2.8　回灌井

随着地热开发利用的不断发展，地热井的数量和抽水量都逐年增加，有的地方已达到甚至超过资源评价所限定的抽水量极限。大量抽水而不回灌，势必造成水位持续下降，井的使用寿命将减少，不利于地热的持续发展。只抽不灌，不但不利于保护地热资源，同时也将含有某些有害成分的地热水排放到地表的水体或渗透到地下，造成不同程度的环境化学污染。有些排水温度超过环保的规定还会造成热污染。所以，回灌开采被看作是地热持续发展的重要措施之一。然而，由于不同的地热区其地质构造是不同的，所以回灌方式也不完全一致。为了预测回灌开采后地下温度场等各种场的变化趋势以及冷峰面推进的速度，近年来还通过建立热储模型和发展计算机数值模拟技术来加速回灌开采的研究。此外，回灌还会带来对地下新鲜清洁水的污染问题，所以回灌开采并不是一件十分容易的事情。国内外除地热电站所在的热田一般都打回灌井并开展回灌开发研究外，多数中低温地热直接利用的地热田进行回灌开采的还较少。目前，一些有比较丰富地热资源的城市，如天津市，由于地热采暖的抽水量很大，水位下降较快，因而城市地热管理部门已加强地热回灌开采的技术研究，并提出了在城区打地热井必须同时打回灌井的要求。

目前，除一般地热田的回灌井及对井回灌的回灌井外，还有水源热泵系统的浅井回灌。人们在研究试验回灌技术时，往往比较重视回灌技术本身，包括回灌量、回灌压力以及能否持续回灌等。但是对于回灌水是否符合环保要求，是否会污染地下饮水源等，一般注意较少。美国在防止回灌水污染饮水层方面比较严格，还专门立法来加以实施，值得参考。

美国为了防止地热水回灌污染饮水层，国会于1974年特别通过了93—523法令来保护现有的和未来的地下饮用水资源，保护公众的健康和福利。随后，美国环境保护机构（EPA）也制定了地下水不受回灌井污染的保护细则。目前，美国国内已确定和建立井的五个等级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级）。地热回灌井包括在第Ⅴ级内。Ⅴ级是包罗所有其他级不包括的井的混杂级。Ⅴ级内所包含的都是典型的回灌非有害流体的井，或是回灌到地下饮用水资源以上地层的井。1980年，EPA对Ⅴ级井建立了技术规范并已被法律认可，它意味着回灌到Ⅴ级井是允许的。但是，Ⅴ级井禁止注入任何会污染地下饮用水资源的地热水。已对地下饮用水供给源的含水层或含水层的一段下了定义，包括其总固体溶解物小于10000mg/L。美国EPA的地下水回灌控制细则可以由联邦议会通过的国家机构执行，也可由EPA直接执行。

回灌井的钻进和完井与生产井相仿，许多钻进和完井的方法也可采用。但是钻回灌井更要注意确保井孔的清洁和固井的完善。因为回灌井打成后，井是接受流体而不是生产流体，这样就没有机会把泥浆或岩层中细小的遗留物带出来，这就容易造成打井后泥浆和腐蚀产物不可避免都泵入井内，导致堵塞岩层。所以，回灌井钻井液的监视和控制要比生产井更重要。

当用泥浆钻进时，为了降低岩层堵塞的可能性，国外许多钻井顾问建议用泥浆钻进到回灌接受岩层后改用清水钻进或空气钻进。为了防止井壁坍塌，如果需要，可以下入套管并固结环隙。在条件允许时，可优先选用裸孔完井，因为此法可消除形成泥皮，也可防止滤孔或滤缝的堵塞。如果回灌水温低于接受岩层的温度，那么热应力会破碎接受岩层的岩石。新西兰有一眼回灌井运行一段时间后回灌量增加，热应力破碎岩石是一种可能的解释，因为回灌层将局部充满破碎后的碎石，增加了接纳回灌水的孔隙度。

由于回灌流体在泵压下会产生一种冲蚀，因而它就有向套管外环隙移动的倾向，可能会进入新鲜水层。所以回灌井的固井，在技术上就有更高的要求。如果采用泥浆钻进，套管与水泥之间以及水泥与井壁岩层之间必须要牢固地粘结成一体。

井的回灌段设计是有争议的，每一种回灌都必须单独考虑。一般的经验方法是，各种回灌面积（如钻孔截面积、花管通水面积等）都应比同流量的生产井的相应面积大2～3倍。在比较密实的岩层中回灌，以及在以水为热源的热泵系统中回灌，运行一般较好，因为密实的岩层可减轻泥砂和腐蚀产物的阻塞。热泵回灌井常在能阻碍铁细菌生长的最佳温度范围内运行。假如出现了铁细菌，回灌井面积甚至两倍于生产井面积可能还不够。如果回灌岩层的孔隙很大，如裂隙和风化的玄武岩，那么回灌井只要求适当增大面积即可。

回灌井如果出CO2和H2S，并有压力下降或系统通大气的情况出现，此时，热流体中的各种气体就会逸出，pH值将发生变化，这样就干扰了水的化学平衡，导致溶解的矿物质析出成垢，堵塞回灌层。一般来说，回灌系统（包括回灌井）必须密封并保持压力。回灌水不允许在非加压下自流灌入井内，即使井的水位低于地表也不行，因为微小的气泡将阻塞岩层中接纳回灌水的孔隙。当回灌水的温度高于接受的含水层温度时，例如当回灌至接近热储边界时，如果系统是封闭的，那么值就不变，回灌的水量将随时间而增加，因为这种情况下存在着回灌液会溶解岩层物质的倾向。