0 引言
新近系馆陶组热储层是天津市滨海新区地热资源开发利用的主要热储层，地热流体用于供暖。近年来开发强度呈逐年增大，热储压力也逐年下降趋势，目前热储层的静水位埋深为90～114m，最大降幅6.5m/a，最大动水位已超过146m，给地热资源开发利用增加了困难和成本。开展地热资源回灌，抑制水位过快下降成为实现本地区地热资源地热循环利用的关键。对以往成果进行系统分析研究，针对滨海新区馆陶组热储条件，分析影响地热资源循环利用的因素，从热储回灌堵塞、成井工艺以及地面回灌工程，确定馆陶组热储地热资源循环利用的回灌工程技术方案，建设馆陶组热储地热资源循环利用的示范工程，实现该区地热资源的可持续开发利用。
1 构造特征
滨海新区大部分位于Ⅲ级构造单元黄骅坳陷内，少部分位于Ⅲ级构造单元沧县隆起之上( 见图1 所示) 。馆陶组( Ng) 除在小韩庄凸起高部位有缺失外，在本区普遍分布。是一套氧化环境下河流形成的红色陆相碎屑岩沉积。依据已有地质资料分析，黄骅坳陷馆陶组沉积时期，中北部为燕山山前冲积平原部分，故发育冲积扇辨状河沉积。南部远离燕山物源影响范围，而为低弯度河流沉积。本区的馆陶组与下伏地层呈角度不整合接触，属于河流相碎屑岩沉积，沉积旋回明显，分为上粗段、中细段和下粗段。揭露顶板埋深1129～1806m，总厚度100～500m。该层分布在本区横跨沧县隆起和黄骅坳陷两个构造单元。在沧县隆起地区埋藏较浅厚度为100～200m，在黄骅坳陷地区底板埋藏比较深，厚度为200～500m。
馆陶组沉积旋回性强，呈粗－细－粗的岩性组合特征。自上而下分为三段，即馆Ⅰ段、馆Ⅱ、馆Ⅲ:
馆Ⅰ段: 以浅灰色、灰绿色、薄层灰黄色砂岩及灰绿色泥质粉砂岩夹不等厚的暗棕红、暗紫色泥岩为主，砂岩矿物成份主要为石英、长石，较疏松，砂岩具微细斜层理，局部具波状微细交错层理;
馆Ⅱ段: 以浅灰、深灰绿色泥岩为主夹灰绿、灰白色泥质粉砂岩，泥岩普遍含炭屑和炭质条带，具次生方解石脉，呈网状分布;
馆Ⅲ段: 杂色砂砾岩夹薄层灰色泥岩与深灰绿色泥岩和砂岩，底部为杂色砂砾岩为其标志性层位，顶板埋深在1600～1680m，其分布为西部薄，向东部逐渐加厚，厚约100～150m，其中砂砾岩为45～100m，塘沽地区达135m，砂砾岩占本厚度的60～90%，砂砾岩平均孔隙率为20%，该段上部以中细砂岩为主，底部普遍发育异层厚度为30～80m的底砾岩，底砾岩在塘沽地区最为发育，厚度可达80m以上，岩性较好，在大港汉沽地区，由于有泥质填充，影响地层的富水性。该段矿物成份以石英、长石为主，砾石成份主要由石英、长石、燧石为主，次棱角、分选中等; 砾径以中－ 细砾为主，一般在4～6mm，见少量黄铁矿晶体及铁锰质结核分布。
图1 滨海新区构造位置图
2 馆陶组热储回灌技术集成
依据滨海新区地热地质条件馆陶组热储地热回灌井成井结构设计分为: 一开大口径填砾成井、二开过滤器成井和二开射孔成井三种工艺［12 ～ 14］。
2.1 一开大口径填砾成井工艺
大口径填砾工艺，即完井后选择扩孔。在过滤器和井壁之间充填一定厚度的砾料，填砾时应保证砾料到位，起到滤水、挡砂的作用，形成很好的滤层。
2.2 二开过滤器成井工艺
二开过滤器成井工艺应用在较深地热井中，采用水泥固井止水方法。水泥固井具体工艺是在过滤器上部加装盲管，并预打旋流孔，待井管下至预定位置后，利用旋流孔进行注水泥固井作业。旋流孔下部加高强度橡皮伞，防止水泥浆下沉(见图2) 。
图2 二开过滤器成井工艺示意图
2.3 二开射孔成井工艺
