北京從上世紀(jì)70年代開始進(jìn)行深層地?zé)峁┡?，已?jīng)實(shí)施40多年，積累了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如今從中央到北京市都高度重視地?zé)徇@一清潔能源的利用，經(jīng)過對北京地?zé)峁┡拈L期研究，認(rèn)為北京市推進(jìn)規(guī)?；顚拥?zé)峁┡仨殞?shí)現(xiàn)熱量、流體量和流體化學(xué)的采灌均衡，保證資源的可持續(xù)利用，關(guān)鍵技術(shù)包括：資源勘查和評價、地?zé)峄毓嘀萍s因素研究、地?zé)峄毓嗨p防治、地?zé)釀討B(tài)監(jiān)測等。這些關(guān)鍵技術(shù)的研究成果對于其他地區(qū)和其他形式的地?zé)峁┡灿蟹浅４蟮慕梃b意義。
本文節(jié)選自由北京市地質(zhì)工程勘察院徐巍、李海京、丁桂伶、楊亞軍、王小玲、魯鶴、張俊華、王雨石撰寫的題為《北京市深層地?zé)峁┡年P(guān)鍵技術(shù)研究》一文的第二章節(jié)“地?zé)峄毓嗉夹g(shù)”內(nèi)容，供業(yè)界交流探討。原文刊登于“四季春·2018第十屆中國國際地源熱泵行業(yè)高層論壇會刊”。投稿郵箱：dyrbw@dyrbw.com
地?zé)峁┡蟊仨毑捎谩安晒嘟Y(jié)合”的方式進(jìn)行，因此地?zé)峄毓嗍堑責(zé)峁┡谋匾獥l件。北京地區(qū)從上世紀(jì)90年代開始實(shí)施地?zé)峄毓?，?000年以后達(dá)到生產(chǎn)性回灌規(guī)模，其中小湯山熱田從2001年開始有1家單位回灌，到2004年增加到6家回灌，熱田的灌采率迅速突破50%，供暖尾水實(shí)現(xiàn)全部回灌，熱田的地?zé)崴牧繙p少了一半，熱儲壓力由每年2m左右的下降速度突然減緩，后來地?zé)峁┡瘑挝恢鸩皆黾樱壳盁崽锏墓┡瘑挝贿_(dá)到12家，是北京市供暖規(guī)模最大的熱田，供暖尾水仍然保持全部回灌，熱儲壓力逐漸趨穩(wěn)，不再下降。北京市現(xiàn)有7個熱田實(shí)施了地?zé)峄毓?，供暖尾?0%實(shí)現(xiàn)回灌，2017年6個熱田的熱儲壓力全部轉(zhuǎn)降為升，地?zé)峄毓嘈Ч浅Ｃ黠@。經(jīng)過我們的研究，地?zé)峄毓嚓P(guān)鍵技術(shù)主要包括：
1、地?zé)峋毓嗄芰χ萍s因素分析
北京市的熱儲類型全部為巖溶裂隙型熱儲，大部分開采與回灌選擇同一熱儲層，影響回灌能力的制約因素如下。
（1）地?zé)岬刭|(zhì)條件
地?zé)峋幕毓嗄芰εc地?zé)岬刭|(zhì)條件密切相關(guān)，熱儲的巖溶裂隙發(fā)育，出水能力強(qiáng)，則回灌能力也強(qiáng)。例如北京市小湯山、良鄉(xiāng)、李遂、延慶、京西北等熱田的核心區(qū)，單井出水量平均在1500m3/d以上，降深不超過50m，而單井的回灌量基本能達(dá)到出水量的80%，水位抬升不超過50m；其他熱田或地區(qū)地?zé)釂尉鏊康陀?500m3/d或者降深超過50m，回灌能力大大減弱。
（2）回灌井成井結(jié)構(gòu)
地?zé)峄毓嗍抢没毓嗑畬⒐┡菜匦鹿嗳霟醿Φ倪^程，因此回灌井的質(zhì)量是一個重要的回灌條件。目前，北京市的回灌井中，有的是由上個世紀(jì)的生產(chǎn)井改造過來的，有的是新施工的。原來的生產(chǎn)井井身結(jié)構(gòu)一般為四開，井深500-1500m，裸眼段的井徑為152mm或127mm，薊縣系熱儲厚度僅有100-300m，通過回灌試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)這些老生產(chǎn)井可以用來回灌，但回灌時阻力較大，回灌水位明顯抬升，單位回灌量與單位涌水量的比值只有20%-30%。新施工的回灌井，井深一般大于1500m，裸眼段的薊縣系熱儲厚度均超過500m，有的三開成井，裸眼段井徑為216mm或152mm，回灌時井內(nèi)水位上升幅度不大，單位回灌量與單位涌水量的比值基本超過80%。例如：表1是小湯山熱田的4眼回灌井，經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，2000年之后新施工的回灌井，回灌能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改造的生產(chǎn)井。因此，回灌井裸眼段的薊縣系熱儲層厚度越大，向熱儲層滲透的過水?dāng)嗝嬖酱?，回灌能力也就越?qiáng)。
（3）區(qū)域熱儲壓力
通過多年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地?zé)峋幕毓嗄芰εc熱儲壓力關(guān)系密切。北京地區(qū)各個熱田熱儲壓力差異較大，延慶、京西北熱田的熱儲壓力最大，地?zé)崴桓叱龅孛?，還在自流，小湯山、李遂、后沙峪等熱田地?zé)崴辉诘叵?-50m，其他熱田的地?zé)崴?0-100m。在井內(nèi)實(shí)施地?zé)峄毓?，井筒?nèi)的地?zé)崴粫饾u抬升，如果區(qū)域熱儲壓力很大，回灌水位就沒有抬升的空間，只能帶壓回灌，考慮到帶壓回灌的成本和安全，回灌能力就會受到制約；如果區(qū)域熱儲壓力很小，回灌水位有很大的抬升空間，就可以無壓回灌，回灌能力會大大增強(qiáng)。因此，延慶和京西北熱田以加壓回灌為主，回灌能力受到區(qū)域熱儲壓力的影響相對較大，其他熱田受到的影響較小。
