摘要
针对江苏如东县小洋口RRY-1地热井（二叠系—志留系裂隙型热储层），本文以自来水为回灌水源，建立了一套回灌测试系统，开展了自然回灌和加压回灌方式下的回灌能力试验。结果表明，两次回灌试验的注水渗透系数分别为 0.11 m/d 和 0.10 m/d，注水导水系数分别为 4.96 m2 /d 和 4.41 m2 /d；当回灌水温度为 12 ℃和30 ℃时，理论最大回灌量分别为203.9 m3 /d和168.3 m3 /d。随着稳定回灌量增加，水位回升数值先线性增加，然后呈指数增长趋势。评价了不同回灌量条件下，地热井的权益保护半径以及回灌井和开采井的最小井距，并给出了具体的回灌建议，对于地热资源可持续开发利用具有积极的指导作用。
Abstract
Taking local tap water as water source, a set of geothermal water reinjection system was built for the geothermal well RRY-1 with Permian-Silurian fracture thermal reservoirs located in Xiaoyangkou District, Rudong County, Jiangsu Province. Reinjection tests were performed under natural and pressurizing conditions. Results showed that for two groups of tests, the permeability coefficient was 0.11 m/d and 0.10 m/d, and the conductivity was 4.96 m3 /d and 4.41 m3 /d, respectively. When the reinjection water temperature was 12 ℃ and 30 ℃, the maximum reinjection amount was 203.9 m3 /d and 168.3 m3 /d, respectively. As the steady reinjection amount increased,the water level recovery first increased linearly, and then showed a rapid exponential growth trend. For different reinjection conditions, the interest protection radius and the minimum distance between the exploitation and reinjection geothermal wells were evaluated and detailed suggestions were given. The above results can play an important role in the sustainable development of geothermal resources.
0 引言
深层地热能是一种宝贵的可再生清洁能源资源形式，广泛应用于地热发电、地热供暖、农业种植、水产养殖、温泉疗养等众多领域（蔺文静等， 2013；王瑞飞等，2016；杨吉龙等，2022）。尤其是在北方地区，深层地热流体集中供暖的规模化应用对于缓解大气污染，实现节能减排发挥了比较积极的作用（庞忠和等，2013；郑克棪和陈梓慧，2018）。近年来，研究人员在探索新储层方面（尤其是深部基岩裂隙型热储）开展了大量工作（孙宝成等，2006； 靳宝珍等，2007；林黎等，2008；林建旺和赵苏民， 2010；张芬娜等，2016；宋美钰等，2018；王华军等， 2019；李珊等，2023）。此外，王贵玲等（2018）在河北容城凸起区进行了中上元古界高于庄组热储层的抽水试验。结果表明，高于庄组共发育32个裂隙岩溶，总厚度218 m，抽水试验最大水量超过170 m3 / h，水温72℃，成为除雾迷山组热储之外的又一主要储层。吴爱民等（2018）开展了容城—牛驼镇地热田蓟县系雾迷山组岩溶热储勘查测试工作，钻孔 2120~3500 m深度共发育115个岩溶裂隙带，总厚度 353 m，完井抽水流量 140 m3 /h，孔口水温 93.1℃，单井供暖潜力达 20万 m2。张志刚等（2019）在康定市小热水地区开展了花岗岩及变质石英砂岩热储层地热资源勘查评价，其中钻孔均为间喷或直喷，井口工作压力 1.4~1.7 kg/cm2，热储层厚度 70~153 m，井口出水温度大部分在118~124℃。
