一、砂岩热储地热水高效回灌优化升级系统的意义

我国砂岩热储地热水回灌技术起步较晚，目前仍处于发展阶段，回灌井数少、回灌量低，回灌效率不高，严重制约了砂岩热储地热水的利用效率。砂岩热储地热水高效回灌优化系统是指针对砂岩热储地热水开发利用的特点，通过优化设计和科学管理，达到提高砂岩热储地热水回灌率、降低回灌井运行成本、提高回灌系统运行效率的目的。砂岩热储地热水高效回灌优化系统的提出对提升砂岩热储地热水开发利用水平具有重要意义：①有利于提高砂岩热储地热水的回灌率和回灌量，减少回灌对地热资源的浪费，节约投资；②有利于提高地热资源的回灌效率和运行效率，节约成本；③有利于实现砂岩热储地热水的高效开发利用，提高经济效益和社会效益。本项目将从理论和实践上探讨高效回灌系统的设计原理、技术方法等内容，以期为我国砂岩热储地热水高效回灌优化系统建设提供借鉴。

（一）有利于提高砂岩热储地热水的回灌率和回灌量，减少回灌对地热资源的浪费，节约投资

砂岩热储地热水的回灌率直接影响砂岩热储地热水的利用效率，由于回灌效率低，导致大量的地热资源白白浪费，这是目前砂岩热储地热水开发利用中的最大问题。据统计，我国砂岩热储地热水的回灌率一般为40%~50%，回灌量一般为3~4m3/d。近年来，随着对地热资源开发利用的不断深入，由于回灌井数量少、回灌效率低，造成了大量地热资源的浪费。因此，提高砂岩热储地热水的回灌率和回灌量已成为实现砂岩热储地热水高效开发利用的关键。

在现有技术条件下，提高砂岩热储地热水回灌率、回灌量并不是一件很难达到的事情。关键在于对现有技术和设备进行改造和升级，建立一套高效的砂岩热储地热水回灌系统。

（二）有利于提高回灌效率和运行效率，节约成本

砂岩热储地热水高效回灌优化系统的建设，在回灌过程中，首先通过回灌井合理布设和优化设计，优化回灌量和回灌强度，避免不必要的重复施工，减少对砂岩热储地热水的浪费，减少对环境的污染；其次通过回灌井结构、材料的优化设计，在保证回灌量的同时提高回灌效率，减少运行成本；最后通过对回灌系统运行管理的优化和智能化升级，减少人力物力投入，提高运行效率。以“甘肃武都地热田”为例，该区域地下水矿化度为1520 mg/L以上，水质较差，直接影响了砂岩热储地热水的回灌效率和回灌量。虽然目前已建成回灌井7口，但实际回灌效果不佳。通过对回灌井结构、材料、设计、运行管理等方面的优化和智能化升级改造，使砂岩热储地热水在整个回灌过程中尽可能减少不必要的重复施工，提高回灌量和回灌井数。最终达到提高砂岩热储地热水的回灌率和回灌量的目的。这将进一步提高砂岩热储地热水开发利用水平，提高经济效益和社会效益。

二、国内外研究现状

（一）国内研究现状

中国是世界上第一个成功开发利用地热资源的国家。在地热资源的开发利用中，地热水的回灌技术是一项重要内容，目前我国对砂岩热储地热水回灌技术的研究尚处于起步阶段，国内有关砂岩热储地热水回灌技术方面的研究主要集中在回灌量、回灌系统设计和回灌效果评价等方面。国内关于回灌水对地热资源影响的研究主要集中在回灌水对热储温度场的影响、对热储层中流体的运移、热储裂隙的渗透性及回灌效率等方面。孙维仁等通过数值模拟方法，分析了回灌水对热储层温度场影响。郑建生等研究了砂岩热储地热水回灌量和回灌率之间关系，并确定了砂岩热储地热水回灌量。王磊等通过数值模拟方法，研究了回灌水对热储层中流体运移及热储裂隙渗透性的影响，并确定了回灌率与回灌水体积之间关系。徐涛等研究了不同回灌条件下，水热交换对砂岩热储地热水温度场和流场的影响，确定了最优的回灌水体积。刘勇等研究了砂岩热储地热水在不同压力条件下的回灌量和回灌效率。

