回灌井回灌系统装置

地下水回灌的回灌方法~

地下水回灌方法有多种，主要为利用地表灌水回灌，利用河道和沟渠行水回灌，利用水库、坑塘蓄水回灌和向井中注水回灌。这些方法可单独使用，也可配合使用。 这是一种直接补给地下水的方式，占用场地小，适用于城市和工业区，也是补给深层承压水的有效途径。但是这种回灌方法由于井的滤水管过水面积小，易堵塞，堵塞后清除也较困难，故回灌用水应加消毒、过滤处理。(1)回灌井堵塞原因。①物理堵塞：即水中的泥沙和其他悬浮物堵塞了井的滤水器及含水层沙粒孔隙；或者由于回灌水流挟带常在滤水器上形成坚硬的垢，阻塞过水。③生物化学堵塞：主要是由铁细菌和硫酸还原细菌造成的。当地下水中有铁细菌存在时，能加速滤水管的电化学腐蚀，形成棕红色含水氢氧化铁絮状物、聚集在滤水管周围，造成堵塞。(2)回灌井堵塞处理方法。向井中注水回灌，一般都存在着随着时间的延长，回灌流量逐渐衰减的现象，这就说明井内阻力增加，发生了堵塞问题。解决单纯的物理堵塞可通过抽水洗井（俗称回扬），使抽出的水变清，回灌能力即可恢复。故回灌井的工作方式常需灌、抽交替进行。对于化学堵塞，用一般的抽水洗井法不能消除，需加入一定量的盐酸，使碳酸钙沉淀物溶解，然后通过抽水解决。但盐酸可腐蚀钢管和铅丝，使用时必须慎重。(3)向井中注水的回灌装置。当净水池内水位高于回灌井内水位时，可用水平管或虹吸管将水流直接导入回灌井。用虹吸管连接，俗称真空回灌，须在开始回灌时，先向管内充水排气，方可使净水池内的水流连续不断地流向回灌井。向井中注水回灌常需先抽水清淤。故回灌井均各有水泵。虹吸回灌的管道充水，亦可用回灌井中的水泵解决。图1是安装深井泵的真空回灌管道装置图。自流向回灌井注水，若井水位与地下水水位的水头差较小，则回灌流量小，效率低。为了提高回灌效率，需对井水加压。加压的办法是将井口密封，将加压的水流从进水管导入回灌井。进水管接自来水管，或与从水源地（净水池）抽水的水泵压力水管连接。图2是安装深井泵的正压回灌管路装置图。

