摘要
地热回灌是保障地热资源可持续开发利用的关键环节之一。本文结合河南兰考地区热储层地质条件、水质特点、地热井井管材质，开展了室内腐蚀观察实验和PHREEQC地球化学模拟软件分析，从化学沉淀趋势、地热水腐蚀性和钻井成井工艺方面分析了回灌效果的影响因素，并从地热水水质处理、地热井井管材料选择、钻井与成井工艺优化、回灌温度、项目选址等方面提出提高回灌效果的建议。
地热资源具有清洁环保、储量巨大等特点。因地制宜开发利用地热资源对改善能源结构具有积极意义，也是助力实现“碳达峰”、“碳中和”目标的具体举措。截止2021年底，我国中深层地热供暖建筑面积5.82亿
兰考县位于河南省东北部，是国家能源局批复的全国首个农村能源革命试点建设示范县，也是河南省地热能清洁供暖规模化利用试点地区之一。兰考地区主要断裂为新乡—商丘大断裂（F3）、聊兰断裂的次级断裂（F6）及推测断层（F7、F8）（如
图1 兰考城区主要断裂分布
Fig.1 Distribution of main faults in Lankao
根据资料收集和现场调查，兰考地热供暖项目中抽水井与回灌井的比例一般为1∶1、1∶2或1∶
根据兰考地区现场取样化验和以往收集到的地热水水质分析结果，该地区地热水化学类型分别为：新近系明化镇组上部（约300~800 m）以HCO3·Cl-Na型为主；新近系明化镇组下部（约800~1300 m）以HCO3·Cl-Na型为主，还有少数HCO3·SO4·Cl-Na型；新近系馆陶组（约1300~2200 m）以Cl-Na型为主。通过对23组地表水、浅层地下水及地热水水质的汇总分析，主要指标的垂向水化学类型特征变化趋势为（
图2 兰考地区地热流体主要组分含量
Fig.2 Main components of geothermal fluids in Lankao
根据地下水中化学平衡反应的质量作用定律和质量守恒原理，运用PHREEQC地球化学模拟软件，对于馆陶组的回灌水源能采用的有地表水、浅层水、明化镇组上部、明化镇组下部和馆陶组同层水源，选取的“可能矿物相”，计算各水样点矿物的饱和指数及浅层地下水到深层地热水路径上矿物（气体）的溶解（沉淀）量及溶解沉淀趋势，选择石英、钠长石、钙长石、钾长石、钙蒙脱石、方解石、白云石、石膏、萤石、岩盐、高岭石和伊利石为水文地球化学反应可能的矿物相。在不考虑不同含水层相互污染的情况下，计算采用不同回灌水源混合后，回灌地层中主要矿物成分的饱和指数SI。饱和指数是水文地球化学研究中应用最多的一个指标，它研究的是矿物在地下水的饱和状态。饱和指数反应了矿物组分与地下水之间的相对状态，即地下水化学组分溶解-沉淀的趋势以及内在的水动力和化学条件。当SI=0时，矿物在水溶液中处于平衡状态；当SI<0时，表明矿物在水溶液中未达到饱和状态；当SI>0时，表示该矿物相对水溶液处于饱和状态，矿物将发生沉淀。由计算结果绘制
图3 不同热储层中主要矿物的饱和指数SI
Fig.3 Saturation index（SI） of main minerals in different geothermal reservoirs
通过模拟，在浅层水中，钠长石、钙长石、蒙脱石、白云石、萤石、石膏、石盐、伊利石、高岭石、云母、石英的饱和指数SI<0，在水溶液中未达到饱和状态；方解石的饱和指数SI>0，在水溶液中处于饱和状态，将发生沉淀。
明化镇组上部和下部地热水中，钠长石、钙长石、蒙脱石、萤石、石膏、石盐、伊利石、云母、高岭石的饱和指数SI<0，在水溶液中未达到饱和状态；石英的饱和指数SI上部为-0.19、下部为0.09，在水溶液中处于基本平衡状态；方解石、白云石的饱和指数SI>0，在水溶液中处于饱和状态，矿物将发生沉淀。
馆陶组地热水中，钠长石、钙长石、蒙脱石、萤石、石膏、石盐、伊利石的饱和指数SI<0，在水溶液中未达到饱和状态；高岭石、石英、方解石、白云石、云母的饱和指数SI>0，在水溶液中处于饱和状态，矿物将发生沉淀。
兰考地区新近系馆陶组热储地热流体的水化学类型为Cl-Na型，抽取的5个水质化验结果中C
图4 井管腐蚀情况
Fig.4 Corrosion on well pipes
考虑到兰考地区水质情况，特别是其C
| 编号 | 第一组（普通铁丝） | 第二组（不锈钢铁丝） |
|---|---|---|
| 1 | 兰考地热水，70 ℃ | 兰考地热水，70 ℃ |
| 2 | 兰考地热水，50 ℃ | 兰考地热水，50 ℃ |
| 3 | 兰考地热水，常温 | 兰考地热水，常温 |
| 4 | 自来水，常温 | 自来水，常温 |
根据室内观察实验过程，温度越高，烧杯内的沉淀物越多，铁片和铁丝的腐蚀情况也越严重。普通铁丝和不锈钢铁丝在不同温度条件下的地热水或自来水环境中的变化情况见