（4）回灌原水的溫度
回灌原水的溫度對回灌能力也有很大影響。地?zé)峄毓嗟脑际枪┡蟮奈菜?，由于各個單位在各個季節(jié)供暖利用的溫差不同，因此供暖后的尾水溫度也不同，從而導(dǎo)致回灌原水的溫度存在差異，對回灌能力造成一些影響。例如下表是回灌原水在各個溫度條件下對回灌能力的計(jì)算（見表2）。
7灌井回灌溫度最低，單位回灌量最大，3灌井回灌溫度最高，單位回灌量最小。后兩眼井為新井，每次成井時都先利用冷水進(jìn)行簡易回灌試驗(yàn)，然后才利用供暖尾水進(jìn)行正式回灌。在同一眼井上利用冷、熱水進(jìn)行回灌，很容易發(fā)現(xiàn)溫度偏低的地?zé)崴毓嗄芰ο鄬^強(qiáng)，溫度偏高的地?zé)崴毓嗄芰ο鄬^弱。這主要是由于低溫水密度大，灌入井內(nèi)很快下沉，加快了回灌水從井筒向儲層的滲流速度，提高了回灌能力。但值得注意的是，回灌原水溫度越低，對熱儲溫度場的破壞越嚴(yán)重，越容易熱突破，目前北京地區(qū)要求回灌溫度不得低于25℃。另外，回灌水溫越低，水中的礦物質(zhì)越容易結(jié)晶沉淀，對回灌井造成堵塞，因此應(yīng)科學(xué)計(jì)算利用溫差，保證順利回灌。
（5）回灌原水的化學(xué)特征
回灌原水的化學(xué)特征也不容忽視，它往往是造成地?zé)峄毓嗨p和堵塞的主要因素。北京市各個熱田的地?zé)崃黧w化學(xué)成份差異較大，由西往東，由北往南主要的陽離子由鈣、鎂離子過渡為鈉離子，主要的陰離子由重碳酸根過渡為硫酸根和氯根，礦化度由300mg/l左右過渡到1500mg/l以上。同時全市地?zé)崃黧w中普遍含有濃度較高的鐵、氟、硫化氫、偏硅酸等特殊組分，有些區(qū)域還含有黑色瀝青質(zhì)有機(jī)物?？偹苤?，回灌原水的礦化度越高、特殊組分和有機(jī)物質(zhì)越多，越容易在回灌井內(nèi)產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，造成回灌衰減和堵塞。從2014年開始，北京地區(qū)地?zé)崃黧w特殊組分濃度較高的城區(qū)熱田、小湯山熱田東部、以及礦化度較高的天竺和李遂熱田陸續(xù)出現(xiàn)回灌衰減現(xiàn)象，地?zé)峁┡菜疅o法正常回灌，供暖規(guī)模只能逐漸縮小，其中城區(qū)熱田的地?zé)峁┡瘑挝挥稍瓉淼?家縮小到2家。因此，地?zé)峄毓嘣幕瘜W(xué)特征制約了地?zé)峄毓嗟某掷m(xù)穩(wěn)定性。
總之，開展地?zé)峁┡毓喙ぷ鞅仨毦C合考慮以上因素，它們是保證地?zé)峄毓嗄芰Φ年P(guān)鍵。
2、地?zé)峄毓嗨p問題研究與防治
北京從2000年實(shí)施生產(chǎn)性回灌規(guī)模以來，回灌規(guī)模呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，但2014年開始，全市的地?zé)峄毓嘁?guī)模逐年下降，原因是一些回灌井陸續(xù)出現(xiàn)回灌衰減的問題。2016年我們開始在全市范圍內(nèi)對回灌衰減現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)研，并開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)地?zé)峄毓喑霈F(xiàn)衰減主要是化學(xué)和物理作用的結(jié)果，具體機(jī)理如下：
低溫回灌原水在回灌過程中，對回灌井壁進(jìn)行腐蝕，并逐漸結(jié)垢，隨著回灌時間的延長，腐蝕和結(jié)垢的程度越嚴(yán)重。之后，腐蝕過的鐵皮屑或結(jié)的水垢一旦脫落，就會下沉，當(dāng)落在變徑口上，非常容易形成搭橋，將井筒堵死，對回灌造成阻力，從而導(dǎo)致回灌衰減；當(dāng)落在井底，積聚的殘?jiān)饾u會對熱儲層巖溶裂隙形成堵塞，同樣造成回灌衰減。
針對以上分析，2016年以來我們對發(fā)生回灌衰減現(xiàn)象的5眼代表性回灌井進(jìn)行了恢復(fù)回灌能力的試驗(yàn)，全部恢復(fù)了這些井的回灌能力，摸索出地?zé)峄毓嗑迯?fù)的方法。
另外，為了預(yù)防回灌能力衰減的問題，減緩衰減的速度，針對北京地區(qū)地?zé)崃黧w腐蝕和結(jié)垢的特點(diǎn)，我們選擇代表性回灌井，對回灌工藝進(jìn)行了研究和改進(jìn)。通過進(jìn)一步對供回路改造，在回灌井口增加過濾裝置和加壓裝置，改變回灌的環(huán)境條件，目前我們?nèi)〉靡恍┻M(jìn)展，下一步我們將對回灌衰減原因進(jìn)行分類，制定減緩地?zé)峄毓嗨p的預(yù)防措施。