黃陵地區(qū)中深層地?zé)崮苜x存與U形井巖-水換熱潛力分析

王少鋒， 申小龍,2， 趙 真， 劉 軍,2， 羅娜寧

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021)

0 引言

中深層地?zé)豳Y源具有穩(wěn)定、連續(xù)、利用效率高等優(yōu)勢。近年來，中深層U形井地?zé)豳Y源開發(fā)利用是世界各國研究、勘探、利用新的方向，也成為我國開發(fā)利用可再生能源解決采暖問題的一項重要技術(shù)措施。受布井位置、空間、面積的限制，現(xiàn)有建筑淺層地?zé)崮荛_發(fā)具有一定的局限性；受回灌效果的影響，水熱型地?zé)崮芏嗄陙黹_采已引發(fā)地面沉降、地下水位下降等地質(zhì)災(zāi)害問題，尤其在西安市區(qū)最為嚴重[1]。基于水熱型、淺層地?zé)崮軕?yīng)用中逐漸暴露出的缺點，利用中深層取熱不取水增強型水平對接U形井工藝來開采地?zé)崮苁艿礁鹘绲恼J同，中深層地?zé)崮芄┡P(guān)鍵技術(shù)研發(fā)已成為我國一些科研院所單位的研究熱點。RybachL和HopkirkRJ早在1995年就提出了利用深井換熱技術(shù)開采中深層水熱型地?zé)崮転榻ㄖ┡乃悸?。中國科學(xué)院孔彥龍等人針對我國北方地區(qū)典型地?zé)岬刭|(zhì)條件，通過解析法和數(shù)值法分別計算了地?zé)嵘罹畵Q熱量[2]。西安交通大學(xué)王灃浩等人通過數(shù)值法和建立物理模型分析研究了設(shè)計參數(shù)對深層地埋管換熱器的換熱量、取熱效率、水泵功耗以及埋管流體溫度分布的影響變化規(guī)律。楊衛(wèi)波等基于能量平衡建立了U形埋管的穩(wěn)態(tài)傳熱模型，據(jù)此對地源熱泵系統(tǒng)的運行特性進行了動態(tài)模擬，得出埋管出口流體溫度隨運行時間的變化規(guī)律[3]。馮邵航等考慮了地下深處巖土的地溫梯度、巖性變化，建立了深層U形地?zé)峋崮Ｐ?，研究了管?nèi)流速對采熱功率、傳熱半徑的影響[4]。

目前中深層地?zé)衢_發(fā)的相關(guān)研究以室內(nèi)試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等為主，具體施工的供暖項目相對較少，特別在陜西缺水的陜北延安、榆林地區(qū)處于空白。近年來，陜西等地緊隨國家節(jié)能減排政策和號召，提前布局研究實施，積極在延安地區(qū)成功開展了黃陵地?zé)峥蒲兴綄覷形地?zé)峋こ淘囼?，筆者依據(jù)鄂爾多斯盆地南緣黃陵地區(qū)中深層地?zé)酻形井地?zé)峥碧匠晒?，系統(tǒng)分析研究區(qū)中深層地?zé)岬馁x存特征、U形地?zé)峋畮r-水換熱的影響因素，評價了換熱潛力，旨在為鄂爾多斯盆地南緣黃陵地區(qū)中深層地?zé)崮芨咝ч_發(fā)提供借鑒。

1 地?zé)峋碧?/h2>

黃陵地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南緣，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，為一北西向緩傾的單斜，傾角1°～3°，面積約2 292 km2(圖1)。根據(jù)地?zé)峋@探、錄井、測井資料對比分析研究，地層由老到新依次為寒武系，奧陶系馬家溝組，石炭系本溪組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組、紙坊組、延長群，第四系。

圖1 鄂爾多斯盆地南緣構(gòu)造單元劃分及研究區(qū)位置Figure 1 Ordos Basin south margin tectonic elementpartitioning and study area position

