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储层类型不同,产生堵塞的主要原因也不同。沉积盆地型地热田多年地热回灌实践表明,基岩岩溶裂隙型储层以裂缝为主,裂缝连通性能较好,在做好洗井、地热尾水处理等前提下,堵塞现象较少,甚至产生负压回灌,回灌率能达到80%以上,甚至100%回灌。而孔隙型热储层由各种原因引起的堵塞问题则较为复杂,以华北平原沉积盆地型地热田新近系热储层为例,在断层活动量微弱、盆地以大范围整体沉降为特征的地质背景下,辫状河、曲流河发育,形成了冲、洪积扇和河流相堆积。不同沉积微相控制着储层的发育特征,造成碎屑岩层多孔介质孔隙截面积较小,流通主要受孔隙喉道控制孔隙喉道表面粗糙,形状弯曲多变、不规则,难以进行描述和仿真。回灌流体以水平方向运动为主,与碎屑颗粒接触面积大,需克服排替压力、孔道表面摩阻力,从而使回灌流体流速低,在其他因素影响下,易产生堵塞。
由国内外专家对各国不同热田的多个回灌事例进行调查考证的有关统计数据表明,有80%的回灌井出现了堵塞,情况极其复杂,可能是单一或多种原因复合作用的结果,其中悬浮物引起的堵塞所占比例较大(表7-1)。
表7-1 回灌堵塞原因统计表
1.悬浮物堵塞
地热流体中由悬浮固体颗粒引起的回灌系统堵塞最为常见,悬浮物堵塞主要由回灌流体与储层相互作用引起,与流体内所含细小颗粒的成分、大小有关,与储层、孔隙参数如大小、形状、扭曲度以及运移过程、流体动力、惯性力等有关。注入井内的流体中运动的细小颗粒在地层中的某一位置发生阻塞时,该位置的压力和悬浮流速已经不能维持颗粒的正常运移,使颗粒被驻留,从而形成阻挡环状区域。如:由于固与液密度不同,重力作用使比流体运动慢的颗粒就可能驻留沉淀在砂岩的某个位置而不再随流体运动固相颗粒的浮力使之偏离原来的惯性流向而与地层砂岩壁面的纹理相接触并沉积下来在非球形或不规则的剪力场水力影响作用下,颗粒会向吸附面作侧向移动并被吸附由于尺寸形状关系,颗粒不能跟随流体在细小、扭曲的路径中运动,它们会碰撞到地层砂岩上,而被吸附拦截散乱性的布朗运动使颗粒从主流中分散开去并被困于地层某个角落。
悬浮物成分的定性定量研究测试在天津地区地热回灌中作过较为详细的工作,试验中采用0.45μm聚四氟乙烯过滤膜对回灌流体中的悬浮物颗粒进行过滤,并对截留物质进行SEM分析。统计结果表明:某些地热井仅过滤了50mL的水量,就在过滤膜上积累了较多的颗粒物。其中新近系孔隙水9个样品中6个有滤出物,占67%基岩裂隙水18个样品中16个有滤出物,占89%。检测出的成分有:斜长石,石英,钾长石,Mg和Fe的硅酸盐,Fe(或Zn,Cu,Hg)的硫化物或氧化物,CaCO3等。根据滤出量的多少可分为高、中、低、无四档含量。滤出物含量为高档时,成分以Zn,Fe的硫化物,NaCl和斜长石为主中档时以Fe的硫化物,NaCl,斜长石为主低档时以Fe的硫化物,CaCO3,NaCl,石英为主。值得注意的是:从高档向低档,滤出物的检出成分逐渐复杂,从低档向高档,滤出物则向某几种成分集中。此外,还对处理回灌流体的过滤棒截留物进行了分析,表72是天津市东部地区开采井(DL-25:馆陶组,1331m)的循环尾水回注到另一回灌井(DL-25B:馆陶组,1360.19m)前被过滤棒截留的固体成分分析结果。由分析数据可知,Zn,Fe的化合物是造成该孔隙型地热回灌井悬浮物堵塞的主要原因,根据滤膜截留物分析,应为FeS,ZnS。而根据开采井水质全分析报告, 含量一般为0.02～2mg/L,仅占主要阳离子Na+,Ca2+总量的万分之几,但由于供热系统以铁管,铸铁散热片为主,所以对回灌流体进行除Fe、除Zn处理,可有效地防止悬浮物的阻塞。
表7-2 DL-25回灌流体过滤棒固体成分分析结果
2.微生物作用