中低温地热资源若过度开采或养护不当，也会造成资源非持续利用甚至枯竭，而回灌是实现地热资源可持续开发利用的关键措施之一（刘久荣， 2003；宗振海等，2018；陈莹等，2022；申小龙等， 2022）。因此，只有回灌，才能有效实现热储压力采灌平衡，才能使地热资源成为真正的可再生能源。例如，朱红丽等（2011）对济源—开封凹陷某地热井 1200~1400 m 热储层进行了回灌试验，其注水渗透系数 1.23 m/d，回灌流量 30 m3 /h，回灌影响范围约 800 m。王光辉等（2014）对天津滨海新区某地热井馆陶组回灌性能进行了测试，认为采用回扬-回灌与加压回灌相结合的方式具有较好的操作性和经济性。基于上述背景，本文拟在以往研究工作基础上，进一步针对苏北盆地某深层地热井的基岩裂隙储层开展回灌试验研究，通过自然回灌和加压回灌方式下的回灌性能对比分析，获得其渗透性能表征参数，并进行回灌量、权益保护半径以及回灌井和开采井的最小井距等计算分析与预测，为指导工程实践，保证地热资源可持续利用提供一定的参考依据。
1 研究区及地热井
1.1 区域地质概述
RRY-1地热井（图1）位于江苏省如东县羊口镇西北的小洋口沿海经济开发区。洋口镇位于苏北盆地南缘，属温带和亚热带湿润气候区，同时受东亚季风影响，年平均气温为 14.8℃，年平均降水量为1036 mm。洋口镇地处中国东部沿海高热流地热异常带，岩石圈厚度约 100 km，居里面深度约 30 km，大地热流值约 70 MW/m2，3000 m以浅平均地温梯度为2.4~2.7℃/hm，其中多处存在明显地温异常，地温梯度大于5℃/hm，其成因与太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用有关，是新生代与俯冲带有关的软流圈上拱和断陷盆地发育的结果。
1.2 地热井结构
RRY-1 地热井为四开直井，井深 2803.68 m。井身结构如下：一开钻进深度至407 m，下入直径为 Φ339.7×9.65 mm 的 J55 石油无缝套管，使用约 40 t 优质水泥固井；二开钻进深度至843 m，下入直径为 Φ244.5×8.94 mm 的 J55 技术套管，与表层套管重叠 44.19 m，使用约 16.5 t 优质水泥固井；三开钻至 2803.68 m 时终孔，挂入 Φ177.8 mm 石油用无缝钢管，总长 1147.43 m，此套管与 Φ244.5 mm 技术套管重叠80.77 m，1909.66~2803.68 m段裸眼成井。
1.3 地层岩性特征
根据现场钻井资料，结合区域资料表明，自上而下钻遇地层及岩性描述如下：（1）0~280 m：第四系，以黏土、亚黏土、砂砾石为主；（2）280~880 m：新近系，上部为土黄、灰黄、浅灰色黏土、砂质黏土与黄灰、灰白色砂层、含砾砂层、砂砾层互层；下部为浅棕、棕红色泥岩、粉砂质泥岩与浅灰、灰白色砂岩、含砾砂岩、砂砾岩互层，夹玄武岩。底部为砂层及砂砾层；（3）880~1105 m：古近系，泥岩、砂岩夹鲕粒状白云岩，以河湖相为主，夹海陆过渡相沉积，岩石破碎呈角砾状，可能为构造角砾岩，是断裂构造发育的标志之一；（4）1105~2100 m：二叠系，上部为黑色岩屑砂岩夹长石石英砂岩，中部为浅灰—黑色灰岩，下部为灰色、深灰色粉砂岩、泥质粉砂岩及浅灰—灰色灰岩；（5）2100~2804 m：志留系茅山组，未揭穿，灰白色石英砂岩和灰色泥质粉砂岩。
图1区域地质构造简图
1—三垛组；2—阜宁组；3—泰州组；4—古近系未分；5—浦口组；6—青龙组；7—推测不整合线；8—推测地层界限；9—推测断裂；10—地热井
1.4 地热流体特征及成因
根据测井资料，RRY-1 地热井含有多个含水层，属于灰岩、砂岩构造裂隙水，其中 1250~1890 m 段和 1890~2800 m 段共发育 11层破碎带，为主要出水段。考虑到孔深 762.23~1909.66 m 下入石油套管，并设置了止水分隔器，故1890~2800 m的二叠系龙潭组灰岩和志留系茅山组石英砂岩段作为有效含水层，共发育 8 处破碎带，含水层累计厚度约 44 m，出水温度91~92℃。
