基于中深层水热型地热资源规模高效开发的实践与思考

在全球气候变暖加剧与能源结构加速转型的当下,清洁可再生的地热资源愈发成为能源领域的研究热点。我国地热资源禀赋优越,综合开发利用前景广阔。山东省供暖以燃煤锅炉、天然气为主,在“双碳”目标下,山东省温室气体减排压力巨大,中深层地热资源等新能源开发利用具有重要战略意义。鲁西北是山东省地热资源主要富集区,其中德州市武城县地热资源量巨大,馆陶组可利用地热资源量1.730 2× 108GJ。2021年之前,武城县供暖依赖县城热电厂,供热能力约240×104m2。随着城区规模持续扩张,原有热源的供应能力逐渐不足,补充新型供热能源成为迫切需求。鉴于武城县中深层地热资源的高效规模化开发潜力与现实需求,2021年,武城县与中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司合作推进中深层地热开发项目,实现“当年审批、当年建设、当年投产”,截至目前已稳定运行4个供暖季,各项运行指标均优于预期。

 

本文基于该项目实践经验,系统阐述武城县中深层地热供暖的实施路径,通过梳理区域地热资源研究成果及地热开发现状,探讨武城地区中深层地热资源潜力,总结地热开发技术在武城的应用及其在山东省的可能应用前景,为开展山东省中深层地热高效规模化开发利用提供参考和借鉴。

 

1武城县中深层地热资源

1.1区域地质特征

武城县位于华北平原东南部,属华北板块临清坳陷德州潜断陷的德州潜凹陷,为中新生代断陷盆地。 基底为中生代白垩系,断裂构造发育,以NE~NEE走向为主,其中沧东大断裂为重要隐伏断裂,控制上下第三系地层发育,将武城分为故城-馆陶潜断隆与德州潜断陷2个Ⅳ级构造单位。

 

1.2地层特征

受差异性升降运动影响,武城城区地层分区明显,在凸起区缺失古近纪,新近纪直接覆盖于中生界之上;凹陷区新生界发育较齐全,厚度超3000m，新近系明化镇组以泥岩为主,是优质盖层,馆陶组以砂砾岩、粉砂岩为主,为主要热储层;古近系东营组、沙河街组、孔店组岩性复杂,含多种矿产与火山岩。(表1)。

1.3热储特征

武城地区处于伸展条件下沉积盆地内凹陷地热背景。热源为地幔热能,变质岩内元素衰变放射作为附加热源,低热导率岩层埋深超过3 500 m。区内地热资源类型为沉积盆地传导型地热资源。沧东断裂等导水性强,利于深部高温流体补给。

 

新生界东营组及馆陶组砂岩储层是该区最具经济开采价值的地热储层[13],东营组地层在该区分布极不均匀,不同位置的赋水性变化也较大;馆陶组热储层分布广泛,厚度200~210 m,下部砂体单层厚度大, 孔隙度25%~38%,水温57~62℃,单井涌水量72~ 95 m3/h。水化学类型为Cl-Na型,属温热水型地热资源。馆陶组之上覆盖厚1 000~1 200 m的明化镇组与第四系,岩性为泥岩或砂岩,热导率低,成为馆陶组热储层的良好盖层。

 

1.4地温场特征

区域地温场的平面分布与基底构造相关,凸起区地温梯度高,凹陷区地温梯度低;地壳深部均匀,上部受构造影响热流重新分配。矿区处于德州潜凹陷中部,地温梯度3.2~3.4℃/100m,垂向地温随深度递增,开采井、回灌井地温梯度分别为3.46℃/100 m、 3.01℃/100 m,与区域一致。

 

1.5地热资源利用评价

本次评价参照GB/T 11615—2010《地热资源地质勘查规范》,用热储法算地热能总量,结合回采率定可采量,地热水资源用净储量法计算。

 

基础参数:勘查区面积25.65 km2,研究区面积 6.2 km2;热储平均厚度205 m;热储温度63.0℃;平均孔隙度33%;热力学参数参照规范与区域资料确定, 弹性释水系数2×10-4。

 

资源量核算:武城县城区馆陶组地下热水储量为 1 741.48×106m3(研究区420.94×106m3),其中容积储量1735.22×106m3(研究区419.43×106m3),占总量的 99.55%,弹性储量为7.81×106m3(研究区1.89×106m3), 占总量的0.45%。可利用资源量1.730 2×108GJ(研究区0.418 2×108GJ)。

 

武城县地热供暖面积为235.5×104m2,供暖季平均温度为0℃,供暖室外计算温度为-6.5℃,室内采暖设计温度为18℃,一个供暖期需要消耗热量62.37× 104GJ。按可利用资源量计算,馆陶组地热资源可满足县城长期地热供暖需求,服务年限可达67年。

 

2地热项目开发与建设

2.1地热模拟计算与开发

项目借助专业地热开发模拟软件,结合武城县城区馆陶组热储特征,对采灌井井距进行模拟计算。模拟过程设定约束条件为单井开采量120 m3/h、100%回灌、间歇性开采(当年11月至次年3月)、热田寿命 50年,以年为时间单位,重点分析第6、34、50年的温度场与水流场分布规律,明确温度变化及水流波及范围,最终确定400 m为最优井距。

根据地热数值模拟结果,结合地面及地质特征, 优化井身轨迹,确定选用3个钻井平台,完成31口地热钻井部署方案,另有2口地热零散井单独选址建井,共布置33口地热井(图1)。

