回灌是保障水熱型地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，影響回灌的因素有多種，包括地質(zhì)條件（裂隙通道、地下水運(yùn)移通道順暢程度等）、地?zé)崴?/a>水質(zhì)、回灌井成井工藝、井管腐蝕結(jié)垢、回灌堵塞（物理、化學(xué)、微生物、氣體）等。

1 地質(zhì)及地?zé)峄毓?/a>概況

蘭考縣位于河南省東北部，是國(guó)家能源局批復(fù)的全國(guó)首個(gè)農(nóng)村能源革命試點(diǎn)建設(shè)示范縣，也是河南省地?zé)崮芮鍧嵐┡?/a>規(guī)?；迷圏c(diǎn)地區(qū)之一。蘭考地區(qū)主要斷裂為新鄉(xiāng)—商丘大斷裂（F3）、聊蘭斷裂的次級(jí)斷裂（F6）及推測(cè)斷層（F7、F8）（如圖1）。自2000年起，蘭考地區(qū)早期建設(shè)的井深1000m左右、以洗浴為主要用途的地?zé)峋?/a>逐步關(guān)停[中深層水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)深度為1500～2200 m，主要利用新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層，熱儲(chǔ)巖性上部為淺棕色砂礫巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層，下部為雜色砂礫巖與棕紅色泥巖呈不等厚互層含水層。井口出水溫70℃左右，水量一般為80～120 m3/h，主要用途為地?zé)峁┡?/a>。

根據(jù)資料收集和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，蘭考地?zé)峁┡?/a>項(xiàng)目中抽水井與回灌井的比例一般為1∶1、1∶2或1∶3，地?zé)?/a>供暖項(xiàng)目開采井與回灌井深度基本相同，滿足同層回灌的要求[熱儲(chǔ)地?zé)峋?/a>單井回灌量20～115 m3/h不等。位于F6斷裂東側(cè)與F3斷裂結(jié)合處附近的地?zé)?/a>供暖系統(tǒng)，開采井及回灌井都位于F6斷裂東側(cè)即下盤位置，在自然回灌條件下，回灌效果不理想；位于F6斷層西側(cè)即上盤位置的地?zé)?/a>供暖項(xiàng)目回灌效果較好，有實(shí)例表明，此區(qū)域內(nèi)單井回灌量達(dá)114.8m3/h，加壓回灌量可達(dá)到170 m3/h。

 圖1 蘭考城區(qū)主要斷裂分布

2 回灌影響因素分析

2.1 流體特征及化學(xué)沉淀

根據(jù)蘭考地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取樣化驗(yàn)和以往收集到的地?zé)崴?/a>水質(zhì)分析結(jié)果，該地區(qū)地?zé)崴?/a>化學(xué)類型分別為：新近系明化鎮(zhèn)組上部（約300～800 m）以HCO3·ClNa型為主；新近系明化鎮(zhèn)組下部（約800～1300 m）以HCO3·Cl-Na型為主，還有少數(shù)HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系館陶組（約1300～2200 m）以Cl-Na型為主。通過對(duì)23組地表水、淺層地下水及地?zé)崴?/a>水質(zhì)的匯總分析，主要指標(biāo)的垂向水化學(xué)類型特征變化趨勢(shì)為（圖2）：隨埋深增加，Cl-、Na+、溶解性總固體TDS呈增大趨勢(shì)，2000 m以深處呈小幅波動(dòng)狀態(tài)；Ca2+、Mg2+含量先降低后增加，2000 m以深小幅波動(dòng)；微量元素F-的含量淺層地下水含量較高，隨深度增加呈降低趨勢(shì)。