张立云等通过建立“热储—回灌水”数值模型，利用 Matlab软件模拟了砂岩热储地热水在不同压力条件下的温度场分布，确定了最优回灌水体积。孙建峰等通过数值模拟方法，分析了不同回灌压力下砂岩热储地热水在不同温度条件下的热交换速率，确定了最优回灌水体积。张立云等通过数值模拟方法研究了回灌水在不同压力条件下对砂岩热储地热水温度场、流场及热储层裂隙渗透性及热储裂隙渗透率的影响。

综上所述，国内针对砂岩热储地热水回灌技术开展研究工作时间较短，很多方面还存在不足，主要表现在以下几个方面：

1.回灌的理论研究较少，回灌工艺技术、参数缺乏统一标准。

2.没有建立统一的回灌水计算方法。

3.国内缺乏完善的回灌水质量评价标准及评价体系。

4.在实际应用中回灌量小、效率低、浪费严重。

5.对不同地区回灌效果研究不足。

针对上述问题，国内学者进行了大量的研究工作。在砂岩热储地热水回灌技术方面，开展了大量工作，取得了显著进展。但是由于研究时间短、经验不足等原因，还存在一些问题和不足之处，例如：目前大部分研究都是以大尺度（如中国华北平原）为背景开展的，缺乏对特定地区（如河北涿州）的研究工作。

（二）国外研究现状

美国和欧洲等国家对砂岩热储地热水回灌技术的研究起步较早，并取得了许多成果，其中美国于1969年开发出第一个地热回灌系统。欧洲国家从20世纪80年代起开始对砂岩热储地热水回灌技术进行研究。美国在20世纪80年代后期已完成了一些回灌试验，并在1990年成立了砂岩热储地热水回灌技术委员会，每年都举办一次国际会议，在这方面取得了较大的进展，如回灌流量、回灌井数量、回灌水质、回灌介质、回灌成本等。

三、砂岩热储地热水高效回灌优化升级系统的应用

（一）水动力学模型

水动力学模型是地下流体流动、传热的数学模型。根据对岩性、地层结构、渗流特征和开采条件的研究，可建立适用于不同地质条件和开采条件的水动力学模型。但由于地热回灌是一种动态过程，回灌水与回灌介质（地层、储层、地下水）之间存在复杂的相互作用，而水动力学模型通常只考虑水流与介质之间的相互作用，没有考虑物质运动和能量交换。因此，在模拟实际回灌过程时，会存在诸如计算精度不高、系统求解困难等问题。为解决这些问题，应建立动态过程中多个影响因素同时作用的水动力学模型，并在此基础上对水-岩相互作用过程进行模拟，建立多因素耦合作用下的水动力学模型。具体而言，可以通过以下几种方式进行模型构建：

（二）回灌井优化配置

根据热储系统的结构特点和开采情况，选择合适的回灌井，是砂岩热储高效回灌的前提。热储区内一般为一个天然的回灌系统，如图2所示。通常情况下，砂岩热储回灌系统的回灌井可以分为单井、多井和群井三种类型。根据开采条件和要求，单井可分为单独开采、回灌和不回灌三种情况。单井回灌是指在开采过程中，从一个回灌点向另一个回灌点供水，通过水-岩相互作用形成一定水位差而达到回灌目的；多井回灌是指在开采过程中，在两个或两个以上的回灌点同时供水，通过水-岩相互作用形成一定水位差而达到回灌目的；群井回灌是指在开采过程中，由多个回灌点组成的系统。

（三）回灌优化系统

基于水动力学模型的优化升级系统，在原有回灌优化系统的基础上，对回灌过程进行优化控制，对回灌井之间的回灌量进行调控，从而实现对回灌效果的有效控制。同时，根据系统设定的回灌水位和回灌量，自动调节回灌水泵的流量和扬程。