射孔技术一般应用在较深地热井中( 一般＞1500 m) 。该成井工艺结合测井曲线解释成果分析热储层的渗透率、孔隙度、含水层厚度及井温等参数，通过射孔作业方式，建立渗水通道成井。该工艺应用于赋水性好、渗透率大、地层成岩性好，胶结较致密的热储层中。
2.4 馆陶组热储回灌地面配套设备及工艺
地面回灌配套设备可以有效避免回灌产生的物理和化学堵塞等，减缓回灌量衰减，保证地热流体回灌通畅、维护回灌井的持续有效运行。
2.4.1 回灌系统地面配套设备
地面配套设备要满足回灌水质要求，不会因清洗反冲等操作中断回灌运行。回灌系统要严格保证密闭，避免回灌流体回温度、压力等因素变化而产生沉淀，从而导致储层堵塞。回灌系统地面配套设备包括过滤装置、排气装置、回灌管、水位测管及回灌管路等方面。
(1) 过滤: 为有效减少回灌中的堵塞，保证回灌顺利，在回灌井口需设置二级过滤器: 二级过滤器进出口两端均需安装压力监测仪器，根据压力的变化制定反清洗的时间，以保证过滤效果。
(2) 排气罐: 回灌流体由于管径阻力和流动状态的变化，水动力流场状态发生变化，流体中的部分气体析出并生成气泡，当驻留在岩石空隙中会产生气堵。在回灌前应设置排气装置，地热尾水进入罐体，管径的变化，流速迅速降低，压力下降，气泡内的压力和罐内压力形成压差，迫使气泡爆裂，将气体释放出来。
(3) 回灌管网材质: 回灌地热流体温度通常较低，应该首选非金属管材( 玻璃钢管材或PP-Ｒ 管材) 用于回灌输水管道，可以有效防止了腐蚀和各种堵塞。
(4) 井口装置: 回灌井井口要注意井口密闭性、水平、牢固等方面。当密封不严时，井口瞬时产生负压吸入空气，大量氧气驻留在井口至动静水位的井筒空间内，发生氧化反应，加速腐蚀，溶解氧( O2) 则加速与水接触表面的腐蚀。
(5) 动态监测设备: 为了监测回灌条件下热储层压力场、温度场和水化学场的变化趋势，保证地热资源的可持续利用。
3 工程示范
在以上研究成果的基础上，开展了滨海新区的回灌技术应用的示范工程，在滨海新区范围内选取三眼地热井，DL-25H、TGR-26D 和TGR-28D，这3眼地热井井身结构、地热井施工、地面回灌系统建设、回灌系统运行均采用本项目中的集成技术。根据不同区域热储参数的差异，分别选择一开大口径填砾成井和二开射孔成井工艺进行地热回灌井的施工，采用回灌集成技术，DL-25H回灌井回灌量达到101. 9m^3/h，TGR-26D井的得最大回灌量为114.5 m^3 /h，TGR-28D井最大回灌量为122.5m^3/h，取得了馆陶组热储层回灌的新突破，可实现地热资源的循环利用。
3.1 DL-25H回灌示范工程
DL-25H 回灌井于2009 年12月25日开钻完钻深度1362.39m，与DL-25B (原有馆陶组地热回灌井) 相距702.59m。原回灌井采用滤水管完井工艺成井，热储层由于回灌堵塞导致回灌衰减。在分析本地区地质条件的基础上，为避免回灌堵塞导致的回灌量衰减，增大回灌量。根据本区馆陶组热储层埋藏浅、岩性结构松散，胶结性较差，渗透率高的地质特点，DL-25H 回灌井采用了大口径填砾的成井工艺，通过增大过水断面面积，提高回灌能力，确保回灌可持续进行。通过与DL-25B回灌井的回灌结果对比分析，验证本次的回灌效果。
3.1.1井身结构及钻井液控制
(1)井身结构
结合地层结构等因素，为最大程度提高回灌能力，井身结构确定为一开大口径填砾成井工艺。先用φ311.15mm 三牙轮钻头钻至1362.39m，再用φ660 mm 钻头扩孔至346.18 m，下部用φ460mm钻头扩孔至1362.39m，完井后将φ339.7mm 泵室管、φ219.1mm 井管、φ219.1mm过滤器及φ219.1mm沉淀管一同下入目的井深，在泵室管和井管之间加装规格为339.7mm×φ219.1mm的变径接头。井身结构示意图见图3。