(一)按工程结构分为对井回灌、同井回灌、外围回灌
对井回灌是施工两眼或两眼以上的深井,形成一采一灌或多采多灌,根据目的层的不同又分为同层采灌、异层采灌;同井回灌是同一眼井在上部热储中用较大口径成井,再在下部热储层中用较小口径成井,由套管固井隔离两个热储层,可以下抽上灌或上抽下灌;外围回灌指在开采区的外围或上游施工回灌井向热储层回灌。目前在各国实施回灌开采热储流体时,采用最多的是同层对井回灌开采模式,对井中开采井以一定流量抽水,而回灌井则把经过换热器提取热能以后的原地热流体回注入热储层中。这种对井开采方案使地下热源开采、地面综合利用、尾水回灌形成全封闭循环系统,只消耗热能不消耗水量,补充单井开采造成的热储流体的亏空,减缓热储压力场的下降,这样不仅可以防止排放弃水污染环境,还能通过回灌流体在储层中的再加热,使蕴藏在岩石骨架中的热能带出来得以循环利用,延长热田开发利用年限,保证地热井长年稳定开采。同时,由于对井回灌开采采取严格的全封闭系统,保证回灌水做到“原汁原味”,也利于保护热储层原有水化学平衡。
实际对井回灌项目中,有的将开采井与回灌井倒替运行,这样做管线控制是没有问题的,但实施中要提前考虑以下几点:(1)持续的回灌井在储层中有稳定的渗流通道,如改为开采井,可能会对储层造成伤害;(2)一般回灌井温度低,如开采利用,是否适宜供暖系统参数的设计参数;(3)如果采灌对井井口距离较远,之间水平管线也是一笔很大的费用;(4)回灌井井口有一套过滤、加压装置,开采井则没有,如果想切换,需提前设计。
(二)按进水通道的不同,地热回灌有3种方式
从泵管内进水,注入储层(孔隙型地热井经过滤水管渗入含水层);泵管外进水,流体从泵管与井管之间的环状空间进水,渗入含水层;整个井管(泵管内、外)同时进水。在回灌压力和储层周围水位保持不变的条件下,泵管内、外同时进水,水流断面最大,水流阻力最小,回灌水量最大;当井管的直径比泵管大较多时,泵管外水流断面大于泵管内水流断面,水流阻力小于泵管内,泵管外环状空间回灌量大于泵管内回灌量;但泵管内进水方式能有效防止气堵,依靠控制阀调节回灌量,由小到大逐渐增加,在较易产生气体阻塞的沉积盆地型回灌井中普遍采用。
(三)按流体注入储层的压力方式不同,分为自然回灌、真空回灌和加压回灌
依靠大气压力、井筒液位水柱压力以及利用系统尾水压力为驱动力进行回灌的方式为自然回灌。
真空回灌又称负压回灌,是在具有密封装置的回灌井中,先开泵使井管和地面出水管路内充满流体,然后停泵并立即关闭泵出口的控制阀门,此时由于重力作用,井管内地热流体迅速下降,在管内的液面与控制阀之间造成真空度,在这种真空状态下,开启控制阀门和回灌水管路上的进水阀,靠真空缸吸作用,水迅速进入管内,并克制阻力向含水层中渗透。真空回灌运行时严禁空气混入井管或输送管路。
当自然回灌和真空回灌不能正常实施时,依靠外力(压力泵等设备)作用在回灌系统中增加压力,进行强迫回灌的方式为加压回灌。加压回灌是增加回灌量的一种补救措施,但是由于地层构造不同,特别是胶结较差的孔隙型地层结构,加压回灌可能会造成对地层结构的破坏。原因是在强压力推进时,回灌流速加大,地层中胶结较差的粉细砂将被搬运。随着搬运距离延长、流速降低,在某一区域内粉细砂粒将会滞留。这种情况一旦发生,原本细小的砂岩孔隙将被紧密堆积,回灌堵塞的现象就此发生。因此,在采用加压回灌时,通常需要考虑定期或不定期的空压机气举或反抽回扬洗井,以清除附着在滤水管内表面上随回灌流体进入的杂质,疏通滤层网眼和过水通道,减少回灌井管及周围热储物理、化学阻塞,提高回灌能力。
自然回灌、真空回灌和加压回灌方式主要是通过水压驱动实现回灌,这一点在砂岩孔隙型地热回灌井中表现的比较明显。除此之外,依靠回灌流体与储层中地热流体的密度差异产生的重力作用来驱动,这一点在岩溶裂隙型地热回灌井表现的比较明显。

完善配套的地面设施、合理的工艺设备可有效防止各种堵塞,确保回灌的正常操作运行。由于储层性质和流体特点,不同热储层应采取相应的地面水质处理配套设施。应根据水质的化验结果而优化制定,选择对预处理水质最有针对性的方法:既要保证回灌水质符合要求,又要防止过度处理以增加不必要的投资。为防止物理堵塞,在回灌系统中应设置三级过滤装置(一级旋流式除砂器、二级粗效过滤和三级精密过滤)、反冲洗系统、排气装置、加压装置及氮气保护装置等装备。在连接方式上,主要考虑各自的功能以串接为最佳方式,具体工艺过程见图4-31。

图4-31 典型地热回灌过滤系统工艺流程图

1.回灌井过滤系统

地热供暖系统长年运行,管道不可能经常更换,由于管路内的老化、锈蚀,会使流经的地热流体质量受到不同程度的影响,因此需对回灌水进行净化过滤处理,去除掉回灌水源中的悬浮固相物质和滋生的细菌,降低水源质量不佳对回灌效果的不良影响。