存在于回灌流体中或地表的微生物可能在适宜的条件下,在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介质孔隙,降低含水层的导水能力。如在富含硫酸盐地层的流体和低温状态时,会加速一种消耗硫酸盐的细菌生长,形成一种细胞粘土将介质孔隙堵塞。地热流体中微生物种类大致包括硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(FB)、腐生菌(TGB)等,3种细菌具有共生性,在流体运移和其他化学组分的作用下可繁殖累积产生沉淀。若含有大量铁细菌及硫酸盐还原菌的流体进行回灌,则可能导致地层的有效渗透率下降,输水管网或井管产生严重堵塞腐蚀,甚至可能由于硫化氢含量的增加,导致地下热流体质量恶化,对储层造成不可逆转的影响。天津地区有些基岩同层采灌对井如HD12\HD13,HD11\HD20等,均发现存在硫酸盐还原菌、铁细菌,致使回灌效果受到一定影响。在孔隙型地层中,地热井采用滤水管成井工艺,由于热储层渗透率小、岩石粒径细,热流体中含砂量大,滤水管网处较易聚集细微颗粒,极易滋生繁殖各类细菌,产生微生物堵塞,使得孔隙型回灌相对基岩更困难,这类由地层滋生出来的细菌主要是腐生菌,其生存条件与地层温度、压力等特定条件关系密切。
地热系统中,由于金属管材成井的地热井和金属输水管路设备,铁细菌较常见。铁细菌为好氧菌,能在中性或偏酸性流体中发育,在和铁质的输水管接触过程中加速Fe2+氧化成Fe3+,从而形成Fe(OH)3沉淀。地下水中所含的铁主要以Fe(HCO3)2的形式存在,在铁细菌的作用下,会发生如下反应:
2+H2O+1/2Fe(HCO3) O2→2Fe(OH)3↓+4CO2+能量2
铁细菌的生长条件主要有:①适宜的水温:铁细菌是种“嗜冷”微生物,尤其在回灌井中12℃以上水温是最适于生长的②丰富的Fe2+:铁细菌以Fe2+为生,因滤水管是铁管缠丝,易发生电化学腐蚀,溶解于地下中的大量Fe2+可供铁细菌生长③所需的溶解氧:铁细菌对氧的需要不亚于Fe2+,地下水中的溶解氧一般仅1～2mg/L,但由于回灌流体含较高的溶解氧,还有空气混入井内,也增加了地热流体溶解氧的含量,为铁细菌的大量繁殖提供了条件。另外,溶解氧也加速电化学腐蚀,使地热流体中的Fe2+含量增加④合适的pH值:当pH值在8以上时,流体中不含Fe2+,间接抑制了铁细菌的生长当pH值在6.5～7.5时,最有利于铁细菌生长⑤共生的有机物:地热流体中常含有大量的有机物与之共生,易促使铁细菌的生长。
3.化学沉淀堵塞
低温地热回灌流体的化学性质及任何变化都对回灌效果影响较大。地热流体中化学成分的浓度与压力、温度关系密切,相对低温的回灌流体注入与储层局部热流混合会引起化学平衡的偏差,造成化学组分变化,不仅改变热储层物理性质,还可能产生较复杂的化学沉淀物质,腐蚀或结垢也较普遍,从而影响储层的吸水能力。由于回灌过程中产生的热力学变化如压力、温度下降和pH值变化等,当回灌流体注入储层与热储流体混合,可能与储层介质或储层流体化学成分不相容,形成沉淀堵塞通道或可能发生某些反应新生成化学物质而影响水质或可能从岩石中溶解某些矿物(盐敏、酸敏),改变原有的化学平衡或水岩反应造成储层孔隙度变化或形成化学沉淀堵塞储层孔(裂)隙通道……另外各种原因的腐蚀也是产生化学沉淀堵塞的重要因素。地面处理设施只是考虑了利用末端化学堵塞问题,但即使是同层原水回灌,由于压力温度的改变,水源混合再发生化学变化也极为复杂,是一个较难解决的问题。
(1)岩石矿物析出
地热流体从地下到地面(抽水)、再从地面到地下(回灌),由于压力和温度的变化而产生的化学物质析出或溶解的状况比较复杂,主要与流体所含离子析出的多重条件及析出过程的变化趋势有关,特别是析出后可生成颗粒的物质、粒径,产生析出的临界温度、压力,在什么件下可发生逆向反应等。其次,储层内矿物的饱和指数也是一个关键性的界定范围指标。
