“双碳”背景下河北省海岛地热综合利用与关键技术研究

实现碳达峰和碳中和是党中央、国务院统筹国际国内两个大局做出的重大战略决策。实现碳中和需要减排二氧化碳109亿t,其中能源生产需减排80多亿t,占总减排量的80%。地热资源是指能够为人类所利用的地球内部的热能资源,作为传统化石能源的替代能源之一,是一种储量丰富、清洁高效、稳定可靠的可再生能源,利用率达73%,是太阳能发电的5.2倍,风力发电的3.5倍,能够在践行“双碳”目标上发挥重大作用。随着能源供需矛盾不断加剧,地热资源开发利用呈现快速增长态势,并不断用于地热供暖、疗养洗浴、种植养殖以及工业加工等。海岛因其特殊的地理条件,生态系统集陆域、湿地和海域三类生态系统特征于一体,是海洋生命支持系统的重要组成部分,是经济社会发展重要物质基础、承载要素和空间载体,更是资源保护与科学利用的重点区域。

目前,海岛地热资源利用方面的相关研究工作的不足严重制约了区域地热水资源的勘探和利用进程,部分学者的研究主要是通过分析研究区地热资源的禀赋条件,提出相关的开发利用建议,并未全面分析海岛深、浅层地热资源量及水质等概况。如牛海瑞等基于黄河三角洲地区地热资源的赋存特征,总结了高效开发与综合利用该地区地热资源技术及模式,提出了地热资源可持续开发利用对策建议;田勇等针对京津冀地热资源特点和主要问题,提出进行地下热水进行科学合理的开发,将资源优势转化为经济优势和生态优势;刘宏亮等基于黄河三角洲地区可再生能源组合特征,提出依托中深层水热型地热能,构建以多能协同供应和能源综合梯级利用为基本特征的能源局域网;分析了唐山国际旅游岛地热资源开发利用现状及开发利用前景;黄璜等提出资源循环效率、政府扶持力度和环境友好度等因素将成为未来地热能开发利用过程的主要限制因素,强调了开展地热利用全流程评估的重要作用。

河北省具备开发利用条件的石河南岛、菩提岛、 月岛、龙岛、祥云岛这5个海岛中,除石河南岛外,均有丰富的地热资源赋存,地热资源已成为沿海地区能源结构调整、资源环境保护和生态旅游发展的重要能源支撑,在海域地热综合利用的示范效益和社会效益意义更重大,因此开展“双碳”背景下海岛地热综合利用与对策研究是一项现实意义较强的工作。

1 河北海岛地热资源概况

河北省管辖海域具备开发利用价值为石河南岛、祥云岛、月岛、菩提岛和龙岛等5个海岛(图1), 均为泥沙岛,分别位于秦皇岛山海关区、唐山市唐山国际旅游岛和曹妃甸区,海岛总面积约34.91km2 ,可利用地热资源主要为水热型地热、浅层地热2种。渤海湾盆地处于中国东部地壳厚度较薄的上地幔隆起区,整体为一个复杂的大地热田。

尽管新近纪末期热活动结束,但仍保留前期存留下来的较高的热背景。河北省海岛地热异常区主要位于唐山市南部沿海,分布于马头营凸起、石臼坨凹陷和南堡凹陷内,被柏各庄断裂和红房子断裂切割,这些断裂构造控制着地热异常区的形态和分布特征。区域松散层厚度较大,利用热储层主要有新近系明化镇组孔隙热储(Nm)和新近系馆陶组孔隙热储 (Ng),具有埋藏浅、储量大、水质优、开发利用价值高等特点,采用地温梯度等值线来圈定地热田。以地温梯度大于3℃/hm圈定地热异常区,共圈定菩提岛、月岛、祥云岛、龙岛东、龙岛西5个地热异常区 (图2、表1)。地热资源利用已成为协调海岛资源承载与环境保护重要抓手,是发展海岛生态旅游的重要品牌,走集约、高效、绿色综合利用之路是海岛地热资源开发利用的必然选择。