基岩储层稳定性较好,岩石致密坚硬,流体水质较好,回灌效果普遍好于孔隙型储层。基岩回灌地面工艺配套设施重点在于除砂过滤。为不增加额外投资,可根据地热流体质量的具体情况,在回灌水源经除砂处理后,在地面净化措施上可考虑增设精度不大于50μm的管道过滤或其他过滤装置,达到能将管道及系统中残留的相对直径较大的颗粒过滤掉的目的。粗过滤器一般选择采用袋式或棒式滤料,虽然过滤效果较烧结式要差,但安装方便,又可反复清洗重复使用,使用寿命长,价格也相对较低。

孔隙型热储层由于渗透率小、岩石粒径细,滤水管网容易被细微颗粒或细菌堵塞,因此要求同时安装精、粗两级过滤装置。粗效过滤器精度应在50～80μm之间,承担过滤管道及系统中残留的相对直径较大的颗粒任务,并在一定程度上减轻精密过滤器的工作负担,降低反冲洗次数,延长滤料使用寿命;精密过滤器精度应达到3～5μm,采用精度较高过滤效果更好的第三代缠绕棒式滤芯,不仅要滤掉大部分悬浮颗粒,有效防止回灌时井内的物理堵塞,还可以有效地拦截或吸附一部分微生物,防止细菌堵塞。

地热回灌系统过滤装置由单个或数个过滤罐组成,通常是多组滤棒组装在一起,能增加过滤量,以保证过滤效果。精度相同的多个过滤罐一般采用并联方式连接,并有并联备用过滤罐,便于其中某个过滤器的反冲洗或维修。单体罐过滤量大小依所需过滤的回灌水量而确定。每个过滤罐应配有精确度等级达到1.0级的差压变送器或在罐体进、出水两端分别配备精度为0.01MPa的表盘式压力监测仪表,可根据罐体两端压力的变化情况来辨别过滤器的工作状态,并决定更换或清洗滤料的时间,以保证过滤效果。如果压差增大,表明有微小颗粒滞留在滤料上,使得滤料的缝隙变小,应及时通过反冲恢复初始工作压力。选择滤芯材料应满足系统所需精度及效果,同时要考虑耐温和耐压。如地热流体经板式换热器后,回水温度在50℃左右,为保证滤料使用寿命,要求滤料耐温应在60℃左右,如果循环水温度较高,滤料耐温范围也要相应增大,要求滤芯材料耐温性能高于地热流体最高温度;其次是耐压,由于在回灌运行时系统通常要承受一定的压力,因此要求过滤器外壳承受压力应高于系统最大工作压力。

2.反冲洗系统

由于过滤系统在长时间工作中,管道及设备中的矿物沉渣、微生物等随流体经过过滤器时将会驻留在过滤袋或过滤棒中。为保证过滤质量和降低泵耗,需要定期、定时对过滤系统进行反冲洗。用于判断是否需要反冲洗的方法通常是监测过滤器两端的压力变化,通常两端压差在0.2～0.3mH₂O,或当压力超出近0.5mH₂O时,应该考虑启动反冲洗程序。反冲洗系统设计方案通常有两种:

其一是单独建立反冲洗系统,即需要配置反冲洗水箱、反冲泵及相关阀门和管道。优点是系统和操作简单,当配置两台过滤器时,可不影响回灌的正常运行。但是由于需要单独配置反冲洗水箱,需要增加设备投资和在机房的占地面积,定期监测和清洗储水装置同样增加了设备维护的工作量。

第二种方法是设计自循环反冲洗系统。该系统优点是可随时利用某一过滤器过滤后的清洁水为另一过滤器进行反冲洗,避免单独配置反冲洗水箱设备、对储水装置水质的监测,节约设备投资和部分设备间的空间。同时,反冲洗系统还可以采用自动控制系统,利用电磁阀常开和常闭的特点,通过监测过滤器两端的压力变化,控制电磁阀的开启和关闭,冲洗过滤装置。该方法提高过滤效果,降低能耗,节约了人工,可以保证过滤装置始终工作在过滤的最佳状态。不足之处是反冲洗系统是自循环系统,首先不适宜采用单台过滤器,当回灌量较小时,增加过滤装置的台数,反而加大设备的投资;其次,多台过滤器运行,也会增加压力损失,加大运行成本;另外,在循环系统中需要设计独立的反冲洗管路和控制阀门等。