图5 普通铁丝在不同条件下的的室内观察实验情况（90 d）
Fig.5 Indoor observation experiment of common iron wire in different situations（90d）
图6 不锈钢铁丝在不同条件下的的室内观察实验情况（90 d）
Fig.6 Indoor observation experiment of stainless steel wire in different situations（90d）
| 实验条件 | 普通铁丝 | 不锈钢铁丝 |
|---|---|---|
| 兰考地热水，70 ℃ | 不再具有金属光泽，表面被锈斑完全覆盖 | 被锈块覆盖，仍然具有金属光泽 |
| 兰考地热水，50 ℃ | 腐蚀严重，完全被锈斑覆盖 | 颜色加深，不再光亮，受腐蚀影响较大 |
| 兰考地热水，常温 | 完全被腐蚀，腐蚀较为严重 | 腐蚀程度明显增加，不再具有金属光泽 |
| 自来水，常温 | 被锈斑覆盖，出现点状锈块，完全被腐蚀 | 表面覆盖铁锈，较普通铁丝腐蚀程度较慢，但金属光泽不明显 |
通过对腐蚀产物进行了X射线衍射和衍射图谱的分析（如图
图7 70 ℃兰考地热水腐蚀产物XRD衍射图谱
Fig.7 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 70 ℃
图8 50 ℃兰考地热水腐蚀产物XRD衍射图谱
Fig.8 XRD diffraction pattern of corrosion products in Lankao geothermal water at 50 ℃
图9 常温实验条件下腐蚀产物XRD衍射图谱
Fig.9 XRD diffraction pattern of corrosion products at room temperature
鉴于兰考地区地热水水质C
通过PHREEQC软件模拟，兰考地区明化镇组地热水可能发生化学沉淀堵塞的矿物是白云石和方解石；馆陶组地热水可能发生化学沉淀堵塞的矿物是云母、白云石、方解石、高岭石和石英。通过室内腐蚀观察实验中沉淀物的XRD衍射分析，不同温度条件下，主要腐蚀沉淀产物包括铁化物、NaCl、CaCO3、CaSi2O7F2、CaPO3（OH）·2H2O中的一种或几种。建议兰考地区地热水回灌前过滤沉淀物、堵塞物，针对上述化学沉淀或腐蚀沉淀产物选择环保型的阻垢剂、除垢剂等，有效去除井管材料的腐蚀产物，降低化学沉淀堵塞的发生，提高回灌效率。
与其他地区地热水水质相比，兰考地区水质C
图10 捆绑不同材质铁丝时试片的腐蚀速率
Fig.10 corrosion rate of iron sheet wound with steel wire of different materials
兰考地区地热供暖发展较快，在地热钻井之前应做好当地水文地质、地热井现状的技术资料收集，吸取此前地热井建井过程的经验，掌握更为详尽的区域地热地质资料。采用钻井液回转钻进工艺时，建议结合兰考地区使用膨润土钻井液体系钻进时在1200 m处发生粘附卡钻事故及其处理经验，提前做好预案，及时调整钻井液体系。目前，气举反循环钻进工艺在河南、北京、辽宁、贵州、天津等地区的地热井钻井中都有成功应
地热井成井目的层井径、砾料类型和填充厚度、洗井是否充分等均会对回灌产生影响。充分的洗井是保障回灌效果的基础。借鉴国内砂岩热储回灌的研究，大口径填砾成井工艺不易造成热储孔隙的堵塞，可以保证回灌的长期正常运
目前，兰考地区地热供暖项目的回灌温度在40 ℃左右。通过初步的室内腐蚀观察实验，结合兰考地区地热回灌调查情况，在分析兰考地区地热水水质、结垢趋势、腐蚀性评价等基础上，温度越高腐蚀速度越缓慢、腐蚀产物越少，有助于提高回灌率。回灌温度通过改变回灌压力对回灌量产生影响，理论上温度越低回灌效果越
通过兰考地区地热水水质分析、室内观察实验、软件模拟等方式，兰考地区地热水腐蚀结垢趋势、回灌影响因素及对策总结如下：
（1）兰考地区地热水C
（2）兰考地区地热回灌效果的影响因素主要包括：地热水水质的高腐蚀性、地热水化学沉淀产物，钻井过程中钻井液材料对含水层堵塞，洗井不彻底，回灌温度、回灌井选址等。
（3）提高兰考地区地热回灌效果，建议通过化学、物理方式进行阻垢除垢、减少腐蚀结垢产物对回灌井的堵塞作用；选择如J55石油套管等耐腐蚀成井材料，降低腐蚀堵塞产物对回灌效果的影响；采用钻井液回转钻进时，及时调整钻井液体系，探索气举反循环、石油钻井工艺等钻井工艺的应用，减少钻井过程泥皮对含水层的堵塞，保证回灌效果。
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