河北海岛属于低温—中低温热储。明化镇组热储(Nm):在全区均匀分布,主要为棕红色砂岩、泥岩,底界埋深为1 200~1 600 m,热储中部温度50~55℃,热储厚度一般为700~1 100 m,砂厚比 24.39%。水化学类型均为HCO3-Na型水。馆陶组热储(Ng):上部紫红、棕红、灰绿色泥岩与浅灰、灰白、浅棕红色粉砂岩、细砂岩互层,中部灰白色含砾砂岩和浅灰、棕红色粉砂岩为主,夹薄层紫红、灰色泥岩。下部为灰黑色玄武岩,灰白色砾岩夹薄层暗紫、棕红色泥岩。底界埋深为1 350~2 000 m,热储中部温度60~75℃,热储厚度为150~400 m,砂厚比52.87%。水化学类型均为HCO3·Cl-Na型水,水的化学组分以低SO2 - 4、高Na+为特点。

2 地热资源赋存条件

2.1 主要计算参数

2.1.1 热储厚度

河北省海岛热储层厚度参考大地电磁测深明化镇组底界和馆陶组底界埋深等值线,有钻孔地层资料以钻孔地层资料为主,计算结果见表2.

其计算公式为:

热储厚度=孔隙热储地层平均厚度×砂厚比

2.1.2 热储温度

河北省海岛热储温度以区域内热储平均地温梯度和中部深度为基础,计算热储中部温度,作为热储层的温度(表3)。

热储温度计算公式为:

式中,T_Z为热储中部温度;T ₀为当地年平均气温,取 12.5℃;ΔT为地温梯度;H₀为恒温带深度,取25m;H₁为热储顶板埋深;H ₂为热储底板埋深。

2.1.3 岩石和水的比热、密度

水的比热、岩石比热引用《地热资源评价方法》 (DZ40—85)中的数据;根据华北和京津唐地区参数,确定出本区新近系砂岩热储层的密度为2 300 kg/m3,比热取879.228 J/(kg·℃)。热水的比热取平均值4 186.80 J/(kg·℃),密度分别取不同温度时的密度。

2.1.4 孔隙度

新近系明化镇组热储孔隙度为30%左右,取 30%;馆陶组热储孔隙度为29%左右,取29%。

2.2 地热储量计算

通过现场调查和实验分析,利用地热资源量计算公式：

式中,QR为地热资源量;A为热储面积;d为热储厚度;tr为热储温度;t 0为当地年平均气温,取12.5 ℃;C为热储岩石和水平均热容量(表4);ρc为岩石的密度;ρw为水的密度;C c为岩石的比热容;C w为水的比热容;Φ为岩石的孔隙度。热容量计算结果见表5。

经计算,新近系明化镇热储地热资源量:菩提岛为0.32×1018J,月岛为0.45×1018J,祥云岛为0.99×1018J,龙岛西为0.05×1018J,龙岛东为0.01×1018J;新近系馆陶组地热资源量:菩提岛为0.50×1018J,月岛为0.62×1018J,祥云岛为1.26×1018J,龙岛西为 0.04×1018J,龙岛东为0.01×1018J。工作区新近系总地热资源量为4.26×1018J。

2.3 地下热水储存量

热水储存量计算公式为:

式中,W储为热水储存量;W 容为热水容积储量;W 弹为热水弹性储量;H为从含水层顶板算起的水头高度;μ*为弹性释水系数。弹性释水系数计算公式:

式中,ρw为热水的密度;g为重力加速度;Φ为热储孔隙度;Ct为岩石和水的总压缩系数;d为热储平均厚度。经计算,新近系明化镇热储地热资源储存量为54.98×108m 3;新近系馆陶组地热储存量为44.30× 108m3。工作区新近系地热资源储存量为99.27×108m 3。

2.4 地热流体可开采量计算

地热流体可开采量计算方法有多种,在地热田前期勘查阶段可采用热储法进行地热资源量估算, 开采初期可采用解析法初步评价地热流体可开采量,作为开采量控制的依据,防止地热资源超采。