黃陵地?zé)峥蒲兴綄泳?以下簡稱DRKY-02井)位于延安市黃陵縣新區(qū)，由延安旅游集團黃陵投資有限公司投資，陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司承擔從設(shè)計到施工的全過程。2019年11月， DRKY-02井開鉆施工，2021年4月與直井(DRKY-01)精準對接連通成功。DRKY-02井是目前國內(nèi)水平對接井深度最深(垂深3 155 m)，水平段長度最長(825 m)，換熱段最長(2 000 m)的地?zé)崴綄覷形井。DRKY-01直井為探采結(jié)合井，井深3 508.20m，二開結(jié)構(gòu)。一開0～812m，下入鋼級J55，Φ244.5mm×8.97mm的保溫套管；二開812～3 508.20m，下入鋼級N80，Φ177.8mm×9.17mm套管，深度2 730m。

DRKY-02井為水平對接井，井深4 168.33m，三開結(jié)構(gòu)。一開0～95m，下入鋼級J55，Φ339.7mm×9.65mm套管，二開95～2 780m，下入鋼級N80，Φ244.5mm×10.03mm套管，三開2 780～4 168.33m，裸眼完鉆。該井采用中深層地?zé)衢_發(fā)取熱不取水的核心技術(shù)，在深部堅硬的奧陶系馬家溝組進行水平精準對接，形成U形井，以水為介質(zhì)注水閉循環(huán)與深部地?zé)釒r層充分熱交換，實現(xiàn)提取地下熱能，為該地區(qū)提供建筑供暖。該井是我國在此深度首例“超深度、超長距、大口徑、超長換熱段”的深部取熱不取水的U形水平對接井工程。通過本次地?zé)峋┕?，對U形對接井的鉆探施工、高精度無線隨鉆定向、精準水平對接技術(shù)、井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)、定向儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)利用等一系列核心技術(shù)都有了更加精準的掌控。該項目有效提高了中深層地?zé)岬膿Q熱效率，提高了建筑供暖的能效，有效推進西部地區(qū)清潔取暖，為合理、高效開發(fā)利用地?zé)豳Y源提供了科學(xué)依據(jù)。

2 地?zé)豳x存特征

2.1 熱儲層

不同學(xué)者對鄂爾多斯盆地地?zé)嵫莼愤M行了深入研究，鄂爾多斯盆地在中生代晚期曾經(jīng)發(fā)生過4次火山活動為深部熱流體的形成提供了必要的有利條件，為現(xiàn)今中深層地下熱能利用創(chuàng)造了熱源，提高了盆地的地溫梯度。特別在盆地南部的基底隆起區(qū)，由于上地幔物質(zhì)上涌，產(chǎn)生局部高溫帶，深部熱流順巖層向上運移過程中，在隆起區(qū)聚集并形成高溫異常區(qū)，同時，南緣地層中的泥巖層發(fā)育較好，構(gòu)成區(qū)域熱蓋層，地溫相對較高，總體形成盆地南部地溫梯度相對高于北部。

通過對已施工的DRKY-01、DRKY-02地?zé)峋案浇鼌^(qū)域油氣鉆井資料分析研究，認為區(qū)內(nèi)延長群、紙坊組、和尚溝組、山西組、本溪組中泥巖發(fā)育，致密，封閉性好，厚度穩(wěn)定，為區(qū)域主要蓋層。