地热流体化学类型为 SO4•Cl•HCO3-Na 型，矿化度 1616 mg/L，pH 值 7.69。阳离子为 Na+、Ca2+、Mg2+、K+、NH4+ 等，其中 Na+ 含量 370 mg/L（70.79%）， Ca2+ 含量 88.4 mg/l（19.4%），总 Fe 含量 2.73 mg/L，其他含量较少；阴离子主要有 SO4 2-、Cl-、HCO3-、F-、 NO3-、NO2-等，其中 SO4 2- 含量 506 mg/L（47.11%），Cl-含量 211 mg/L（占 26.62%），HCO3- 含量 341 mg/L （25.01%），总 F-含量 4.93 mg/L，其他含量较少。该井地热流体中氟含量 4.93 mg/L、偏硅酸含量 64.5 mg/L，达到理疗热矿水命名浓度，而偏硼酸含量 1.38 mg/L，达到有医疗价值浓度。
2 回灌试验部分
2.1 试验系统简介
整个试验系统由水源、管路系统、密闭性回灌系统、过滤设备、排气装置、水泵装置以及数据监测系统等组成。由于周边没有与 RRY-1 井同层的地热井，因此就近选择自来水作为稳定水源，该水源稳定出水量约 400 m3 /d，输送流体压力约 0.2 MPa。管路系统主要分为两部分，一部分是使用橡胶材质的热水带，管径DN100 mm，连接稳定水源和流体质量控制模块，长度约300 m；另一部分使用不锈钢材质的套管，串联流体质量控制模块各个设备至回灌井口。密闭性回灌系统中，井口均用电气焊焊至密封，回灌管参数为 DN80，垂直下入回灌井液面之下，总长度约 12 m。过滤设备采用 50 μm 袋式过滤器，进出口两端分别安装压力监测仪器，用于观察过滤器状态。回灌试验采用加压回灌模式，回灌管路上安装了一台增压泵，流量和流程分别为50 m³/h 和50 m，并配备变频柜控制。数据监测系统主要监测流量、水温、压力、水位等参数变化信息，具有 RS232通讯接口，可进行远程的实时监测、数据管理及系统设置。
回灌试验共进行两次，其中第一次回灌试验分为 3组自然回灌试验和 1组加压回灌试验。在第一次回灌试验结束后，对地热井进行回扬洗井作业，持续 56 h，再进行第二次回灌试验。第二次回灌试验，试验分为 3 组自然回灌试验和 2 组加压回灌试验。
2.2 数据处理
本节公式引于《地热井资源评价技术规程》 （DB12/T664—2022）。注水渗透系数和导水系数分别计算如下：
(1)
(2)
(3)
式（1）～（3）中，K 为校正到回灌流体温度下的热储注水渗透系数（m/d），Q为回灌井的稳定回灌量 （m3 /d），s为回灌试验时井筒流体稳定水位与试验前静水位之差（m），M 为热储垂直厚度（m），R 为回灌影响半径（m）；rw为回灌井热储段井半径（m），T为校正到回灌流体温度下的热储注水导水系数（m2 /d）。回灌能力计算如下：
(4)
开采井与开采井的合理井距计算如下：
(5)
式（4）、（5）中，R0为地热井权益保护半径（m，按 50 年计），N 为开采期总天数（年开采 121 d，按 50 a 计），QK为预算总开采量（m3 /d），f为流体比热和储层比热的比值（取3.0），M为热储层有效厚度（m），λ为热储回收率（取 0.2）开采井与回灌井的合理井距计算如下：
(6)
式（6）中，D为冷锋面运移距离（m），Q为总体回灌量（m3 /d），M 为热储层有效厚度（取 44 m），t 为冷峰面到达开采井的允许时间（年开采 121 d，按 50 a 计），ρwcpw和ρt cpt分别为流体和热储层的体积比热，分别取4.0×103 kJ/（m3 •℃）和2.0×103 kJ/（m3 •℃）。
3 结果与讨论
图2以第一次回灌试验为例，给出了自然回灌和加压回灌过程中的回灌温度、水位以及回灌量的变化曲线。表1和表2分别给出了两次回灌试验的水位校正表。其中，在第一次回灌试验中，试验前测得静水位为 8.59 m，对应的液面温度 18℃。第一组自然回灌试验累计持续回灌时间 28 h，回灌流体稳定平均温度11.6℃，稳定回灌量4 m3 /h，稳定动水位 9.35 m；第二组自然回灌试验累计持续回灌时间 45 h，回灌流体稳定平均温度 13℃，稳定回灌量 9 m3 /h，稳定动水位 3.14 m；第三组自然回灌试验累计持续回灌时间7 h，回灌流体稳定平均温度15℃，稳定回灌量 10 m3 /h，稳定动水位 0.1 m。第四组加压回灌试验累计持续回灌时间 4 h，回灌流体温度 14℃，稳定回灌量15 m3 /h，稳定压力0.36 MPa。