(2) 钻井液控制和完井
为使含水层畅通，提高回灌效果，采用下管前“破壁换浆”与下管后填砾前“正循环管外循环冲洗”的方法，彻底清除井内泥浆，破坏井壁泥饼，使过滤器周围形成一个良好的人工过滤层。洗井采用空压机及水泥泵气水混合联合洗井，洗井至水清砂净。
完井后降压试验确定出水量107m^3/h，稳定动水位137.9m，水温76 ℃，水化学类型为Cl·HCO3-Na型，矿化度1726.2mg/L，pH值7.57。
图3 DL-25H 地热回灌井井身结构示意图
3.1.2地面回灌系统建设
该示范工程建设过程中，在原有技术分析基础上，结合具体实例，在水质化验的基础上对DL-25H井回灌地面系统进行设计安装。除了在粗过滤、精过滤、排气罐、加压等装置等方面进行施工安装，还对回灌管路和回灌管材质等方面进行改进提高。
(1) 回灌系统流程
回灌系统建设包括过滤装置、排气装置、回灌管、水位测管及回灌管路等方面，完成后回灌系统工艺流程如图4 所示。
图4 DL-25H 回灌系统工艺流程图
(2) 回灌系统安装
根据水质结果，回灌处理系统安装了旋流除砂器、粗过滤器、精过滤器和排气灌。
① 除砂器: 针对回灌流体含砂的特点，地面系统中增加了除砂装置－旋流式除砂器。
② 粗过滤器: 粗过滤系统由四个过滤器并联组成，单体罐过滤量为20t/h，回灌并联设计过滤量可达80t/h。
③ 精过滤器: 精过滤系统也是由四个过滤器并联组成，单体罐过滤量为20t/h，回灌并联可达80t/h。由于过滤精度较高，不仅能有效地防止井内回灌物理堵塞，还可以拦截或吸附微生物和细菌。
④ 排气罐: 当地热尾水流经管道并经过两级过滤后，流速、压力、水化学特性等均会发生变化，特别是流速和压力的变化，使部分气体施放出来。
⑤ 回灌管的选择: 为避免物理堵塞，对回灌管和水位测管进行改进，采用316不锈钢材质管材，抗氯化、抗侵蚀性能有较大程度提高。为避免回灌管路腐蚀结垢和保证回灌水质，回灌输水管路全部采用PPR管，该管道除具有耐热、耐压性外，还具有耐腐蚀、不结垢等特点。
3.1.3回灌试验
回灌试验均采取自然回灌方式，回灌量由小到大逐级增加。在回灌实验前，按照回灌运行方案，提前做好回灌系统的管路、设备的清洗机连接工作等，通过回灌试验确定回灌井的回灌能力。
通过试验数据的采集，绘制了DL-25H 回灌井水位与水温、流量关系曲线图如图5所示，并对该井试验数据进行了分析，确定该井的最大回灌能力为101.9 m^3/h，原DL-25B地热回灌井的回灌能力仅有25m^3/h，认为现有的成井工艺和地面标准工艺流程，对于提高地热回灌井的回灌量具有非常重要的作用。
图5 DL-25H 回灌井水位与水温、流量关系曲线
4 结论和建议
(1) 可持续回灌是保证地热资源循环利用的关键，可通过以下方式解决馆陶热储的回灌问题:
① 回灌堵塞的主要原因为回灌流体中的细小的固体悬浮物，化学反应以及气体。在孔隙热储层中，回灌堵塞的主要原因是物理堵塞。合理的地面回灌系统和工艺流程能避免回灌过程中的物理和化学堵塞，减少回灌量衰减，保持可持续回灌。
② 成井工艺为解决回灌的关键，在滨海新区馆陶组热储地热井的成井方式为: 一开过滤器成井工艺、二过滤器成井工艺和二开射孔成井工艺。
(2) 建立滨海新区馆陶组热储循环利用的示范工程:成功的成井工艺和标准的地面回灌系统(除砂器、粗过滤器、精过滤、排气罐以及回灌管路的材质)，在示范工程开展地热资源循环利用的试验，回灌量能达到100～123m^3/h，这也是在天津滨海新区孔隙型热储回灌研究的突破性进展。