根据河北海岛地热资源的开发利用程度,本次计算主要采用解析法,利用区内的一些地热井资料和大地电磁测深资料,部分参数应用区域值(表6)。解析法计算的地热异常区可采量为储存量的2.55% 左右,降深未超过100 m,通过比较,选用解析法计算的可采量作为地热流体可开采量。

经初步计算,研究河北省海岛区新近系明化镇地下热水可采热资源量为21.15×1015J,相当于 0.72×106t标准煤;新近系馆陶组地下热水可采热资源量为28.97×1015J,相当于0.99×106t标准煤。将各热储地热流体可采热资源量折合热能,则区域内总地下热水可采热资源量为50.12×1015J, 可利用的热量相当于1.7 1×106t标准煤,能够实现减排二氧化碳434.34万t,折合热能15.89 MW, 相当于中型地热田,未来减排效益显著。

2.5 地热水水质评价

按《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)对河北海岛地热水Na+、NH + 4、Cl-、F -、硼、超标严重, 严禁直接作为生活饮用水饮用;按《饮用天然矿泉水》(GB 8537—2008)规定的饮用天然矿泉水界限指标,地热水中锶、偏硅酸均达到饮用天然矿泉水界限指标,但F-、硼超出界限指标,不符合饮用天然矿泉水标准;按《地热资源勘查规范》(GB/T 1 1615— 2010)中的理疗热矿水水质标准与相关地热水分析结果对其进行评价,F-和偏硅酸达到命名矿泉水浓度标准,偏硼酸达到医疗价值的标准;按《渔业水质标准》(GB 1 1607—89)对海岛地下热水进行评价, F-含量普遍超标,研究区地下热水必须经过处理, 水质达标后方可用于水产养殖业;区内地下热水为非腐蚀性水,锅垢很少,具有硬沉淀物,起泡的水,不适宜做锅炉用水。

2.6 浅层地温利用适宜性评价

浅层地热能开采换热方式主要有地埋管换热、 地下水换热和地表水换热3种。通过收集海岛水文地质及相关资料,根据《浅层地热能勘查评价规范》 (DZ/T 0225—2009)规范对海岛的地埋管换热、地下水换热和地表水换热进行适宜性分析。

菩提岛、月岛、祥云岛、龙岛4个海岛位于唐山南部沿海,第四系厚度300~500 m,不含卵砾石层, 200 m以浅含水层厚度约为80 m,岩性以中细砂为主,为适宜区,可采用地埋管换热系统。石河南岛第四系厚度20~30 m,卵砾石层后17.3~21.5 m,含水层厚度20 m左右,为较适宜区(表7)。采用体积法计算地热容量,分别计算包气带和饱水带中的单位温差储存的热量,然后合并计算评价范围内地质体的热储性能。对工作区浅层热容量进行初步计算,菩提岛2.51×101 2kJ/℃,月岛2.85×10 12kJ/℃,祥云岛10.72×1012kJ/℃,龙岛1.84×1012kJ/℃,石河南岛4.84×109kJ/℃。

参考区域地下水埋深,单位回灌率在50%~ 80%。菩提岛、月岛、祥云岛、龙岛可采用地下水换热系统。4个海岛单位涌水量300~500 m3/(d·m), 回灌率50%~80%,地下水位年下降量<0.8 m,不属于重要水源地保护区和地面沉降严重区,为较适宜区。石河南岛第四系厚度20~30 m,单位涌水量< 300 m3/(d·m),为不适宜区(表8)。