比较以上两种设计方法,地热回灌中采用第二种方法更为普遍。主要原因是节省设备间的空间,避免对反冲洗水质的监测和水箱的定期清洗。只要在设计和施工上保证系统运行可靠,操作方便,该系统可靠性和反冲洗效果均较好。

3.地热回灌系统排气装置

地热流体本身挟带大量气泡,换热后的循环尾水流经管道并经过过滤后,流速、压力、温度、化学特性等均会发生一系列变化,可能会有一部分地热流体中的原始气体或经由某种反应(如硝化反应)新产生的气体释放出来,或者残留一部分不饱和气体如甲烷、二氧化碳等,这些释放出来的气体、气泡团会随回灌流体一同注入。当地热流体在管道内流动时,由于管径阻力和流动状态的变化,水动力流场状态会发生变化,不饱和气体会从流体中析出并生成气泡,当驻留和堆积在岩石空隙中会产生气堵。当循环尾水进入过滤器罐体,管径的变化使其流速迅速降低,压力下降,气泡内的压力和罐内压力形成压差,并使得气泡爆裂,将气体释放出来。同时在注入初期,回灌流体会将泵管、井管内或泵管与井管的环状间隙内的气体压入储层,在回灌通道转折边缘停滞,挤占流体通道形成气体堵塞造成灌量衰减。因此在采、灌系统中要增设排气装置,便于释放回灌过程中因温度、压力变化产生的气体和流体中的不凝气团,防止流体性质发生变化后生成的气泡随回灌水源进入回灌系统,产生气相阻塞,影响回灌效果。为了确保气体的有效释放,排气装置应安装在过滤器之后、加压泵和回灌井口之前,用以在回灌流体进入回灌井之前排除流体中的多余气体。

具体是否有必要安装排气罐和该设备的规模、容量,应根据该回灌流体中气体样分析检测报告中气体所含具体组分和含量的多少而确定。在考虑安装排气设施时需要注意两点,其一是应在罐体顶部要设置自动排气阀,排气点处的高度应高于系统主管道及其他设备装置的最高点,利于系统中气体浓度聚集到一定程度时,自动将气体及时释放到罐体外,降低罐体内的压力,保证安全;其二注意如果地热流体中含气体容量较高时,要采用连接排气风道方式将已释放出的气体排出设备间,以防中毒和引发火灾。

4.地热回灌加压装置

天津市多处地热回灌系统在实际运行中,均出现了回灌井内压力过高、水位迅速上升现象,尤其是孔隙型热储层中或一些成井时间较早的地热井,在回灌运行的初期这种现象比较明显,这时就有必要采用加压方式以提高回灌量。因此在地热回灌系统中应设置加压装置,以便不具备自重回灌条件或在自然回灌条件下回灌困难、效果不理想时,启动加压泵设施采用加压方式进行回灌。

加压回灌管路系统是在自然回灌管路装置基础上,将井管密封,利用水泵压力进行回灌。加压回灌与自然回灌管路共同点是抽水管路不用控制阀门,排水及回扬管路完全一致。自然回灌适宜采用从泵管内进水方式,压力回灌因井管密封,既可以从泵管内进水,也可以用回流管从泵管外回灌。

压力回灌适用于回灌井内流体水位高、透水性差的热储层和滤网强度较大的地热深井,主要是针对新近系孔隙型热储层的回灌系统。加压泵应设置在过滤装置、排气装置之后,可选用变频立式管道离心泵,规格、型号依据回灌量和回灌压力确定。

压力回灌时系统有压力存在,要放气,因此在管路上应为加压泵专门配置放气阀和压力表等装置。实际回灌运行启动时待回灌水从放气阀溢出,使系统管路中的空气彻底排出后,再关紧封固放气阀。采用压力回灌时,回灌量和压力要由小到大逐步调节,避免造成井下滤层破坏,同时了解回灌系统的最大承载压力,不能盲目加压,否则将致使系统压力过大而损坏地热井井管和井口装置,造成不可估量的损失。

