河北平原地熱資源合理開發(fā)保護關鍵技術

摘要：地熱資源是地球給人類優(yōu)質(zhì)的清潔能源，在我省平原區(qū)廣泛賦存、數(shù)量可觀，通過開發(fā)地熱資源來實現(xiàn)壓減燃煤是防治霧霾天氣、改善大氣環(huán)境質(zhì)量的有效途徑，為更好地開發(fā)保護本區(qū)地熱資源，提出地熱資源梯級利用及地熱水回灌等關鍵技術。

關鍵詞：地熱資源；地熱水梯級利用；地熱水回灌

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）04-0007-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.004

Abstract： In recent years， North China has continued to appear fog and haze weather， has become one of the major issues of social concern， winter heating coal-fired gas emissions is one of the main causes of fog and haze in the region. Geothermal resources are the earths best clean energy for humanity， it is widespread and considerable in plain area of our province， Through the development of geothermal resources to achieve Yajian coal is an effective way to control the quality of atmospheric environment and improve the haze weather. In order to better develop and protect geothermal resources in this area， key technologies such as geothermal resources cascade utilization and geothermal hot water recharge are put forward.

Key words：Geothermal resources；Geothermal water cascade utilization； Geothermal water recharge

1 河北平原地熱資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀

河北平原區(qū)地下蘊藏著豐富的地熱資源，主要為新近系館陶組熱儲和古生界及中、新元古界基巖熱儲。據(jù)張德忠等研究[1-4] 河北平原地熱儲量為176811.49×1016J。河北平原區(qū)地熱水儲存量為51375.489×108m3，地熱水可開采量為702.31×108m3，地熱水可開采熱量為974.48×1016J，相當于標準煤5.54×108t，折合熱能3090.04MW。

河北省平原區(qū)地熱開發(fā)利用興起于20世紀80年代，隨著新能源利用技術的推廣，地熱能源作為一種清潔能源顯現(xiàn)出較好的開發(fā)利用前景。截至到2015年地熱井達到近千眼，地熱水年開采量5059萬立方米。但地熱水開采量僅為地熱資源可開采總量的7.25%，地熱資源開發(fā)潛力巨大。

2 河北平原地熱資源開發(fā)利用存在的突出問題

2.1 集中開采區(qū)超采導致地熱水水位下降過快

地熱資源被定為可再生能源，但不是取之不盡用之不竭的。地熱勘查規(guī)范明確可開采量是“允許每年合理開采的地熱流體量”。在河北平原城市及縣城區(qū)地熱井集中分布，一個縣城有十多眼或二三十眼地熱井，井距僅二三百米，導致地熱水水位逐年持續(xù)下降，年降幅3-5m，有的下降幅度大于10m，甚至超過20m（如任丘市）。

2.2 地熱水利用效率低，利用形式單一

大部分地熱井利用效率低，表現(xiàn)為利用形式單一，如僅為住宅小區(qū)供暖，或單獨利用地熱水洗浴等，未形成梯級利用，隨意超量開采、排放現(xiàn)象普遍存在；尾水排放溫度高，一般超過25℃，甚至超過30℃，造成地熱資源的浪費，對環(huán)境造成污染。

2.3 地熱水尾水回灌工作開展較少

北京、天津?qū)鶐r熱儲開展回灌并取得了顯著效果，河北平原地熱回灌試驗工作開展較少，僅個別地區(qū)開展了館陶組熱儲回灌試驗，對地熱水尾水實施回灌幾乎空白。

2.4 地熱資源的勘查評價程度低，監(jiān)測工作薄弱

河北平原地熱資源總體研究程度較低，大部分地區(qū)開展了地熱資源調(diào)查，少部分地熱田進行過普查、詳查工作，地熱資源評價精度低，使地熱資源開發(fā)存在一定盲目性，制約了地熱資源合理開發(fā)利用與保護。對地熱水的各項指標的監(jiān)測工作很薄弱，尾水排放及其對環(huán)境的影響更缺乏監(jiān)測。

3 河北平原地熱資源合理開發(fā)保護關鍵技術

通過上述分析，河北平原地熱資源開發(fā)利用存在較多問題，為實現(xiàn)地熱資源的高效利用和保護環(huán)境的目的，現(xiàn)提出地熱資源梯級利用技術、地熱尾水回灌技術。

3.1 地熱梯級利用技術

地熱梯級利用就是多級次從地熱水中提取熱能，地熱利用先高溫、后低溫、尾水再用于洗浴、康樂、旅游等方面，以實現(xiàn)地熱資源的高效利用，改變地熱水利用形式單一，有效解決地熱尾水排放溫度高、資源利用率低與環(huán)境熱污染等問題。

如70℃以上地熱水綜合梯級利用模式：主要適用于城鎮(zhèn)地熱井綜合梯級利用，采用熱、水雙循環(huán)系統(tǒng)梯級利用技術。根據(jù)供暖建筑物的規(guī)模、負荷、末端設備分成若干組團，根據(jù)組團的負荷，將系統(tǒng)總負荷劃分成幾個部分，同時結合各組團設計參數(shù)和負荷量來確定各部分的系統(tǒng)參數(shù)，同時使各部分參數(shù)與負荷之間相互耦合，優(yōu)化配置，在滿足各部分負荷要求的同時，使整個系統(tǒng)總負荷能力得到增強。