區(qū)內(nèi)馬家溝組深度大約在現(xiàn)代侵蝕基準面以下2 450 m左右，厚度700 m左右，地層溫度98～110 ℃，厚度穩(wěn)定，巖性均一，主要為白云巖、灰?guī)r，平均孔隙度5.6 %，平均滲透率4.49×10-3um2，導(dǎo)熱系數(shù)3.40 W/(m·K)[5]，總體表現(xiàn)為低孔隙、致密及導(dǎo)熱性強的特征。該層電阻率值高值，且變化幅度較大，井徑平直接近鉆頭大小，聲波時差值在149～224 μs/m，自然伽馬曲線起伏明顯，以低值為主，自然電位負異常不明顯。在施工過程中，換熱段鉆井液密度性能參數(shù)穩(wěn)定，注水循環(huán)試驗過程中水量無損失，為良好的熱傳導(dǎo)型熱儲層，具有無流體或含極少量流體，是理想的干熱巖類型地?zé)豳Y源層。為本工程施工水平對接U形井提供了地質(zhì)條件，更有利于采用新的方式在換熱段裸眼進行充分的熱交換取熱，提高了換熱效率。

2.2 地溫梯度

2.2.1 區(qū)域地溫分布

鄂爾多斯盆地地層溫度與深度呈線性關(guān)系明顯，隨著深度的增加，地層溫度逐漸增加。王均、黃尚等根據(jù)區(qū)內(nèi)大量油氣鉆孔資料的研究結(jié)果，認為鄂爾多斯塊體地溫分布比較均一，變幅小，多在10 ℃左右，局部可達20 ℃以上。該塊體1 000m、2 000m和3 000 m深處的地溫分別為35～40 ℃、60～70 ℃和80～100 ℃[6]。根據(jù)鄂爾多斯盆地211口油氣井的地層測溫資料，全盆地平均地溫梯度為2.93 ℃/100m，平均大地?zé)崃髦?2 mW/m2，屬于中溫型盆地[7-15]。鄂爾多斯盆地劃分6個大地構(gòu)造單元，其中伊陜斜坡為盆地的主要構(gòu)造單元。根據(jù)伊陜斜坡近165口油氣井的測溫數(shù)據(jù)分析，計算出地溫梯度為2.80 ℃/100m，總體相同深度的地溫北部高于南部，西部高于東部，地溫梯度總體西高東低，北高南低的特征(圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂面地溫分布曲線[7]Figure 2 Ordos Basin south margin Ordovician top interfacegeotemperature distributions curve (after reference[7])

2.2.2 地溫測量

在研究區(qū)內(nèi)對施工的科研地?zé)峋M行了連續(xù)井溫測井，選用ECLIPS-5700系統(tǒng)測井儀器，井內(nèi)注滿鉆井液等待靜止48h后進行了3次連續(xù)測溫，采集了327組井溫數(shù)據(jù)，將測溫數(shù)據(jù)校正、分析之后，取得了研究區(qū)地溫資料。根據(jù)地溫數(shù)據(jù)分析，在垂直方向上，地溫在恒溫帶以下的變化趨勢為地溫隨著深度的增加而增加，與區(qū)域地溫特征基本一致(表1)，為傳導(dǎo)型地溫場的典型特征。

2.2.3 井溫與深度的關(guān)系

根據(jù)實測的井溫測井數(shù)據(jù)，繪制出了研究區(qū)井溫與深度關(guān)系曲線(圖3)。從圖3可以看出，溫度和深度具有一致的正向增長性。通過對實測地層溫度(T)與深度(H)的關(guān)系研究計算地溫梯度值。

圖3 實測井溫與深度關(guān)系曲線Figure 3 Measured well temperature and depth relationship curve

根據(jù)研究區(qū)氣象資料統(tǒng)計，地面年平均氣溫為9.4 ℃，恒溫帶溫度采用比多年地面平均溫度高1～3 ℃，恒溫帶溫度為10.4～12.4 ℃，本次計算采用恒溫帶溫度為12.4 ℃；恒溫帶深度采用延安地區(qū)的平均恒溫帶深度20 m。采用如下公式計算地溫梯度：

ΔT=(T-T0)/(H-H0)×100

(1)

式中：ΔT為地溫梯度，℃/100m；T為井底溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，℃；H為井底深度m；H0為恒溫帶深度，m。