矿物质在溶剂过程中的饱和度(SI=lg(LAP/K),SI:饱和状态指数,LAP:离子活性值,K:溶解性值)及达到过饱和状态溶液的稳定性也会影响化学沉淀产生,有些矿物质在环境温度压力变化的情况下会过饱和(SI＞0)析出而产生沉淀导致回灌堵塞,影响回灌效果。
应用PHREEQC 2.11物种计算程序模拟软件对矿物的饱和指数SI进行计算,结果表明:沉积盆地地热田热储流体中的大部分矿物(如CaCO3,MgCO3,CaMg(CO3)2,CaF2,Ca5(PO4)3F,SiO2)都处于饱和状态Fe,Zn矿物多处于过饱和状态。因此,在热流体的赋存环境发生变化时,可产生一系列的矿物析出在回灌井底沉淀而导致堵塞,最常见的几种矿物为碳酸钙、石英、铁锌氧化物和硫化物。
(2)Ca(Mg)CO3沉淀
理论上分析,根据静水力学压力和温度数据关系,CO2在低温下的溶解度高于在高温下的溶解度,因此即使开采井中地热流体呈方解石饱和状态,抽出的热流体由于CO2的损失及经板换取热之后温度降低,循环尾水即回灌流体不会达到碳酸钙的饱和状态而产生沉淀。但由于地热流体自地下深处向上运移时压力快速减小, 含量较高的流体会释放一定量的CO2气体,如果末端处于开口状态致CO2逸出,则产生Ca(Mg)CO3沉淀的可能性会增大:Ca2+(Mg2+)+ =Ca(Mg)CO3↓+H2O+CO2↑。大部分沉积会出现在管道循环末端和接头处,如位于天津北部的宝坻区地震观测孔王4(寒武系,井深2072.41m,温度96℃),自1978年成井后一直自流,在井口周围产生了大量的钙华宝坻区BD 04井(Jxw,井深2695.8m,温度105℃)口径为Φ25mm的出口水龙头几乎被碳酸钙垢全部堵塞另有部分可沉积在滤水管附近,虽然这部分量较小,但长期运行可产生一定程度的堵塞。
地热流体在热量被利用后回灌到热储层前,为预防气堵都采取排气措施,部分或全部CO2气体逸出,有可能破坏流体内化学平衡关系,致使回灌水源中的 向 转化而生成Ca(Mg)CO3沉淀。但是这种反应较缓慢,且在完全封闭的地面传输过程中不足以反应完全,不过随着时间推移和反应程度加深,流体进入储层内也有可能发生,堵塞将会出现。根据天津市多年回灌实践经验,深部基岩采灌系统中回灌流体方解石未饱和较明显浅部新近系和第四系采灌系统中情形不太明显,开采井和回灌井都呈现过饱和,因此不能排除回灌过程中发生碳酸钙沉淀的可能。
(3)石英沉淀
对高温地热流体来说,石英沉淀是导致回灌化学堵塞的较大潜在因素,石英饱和主要是因为可溶解性SiO2在温度达到250℃临界状态之前,其在热流体中的天然溶解度与温度呈显著的线性相关关系,所以任何形式的传导性、对流性或者混合降温过程都可能使石英、玉髓过饱和导致沉淀,尽管其沉淀速度较慢。
从动力学角度上讲SiO2浓度在溶液中的再平衡速度相对较快,但实际上还不足以再次达到平衡状态。尤其是处于不同地质构造单元里的地热井,石英控制相是不同的,且单晶硅的可溶性大于石英。由取样分析可知,沉积盆地型地热田中热储流体石英均呈过饱和,部分则出现玉髓过饱和,因此回灌系统中产生石英沉淀的可能性较大。例如天津东部滨海地区孔隙型热储层中,在热流体80℃冷却至35℃,压力维持在0.1MPa的模拟试验研究发现,原本矿化度很低、管道中结垢不是很严重的回灌流体,结垢矿物主要成分(定性)是方解石、斜绿泥石、白云石、黄铁矿和非晶质硅,每1mL热流体中沉淀矿物(定量)为0.059g,其中二氧化硅占72.7%,方解石为24.72%,斜绿泥石为1.72%,黄铁矿为0.43%,白云石为0.40%。回灌时当注入流体温度大于35℃时,由于水岩反应可能从岩石中溶解矿物,致使有些矿物呈不饱和状态,进而造成储层孔隙度发生变化。
(4)金属化合物沉淀
