渭河盆地中深層地熱資源開發(fā)存在問題及改進措施

薛宇澤，陶鵬飛，韓元紅

(1.自然資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西 西安 710021； 2.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司,陜西 西安 710021)

地熱資源是一種綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的可再生能源。根據(jù)其埋藏深度及溫度可分為淺層地熱能與中深層地熱資源,相對于淺層地熱能,中深層地熱資源具有更高的熱量,充分利用中深層地熱資源可以極大地節(jié)省化石能源,具有明顯的節(jié)能減排和綠色低碳效應(yīng)。渭河盆地地熱資源豐富[1],開發(fā)歷史悠久,早期主要以溫泉的形式進行地熱的開發(fā)利用,20世紀70年代以來開始以鉆井的方式主動開采地下熱水[2]。近年來一大批開發(fā)利用中深層地熱資源供暖的項目開始運作,在這些項目的運行過程中暴露出很多問題,本文分析了其原因,并提出了改進措施。

1 渭河盆地中深層地熱資源開發(fā)現(xiàn)狀

中深層地熱資源是指主要賦存于地下水和巖石體中,溫度一般在25 ℃以上,埋深介于200～4 000 m之間的地熱能。渭河盆地地熱能可利用的總熱量相當于標準煤2 758×108t。目前渭河盆地開發(fā)中深層地熱資源可分為兩種形式：抽取地下熱水開發(fā)模式和換熱型地熱開發(fā)模式。

1.1 抽取地下熱水開發(fā)模式

抽取地下熱水開發(fā)模式是通過天然通道或人工鉆井方式開采中深層地熱資源,在井中地熱水從篩管進入套管,再由水泵抽取至地面利用(圖1),是傳統(tǒng)的地熱利用方式。渭河盆地大地熱流值高于全國平均水平,渭河盆地莫霍面隆起,深部地熱流體上涌,高溫融熔物質(zhì)向上地殼侵位,為地下熱水的形成提供了良好的深部熱源條件。

圖1 抽取地下熱水開發(fā)模式示意圖Fig.1 Pumping groundwater mode

在渭河盆地早期地熱資源的開發(fā)過程中,較多地熱井抽取地熱水提取部分熱量后,尾水直接排放到地表水域,對地表環(huán)境造成污染的同時也造成很大的資源浪費,長期開采也導致地下水位急劇下降,形成明顯的地下水降落漏斗。為了保證地熱資源的可持續(xù)發(fā)展,相關(guān)政府部門從2008年開始,實行了更為嚴格的地下水資源保護條例,控制地下熱水的直接抽取和使用[3],并鼓勵相關(guān)單位研究地熱回灌等新技術(shù),通過人工方法將地熱尾水補充到開采熱儲層中,維持和恢復(fù)地熱儲層水位壓力。近年來西安咸陽等地進行了多次嘗試性回灌試驗,并取得了一定成果,但由于渭河盆地主要熱儲層為新生界新近系、古近系孔隙地熱儲層,巖性為半成巖的砂巖、砂礫巖與泥巖互層,回灌率差異大,回灌效果并不十分理想。砂巖熱儲層回灌已成為抽取地下熱水開發(fā)模式的瓶頸,提高回灌率是今后工作的重中之重。

1.2 換熱型地熱開發(fā)模式

換熱型地熱開發(fā)模式是一種新興的利用中深層地熱能模式,該模式是通過人工鉆井的方式在熱儲層中形成可以讓換熱介質(zhì)在地面與井下循環(huán)的回路,換熱介質(zhì)在吸收地下熱儲層熱量后返至地面利用,釋放熱量后再返回地下吸熱,往復(fù)循環(huán)。整個換熱過程不開采地下水,不會造成地下水損失和污染,避免了回灌難、地下水串層等問題。目前這種井下?lián)Q熱模式在渭河盆地有兩種類型：

(1) 同軸套管技術(shù)(圖2)。通過鉆機向深處高溫地層鉆孔,在鉆孔中放置密閉同軸套管換熱器,換熱介質(zhì)經(jīng)過外管與內(nèi)管之間的環(huán)狀間隙流經(jīng)地下高溫地層吸熱,再從同軸內(nèi)管往上返出,將地下熱能導出,然后再通過專用設(shè)備(熱泵機組)供末端用戶利用。這就是同軸套管的運行過程。