各海岛涉及的地表水中,菩提岛位于登岛的航道上不宜建设取水口,南侧为保护区不能建设取水口, 菩提岛北侧为0~1 m的潮滩,可建设取水口,需辐射井的方式利用管道将远处的海水输送到岸边设置表的集水井内,采用集水井取水。月岛水深-5~-10 m区域主要集中在岛体东侧与南侧,岛体东侧为航道不宜建设取水口,南侧距离月岛约1 500 m,且易受到风暴潮影响,南侧浅层以粉细砂及粉土为主,渗透性较好建议采用集水井取水。祥云岛水深-5~ -10 m区域主要集中在岛体北侧清淤区域与南侧, 可在北侧布岸边直接取水,南侧建议采用集水井取水。龙岛以-5 m等深线为界,可划分出近岸浅海区和近海浅海区,近岸浅海区深度多在-4 m左右, 海底相对平坦。近海浅海区,坡度变化较大,在水深 5~1 1 m等深线间,坡度较陡,形成海底陡坎,周围有一定宽度的潮滩,能取到-5~-10 m水深的海水处约距离海岛较远,且在岛体向海一侧,取水构筑物容易遭到风暴潮等海洋灾害的影响,滨海-10 m 以上地层以粉土和粉砂为主,透水性良好可采用集水井取水。石河南岛向海一侧东南和西南向约500 m处水深可达到5 m,石河南岛滨海-10 m以上地层以软砾石层为主,透水性良好可采用集水井取水。

综上,菩提岛为地埋管换热适宜区、地下水换热较适宜区、地表水换热适宜区;月岛为地埋管换热适宜区、地下水换热较适宜区、地表水换热适宜区;祥云岛为地埋管换热适宜区、地下水换热较适宜区、地表水换热适宜区;龙岛为地埋管换热适宜区、地下水换热较适宜区、地表水换热适宜区;石河岛为地埋管换热较适宜区、地下水换热不适宜区、地表水换热较适宜区。

3 海岛地热综合利用

河北省海岛生态环境脆弱,热资源利用应贯穿 “因地制宜、多能并举”的理念,遵循“宜深则深,宜浅则浅,深浅组合,先浅后深”的原则。其中,依据 《唐山市矿产资源总体规划(2021—2025年)》菩提岛、月岛级周海海域为自然保护区、限制勘查区,只能对已有矿权井进行开发利用,所赋存的地热资源不再允许勘查,只可作为后备资源保留。祥云岛、龙岛处于拟设勘查规划区块,石河南岛不存在地热资源。因此仅对祥云岛、龙岛地热综合利用模式进行分析,石河南岛针对海水源热泵供暖进行分析。

3.1 海岛开发策略

依据《唐山国际旅游岛国土空间分区规划 (2021—2035年)》,唐山国际旅游岛作为“国家级海岛开发利用示范基地”和“河北省旅以游综合改革试验区”,依托旅游岛独特的生态环境、区位客源、政策机遇、后发空间等优势,确定发展目标2025 年发展为“国家级旅游度假区”,2035年发展为“国际知名海岛旅游目的地”,以海岛旅游为核心,带动多产业融合发展,构建一岛一特色、一岛一主题的发展格局,构建陆海统筹的“三岛一湾”国土空间格局,以全区域、全季候特征的旅游度假产业为主导产业。必须坚持多种方式、多种能源相结合的清洁供热发展方向,优化城市供热管网布局完善安全清洁城乡供热体系。石河南岛位于秦皇岛市山海关区石河入海口,现状利用类型为农林牧渔业用岛,龙岛位于曹妃甸附近海域,现状利用类型工业与交通用岛, 两岛主导功能为旅游娱乐,发展方向为我国北方重要的海岛休闲旅游目的地。

