砂巖層地熱水回灌實踐

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1、砂巖層地熱水回灌實踐?作者:(德國)彼得·賽畢特,馬庫斯·沃夫格冉姆翻譯:劉道選孫啟邦肖紅?摘???要????德國北部盆地地熱資源開發(fā)利用集中調(diào)查始于20世紀80年代初。第一次在砂巖層進行生產(chǎn)、回灌實驗于1982年開始,從而建成了第一家地熱供暖企業(yè)1984年起向瓦倫鎮(zhèn)居民供暖。隨后,又有更多的地熱供暖企業(yè)在新勃蘭登堡、新格萊維、柏林、諾伊魯平等地相繼投入運行。在德國,越來越多地區(qū)正在籌備建設地熱供暖和發(fā)電項目。用砂巖層作為熱儲層是一項新的技術解決辦法。掌握準確的地質(zhì)知識和地球化學條件是地熱利用項目規(guī)劃、建設、運營成功十分重要的先決條件。過濾實驗,地球化學、水文數(shù)學模擬實驗,以及這幾種實驗

2、的綜合應用都是為了這個目的。本文重點介紹地質(zhì)、地球化學條件以及技術解決辦法和實踐經(jīng)驗。?????1、地熱能應用和熱儲????在地熱能應用中,先將地熱水通過生產(chǎn)井提升到地面,提取熱能以后,再將尾水通過注入井回灌到地下原層位。????將提取熱能后的地熱尾水回灌到地下,是為了保持地下水力平衡,更重要的是,防止礦化度較高的地熱水排放到地表水中,引發(fā)環(huán)境污染。因此,地熱水在生產(chǎn)井和回灌井之間是一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。????通過交換器將熱能從地熱水提取,再由第二個循環(huán)系統(tǒng)將熱量提供給用戶。這樣,地熱熱儲系統(tǒng)就要由開發(fā)同層的兩個井或兩組井來組成。兩對(組)井都要下井泵,安裝套管,以便地熱水從兩個方向都能

3、通過。熱交換器通過地面管網(wǎng)系統(tǒng)連接兩對(組)井,提取和供應熱能。這里特指的是德國北部—波蘭的模式,這個模式是歐洲中部的主要模式,也包括丹麥—波蘭和北海的模式。????2、水文地質(zhì)和地球化學條件????2.1熱儲特點????孔隙熱儲的特點是大量不規(guī)則的顆粒形成了空隙。這類顆粒是主要是由砂巖組成的。熱儲的大小、形狀、沉積結構、基質(zhì)、礦物質(zhì)含量是第一位的,孔隙、滲透度、密度、水流情況是第二位的,當然也同等重要。????從經(jīng)濟角度看,低溫地熱水熱儲(40—100℃)要求大規(guī)模的熱水源和流速(50—100m3/h/well)。它們的應用是由下列地質(zhì)條件決定的:---有含水巖石結構(含水層);---

4、這種巖石結構有充足的垂直、水平孔隙以保證長期生產(chǎn)(生產(chǎn)熱儲);---這個生產(chǎn)熱儲中的水溫度從經(jīng)濟上角度分析符合要求;---具有提取熱能技術操作中所需的合適水量(地熱水采、回循環(huán)中的材料和系統(tǒng)匹配);---含水層周圍有廣泛的擴展空間、高流速、能保證長期穩(wěn)定生產(chǎn)、回灌,特別是有孔隙、能滲透、厚度高。我們尋找厚度高、孔隙大、密度低的砂巖,這種砂巖孔隙大,顆粒結構變化不大。具體要求要按實際情況確定。?????上世紀后十年,對地熱水砂巖熱儲層回灌進行了廣泛的研究,并在不同地方應用,取得了成功。尤其在德國,近幾年或近十年來,砂巖層地熱水開采回灌取得了一定的經(jīng)驗。成功回灌最主要的標準是注入的指標,也就

5、是積累的熱儲中地熱水活動的數(shù)據(jù)。下列參數(shù)決定有效注入指數(shù)的成功。????首先,用于地熱開發(fā)的砂巖層,提供的數(shù)據(jù)表明:---孔隙度大于20%;---滲透度大于0.2μ㎡;---砂巖層最低厚度20m;???同時,它們的特點:---孔隙層中大孔隙(半徑大于5.000nm)比例超過60%或中小孔隙小于50%;---在大孔隙范圍內(nèi)的孔隙半徑大于5.000nm;---好的和更好的孔隙半徑分類大于0.4--0.5;---在大于10.000nm半徑的孔隙層中有大于20%的孔隙;---小于0.063mm的細泥沙粒(淤泥和粘土)小于10—12%;---粘在一起的物質(zhì)和泥漿的平均含量不超過8—10%。???在

6、德國北部盆地約3,000m的地下發(fā)現(xiàn)這樣的砂巖。?????????圖1德國東北部含地熱水砂巖示意圖2.2地熱水的化學特點在德國東北部開發(fā)的中生代地熱水,據(jù)分析,是鹽礦化度高的Na-(Ca-Mg)-Cl水。深水中鹽的含量超過300g/L。其主要成份是氯離子(最大值49毫摩爾%)和鈉離子(43—47毫摩爾%)。鎂、鈣、鉀、鐵、鍶、錳,還有硫、溴、碘離子等為次要成份或微量。甚至當水冷卻以后,其溶解離子仍維持在飽和線以下。當二氧化碳釋放后,碳化合物可能沉淀下來。硅酸和硼離子只有很少的含量。地熱水中含有少量可溶氣,叫作“結構氣”,主要是氮和二氧化碳,其次是甲烷,還有少量的乙烷、氫氣和氦氣。中生代深

7、水對比表明,PH值顯示酸性。????表1德國東北部地熱工廠地熱水特性?柏林新勃蘭登堡瓦倫諾伊魯平新格萊維(國會大樓)溫度(℃)1954616499深度(m)2951,2701,5101,6202,195地層埃唐普斯特瑞堪托塔阿來尼堪托塔PH[T(℃)]7.26.1(25)5.9(25)6.5(50)5.3(52)氧化反應條件?減少?減少?整個礦化作用(g/L)28134160199219密度(g/cm3)1.011.0891.108

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