經(jīng)過計算，地溫梯度為3.05 ℃/100m。通過對以上研究綜合分析，對實測的地溫溫度和深度作回歸分析，回歸關(guān)系式如下：

T=0.0305H+12.4

(2)

式中：T為地層溫度，℃；H為深度，m。

綜述以上，研究區(qū)地溫梯度略高于鄂爾多斯盆地平均地溫梯度，與王均、黃尚等研究鄂爾多斯盆地3 000 m深處地溫分布規(guī)律基本一致，適宜中深層地?zé)崮荛_發(fā)利用[7]。

表1 DRKY-01井靜態(tài)連續(xù)測溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of static continuous temperature measurement data in well DRKY-01

2.3 地?zé)豳Y源儲量分析

通過對黃陵地?zé)峥蒲兴綄覷形井的施工和注水換熱循環(huán)試驗分析，認為馬家溝組類似于干熱巖的特性。本次以馬家溝組為計算單元估算研究區(qū)的地?zé)豳Y源儲量，結(jié)合研究區(qū)目標層地?zé)犷愋停凑铡兜責(zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》(DZ/T0331—2020)進行綜合分析計算，采用干熱巖型地?zé)豳Y源評價方法，采取資源量體積法估算地?zé)豳Y源，公式如下：

Q=A×H×ρ×Cp×(1-n)×(T-T0)

(3)

式中：Q為地?zé)豳Y源量，J；A為研究區(qū)面積，m2；H為目標層巖石厚度，m；ρ為巖石密度，kg/m3；Cp為巖石比熱，J/kg.℃；n為巖石平均孔隙度；T為熱儲層溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，℃。

經(jīng)過計算評估，地?zé)豳Y源總量為3.72×1020J，折合標準煤為1.27×1010t?？梢钥闯鳇S陵地區(qū)地?zé)豳Y源儲量十分豐富，開發(fā)利用潛力巨大。按照采收利用率取15%進行開發(fā)，可利用地?zé)豳Y源總量為5.58×1019J，折合標準煤為1.90×109t。則可以減排CO2為4.53×109t，SO2為0.32×108t，NOx為1.14×108t?？梢钥闯觯芯繀^(qū)中深層地?zé)豳Y源在開發(fā)利用方面無論從儲熱條件，還是在施工技術(shù)支撐條件均有較大的優(yōu)勢，在當前政策形勢下具有很好的開發(fā)前景，生態(tài)效益、社會效益顯著。

3 地?zé)峋畵Q熱潛力分析

3.1 注水換熱循環(huán)試驗

在試驗中，以水作為換熱介質(zhì)，注水換熱循環(huán)試驗獲取了四個流量工況下的觀測數(shù)據(jù)。分別以平均溫度20 ℃，流量60 m3/h、100 m3/h、120 m3/h和80 m3/h進行注水換熱循環(huán)試驗，觀測出、入口水溫變化。注水換熱循環(huán)試驗從DRKY-02井口注水，從DRKY-01直井井口出水。換熱過程中主要通過在垂深3 155 m處大口徑的825 m裸眼長水平段提取地下熱量。在注水口管線上依次安裝流量計、壓力表、溫度表，出水口管線上依次安裝壓力表、溫度表、流量計。為了觀測數(shù)據(jù)的準確性，在出入口分別安裝2套溫度傳感器同時觀測數(shù)據(jù)。其中60 m3/h延續(xù)時間72h，穩(wěn)定水溫溫度57.1 ℃；100 m3/h延續(xù)時間81h，穩(wěn)定水溫溫度47 ℃；120 m3/h延續(xù)時間62h，穩(wěn)定水溫溫度40.7 ℃；80 m3/h延續(xù)時間48h，穩(wěn)定水溫溫度52 ℃。