根據(jù)地下水中化學(xué)平衡反應(yīng)的質(zhì)量作用定律和質(zhì)量守恒原理，運(yùn)用PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，對(duì)于館陶組的回灌水源能采用的有地表水、淺層水、明化鎮(zhèn)組上部、明化鎮(zhèn)組下部和館陶組同層水源，選取的“可能礦物相”，計(jì)算各水樣點(diǎn)礦物的飽和指數(shù)及淺層地下水到深層地?zé)崴?/a>路徑上礦物（氣體）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趨勢(shì)，選擇石英、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、鈣蒙脫石、方解石、白云石、石膏、螢石、巖鹽、高嶺石和伊利石為水文地球化學(xué)反應(yīng)可能的礦物相。在不考慮不同含水層相互污染的情況下，計(jì)算采用不同回灌水源混合后，回灌地層中主要礦物成分的飽和指數(shù)SI。飽和指數(shù)是水文地球化學(xué)研究中應(yīng)用最多的一個(gè)指標(biāo)，它研究的是礦物在地下水的飽和狀態(tài)。飽和指數(shù)反應(yīng)了礦物組分與地下水之間的相對(duì)狀態(tài)，即地下水化學(xué)組分溶解-沉淀的趨勢(shì)以及內(nèi)在的水動(dòng)力和化學(xué)條件。當(dāng)SI=0時(shí)，礦物在水溶液中處于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI<0時(shí)，表明礦物在水溶液中未達(dá)到飽和狀態(tài)；當(dāng)SI>0時(shí)，表示該礦物相對(duì)水溶液處于飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生沉淀。

圖2 蘭考地區(qū)地?zé)崃黧w主要組分含量

3 提高地?zé)峄毓?/a>效果的對(duì)策

鑒于蘭考地區(qū)地?zé)?/a>水水質(zhì)Cl-、溶解性總固體含量高的特點(diǎn)，隨著地?zé)峄毓?/a>井使用時(shí)間的增加，井管內(nèi)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象有極大可能會(huì)對(duì)回灌產(chǎn)生影響。結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用情況、地?zé)崴|(zhì)的分析以及室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓?/a>效果可從以下幾個(gè)方面著手。

3.1 地?zé)崴奶幚?/strong>

通過PHREEQC軟件模擬，蘭考地區(qū)明化鎮(zhèn)組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是白云石和方解石；館陶組地?zé)崴赡馨l(fā)生化學(xué)沉淀堵塞的礦物是云母、白云石、方解石、高嶺石和石英。通過室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)中沉淀物的XRD衍射分析，不同溫度條件下，主要腐蝕沉淀產(chǎn)物包括鐵化物、NaCl、Ca?CO3、CaSi2O7F2、CaPO3(OH）·2H2O中的一種或幾種。建議蘭考地區(qū)地?zé)崴毓?/a>前過濾沉淀物、堵塞物，針對(duì)上述化學(xué)沉淀或腐蝕沉淀產(chǎn)物選擇環(huán)保型的阻垢劑、除垢劑等，有效去除井管材料的腐蝕產(chǎn)物，降低化學(xué)沉淀堵塞的發(fā)生，提高回灌效率。

3.2 井管材料選擇

與其他地區(qū)地?zé)崴|(zhì)相比，蘭考地區(qū)水質(zhì)Cl-、溶解性總固體、Na+含量高，屬于鹽水，具有較高的腐蝕性。耐腐蝕是該地區(qū)井管材料選擇的重點(diǎn)之一，建議選擇耐腐蝕、耐高溫的管材，就目前的主流成井管材，推薦使用J55石油套管，不宜使用螺旋鋼管、無(wú)縫鋼管作為成井管材。考慮電偶腐蝕作用，并結(jié)合本次蘭考地?zé)崴g觀察實(shí)驗(yàn)中，鐵片上捆綁不銹鋼鐵絲時(shí)其鐵片的腐蝕速率均高于或基本相當(dāng)于鐵片上捆綁普通鐵絲，盡量避免使用不同材質(zhì)或材質(zhì)差別過大的井管和過濾管作為成井材料，否則易形成局部電勢(shì)差，加快電偶腐蝕。