系统具有以下特点：

（1）回灌量可调：回灌井群中，回灌水泵可以根据每个井的回灌量进行灵活调节。通过精确计算各井回灌量和调节各井的回灌量，可保证整个砂岩热储系统回灌效率最优。

（2）回灌水头恒定：由于采用水动力学模型对回灌水头进行控制，可保证每个回灌井都有足够的回灌水头（水位），使得整个砂岩热储回路中各个井回灌水头始终保持一致。

（3）动态实时调控：系统能够实时监测每个回灌井的水位和回灌量，并根据实际情况自动调节回灌水头（水位）。通过设置多个阈值，系统能够在水位达到设定值时自动停止回灌。

（4）操作简单方便：系统操作简单、易于维护、容易掌握，对工作人员的技术要求低，仅需掌握基本的水动力学模型即可。

（四）智能控制系统

智能控制系统是砂岩热储回灌优化升级系统的核心，由控制柜、智能控制器和传感器组成。控制柜实现对回灌水头、水位、压力等参数的采集和调节，智能控制器通过采集回灌水头、水位等参数，并通过传感器反馈给控制柜，实现对回灌水头、水位的调节；传感器实时监测回灌井群中各个回灌井回灌水头、水位的变化，并将这些数据实时上传到智能控制器，再通过控制柜上的智能控制器进行处理和分析，根据回灌系统运行情况，控制水泵、回灌管的启停，从而达到对回灌水头和水位的控制。在回灌过程中，各回灌井之间需要保持相对稳定的水位和水头差，这就需要各个回灌井群中各个井之间能够保持相对稳定的水位差。智能控制系统通过对各回灌井水位差进行检测和控制。

（五）通讯系统

在回灌优化系统中，现场实时控制所需的数据是通过现场的通讯网络传输到服务器的，因此，回灌系统的通讯网络是回灌系统的“中枢神经”。回灌优化升级系统中采用了一套基于TCP/IP协议的实时通讯系统，包括现场总线（CAN）和数据网络（以太网）。现场总线（CAN）负责网络中的设备运行状态监测，包括设备故障状态、工作电流、电压、温度等，并通过CAN接口上传到服务器；数据网络负责从现场总线（CAN）获取回灌优化升级系统中各个传感器和执行器的运行状态，并通过CAN接口上传到服务器；以太网负责从服务器接收传感器和执行器发送来的数据，并将其转换为标准数据格式，通过以太网接口上传到服务器。回灌优化升级系统通过现场总线和数据网络两个部分进行实时通讯。其中，现场总线主要用于现场设备控制；数据网络主要用于管理中心与现场设备之间的通讯。

（六）可视化软件

SigmaPower可视化软件，是一款针对水动力学模型、回灌系统设计及运行的可视化软件，SigmaPower可用于分析热储系统中的回灌效果，指导回灌水头优化控制，并可以自动生成数据报表。SigmaPower可视化软件在热储系统设计中，主要应用于回灌效果分析，计算回灌井水位、回灌量、回灌井群水头、回灌井间距等参数，并通过界面的形式在屏幕上显示。该软件在实际应用中能够直观地显示热储系统中各个井回灌水头变化情况，帮助工程技术人员了解回灌井运行情况，并根据实际需求进行优化控制。

结束语：

在回灌优化升级系统的设计过程中，需要解决三个关键问题：①砂岩热储系统水-岩相互作用机理复杂，导致回灌过程中需要多次回灌；②回灌过程中需要准确掌握各个回灌井的回灌水头；③回灌效果控制需要更精确的水动力模型。为了解决上述问题，首先通过井-管-岩耦合模型与水动力模型的耦合，构建了复杂系统的水-岩相互作用机理及数学描述；其次，在水动力模型中加入了对回灌效果影响更大的水位控制条件，以保证回灌井回灌水头恒定；最后，根据实际生产情况，提出了基于水动力学模型的回灌优化升级系统设计方案。

基于该方案进行了现场实践，结果表明：①回灌优化升级系统可显著提高回灌井群中各个井的回灌效率；②回灌水头恒定后，整个系统的回灌效果更好；③回灌水头恒定后，整个系统的回灌效率明显提高。这套优化升级系统的应用，还可以扩展到其他砂岩热储系统中，包括高温地热井、高温地热田等，具有广泛的应用前景。同时该技术还可用于对砂岩热储系统进行模拟仿真研究。

参考文献：

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