在注水換熱循環(huán)試驗過程中，利用每次試驗間隔時間，做了二次連通漏失試驗。第一次從2021年5月11日18：00開始至5月13日早上8:00時，連續(xù)觀測共計38h，損失3.34m3水量。第二次從2021年5月16日16:00開始至5月17日19:00時，連續(xù)觀測共計27h，損失3.11m3水量。從漏失的情況看，每天損失的水量為3～4m3，屬于正常地層漏失現(xiàn)象。

注水換熱試驗結(jié)束后，根據(jù)獲取的資料分別繪制了四個流量時段觀測的出入口水溫變化曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，在試驗條件下連續(xù)運行且入口水溫基本一致時，出口溫度一開始上升很快，這是因為開始運行之前，井內(nèi)水的溫度與周圍巖體已充分的熱交換，與周圍巖體的溫度基本相同，出口水溫最高將近80 ℃(推斷預(yù)計在水平段熱交換后水溫約100 ℃，在DRKY-01直井上升在1 500 m左右以上時逐漸有溫度損失，根據(jù)試驗結(jié)束后對DRKY-01水溫測井，1 500～150 m段水溫損失13.13 ℃)；在隨后的運行中，出口水溫緩慢開始下降，由于入口水溫基本在20 ℃左右，出口水溫的降低，說明隨著運行，由于流量的不同，流速也不同，與圍巖體充分熱交換的時間也不同，相比較開始運行時的溫度降低；最后水溫達到一定的穩(wěn)定，說明入口水體與圍巖體熱交換基本已平衡，周圍地溫場熱量傳輸也已基本穩(wěn)定。

圖4 四個流量工況下的注水換熱循環(huán)試驗進出口水溫曲線Figure 4 Water injection heat transfer cycle test water inlet and outlet temperature curves under four flows working condition

分析出口水溫度隨時間變化情況，進口水溫基本相同情況下，同一時間段內(nèi)，低流量的出口溫度要高于高流量的出口溫度，由于流經(jīng)換熱段時間不同，熱交換效率也不同，出口溫度對應(yīng)也不同。其中流量60 m3/h時，流經(jīng)水平段的時間為32min，流量100 m3/h時，流經(jīng)水平段的時間為19min，流量120 m3/h時，流經(jīng)水平段的時間為16min，流量80 m3/h時，流經(jīng)水平段的時間為24min。結(jié)合觀測注水試驗數(shù)據(jù)，出口溫度隨循環(huán)水流量的增加而降低，主要原因是隨著循環(huán)水的流量增加，即流速變快，水質(zhì)與圍巖的換熱時間長降低，循環(huán)水溫升溫慢，故出口水溫低。由此推斷分析，U形地?zé)峋骄蔚拈L度越長，出口溫度也相應(yīng)越高。

總結(jié)以上規(guī)律分析，認為影響出口水溫的因素有：入口溫度、注水流量(流速)、水平段長度、井深、井眼直徑(換熱接觸面積)、出水井的保溫措施等。

根據(jù)試驗的入出口水溫溫差和流量值，由如下公式可以計算出試驗條件下穩(wěn)定時段的換熱量。

Qr=c×m×Δt=1.163×Q×Δt

(4)

式中：Qr為換熱量，kW；Q為流量，m3/h；Δt為進、出口的水溫差值，℃。

經(jīng)計算，流量60 m3/h時，換熱量為2 588.84 kW；流量100 m3/h時，換熱量為3 128.47 kW； 流量120m3/h時，換熱量為2 986.58 kW；流量80 m3/h時，換熱量為2 698.16 kW。

綜合以上分析，預(yù)測得出運行時水量采取100 m3/h，換熱量可達3 128.47kW，單位每延米換熱量為427.21 W/m。具體獲得最大單位時間換熱量的參數(shù)還得至少通過一個采暖季的運行數(shù)據(jù)來研究分析。

