中深層U型井供熱技術(shù)原理與實(shí)踐

羅娜寧，劉 林，申小龍，劉 軍，趙 真，原博晨

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司，河北 雄縣 071800)

0 引言

地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地球內(nèi)部的熱能，是一種清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全優(yōu)質(zhì)的可再生能源[1]。地?zé)崮芫哂谐掷m(xù)穩(wěn)定、高效、可再生的特點(diǎn)，其開發(fā)利用可減少溫室氣體排放，改善生態(tài)環(huán)境，在未來清潔能源發(fā)展中占重要地位，有望成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵能源之一[2-3]。

按照分布位置和賦存狀態(tài)，地?zé)豳Y源通常分為淺層地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源、干熱巖地?zé)豳Y源以及巖漿型地?zé)豳Y源[4]。淺層地?zé)崮苓m用性較廣，是我國(guó)目前地?zé)峁┡评涞闹髁5]，但其缺點(diǎn)顯著，即占地面積大，尤其對(duì)老舊改造小區(qū)實(shí)施相對(duì)困難；水熱型地?zé)崮芄嵝矢?，但是?duì)資源條件依賴性強(qiáng)，而干熱巖地?zé)豳Y源必須采用人工建造地?zé)醿?chǔ)和人工流體循環(huán)的方式加以開采，因開發(fā)技術(shù)及高額成本等因素，我國(guó)還處于科學(xué)研究及探索階段[6-8]；巖漿型地?zé)豳Y源在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下尚無法開采。為有效利用地?zé)崮?，并克服以上資源類型的利用難點(diǎn)，近些年國(guó)內(nèi)興起了中深層地埋管換熱技術(shù)(亦有部分學(xué)者和供熱企業(yè)稱作深井換熱、中深層地源熱泵、套管換熱、無干擾供熱等)，其特點(diǎn)以中深層熱儲(chǔ)為熱源，通過循環(huán)工質(zhì)與周圍巖體/土體進(jìn)行傳導(dǎo)換熱，從而實(shí)現(xiàn)“取熱不取水”清潔開發(fā)地?zé)崮躘9-11]。由于該技術(shù)無需考慮開采地下熱水、不存在腐蝕、結(jié)垢和不能回灌造成的不良后果，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。但是，深井換熱技術(shù)的發(fā)展瓶頸極其顯著，因?yàn)樗墓崃坑邢轠12-19]，亟需新的技術(shù)模式。

在此背景之下，中深層U型井供熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)已在陜西、河北等地實(shí)施了多項(xiàng)中深層U型井供熱實(shí)例，現(xiàn)階段均為科研測(cè)試階段，文獻(xiàn)中僅建有對(duì)地?zé)酻型井水平段換熱能力及溫度分布規(guī)律的研究，如唐勝利等利用ANSYS FLUENT軟件對(duì)關(guān)中地區(qū)U型地?zé)峋骄螕Q熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同注水流量下水平井段換熱能力的規(guī)律[20]；張育平等根據(jù)關(guān)中盆地地溫和地溫梯度的變化規(guī)律，建議了鉆井深度[21]。但是，未見有對(duì)中深層U型井供熱技術(shù)的系統(tǒng)總結(jié)。本文將回顧U型井技術(shù)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)評(píng)述中深層U型井供熱技術(shù)及其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以服務(wù)于地?zé)崮艿那鍧嶉_發(fā)利用。

1 U型井技術(shù)

1.1 技術(shù)定義

U型井技術(shù)又叫U型水平連通井技術(shù)，是長(zhǎng)距離實(shí)現(xiàn)水平井與直井連通的鉆井技術(shù)，兩口不同位置的直井與水平井、定向井與水平井或定向井與定向井在同一目的層連通。此外，U型井組也可以由1口直井和1口或多口水平井組成[22-23]。U型井技術(shù)最早產(chǎn)生于開采食鹽及鹽鹵的生產(chǎn)實(shí)踐，由水平井段注入水溶解鹽類后由直井排出，后被引入石油、天然氣及煤層氣開采領(lǐng)域[24]。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