2.2地面工程建设布局

项目新建地热供暖系统,以地热水为热源,为武城县北区居民楼及公建供暖,总供热面积235.5×104m2。工程分为集中供热和沙东社区供热两部分。

1)集中供热部分:供热面积223.52×104m2,在武城县六六河南岸新建3个地热井平台,新钻14口取水井和17口回灌井,取水量1 680 m3/h。1号地热井平台为10井式平台(5采5灌),2号为11井式平台 (5采6灌),3号为10井式平台(4采6灌)。建设1座武城北地热供热站,供热站供热量为85 MW,主要包括3台地热水-供热水板式换热器、3台地热回水-热泵用软化水板式换热器、6台7.2 MW离心式热泵以及1套1 680 m3/h回灌过滤设备。

2)沙东社区供热部分:在沙东社区的东南角和西南角分别设置1口取水井和1口回灌井,在小区内新建1座沙东地热供热站为沙东社区12×104m2住宅供暖提供热源。供热站供热量为4.2 MW,主要包括2台地热水-高层供热水板式换热器、2台地热水-低层供热水板式换热器、1台地热回水-热泵用软化水板式换热器、1套100 m3/h的回灌过滤操作设备。

 

供暖系统工艺流程为:地热水由潜水泵从生产井抽出,经多井集输、除砂排气后,通过管道输送至武城北地热供热站内,站内地热水温度不低于62℃。部分市政供热回水与地热水经换热器,水温由38℃加热到 55℃;另一部分市政供热回水经热泵加热至55℃,两部分供热水混合后输送至小区供热。地热水经换热、 热泵提取热量后,温度降至21.8℃,进入回灌系统（图2、图3）。

 

3抽水回灌试验及实施效果

3.1抽水试验

2021年7月,项目开展了72 h抽水试验,共完成 3个降深试验。当降深为26 m、运行频率为50 Hz时, 涌水量与水温逐渐趋于稳定,涌水量保持在160 m3/h, 水温保持在62℃(图4)。72 h后动水位恢复至80 m 左右,后续静液面维持在80 m左右,后续静液面保持稳定,水位恢复速度较快,表明热储层补给能力良好。(图5)。

 

3.2回灌试验

选取开采井DR202-4(井深1 771.47 m)和回灌井DR202-13(井深1 951.28 m)进行回灌试验,2口井井口距离9 m,井底相距382 m,取水层位及回灌层位均为馆陶组热储层。试验采用自然回灌方式,设置 47.1、60.2、80.0、99.98 m3/h四个回灌量梯度,回灌过程中对开采井、回灌井水位、温度、开采量、回灌量进行观测,同时对水质进行监测。

 

水位与单位回灌量变化历时曲线显示(图6— 9),回灌初期水位上升速度快,随着回灌持续进行, 水位上升速度明显减慢,最后水位逐渐趋于稳定。 各阶段不同回灌量的末期水位不同,回灌量越大,最终水位越高,回灌量与水头高度成正比。回灌末期水位上升至距井口57.20 m,达到该井最大回灌量 99.98 m3/h。

3.3供暖运行效果

项目自2021年11月投运以来,已连续稳定运行 4个供暖季。在供热能力、温度维持与回灌效率等方面均达到设计预期。供暖期间,室内温度保持在21℃以上,一次网供水温度稳定维持在45℃以上,即便遭遇极寒天气,通过热泵系统实时调节,仍能将温度稳定在较高水平,成功保障了武城县居民冬季采暖需求。 通过对4个供暖季单井取水量与回灌量数据曲线分析(以采水井12月份为例),取水量稳定保持在 120 m3/h左右,回灌量在维持100%回灌的基础上也保持稳定,实现了“取热不耗水”的资源利用目标,系统运行稳定性与可靠性良好。

 

4社会影响

4.1环保效益

地热供暖的规模化应用大幅降低了武城县的碳排放量,首期地热供暖解决了集中供暖区域235.5× 104m2的供热需求,每年可替代标准煤6.0×104t,减少 CO2排放量15.5×104t,地热能替代率达到45%。同时, 项目采用同层开采、同层回灌技术,实现地下水100%回灌,真正做到“取热不取水”,环保效益突出。

4.2经济效益

地热供暖的低成本优势为居民和企业降低了采暖支出,同时带动了清洁能源装备制造、配套服务、科技创新等相关产业链发展,为当地创造了大量就业岗位,增加了地方税收,对促进区域经济可持续发展具有重要推动作用。

4.3社会示范效应

武城县地热资源供暖的成功实践为山东省乃至全国同类地区提供了可复制、可推广的经验。作为中深层地热规模化高效开发的典型案例,该项目为城区集中供暖清洁替代探索出了一条技术可行、经济合理、环境友好的路径,有助于推动更多地热资源禀赋优越的地区开展清洁能源转型,助力国家“双碳”目标实现。

 

5结论

1)地质研究结果表明武城县地热地质条件优越。 热储层馆陶组分布稳定、埋深适中、富水性好,城区馆陶组可采地热资源量1.730 2×108GJ,资源潜力巨大、利用价值高,能够满足县城长期地热供暖需求。

2)地热供暖实践验证了技术方案的可行性与高效性。通过数值模拟确定400 m最佳井距,科学部署地热井;开展先导试验井抽水、回灌先导试验预测出水温度、水量,实际生产中平均出水温度61℃、平均单井涌水量120 m3/h,与试验参数高度吻合;通过同层开采、同层回灌技术,实现鲁北地区砂岩最大单井无压回灌量,单井平均自然回灌量80 m3/h,达成100%自然无压回灌,实现了地热资源的合理利用。

3)武城县地热供暖项目为城区集中供暖清洁替代提供了创新路径。当前国内规模高效开发地热用于集中供暖的案例尚不多见,武城县地热供暖实践为实施城区集中供暖清洁替代摸索出一条可行的技术路径,可为其他有地热开发利用潜力的城市提供借鉴对推动全国清洁能源供暖发展、助力“双碳”目标实现具有重要意义。