5.地热回灌系统管网材质要求

由于地热流体温度较高和普遍存在一定的腐蚀性,如果回灌运行管路采用普通金属管材,直供钢制管道,当地热流体流经铁制管道和终端设备后,排放口处尾水中铁离子的含量要大大高于地热生产井出口处的含铁量,并发现铁嗜菌;当工作系统处于开口状态时,系统腐蚀更为严重。表4-13是天津市DL-25孔隙型地热井回灌系统主要利用系统出水口水质监测跟踪资料,数据显示敞开式排水口比地热井出水口地热流体的铁离子要高出许多,说明采用金属管网对流体铁离子影响非常大。因此为有效防止腐蚀和物理、生物堵塞,回灌系统中所有输送管道、系统循环管网和回灌水管等应首选非金属管材(玻璃钢管材或PP-R管材)、镀锌钢管、不锈钢钢管,同时还要定期对所采用的管材进行严格的防腐处理。

表4-13 DL-25井供热系统各出口端水质测试结果

地热回灌地面工程系统采用的管材和管件,应综合考虑其工作压力和温度,地面输送管路管径由地热井井管及流体输送量确定,一般不宜小于φ150mm。具体选材时除综合考虑耐腐蚀和安装连接方便可靠外,还应根据输送流体的水温、水质确定,对温度不高于50℃、拉伸指数(LI)不大于10的地热流体,可选用玻璃钢管、碳钢管材、聚乙烯管或不锈钢钢管;对温度高于50℃、拉申指数(LI)大于10的地热流体,应选用无缝石油钢管或碳钢管材。

6.地热回灌系统密封要求

地热回灌系统应是一个完整的严格密闭系统,主要体现在以下几个方面:

1)在回灌运行时整个系统应始终保持正压,减少空气在地热流体输送中的渗入,严防空气渗入造成管材的氧化腐蚀,并且所有管材都必须具备良好的防腐性能和密封性能。

2)回灌井的井口装置部分应严格进行密闭处理,回灌水管、水位测管、阀门等所有接口的连接方式均应采用法兰式严格密封。尤其是人工动态监测的回灌系统,其出露在井口上的水位测孔不能是敞口直通形式,要设置有专用开关,且不得长时间处于开启状态。

3)在地热井井口安装隔氧保护设施,如设置具自动压力调节控制系统的氮气保护装置,将井内水位液面以上的井管部分自动充满惰性保护气体,始终保持井内压力略高于大气压力,阻止空气渗入到井内,隔绝空气与地热流体的直接接触,这样既能防止产生井管腐蚀,又能避免由于氧化反应所产生的新的氧化物沉淀。

4)回灌水管应保证始终浸入回灌井内流体液面以下。

由于井管回灌容易造成气堵而影响回灌效果,基岩裂隙型热储层地热回灌系统中,不宜采取井管回灌的方式,而且回灌井内不允许下置潜水电泵进行泵管回灌,应通过专用回灌水管将回灌流体从管内注入回灌井内,回灌水管下入回灌井内流体液面以下5～10m,这样能在一定程度上使整个管路形成某种意义的真空密封状态和密闭路径,减少空气渗入输送管路,实现自重密封回灌。新近系孔隙型热储层进行回灌时原则上应与基岩裂隙型热储层回灌系统一致,通过浸入液面以下的回灌水管实现自重回灌。鉴于目前新近系孔隙型热储层回灌时普遍出现回灌困难,需要不定期进行回扬,因此,回灌水管下入流体液位以下的深度应加大,浸入深度应不小于该井水位埋深的2倍,以备必要时的空压机气举回扬洗井之用;或在回灌井内下置潜水电机和泵管,下入深度大于最大动水位5～10m,潜水电机可进行抽水回扬洗井,泵管在作回扬管的同时也兼作回灌水管。

回灌井应设置专用的回扬输水旁管,并需配置专门流量计(表)。

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