U型井技術(shù)在煤層氣的開采過程中得到了大量改進(jìn)和發(fā)展，通過對(duì)U型井技術(shù)在煤層氣開發(fā)過程中取得的進(jìn)展和遇到的問題進(jìn)行回顧，對(duì)U型井技術(shù)用于供熱具有顯著的借鑒意義。國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,高陡構(gòu)造煤層、高含水煤儲(chǔ)層的煤層氣資源豐富，但常規(guī)的直井不能滿足此類煤層氣高效勘探開發(fā)需求[25]。U型井鉆采技術(shù)充分結(jié)合直井和定向井的優(yōu)勢(shì)，利用液體勢(shì)能原理對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行排水降壓采氣，縮短富水煤層的排水周期，以便更快更多地解析出煤層氣，從而提高開發(fā)煤層氣的效率；此外，U型井可以最大限度地溝通割理[26]，在較長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)過程中保持井壁穩(wěn)定；水平井及直井同時(shí)開采也增加了采氣量。

U型井技術(shù)集成了地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、水平井技術(shù)、井眼連通以及欠平衡鉆井等技術(shù)。國(guó)外對(duì)我國(guó)煤層氣鉆采技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格封鎖和保密，目前我國(guó)煤層氣U型井鉆完井及壓裂技術(shù)研究剛處于起步階段[27]，鉆井過程中井壁失穩(wěn)、煤層損害，完井多為裸眼或篩管完井導(dǎo)致完井效果差等難題雖依然存在，但進(jìn)展亦十分顯著：

(1)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)已開發(fā)出多種煤層專用鉆井液，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明其穩(wěn)定井壁效果顯著；

(2)國(guó)內(nèi)已開展鉆井篩管完井、充氣欠平衡鉆井、分段壓裂等U型井鉆完井新技術(shù)研究[27-28]；

(3)遠(yuǎn)距離連通技術(shù)是U型井開發(fā)的核心技術(shù)，現(xiàn)階段已取得較好的成績(jī)。專有井眼連通技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制鉆進(jìn)軌跡，為定向提供距離和方位參數(shù)，即時(shí)調(diào)整工具面，指導(dǎo)鉆頭向洞穴井鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水平井與洞穴井較好連通[28]。

(4)組合U型井鉆采技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多口U型井共用一口直井進(jìn)行排采，從而節(jié)約地面資源，發(fā)揮一井多用的作用。

2 中深層U型井供熱技術(shù)原理與實(shí)踐

2.1 技術(shù)定義

U型井應(yīng)用于中深層地?zé)峁嵯到y(tǒng)的技術(shù)原理是在U型對(duì)接井中泵入循環(huán)工質(zhì)，經(jīng)水平井段及直井從中深層巖土體中吸收熱量，后由直井出水供至熱泵供暖系統(tǒng)，降溫再返回U型井井下?lián)Q熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)“取熱不取水”清潔供熱。

圖1 中深層U型井供熱技術(shù)概念圖

2.2 供熱實(shí)踐

我國(guó)自2016年起，陸續(xù)采用中深層U型井供熱技術(shù)[29]，目前共有3個(gè)供熱項(xiàng)目，其中兩個(gè)位于陜西西安、一個(gè)位于河北邯鄲(表1)。鑒于中深層U型井供熱項(xiàng)技術(shù)目前均處于起步階段，實(shí)際供暖效果仍有待于評(píng)價(jià)。

表1 中深層U型井供熱技術(shù)實(shí)例

表1中，我們總結(jié)對(duì)比了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有中深層U型井技術(shù)供熱項(xiàng)目實(shí)例，可以看出：

(1)已有案例多開展在回灌難度較大但井底溫度較高的砂巖或者泥巖儲(chǔ)層；

(2)鉆井實(shí)施深度均在2 000～3 000 m之間，水平井長(zhǎng)度則在150～700 m之間；

(3)供熱能力與井底溫度以及水平井長(zhǎng)度相關(guān)：在水平井長(zhǎng)度相近時(shí)，井底溫度越高，供熱能力越強(qiáng)；在井底溫度接近時(shí)，水平井長(zhǎng)度越長(zhǎng)，供熱能力越高。