圖2 同軸套管換熱模式示意圖Fig.2 Coaxial deep borehole heat exchanger mode

(2) U型對接井[4](圖3)。在渭河盆地也出現(xiàn)國內(nèi)首個U型對接井的地熱開發(fā)方式。U型對接井是由一口水平井與一口直井對接,全井段固井,換熱介質(zhì)從水平井進入,吸收地層熱量后從直井返出,U型對接井是通過增大換熱面積來增加換熱量的。

圖3 U型對接井換熱模式示意圖Fig.3 U pipe heat exchanger mode

無論是單井同軸套管技術(shù)，還是U型對接井技術(shù),其最大的優(yōu)點是在運行過程中不抽取地下水,不會造成地下水損失和污染,不存在回灌和地下水資源量限制問題,在地下水不充裕的地區(qū)或者地下水開發(fā)受到制約的地區(qū)具有一定的利用價值。

2 各開發(fā)模式存在的問題

2.1 抽取地下熱水開發(fā)模式存在的問題

抽取地下熱水開發(fā)模式是地熱資源最直接、最高效的利用方式,也是渭河盆地最常見的地熱利用方式,這種方式存在以下問題：

(1) 地熱水利用率低,造成熱污染。地熱水利用程度較低,沒有形成梯級利用,在尾水的溫度還是較高的情況下直接排放,向周圍環(huán)境釋放熱量,使周圍空氣或水體的溫度升高,造成熱污染。

(3) 地下水過度開采,回灌難度較大。渭河盆地有400多口地熱井,井位分布不科學,有的區(qū)域地熱井較為密集,由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃,取水段相對集中,缺少嚴格分層開采,人們大量開采地熱水利用后將尾水直接就近外排，極少采用回灌技術(shù)對水資源重復(fù)利用,這種粗放式、無序性的開發(fā)方式引起了地熱水位急劇下降,形成了明顯的降落漏斗。渭河盆地中深層地熱水補給能力較弱,徑流速度緩慢,地熱水資源以靜儲量為主,而且熱儲層又埋藏較深,所以盆地內(nèi)地熱流體處在一個近似封閉的微徑流環(huán)境。

2.2 換熱型地熱開發(fā)模式存在的問題

目前應(yīng)用的換熱型地熱開發(fā)模式主要是同軸套管換熱模式,U型對接井開發(fā)系統(tǒng)僅建成一處,尚未開始供暖,無運行數(shù)據(jù)。根據(jù)已有的公開數(shù)據(jù)[6]和有關(guān)套管換熱數(shù)值模擬,該模式存在以下問題：

(1) 換熱量的局限性。根據(jù)孔彥龍[7]等進行的同軸套管換熱量的模擬評估得到如下結(jié)果，無論短期(4個月)或者長期(30年),延米換熱功率不超過150 W,在間斷采熱,即每天供熱12 h、停供12 h的情況下,延米換熱功率可以翻倍,但是總體換熱量基本不變。相比之下,同種情況下常規(guī)地抽取地下水模式地熱系統(tǒng)每延米換熱功率多在1 000 W以上,遠高于同軸套管換熱系統(tǒng)?？傮w來說,同軸套管換熱技術(shù)的主要瓶頸是換熱量偏小、建設(shè)成本高。

(2) 地溫場恢復(fù)問題。同軸套管換熱系統(tǒng)還有一個容易被人忽視的問題,就是長時間運行情況下如何保持地層有持續(xù)供熱的能力？由于中深層地層溫度較高,不適宜在夏季工況制冷,所以目前市場上只是利用中深層地熱能進行供暖,在持續(xù)四個月的一個供暖期結(jié)束后,地溫場能否在剩余的八個月當中恢復(fù)到接近原始的溫度？目前有兩種意見：一是認為地球內(nèi)部熱量主要來自于放射性元素衰變,有源源不斷的熱量補給到中深層地熱中,從地層取熱后不需要額外補熱；二是認為中深層地熱資源是地球在漫長的形成過程中逐漸積累的,雖然地球內(nèi)部一直有核反應(yīng)衰變產(chǎn)生熱量,但是巖層的熱傳導能力并沒有達到取熱后很快能自行恢復(fù)的能力,所以系統(tǒng)長時間運行后,在沒有穩(wěn)定熱源補給的情況下,地層溫度逐漸降低,必然會造成系統(tǒng)的效率下降。目前這兩種認識尚待實踐驗證。

