na+为主，Ca2+离子次之，采取回灌除污后回灌是可行。 地热井为 2008 年施工完成，成井结构、取水设备等情况在经探查完好 后，适宜回灌。 5 回灌实施方案回灌实施方案 5.1 技术路线 首先，广泛收集、分析、整理资料，确定研究思路。然后，组织对 地热地质和开发利用情况的调查，考察学习其它成功地热回灌地经验、 做法，研究地热回灌的可行性。依据上两步工作认真编制地热回灌试验 设计。依据通过的设计实施地热回灌井、回灌装置、监测设施的建设。 回灌设施验收后开始回灌试验工作，在回灌试验过程中和过程后进行地 热水水位、水质、水温、水量的动态监测。对发生的成本和经济环境收 益进行统计，做出客观的经济分析。对以上工作进行综合研究，编制地 热回灌试验研究报告。 5.2 技术方法 （1 1）地热地质条件调查研究）地热地质条件调查研究 在广泛收集已有地质、水文地质、地热地质、地热井等有关地质资 料的基础上，深入现场调查了解热储层位、开采情况、开发利用工艺流 程、水化学成分及其前后变化、地热尾水排放温度、水量、时间等情况。 诸点登记造册。经初步研究，确定最为理想的实验场地为滨河花园 1#、2井进行回灌试验。 （2 2）地热回灌井调查、测深）地热回灌井调查、测深 回灌前，要对两眼地热井进行调查，应对钻孔结构、成井结构、地 层结构参数、过滤器设置、单井出水能力、现井深、开采情况、水位埋 深、井管破损情况、成井原始资料等基本情况进行调查了解。 （3 3）回灌试验时间选择）回灌试验时间选择 回灌选在 2009 年冬季采暖期进行。回灌时间大约 5 个月。 （4 4）回灌装置建设）回灌装置建设 回灌设施包括回灌井、开采井和回灌管路，回灌管路主要包括输水 管路、进水管路、排水管路(回扬)等见图 6。需要配备设备见表 1。 （5 5）回灌试验与抽水试验）回灌试验与抽水试验 设备安装及密封检查 表 1 回灌所需主要设备 序号设备规格型号单位数量 费用 （元） 备注 1 井管座个 210000 定制、加工 2 潜水泵 2000JR50-78/6 台 250000 含泵管（150m） 3 除污器 DN200 个 15000 回灌水除污 4 加压泵 （箮道泵） 扬程 60m台 15000 对回灌水进行加压 5 自控阀个 618000 其中单流阀 1 个 6 水管4 寸 m30030000 输水管、 排水管各 150m 7 热水电缆 25mm2m18014400 8 启动器个 1500 9 其他密封圈、法兰盘等个若干 2000 合计 134900 按照图 6 所示安装好各项设备，要求对泵座轴、控制阀门轴、泵管 接头和真空压表管路接头等部位进行密封，防治空气进入。用拉真空的 方法观察和检查管路的密封效果，判别方法是在 8h 内真空度如能保持 在 700500mmHg 之间，可认为井的密封效果良好；若真空度小于 500mmHg，则说明有漏气现象.应检查漏气部位的密封情况。 抽水试验 回灌前，应对回灌井进行两次降深的稳定流抽水试验，以求取热储 含水层的渗透系数等水文地质参数。以及采集回灌前地热水质分析样， 图图 6 6 回灌管路示意图回灌管路示意图 并且测量地热水水温、水位。具体要求按稳定流抽水试验有关规范要求 进行。 回灌前准备 a 检查电源起动设备和各阀门的开关状态。 b.通过抽水试验，记录回灌前地热水静动水位、单位出水量、回灌 水及地热水水温等原始参数。 c.记录进水表和出水表的起始读数。 d.采取回灌水源，开采井试验前水质分析样。 回灌操作程序 a.关进水阀和回流阀，开控制阀、单流阀及放气阀，然后停 1020 分钟测静水位。 b.合电闸、开泵回扬，至水扬清后，测动水位。 c.拉真空，拉开电闸停泵，关单流阀和控制阀。 d.开足水源阀和进水阀，缓开控制阀。 e.待回灌水从放气阀溢出后，再关紧放气阀，开回流阀。 f.调节压力和回流量，按要求记录回灌水量、水温及压力。 g.开启加压泵进行加压回灌。 观测与记录 a.试验前和试验结后进行回灌井井内温度测量，测量采用 JW1 高 精度井温仪，井内测量点距取 5 米，热储层和取水段加密测量。 b.在每次回扬过程中，以及回扬后继续回灌初期，要求每 5 分钟记 录 1 次压力表、温度计、进水表及出水表读数，待回灌压力及回灌水量 基本稳定后，每半小时记录 1 次。 