3 中深層U型井供熱技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

考慮中深層U型井技術(shù)的供熱屬性，本文將它與其他常見的供熱技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)比較其經(jīng)濟(jì)性與適用性(表2)。根據(jù)國(guó)家能源局綜合司發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)可再生能源供熱的意見》附件2中各類能源供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較表，燃煤鍋爐與燃?xì)忮仩t等常規(guī)供熱技術(shù)在初投資方面優(yōu)勢(shì)較大，但運(yùn)行費(fèi)用過高[30]。土壤源熱泵、中深層水熱型和中深層同軸套管型地?zé)峁岢杀緮?shù)據(jù)為自有項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)測(cè)評(píng)結(jié)論。中深層U型井地?zé)峁岢杀緸閲?guó)內(nèi)工程實(shí)例調(diào)研計(jì)算得出。表中投資成本和運(yùn)行成本按照我國(guó)北方地區(qū)居民住宅采暖用熱量、電價(jià)、燃料價(jià)格等測(cè)算。

表2 不同供熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與適用性對(duì)比

(1)經(jīng)濟(jì)性：地?zé)衢_發(fā)利用的投資成本顯然高于天然氣和燃煤鍋爐供熱技術(shù)，但是其運(yùn)行成本明顯較低。在地?zé)衢_發(fā)技術(shù)之中，中深層U型井供熱技術(shù)的投資成本最高，其次為中深層地埋管，中深層水熱和土壤源熱泵則相對(duì)較低；而從運(yùn)行成本來看，中深層U型井供熱技術(shù)則居于中深層水熱和其他地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)之間。

(2)適用性：中深層U型井的適用性可與傳統(tǒng)的燃煤與燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)相媲美，幾乎不受氣候、地質(zhì)條件限制，可用于分散式及集中供熱。相比之下，中深層水熱和土壤源熱泵技術(shù)所受限制則較多。

(3)推廣價(jià)值：綜合分析不同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，同時(shí)考慮各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從環(huán)保以及管理角度，中深層U型井具備一定的推廣價(jià)值，尤其是在污染重且水熱與地源熱泵技術(shù)不適用的地區(qū)，環(huán)境友好，節(jié)能效果顯著，推廣價(jià)值大。

4 技術(shù)前瞻

綜上，將U型井技術(shù)應(yīng)用于中深層地?zé)衢_發(fā)利用，其取熱原理為“熱傳導(dǎo)”，因此若要增加換熱量，主要措施為增加地?zé)峋荛L(zhǎng)度和高溫?zé)醿?chǔ)層間的接觸面積[34-36]：一方面可以延長(zhǎng)水平井長(zhǎng)度，另一方面可以對(duì)地?zé)峋畯?、循環(huán)介質(zhì)的流速與溫度等進(jìn)行優(yōu)化。為推廣應(yīng)用中深層U型井供熱技術(shù)，以下幾點(diǎn)是未來的突破瓶頸：

(1)水平井段極限長(zhǎng)度

一般而言，給定巖土體熱物性參數(shù)，如巖土體熱導(dǎo)率、地溫梯度等、以及工程參數(shù)如地?zé)峋疃?、井徑、注入介質(zhì)比熱容、密度、溫度、流量等條件，若增長(zhǎng)水平段長(zhǎng)度，則可提高換熱量，且在一定范圍內(nèi)提高幅度較大；水平井達(dá)到一定長(zhǎng)度后，繼續(xù)增加長(zhǎng)度對(duì)換熱量影響幅度會(huì)變小。這是由于在水平段長(zhǎng)度較短時(shí)，巖土體還沒有對(duì)井筒內(nèi)流體充分加熱就從水平段流出導(dǎo)致溫度較低，且溫差越大導(dǎo)致?lián)Q熱效率更高。而在水平段較長(zhǎng)時(shí)，注入流體在水平段加熱時(shí)間較長(zhǎng)且已基本達(dá)到巖土體所能加熱的最高溫度，這時(shí)再增加水平井長(zhǎng)度并不能有效提高溫度達(dá)到增加換熱量的目的。因此，理論上存在水平井段極限長(zhǎng)度。工程應(yīng)用中應(yīng)考慮施工難度、經(jīng)濟(jì)成本及項(xiàng)目整體效益選取最為科學(xué)經(jīng)濟(jì)的水平井長(zhǎng)度。