3.2 地?zé)峋椖繉Ρ?/h3>

我國自2016年以來，開始采用中深層U形地?zé)峋┡に嚰夹g(shù)，全國率先第一個項目由陜西煤田地質(zhì)集團在西安草灘施工的金泰經(jīng)開花城小區(qū)U形地?zé)峋┡椖?，后續(xù)施工了河北工程大學(xué)項目(表2)。

表2 國內(nèi)中深層U形地?zé)峋┡痉俄椖繑?shù)據(jù)資料Table 2 Data of Domestic middle deep U-shaped geothermal well heating demonstration project

根據(jù)目前國內(nèi)已施工的中深層U形地?zé)峋椖繉嵗?，通過對比研究分析各自項目地?zé)岬刭|(zhì)特征、成井工藝、注水試驗等，可以得出影響換熱量的主要因素有：

1)入口溫度。換熱量與水和地?zé)峋畤鷰r體熱交換的溫度差有關(guān)。出入口水溫差越大，取熱量越高。若隨著入口水溫度升高，水與地?zé)峋畤鷰r體的熱交換溫差減小，故取熱量隨著降低。

2)循環(huán)介質(zhì)的流量(流速)。出口溫度隨循環(huán)水流量的增加而降低，主要原因是隨著循環(huán)水的流量增加，即流速變快，水與圍巖體的換熱時間減少，循環(huán)水吸收熱量慢，故出口水溫低。

3)鉆井深度。根據(jù)目前地?zé)峋疁氐囊?guī)律分析，基本上為傳導(dǎo)型的地溫場特征，即隨著深度的增加，地層溫度逐漸增加。地?zé)峋崃亢统隹跍囟鹊脑鲩L率隨著鉆井的深度增加。

4)U形井水平段長度。根據(jù)已施工的U形地?zé)峋蕉螖?shù)據(jù)分析，水平段越長，流經(jīng)的時間越長，接觸換熱時間越長，換取的熱量越多。即地?zé)峋崃侩S水平段的長度的增加而增加。

5)換熱段井眼直徑。直徑的大小即為換熱段介質(zhì)與圍巖接觸面積的大小。面積越大水與圍巖接觸越充分，吸取的熱量越多。但考慮到鉆探施工難度、換熱量與運行水泵功耗之間的關(guān)系，使取熱量與經(jīng)濟成本最優(yōu)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)地溫隨深度的增加而增加，為傳導(dǎo)型地溫場的特征。地溫梯度3.05 ℃/100m，高于鄂爾多斯盆地平均地溫梯度，屬于地溫異常區(qū)，適宜中深層地?zé)崮荛_發(fā)利用。

2) 研究區(qū)U形井裸眼段巖性為馬家溝組白云巖，地層巖性均勻穩(wěn)定，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，無流體或只含有少量流體，該地層在本區(qū)類似干熱巖特性，工程采用新的換熱工藝在換熱段裸眼充分熱交換，有利于提高換熱效率。

3) 研究區(qū)馬家溝組地?zé)釤醿Y源總量為3.72×1020J，折算成標準煤為1.27×1010t，中深層地?zé)豳Y源潛力十分廣闊。采收利用率取15%，可利用地?zé)豳Y源總量為5.58×1019J，最終能夠提供經(jīng)濟發(fā)展的地?zé)豳Y源總量折算成標準煤為1.90×109t，假設(shè)這些清潔綠色能源全部被利用，可減少CO2排放量為4.53×109t，SO2排放量為0.32×108t，NOx排放量為1.14×108t。生態(tài)效益、社會效益顯著。

4)通過注水換熱循環(huán)試驗、理論分析與同類型已建供暖項目對比研究，影響出口水溫的因素有：入口溫度、注水流量(流速)、水平段長度、井深、井眼直徑(換熱接觸面積)等。

5)經(jīng)過對研究區(qū)U形井注水換熱循環(huán)試驗分析研究，預(yù)測得出運行時水量采取100 m3/h，換熱量可達3 128.47 kW，單位每延米換熱量為427.21 W/m。