c.因回扬及其他原因停灌后，应及时测量回灌井水位，回扬过程中 记录回灌井动水位、水温及出水表读数。 d.在回灌期间，每半小时记录 1 次开采井（1井）的水温、水量、 水位。 e.回灌结束后，应继续对回灌井水位，开采井水温、水量进行监测， 直至回灌井水位稳定为止。 交替采灌 通产情况下，应定期回扬，使回灌水渗透畅通，避免造成热储含水 层堵塞而影响回灌。连续回灌 24 小时，回扬 2-3 次，若发生堵塞现象， 应增加回扬次数。每次回扬直到把浑水抽清为止（浊度不大于 10）。 回灌工作量大，难以控制，效果差。为解决该问题，结合本次实验 特点及现今科技发展条件，采用交替采灌回灌法，即两眼井交替抽水、 交替回灌，互为采灌井，交替时间为一个供水年，具体见采灌程序部分。 回灌井堵塞及处理方法 a.进行管井回灌时，经常会发生回灌井堵塞现象，在回灌过程中， 若回灌水位突然上升或连续上升；回扬时的动水位突然下降或连续下降， 不能稳定在某一标高，则说明回灌井已被逐渐堵塞。遇到这种情况，应 停灌查明原因，以便采取措施。 b.回灌井的堵塞现象，在初期以物理堵塞（气相、悬浮物堵塞）为 主；在中期以化学沉淀堵塞（铁质、钙质盐类沉淀堵塞）为主；在后期 以生化堵塞（铁细菌、硫酸盐还原菌、排硫杆菌、脱氮硫杆菌等生化作 用而产生堵塞）为主。 c.根据井的堵塞性质和原因，可采用连续回扬法、化学法和灭菌法 等处理方法。 为了消除堵塞、保证回灌井正常灌水，必须定期进行回扬清洗，一 般每日回扬 23 次，如果井下有堵塞，则要加密回扬次数，回扬时间 以抽完浑浊水后出清水、井的单位开采量和动水位恢复为限，在回扬过 程中需按时观测井的回扬量与静、动水位。 化学处理：如果滤水管沉淀物是 CaCO3或 Fe(OH)3，已与砂胶合成 Ca 质或 Fe 质结垢，在滤水管上形成坚硬的水垢时，一般可用 HCl（浓 度 10%，加酸洗抗蚀剂）处理，但在用处理之前，必须掌握井管口径、 深度、材料、静动水位等资料。铁细菌堵塞的防治措施，一般在水中加 药杀菌或提高 PH 值（加石灰），使之变为碱性水，以抑制铁细菌的生 长。通常在回灌水中，定时定量添加漂白精，与水一起灌入井内，能有 效地杀死铁细菌。 d.防止堵塞的方法 为防止发生各种堵塞现象，在回灌过程中应做好以下各项工作：保 持回灌水体的清洁，无沉淀物、污染物；坚持定时回扬，每次回扬必须 把浑水抽清，掌握好回扬次数和时间；经常检查回灌装置的密封效果， 如发现漏气，须及时处理；为防止污水倒流入井内，避免空气混入，提 高密封效果，在回扬水管路安装单流阀或“U”形管，或把扬水管出口 没入水中，形成水封；掌握好回灌量和地下水位的动态变化，及时检查 有无堵塞现象；回扬时，若发现物理、化学沉淀堵塞时，需立即停灌， 采取适当的处理措施。 水样采集与测试 在回灌试验前采取开采井、回灌井水质全分析样与微量元素分析样 各 1 件，在试验中采取开采井、回灌井水质全分析样与微量元素分析样 各 2 件，试验结束，采取开采井、回灌井水质全分析与微量元素分析样 各 1 件，以对比分析回灌前后地热水水质变化规律。水样采集、保存、 测试按有关规范要求进行。 研究不同回灌水头时回灌井的回灌能力，应进行梯级回灌。和多落 程抽水试验相似，将回灌过程分为几个阶段，每个阶段的回灌量保持相 对稳定，而各阶段的回灌量要有所差别。 (6)(6)动态监测动态监测 在试验开始之前和试验过程中应对 1井的开采量、水位、出水温 度和化学成分进行监测，并对 2井的回灌量、水位和回灌水温度进行 监测，还要对周围的地热井的水位和开采量按期进行监测。监测的频率 为 5 次/月，需要时可增加监测次数。 在试验过程中，采用山东省地质环境监测总站自行研发的，国内外 先进的地热资源开采自动化远程监控系统，实施对水文、水压、水位、 水量、时间的监测。在原地热资源开采监控系统基础上研发地热回灌监 控系统，实施智能化回灌、回扬的控制、回灌的监测。 (6)(6)经济分析及综合研究经济分析及综合研究 在试验的基础上，进行单井回灌工程建设投资、运行成本统计，与 收益，和取得的环境效益、资源稳定开采效益分析对比，得出科学合理 的经济分析结论，指导地热回灌工作。 