(2)經(jīng)濟(jì)評(píng)估

表2中的中深層U型井供熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本分析僅為初步概算，而具體的成本分析有待于充分考慮地質(zhì)條件、市場(chǎng)需求以及施工工藝本身的綜合演算。地?zé)衢_發(fā)利用項(xiàng)目建設(shè)投資包含工程費(fèi)用、工程建設(shè)其他費(fèi)用、預(yù)備費(fèi)、資金籌措費(fèi)及鋪底流動(dòng)資金。其中工程費(fèi)用占比最大，包含鉆井費(fèi)用、能源站內(nèi)各設(shè)備材料購(gòu)置費(fèi)、建筑安裝費(fèi)用等。U型井深井換熱地?zé)峁┡?xiàng)目可行性分析中，影響各主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最大的影響因素為單位熱量鉆井成本，U型井鉆孔越深，水平井段越長(zhǎng)，鉆井難度及成本相應(yīng)增加。單井采熱功率小，可利用單位熱量成本高昂，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)提高換熱量，降低鉆井成本，使中深層U型井供熱技術(shù)更具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。

(3)施工工藝

如前文所述，U型井鉆井技術(shù)在煤層氣領(lǐng)域已有較大進(jìn)展，但在中深層地?zé)衢_發(fā)領(lǐng)域則未嶄露頭角。地?zé)徙@井施工有其特殊性，比如對(duì)保溫要求十分高。在采用中深層U型井供熱技術(shù)時(shí)，通常采用水平對(duì)接井工藝，分為直井、對(duì)接井和水平井段三部分，其埋管均為石油鋼管。在直井段要做好保溫工作，而在水平井段則要做好傳熱工作。此外，施工過程務(wù)必采用全井段固井并試壓，以阻隔深層地?zé)岢袎核拇畬由嫌炕蚬軆?nèi)循環(huán)水泄露，防止有害組分污染淺部含水層。

(4)適宜區(qū)評(píng)價(jià)

為有效推廣中深層U型井供熱技術(shù)，應(yīng)嚴(yán)格做好中深層地?zé)崮芄┡?xiàng)目的前期地質(zhì)勘查工作，對(duì)不同地區(qū)的地下基巖的可鉆性、地溫梯度的大小、最佳深度溫度組合、是否有合適的水平段選取等綜合考慮，結(jié)合市場(chǎng)需求與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，開展我國(guó)北方不同地區(qū)的適宜性評(píng)價(jià)，以有效指導(dǎo)生產(chǎn)。

(5)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

深井換熱供暖系統(tǒng)包含U型井、一二次管網(wǎng)、熱泵機(jī)房三部分建設(shè)。項(xiàng)目建設(shè)重點(diǎn)及難點(diǎn)在于U型井及井下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)施工。目前還未出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。筆者認(rèn)為應(yīng)采用石油鉆探工藝技術(shù)，嚴(yán)格進(jìn)行鉆井標(biāo)準(zhǔn)化施工，同時(shí)可以借鑒住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正在征求意見的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》。此外，陜西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《中深層無干擾地?zé)峁嵯到y(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的編制正在進(jìn)行中。未來還應(yīng)繼續(xù)開展長(zhǎng)期、細(xì)致的地?zé)嵘罹畵Q熱實(shí)驗(yàn)研究工作，并針對(duì)深井換熱裝置、深井換熱巖土層熱物性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和計(jì)算方法等編制中深層地?zé)崮苌罹畵Q熱應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。建立完善資源勘查與評(píng)價(jià)、項(xiàng)目開發(fā)與評(píng)估、加強(qiáng)項(xiàng)目全過程管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)等各環(huán)節(jié)有效銜接的監(jiān)管機(jī)制，規(guī)范市場(chǎng)主體行為。

5 結(jié)論

(1)中深層U型井供熱技術(shù)作為地?zé)崆鍧嵐┡录夹g(shù)，與本文中列舉的其他清潔能源技術(shù)相比，普適性強(qiáng)，在清潔能源需求迫切區(qū)域應(yīng)用潛力較大，尤其是在水熱型地?zé)豳Y源條件較差的區(qū)域，具有顯著的推廣價(jià)值。

(2)U型井水平井段存在極限長(zhǎng)度，工程應(yīng)用中應(yīng)考慮施工難度、經(jīng)濟(jì)成本及項(xiàng)目整體效益，選取最為科學(xué)經(jīng)濟(jì)的水平井長(zhǎng)度。

(3)中深層U型井供熱技術(shù)未來發(fā)展可期，在優(yōu)化利用、經(jīng)濟(jì)評(píng)估、施工工藝、適宜區(qū)評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，具備較大工作空間，應(yīng)加強(qiáng)研究。