3.3 優(yōu)化鉆井與成井工藝

蘭考地區(qū)地?zé)?a href="http://www.622810.cn/t/供暖.html" >供暖發(fā)展較快，在地?zé)徙@井之前應(yīng)做好當(dāng)?shù)?a href="http://www.622810.cn/t/水文地質(zhì).html" >水文地質(zhì)、地?zé)峋?/a>現(xiàn)狀的技術(shù)資料收集，吸取此前地?zé)峋?/a>建井過程的經(jīng)驗(yàn)，掌握更為詳盡的區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料。采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝時(shí)，建議結(jié)合蘭考地區(qū)使用膨潤(rùn)土鉆井液體系鉆進(jìn)時(shí)在1200 m處發(fā)生粘附卡鉆事故及其處理經(jīng)驗(yàn)，提前做好預(yù)案，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系。目前，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在河南、北京、遼寧、貴州、天津等地區(qū)的地?zé)峋?a href="http://www.622810.cn/t/鉆井.html" >鉆井中都有成功應(yīng)用，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝較鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝具有更強(qiáng)的攜帶巖屑能力，對(duì)孔壁的堵塞作用小，有助于提高回灌效率。石油鉆井工藝的理念是利用大泵量、高壓力、適當(dāng)?shù)沫h(huán)空間隙，使巖石呈體積破碎并以較高的速度上返，避免巖屑重復(fù)破碎、保持井底干凈，實(shí)現(xiàn)高效率的鉆井的目的。在鉆井工藝優(yōu)化方面，建議探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝在該地區(qū)地?zé)徙@井中的應(yīng)用。

地?zé)峋?a href="http://www.622810.cn/t/成井.html" >成井目的層井徑、礫料類型和填充厚度、洗井是否充分等均會(huì)對(duì)回灌產(chǎn)生影響。充分的洗井是保障回灌效果的基礎(chǔ)。借鑒國(guó)內(nèi)砂巖熱儲(chǔ)回灌的研究，大口徑填礫成井工藝不易造成熱儲(chǔ)孔隙的堵塞，可以保證回灌的長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

3.4 回灌溫度的平衡

目前，蘭考地區(qū)地?zé)?a href="http://www.622810.cn/t/供暖.html" >供暖項(xiàng)目的回灌溫度在40℃左右。通過初步的室內(nèi)腐蝕觀察實(shí)驗(yàn)，結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嗾{(diào)查情況，在分析蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)、結(jié)垢趨勢(shì)、腐蝕性評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)上，溫度越高腐蝕速度越緩慢、腐蝕產(chǎn)物越少，有助于提高回灌率。回灌溫度通過改變回灌壓力對(duì)回灌量產(chǎn)生影響，理論上溫度越低回灌效果越佳。建議在實(shí)際工作中，優(yōu)化地?zé)峁┡?/a>運(yùn)行過程，找到最優(yōu)的回灌溫度，保證回灌效果。需要結(jié)合蘭考地區(qū)地?zé)崴|(zhì)情況，做好前期工作，如有針對(duì)性的進(jìn)行回灌水水質(zhì)的處理，將低溫對(duì)回灌的影響降至最低，保證回灌效率。

3.5 項(xiàng)目做好選址

結(jié)合蘭考地區(qū)主要斷裂帶分布情況以及現(xiàn)有地?zé)峋毓?/a>情況，在項(xiàng)目可行性研究階段，應(yīng)結(jié)合地?zé)衢_發(fā)利用情況前期做好勘查工作，盡可能地充分利用主要斷裂帶進(jìn)行項(xiàng)目選址，場(chǎng)地條件不允許時(shí)，可采用定向井方式，從地質(zhì)設(shè)計(jì)上提高回灌效果。

4 結(jié)論

(1）蘭考地區(qū)地?zé)崴瓹l-、溶解性總固體含量高，腐蝕性高。通過PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件，明化鎮(zhèn)組地?zé)崴蟹浇馐?、白云石等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀；館陶組地?zé)崴懈邘X石、石英、方解石、白云石、云母等礦物易發(fā)生化學(xué)沉淀。

(2）蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч挠绊懸蛩刂饕ǎ旱責(zé)崴|(zhì)的高腐蝕性、地?zé)崴瘜W(xué)沉淀產(chǎn)物，鉆井過程中鉆井液材料對(duì)含水層堵塞，洗井不徹底，回灌溫度、回灌井選址等。

(3）提高蘭考地區(qū)地?zé)峄毓嘈Ч?，建議通過化學(xué)、物理方式進(jìn)行阻垢除垢、減少腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物對(duì)回灌井的堵塞作用；選擇如J55石油套管等耐腐蝕成井材料，降低腐蝕堵塞產(chǎn)物對(duì)回灌效果的影響；采用鉆井液回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，及時(shí)調(diào)整鉆井液體系，探索氣舉反循環(huán)、石油鉆井工藝等鉆井工藝的應(yīng)用，減少鉆井過程泥皮對(duì)含水層的堵塞，保證回灌效果。