将以上工作取得的数据、方法、经验，进行综合分研究，编制试验 研究报告。 6 主要实物工作量主要实物工作量 根据整体目的任务，主要实物工作量如表 3。 表表 3 3 聊城市地热回灌工作量投入表聊城市地热回灌工作量投入表 序号工作项目单位工作量备注 1 地热地质电测井 m900 2 水质化验分析件 24 源水、尾水、回水 3 地热回灌条件调查点 20 现有 20 井 4 地热回灌设施建设套 1 见表 1 5 回灌试验台班 360 6 自动远程监控系统套 1 7 动态自动远程监控套 2 开采回灌各一套 7 经费预算经费预算 本概算主要依据山东省国土资源厅、山东省财政厅联合下发“关于 印发山东省地质勘察费用定额标准（试行）”、并参照中国地质环 境监测院地质环境监测预报费用标准（草案）（2003 年 11 月）预 算。标准中查不到的，据工作实际消耗费用和市场价格测算确定。见项 目设计预算表。 经预算聊城市地热回灌试验工作费用为 4949 万元，具体如表 4。 表表 4 4 聊城地热回灌工作费用预算方案聊城地热回灌工作费用预算方案 工作类型项目内容费用（万元）分类费用 回灌条件调查 地热地质条件、地热开采井 现状、回灌条件研究 2 回灌设计编制 技术方案、费用预算、审查 审批 2 综合研究 回灌试验总结、分项试验结 论、原始记录研究 2 水质监控针对性水质分期化验分析 3 报告编制文字报告编写 3 回灌研究 回灌规程编制生产回灌规程研究编写 2 14 回灌设备器材 购置 回灌泵、管道、控制阀门、 开关等 13.49 安装土建、设备安装、调试 2.51 自动回灌试验技术试验、记录、问题处置 2 监控设施购置 安装 水位、温度、开采回灌量计 量设备采集、集成、安装 4 回灌设备 及试验 回灌监控软件 编制 监控数据采集、控制程序编 制、回灌程序编制 4 26 井孔场地地热开采井、场馆占用等 3 电费试验用电 4 回灌井 监控值班费试验值守值班 2 9 合计 49 49 8 预期提交成果预期提交成果 （1）聊城市地热回灌试验报告书一本 （2）回灌实际材料图、抽水试验图表等一套 （3）回灌实验监控设施一套 （4）地热回灌技术规范一个 9 附件：地热井回灌实验控制方案附件：地热井回灌实验控制方案 9.1 客户现状及需求 为了更好的利用地热资源，节省水资源，计划在全省范围内要求地 热水回灌地下水。为了掌握回灌技术的第一手资料，计划在聊城市水利 局所属滨河花园小区供热站做地热水回灌实验，得出回灌对地下水位、 水温的影响；从而制定出地热资源的使用政策。 （1）小区供热站现状）小区供热站现状 1、换热站在小区内，两口地热井为换热站供热水，一号泵 50kW， 流量 Q=60 立方米/小时，扬程 H=180 米；二号泵 45Kw，流量 Q=60 立方 米/小时，扬程 H=150 米。井与换热站的直线距离 200 米，管道距离 400 米，井与换热站之间单管道连接，地热水泵的启动柜安装在换热站，采 用自藕降压启动方式。设备分布如附图 1、附图 2。 换热站 井 1井 2 200m 200m 附图 1 热源井、换热站方位图 除 沙 区 换热区 小区供热区电加热补偿区 排污区 智能 控制室 水泵控制室 进水 排水 附图 2 换热站内设备布置示意图 2、目前，换热站将尾水直接排到小区下水道；将来有计划将尾水 供给洗娱中心等特殊用水企业。 3、两口地热井周围均有建筑物为其提供 AC220V 供电。 4、换热站进出水口图如下：进水管两个，直径 125mm；回水管一个， 直径 200mm。回水管距离电气控制室 10m。 5、地热井内管道走向示意图如下： （2）具体需求）具体需求 1、目前，有两口地热井为换热站供热水，要求一口井供水时，换 热后的尾水回灌到另一口井,两口井同时供水时，换热后的尾水才排放 到下水道。 2、回灌过程自动控制，在山东省地质环境监测总站可远程监控。 3、远程监测地热井水位、水温、出水流量、回灌流量、回灌温度。 4、可就地/远程开闭回灌管道上阀门，现装阀门均为手动碟阀。在 回水管上加装一台注水泵，可就地/远程控制注水泵的启停。 5、可以远程启停地热井水泵。供暖期间，重点监测地热井水泵的 工作状态。 6、在