3.2 海岛地热综合利用

3.2.1 祥云岛地热资源综合利用模式

祥云岛主要采用土壤源热泵(地埋管换热方式)、电厂废热循环利用、海水源热泵及地热梯级利用相结合的4种模式进行供冷与供热,如图3所示。

祥云岛深层地热井主要用于供暖、洗浴、海水养殖、温室种植及植物园。地热井部分地热水用板式换热器换热用于育苗室海水升温,尾水经简单处理后回灌或压盐。50~72℃地热水用于散热器供暖, 40~50℃地热水用于地板热辐射盘管供暖,大于40 ℃地热水部分用于洗浴,洗浴尾水通过处理后利用热泵换热用地板热辐射盘管供暖,最后用于景观用水。地热井50~68℃地热水用于散热器供暖,40~ 50℃地热水用于地板热辐射盘管供暖,大于40℃ 地热水部分用于洗浴,洗浴尾水通过处理后利用地源热泵换热用地板热辐射盘管供暖。明化镇组地热井40~50℃地热水用于地板热辐射盘管供暖,大于 40℃地热水部分用于洗浴,洗浴尾水及小于40℃ 地热水利用热泵换热用地板热辐射盘管供暖。换热供暖的地热尾水经简单处理后回灌或压盐,洗浴尾水经污水处理厂处理后用于海岛景观用水。

3.2.2 龙岛地热资源综合利用模式

龙岛主要采土壤源热泵方式进行供冷与供热, 同时对于需采用地热资源的温泉区域,将采用地热梯级利用的供热方式,满足温泉及其周边地块的供冷供热需要。

3.2.3 石河南岛地热资源综合利用模式

石河南岛以地表水换热系统为主要供暖/制冷方式(图4)。

结合已有调查资料,石河南岛未发现深层地热资源,浅层地温能利用方式分区结果为仅适用于地表水换热系统,建议以地表水换热系统为主要供暖/ 制冷方式。

4 海岛地热利用关键技术

海岛地热综合利用应遵循“梯级开发、综合利用”的策略,实现合理布局、分步实施、科学开采、综合利用,涉及的关键技术主要包括远程自动化监控、浅层地热能利用、地热尾水压盐、取热不取水 (回灌、井内换热)和“地热+”多种清洁能源集成利用技术等。

(1)远程自动化监控包括浅层地温能监测和深层地热能监测。浅层地温能监测以监测利用区域地温场及设备运行状态、效果、能耗为主,随时掌握地下地温场的变化,合理调节各种设备的运行,使系统真正做到安全、可靠、节能的运行。深层地热能监测以监测地热井水位、取水流量、取水温度、回水流量、回水温度等信息,可远程控制地热井允许取水和禁止取水,实现节水、节能、计量取费的目的。

(2)浅层地热能推广利用。主要应用于海岛深层地热不能满足的供热需求及不适合集中供热的独栋建筑。依据热源分为土壤源热泵和海水源热泵。 土壤源热泵技术以热响应试验为主,依据冬、夏季换热能力数据,应下浮15%左右的安全系数,孔间距不应小于4 m,以5~6 m为宜。海水源热泵应以解决海水的腐蚀问题为主,需根据应用条件综合考虑系统的可行性。开式海水换热系统要考虑与海水连通的所有设备、部件及管道必须具备过滤、清理的能力,能有效防堵防蚀;闭式海水换热系统要考虑与海水接触的所有设备、部件及管道必须具备防腐、防生物附着的能力。

(3)地热尾水压盐。经利用后的地热尾水经处理后,用于海岛修复区原土绿化区降低土壤盐度,经菩提岛、祥云岛海岛回填修复区实地试验,灌溉区域土壤含盐量与未灌溉区的含盐量有对比呈下降趋势,且粉土和粉细砂效果明显优于粘性土,在良好排水条件下利用地热尾水开展回填区盐碱土壤改良可作为地热尾水利用的一个方式。

(4)取热不取水主要涉及地热同层回灌和井内换热技术。采灌均衡的地热资源开发利用技术将是河北海岛地热能开发利用攻关的重点目标,地热尾水回灌主要受成井工艺、回灌方式的影响。河北海岛主要热储层位为馆陶组,含水层以砂岩为主,地热尾水的回灌率很难保证,适宜采用射孔成井加压回灌;地热井内换热供热利用深井换热器 (Deep Borehole Heat Exchanger,DBHE)技术,该技术利用井下换热器与周围土壤、岩石之间的传热,实现从地热储层提取热量,采用套管式井内换热器结构,保证地下各含水层不发生串通,井内安装绝热内管和井底装置,井内管采用建立井内换热结构,有效解决流体交换性地热开发利用中遇到的问题。