需要指出的是以上各模式影響因素的研究僅僅局限在某一個別因素,實際工程中換熱性能的高低是由所有影響因素綜合疊加的一個結(jié)果,影響因素不能單獨考慮,必須將各影響因素進行綜合研究。

3 改進措施

3.1 抽取地下熱水開發(fā)模式的改進措施

(1) 梯級利用可提高地熱水的利用率,減少熱污染。根據(jù)不同的末端用戶、不同的溫度需求,將地熱流體的熱量由高溫到低溫逐級細化提取利用[8],使地熱能得到充分利用。另外可以采用現(xiàn)在比較成熟的熱泵技術(shù),在板式換熱器提取熱量后,再利用熱泵提取熱量,可以將熱水的溫度利用到25 ℃以下,然后回灌利用或者處理后達標排放。

(2) 地熱尾水回灌是地熱能可持續(xù)利用的重要保障,應(yīng)從以下幾個方面突破：

① 成井工藝。成井工藝包括井身結(jié)構(gòu)選擇、固井方法、射孔、洗井等。當前回灌井多為直井,且有的井在非取水端并未采取固井,增加了回灌水串層的可能性,且不能保證同層回灌。借鑒石油定向鉆井技術(shù),可實施定向地熱叢式井,即在巖層內(nèi)打一個主井的情況下,在主井末端打多個斜井,這樣可以解決用地問題和井間距問題,并且針對特定的開采層進行回灌,做到同層回灌；在非取水段全部進行水泥固井,防止深部與淺部地下水串層反應(yīng)。

② 加強孔隙型熱儲回灌技術(shù)的研究,渭河盆地熱儲層主要以新生界碎屑巖孔隙型層狀熱儲張家坡組熱儲層、藍田灞河組熱儲層和高陵群熱儲層為主,孔隙型熱儲回灌量小,衰減嚴重且持續(xù)性差[9]?；毓喽氯^為嚴重,通過水質(zhì)化驗分析、室內(nèi)巖芯驅(qū)替模擬實驗、示蹤試驗等手段進一步摸清堵塞機理,探查回灌井和生產(chǎn)井之間連通渠道,揭示水力聯(lián)系規(guī)律,提出采灌井間距、回灌方案優(yōu)化及建議。

由于不同地區(qū)的地熱儲層巖性、物性等條件的差異,回灌方法以及回灌難度也不同,要考慮回灌井的成井工藝、地熱儲層的特性等綜合因素,做到因地制宜、對癥下藥,提高回灌率,增加回灌量。

3.2 換熱型地熱開發(fā)模式的改進措施

針對換熱量不足以及冷熱平衡影響系統(tǒng)效率問題，提出以下改進措施：

(1) 使用同軸管換熱時,在內(nèi)管涂上保溫材料,減少熱能在傳輸過程中的熱損失；若換熱段目的儲層地熱水豐富,也可考慮只在上部非取熱段采用保溫隔熱性能的固井材料,在取熱段不固井,讓換熱器充分與地熱水接觸,擴大對流換熱,提高換熱效率。

(2) 目前井下?lián)Q熱器多為同軸管換熱器,換熱效率已達瓶頸,建議研制新型換熱器,從儲層中換得更多熱量,增大換熱效率。

(3) 研究具有更高換熱效率的新型換熱介質(zhì),取代傳統(tǒng)的水、乙二醇等換熱介質(zhì),從地層中換取更多的熱量。

4 結(jié)論

渭河盆地利用中深層地熱資源進行供暖，其開發(fā)模式分為兩種：抽取地下熱水開發(fā)模式和換熱型地熱開發(fā)模式。本文重點對兩種模式供暖效率的影響因素進行了分析與討論,并提出了相應(yīng)改進措施,得到如下結(jié)論：

(1) 影響抽取地下熱水開發(fā)模式持續(xù)發(fā)展的主要難點在于回灌,渭河盆地熱儲層主要為新生界碎屑巖孔隙型層狀砂巖熱儲,應(yīng)加強回灌井成井工藝、砂巖回灌技術(shù)、回灌井堵塞等方面研究,實現(xiàn)回灌技術(shù)的突破。

(2) 換熱型地熱開發(fā)模式是一種新型模式,整個采熱過程不開采地下水。該模式存在系統(tǒng)換熱量局限、效率低下和系統(tǒng)持續(xù)性未知等問題，建議研制新型井下?lián)Q熱器和新型傳熱介質(zhì),將更多的地熱能換取出來,提高換熱效率。