3.2 地熱水回灌技術

從北京、天津、西安、福州等地近年開展的地熱水回灌經(jīng)驗來看，在巖溶和基巖裂隙地層，地熱回灌量可以達到與開采量相當?shù)某潭?，即基本上可以實?：1的回灌。但在第三系孔隙熱儲中回灌的堵塞問題突出，回灌量僅能達到開采量的40%。地熱尾水回灌技術是有效解決環(huán)境污染和延長地熱田使用壽命的方法，然而對于河北平原第三系孔隙熱儲層來說[7]，在目前技術條件下回灌比較困難，回灌量有限，各種堵塞問題還沒有得到很好解決。本次選擇新近系館陶組熱儲地熱井開展回灌試驗，依據(jù)回灌試驗數(shù)據(jù)確定回灌方案，為推動地熱井回灌工作，實現(xiàn)保護地熱資源和地質(zhì)環(huán)境的目標。

本次新近系館陶組熱儲回灌試驗地點位于辛集市中心城區(qū)，三個抽水孔位置距回灌井距離1083～1401m（圖1）?；毓嘣囼灧謨蓚€階段進行。在供暖期采取一采一灌的自然回灌方式，平均回灌量59.2m3/h，瞬時回灌量最大不超過100m3/h，回灌水溫、水溫不超過39.75℃。供暖期結束后進行了二采一灌大回灌量的回灌，平均回灌量150.9m3/h。瞬時回灌量最大達到199.8m3/h，回灌水溫最大68.31℃。對回灌井、抽水井1的水位、水溫、水量同步觀測。本次回灌試驗總計109.375臺班，回灌總量為52143.4m3?；毓嘟Y束后25小時進行回灌井回揚，持續(xù)8個小時，累計抽水量449.80m3?；毓嗑負P的水位、水溫、水量同步觀測。

中央國際城1井終孔深度1750.0m。利用新近系館陶組熱儲，熱儲層頂板1376m，底板1718m，巖性為泥巖、細礫巖、含礫粗砂巖、細砂巖。取水段1359.65m-1744.89m，含水砂層厚度180.1m。

回灌井（佰盛國際1井）終孔深度1780m。利用新近系館陶組熱儲，熱儲層頂板1395m，底板1780m，巖性為泥巖、細礫巖、礫巖、含礫粗砂巖、細砂巖。取水段1372.86m-1754.75m，含水砂層厚度225m。辛熱1井利用新近系館陶組熱儲，熱儲頂板1347.5m，底板1680.5m。巖性為泥巖、細礫巖、礫巖、含礫粗砂巖、細砂巖。取水段1447m-1671m，取水段厚度68m。本次回灌試驗回灌井初始水位178.23m。一采一灌階段平均回灌量56.5m3/h，最高水位埋深160.8m，水位上升17.43m。二采一灌階段平均回灌量150.9m3/h，最高水位埋深130.5m，水位上升47.73m，地層吸收率0.0140m3/h·m·m。

通過試驗得出如下認識：隨著回灌量的加大和回灌時間增加，回灌井熱儲層對地熱水回灌的吸收率在逐漸降低并趨于穩(wěn)定。表明隨著回灌量的增加，熱儲層壓力在逐漸變大。在回灌量150.9m3/h下，水位埋深130.5m，說明回灌井仍有回灌空間。根據(jù)地層吸收率0.0140m3/h·m·m推算，在無壓自然回灌的條件下，水位不超過井口為前提，該回灌井最大理論回灌量可達412.589m3/h，此值雖為理想狀態(tài)下的理論值，未考慮井壁磨阻等其他外部影響因素，但仍說明該井在供暖期回灌能力很強。

4 結語

綜上，河北平原地下賦存豐富的地熱資源，在住宅供暖、洗浴、種植養(yǎng)殖等方面得到利用。但本區(qū)地熱資源的開發(fā)利用存在諸多問題，影響了地熱資源整體效益和可持續(xù)利用。通過梯級利用技術和地熱水回灌技術可以實現(xiàn)地熱資源的高效可持續(xù)利用，在京津冀協(xié)同發(fā)展中，河北平原地熱資源將會得到進一步的合理開發(fā)利用，在改善能源結構、防治大氣污染等方面發(fā)揮重要作用，將會產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益和社會效益。

參考文獻

[1]張德忠，劉志剛，盧紅柳等.河北地熱[M].北京：地質(zhì)出版社，2013.

[2]陳望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.

[3]陳墨香.華北地熱[M].北京：科學出版社，1988.

[4]河北省地質(zhì)局水文地質(zhì)遠景區(qū)劃組.河北省地下熱水開采利用水文地質(zhì)遠景區(qū)劃報告[R].石家莊：河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，1982.

作者簡介 ：趙志超，研究生，高級工程師，研究方向為水文工程地質(zhì)。