在第二次回灌试验中，试验前测得静水位为13 m，对应的液面温度 18℃。第一组自然回灌试验累计持续回灌时间 28 h，回灌流体稳定平均温度 11.6℃，稳定回灌量4 m3 /h，稳定动水位9.35 m；第二组自然回灌试验累计持续回灌时间 45 h，回灌流体稳定平均温度13℃，稳定回灌量9 m3 /h，稳定动水位 3.14 m；第三组自然回灌试验累计持续回灌时间 7 h，回灌流体稳定平均温度 15℃，稳定回灌量 10 m3 / h，稳定动水位0.1 m；第四组加压回灌试验累计持续回灌时间 25.5 h，回灌流体温度 17.31℃，稳定回灌量 9.7 m3 /h，稳定压力 0.16 MPa，稳定时间 13 h；第五组加压回灌试验累计持续回灌时间 50 h，回灌流体温度 17.73℃，稳定回灌量 14 m3 /h，稳定压力 0.34 MPa。
上述第一次回灌试验获得的平均热储注水渗透系数和平均热储注水导水系数分别为0.11 m/d和 4.96 m2 /d，第二次回灌试验获得的平均热储注水渗透系数和平均热储注水导水系数分别为0.10 m/d和 4.41 m2 /d，两次数据比较接近。此外，上述两次回灌试验均表明，随着稳定回灌量的逐渐增加，水位回升也呈增长趋势。当稳定回灌量在10 m3 /h以下时，稳定回灌量和水位回升之间呈线性变化关系；一旦稳定回灌量继续增大，曲线开始脱离线性关系，变成快速变化的指数增长关系，服从：Q=25.972e0.0702Δh，其中 Δh 为水位回升量（m），见图3。这一规律对于实际地热尾水回灌具有重要的指导意义。
表3进一步对比了两次回灌试验的可灌量和影响半径。可以看出，两次回灌试验验证的结果基本相近，这表明本次试验较为准确可靠。在同试验条件下，温度低的回灌尾水的回灌效果要好一些。例如，回灌流体温度为 20℃，稳定回灌量为 190 m3 /d，而温度升至30℃，稳定回灌量降为170 m3 /d，降低了 10.5%。中国行业标准《城镇地热供热工程技术规程》（CJJ138）规定，地热尾水排放温度不得大于 25℃。实际上，在实际地热项目中，如果能够充分热泵机组进行再次热量回收利用，不但能够增加建筑供暖面积，而且有望将回灌流体温度降至20℃以下，这对于提高回灌量是比较有利的。
对于实际地热开发利用项目，地热井的布井通常应遵循两个原则：一是钻井位置要选择地热异常点，并根据施工场地条件来定；二是开采井与周边开采井、回灌井井距要布置合理。按照天津地热资源储量评价要求，根据最大回灌能力来确定开采量。就本次实验结果而言，回灌试验的最大回灌量为 203.9 m3 /d（回灌温度约 12℃），计算得出的权益保护半径为 366 m。考虑到以后的实际开发利用的开采量会高于本次试验值。若开采量为1000 m3 /d，权益保护半径将增大至 810 m。此外，计算结果表明，冷锋面运移距离为231 m，这就意味着若使回灌流体冷锋面在 50 a内不会到达开采井，回灌井和开采井的井距需要大于 231 m。同理，若假设实际开采量为1000 m3 /d，回灌井和开采井的井距需要大于 513 m。此外，需要指出的是，本次试验是在仅有一眼单井的情况下，进行的回灌试验，区域静水位较浅，热储压力较高。若该地区地热资源大量开发使用，热储压力下降到一定程度，例如静水位 50 m 或者100 m情况下，热储回灌效果会有所提高。
图2回灌试验历时曲线
a—第一次自然回灌；b—第一次加压回灌
从地热资源可持续发展利用角度，当后续开发或开采强度逐渐增大时，热储层补给能力小于开采强度，有可能会产生热储压力下降等地质环境问题。因此，加强地热回灌监测是很有必要的技术手段，能够有助于更合理地开发使用地热资源。对于回灌过程，除了严格遵循回灌操作规范外，应该在开始阶段遵循回灌量从小到大逐渐增加的原则，切忌一开始就以额定流量回灌，以延长回灌的延续时间。
图3不同稳定回灌量下的水位回升情况
表1第一次回灌试验水位校正
表2第二次回灌试验水位校正
表3回灌试验的可灌量和影响半径结果
4 结论
（1）针对江苏如东县小洋口 RRY-1 地热井，在区域地质构造、地质钻探、物探测井等工作基础上，以自来水为回灌水源，建立了一套回灌系统，开展了自然回灌和加压回灌方式下的回灌性能试验。
（2）在回灌水温度 30℃的情况下，两次试验注水渗透系数分别为 0.11 m/d、0.10 m/d，注水导水系数分别为 4.96 m2 /d、4.41 m2 /d；当回水温度为 30℃ 时，理论最大回灌量为168.3 m3 /d。
（3）随着稳定回灌量的逐渐增加，水位回升呈增长趋势。当稳定回灌量在10 m3 /h以下时，二者之间呈线性变化关系；一旦稳定回灌量继续增大，水位回升开始脱离线性关系，呈快速变化的指数增长趋势。
（4）回灌试验的最大回灌量为 203.9 m3 /d（回灌温度约 12℃），计算得出的权益保护半径为 366 m，回灌井和开采井的井距需要大于 231 m。若开采量为1000 m3 /d，权益保护半径将增大至810 m，回灌井和开采井的井距需要大于513 m。
致谢 对项目组成员的付出表示真挚的感谢。