(5)“地热+”多种清洁能源集成利用技术。实施“地热+”利用是河北海岛地区由传统能源向新

型能源跨越转型发展的重要举措,可因岛制宜实施“地热+太阳能”、“地热+风能”和“浅层地热+ 太阳能”等多种能源能源供给组合,将新能源利用技术与建筑节能技术相结合,从而实现生态脆弱区, 构建建筑物供热、空调和生活热水三联供的节能环保系统。

5 结论与建议

5.1 结论

地热资源是在开采时间上可人为调控的宝贵资源,一次投资长期受益。为合理开发利用和保护地热资源,保证其可持续发展,应坚持以资源为基础、经济为导向、环境效益优先、开发与保护并重的基本原则。

(1)本文依据河北海岛地区地质条件,分层分区计算了地热资源赋存情况,河北海岛地下热水可

采热资源量为50.12×1015J,可利用的热量相当于1.71×106t标准煤,能够实现减排二氧化碳434.34万t,折合热能15.89 MW,相当于中型地热田。按照生活饮用水、饮用天然矿泉水、理疗热矿水和水产养殖业方面对地热水进行了水质评价。

(2)根据《浅层地热能勘查评价规范》(DZ/T 0225—2009),对河北海岛浅层地热能地埋管换热、 地下水换热和地表水换热3种换热方式,进行了进行了适宜性评价和分区。

(3)依据国土空间和矿产资源相关规划,按照 “一岛一策”,对处于允许勘查区内的祥云岛、龙岛提出了海岛地热综合利用模式。

(4)为海岛地热综合利用,探究了远程自动化监控、浅层地热能利用、地热尾水压盐、取热不取水 (回灌、井内换热)和“地热+”多种清洁能源集成利用技术等关键技术。

5.2 建议

结合河北海岛地热资源禀赋和海岛保护现实需求,主要有以下讨论:

(1)参考本次探索出的地热资源综合利用模式,结合实际建设需求,对各海岛地热资源利用进行详细规划,严格按照矿产资源管理法律法规执行。 实现“科学管理、一水多用、综合利用”的目标,结合各海岛地热资源利用进行详细规划对现有地热井进行整改,加装地热井动态监测系统,动态评价地热资源利用情况。

(2)地热井内换热工艺是实现地热资源利用 “取热不取水”的有效手段之一,目前尚未大面积推广,为保护海岛地热水资源,应在新施工地热井工艺设计上加强技术研究,全面推广采用此种方式。

(3)在回灌过程中,确定合理的采灌井间距是关键。采灌井布局不合理,回灌过程中可能会发生

热突破,致开采井温度降低。先期建立海岛地热尾水回灌示范工程,通过开展回灌试验,求取回灌试验中各项水文地质参数,研究回灌过程中出现各种技术问题,如井堵、回灌水流失、腐蚀、结垢等。水热数值模拟是地热资源管理的有效手段,能够确定开采量、回灌量、回灌温度、采灌井距等地热开发利用工程的关键参数,对优化地热采灌井合理布局、实现地热资源可持续开发利用具有指导意义。

(4)针对工作区浅层地温能开发利用方式建设推广示范工程,便于各海岛开发利用浅层地温能中推广应用。

(5)完善建设智能供热系统,结合变频供水系统保证地热资源使用的高效率。

(6)应对地热水开采易引起的地面沉降等环境地质问题进行监测。

海岛地热是一种宝贵的自然资源,在强化海岛资源环境保护基础之上,依托地热资源可建立起具有海岛特色的绿色旅游休闲体系,为海岛保护及生态利用发挥长期的支撑作用,是海岛生态型开发利用模式的必由之路。制定资源开发利用与保护规划,依法、依规管理,实现海岛地热资源科学高效利用,是沿海地区实现碳达峰碳中和的一项必然举措, 对加快促进生态文明建设、保障能源安全高效、推动经济转型升级、引领应对气候变化、实现“两个一百年”奋斗目标具有重大意义。