应用PHREEQC-2.11模拟软件分析发现,地热流体中Fe,Zn化合物的SI值多为正值(磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿、硅锌矿等),达到过饱和状态,其中Fe(OH)2的SI=2～6,FeS2,Fe3O4,Fe2O3多为SI＞10,最大的Fe3O4的SI=21.3ZnSiO3,Zn2SiO4的SI=2～7(仅FeS的SI=-1～-3.5,处于非饱和状态)。通常认为在深部基岩高温地热流体中这些矿物是饱和的,但在新近系甚至第四系的低温流体中也发现这些物质过饱和,说明这种饱和可能不是因为热储流体原本如此,而可能是由被地热流体腐蚀的劣质成井套管、潜水泵管及镀锌测管的Fe,Zn进入流体中引起的过饱和(新近系地热流体取样是在抽水半小时之后,井筒中静态流体全部排出,在腐蚀性评价中,水质往往是不腐蚀或轻微腐蚀)。在安装有镀锌材质测管的回灌井中,ZnS的含量往往高于没有测管的地热井,就说明了管材对水质的较大影响。矿物过饱和析出物多以悬浮物形式存在于热流体中,大部分可以被回灌水处理装置如过滤器的过滤棒截留,但以过饱和离子状态存在的Fe,Zn(尤其是不稳定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以缓慢形成稳定的化合物而逐渐沉淀下来,堵塞于滤水管或细小的孔裂隙中。在实际的对井采灌系统中,除发现石英与方解石以悬浮固体的形态与热流体共存外,过滤截留的铁 锌化合物几乎在所有的回灌流体中都能发现,而且在某些对井系统中还能看到位于热交换器之前的过滤器上充满了铁的氢氧化物(Fe(OH)3·nH2O)。
通常在地热利用中,如果成井套管和供热设备采用优质钢材的情况下,由铁质材料腐蚀导致的堵塞并不常见。但如果流体中气相成分富含H2S的话,由于H2S氧化转化为 H2SO4而导致溶液中较高的酸度,使Fe氧化为Fe2+,将产生自由氢气(Fe+H2S+4H2O=Fe2++H2↑+ )类似的反应也可能由自由氧触发,特别是在氧化还原电位较低的情形下或者最糟的可能是,当自由氧与硫细菌同时存在。事实上,回灌的后果之一就是可能将空气中的新鲜自由氧气带入地下,一旦氧气溶解到流体中,特别是储层温度要远高于回灌流体温度的情况下,因为气体在较高温度下溶解度降低,氧气将重新释放到气相中,很自然地气体将再一次向地表流动,尤其将沿着井管壁移动,因为套管正好为其提供了更为畅通的流动渠道。
4.气体阻塞
来自深部的地热流体含有或多或少的各种气体,流体中的溶解性气体可能会因温度、压力的变化而释放出来。此外,也可能因生化反应而生成新的气体物质,典型的如反硝化反应会生成氮气和氮氧化物。进行回灌时,由潜水泵抽出的地热流体经循环换热后注入回灌井,循环流动的流体中或由于自身存留的气体或生化反应产生的新气体或空气渗入等可能携带大量气泡。即使地热循环利用后的尾水经过排气处理再进行回灌,但在回灌量较大、流速较快时,有些气体来不及逃逸而又被裹携注入井管甚至进入热储层而使回灌不畅,引起气堵。气泡的生成在潜水含水层中影响较小,因为气泡可自行溢出但在承压含水层中,除防止空气渗入使注入流体夹带气泡之外,对其他原因产生的气体也应进行特殊处理。
5.黏粒膨胀和扩散
黏粒膨胀和扩散是较为普遍且常见的因化学反应产生的堵塞,主要是因为注入流体中所含离子和储层中粘土颗粒上的阳离子发生交换导致黏粒膨胀和扩散。从化学理论上分析,这种原因引起的堵塞可以通过注入CaCl2等盐类来处理。
6.含水层细颗粒重组
当回灌井又兼作抽水井时,反复的抽、灌可能引起存在于井壁周围的细颗粒介质的重组,这种堵塞一旦形成,很难处理。所以在此种情况下,回灌井用作抽水井的频率不宜太高,因此抽水回扬作为一种洗井手段也并不是完全有利于回灌的,虽说长时间耽置停用的井在启用之前抽水回扬很有必要,但回灌过程中频繁回扬则不太可取。尤其在孔隙型热储层中,时常采用反抽洗井方法来提高回灌率,但一定要对因回扬洗井而产生含水层细颗粒重组引起的堵塞进行全面充分地分析,制定合理的回扬方案。
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