渭河盆地中深层地热资源开发存在问题及改进措施

薛宇泽，陶鹏飞，韩元红

(1.自然资源部 煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西 西安 710021； 2.陕西省煤田地质集团有限公司,陕西 西安 710021)

地热资源是一种绿色低碳、节能环保的可再生能源。根据其埋藏深度及温度可分为浅层地热能与中深层地热资源,相对于浅层地热能,中深层地热资源具有更高的热量,充分利用中深层地热资源可以极大地节省化石能源,具有明显的节能减排和绿色低碳效应。渭河盆地地热资源丰富[1],开发历史悠久,早期主要以温泉的形式进行地热的开发利用,20世纪70年代以来开始以钻井的方式主动开采地下热水[2]。近年来一大批开发利用中深层地热资源供暖的项目开始运作,在这些项目的运行过程中暴露出很多问题,本文分析了其原因,并提出了改进措施。

1 渭河盆地中深层地热资源开发现状

中深层地热资源是指主要赋存于地下水和岩石体中,温度一般在25 ℃以上,埋深介于200～4 000 m之间的地热能。渭河盆地地热能可利用的总热量相当于标准煤2 758×108t。目前渭河盆地开发中深层地热资源可分为两种形式：抽取地下热水开发模式和换热型地热开发模式。

1.1 抽取地下热水开发模式

抽取地下热水开发模式是通过天然通道或人工钻井方式开采中深层地热资源,在井中地热水从筛管进入套管,再由水泵抽取至地面利用(图1),是传统的地热利用方式。渭河盆地大地热流值高于全国平均水平,渭河盆地莫霍面隆起,深部地热流体上涌,高温融熔物质向上地壳侵位,为地下热水的形成提供了良好的深部热源条件。

图1 抽取地下热水开发模式示意图Fig.1 Pumping groundwater mode

在渭河盆地早期地热资源的开发过程中,较多地热井抽取地热水提取部分热量后,尾水直接排放到地表水域,对地表环境造成污染的同时也造成很大的资源浪费,长期开采也导致地下水位急剧下降,形成明显的地下水降落漏斗。为了保证地热资源的可持续发展,相关政府部门从2008年开始,实行了更为严格的地下水资源保护条例,控制地下热水的直接抽取和使用[3],并鼓励相关单位研究地热回灌等新技术,通过人工方法将地热尾水补充到开采热储层中,维持和恢复地热储层水位压力。近年来西安咸阳等地进行了多次尝试性回灌试验,并取得了一定成果,但由于渭河盆地主要热储层为新生界新近系、古近系孔隙地热储层,岩性为半成岩的砂岩、砂砾岩与泥岩互层,回灌率差异大,回灌效果并不十分理想。砂岩热储层回灌已成为抽取地下热水开发模式的瓶颈,提高回灌率是今后工作的重中之重。

1.2 换热型地热开发模式

换热型地热开发模式是一种新兴的利用中深层地热能模式,该模式是通过人工钻井的方式在热储层中形成可以让换热介质在地面与井下循环的回路,换热介质在吸收地下热储层热量后返至地面利用,释放热量后再返回地下吸热,往复循环。整个换热过程不开采地下水,不会造成地下水损失和污染,避免了回灌难、地下水串层等问题。目前这种井下换热模式在渭河盆地有两种类型：

(1) 同轴套管技术(图2)。通过钻机向深处高温地层钻孔,在钻孔中放置密闭同轴套管换热器,换热介质经过外管与内管之间的环状间隙流经地下高温地层吸热,再从同轴内管往上返出,将地下热能导出,然后再通过专用设备(热泵机组)供末端用户利用。这就是同轴套管的运行过程。

图2 同轴套管换热模式示意图Fig.2 Coaxial deep borehole heat exchanger mode

(2) U型对接井[4](图3)。在渭河盆地也出现国内首个U型对接井的地热开发方式。U型对接井是由一口水平井与一口直井对接,全井段固井,换热介质从水平井进入,吸收地层热量后从直井返出,U型对接井是通过增大换热面积来增加换热量的。

图3 U型对接井换热模式示意图Fig.3 U pipe heat exchanger mode

无论是单井同轴套管技术，还是U型对接井技术,其最大的优点是在运行过程中不抽取地下水,不会造成地下水损失和污染,不存在回灌和地下水资源量限制问题,在地下水不充裕的地区或者地下水开发受到制约的地区具有一定的利用价值。

2 各开发模式存在的问题

2.1 抽取地下热水开发模式存在的问题

抽取地下热水开发模式是地热资源最直接、最高效的利用方式,也是渭河盆地最常见的地热利用方式,这种方式存在以下问题：

(1) 地热水利用率低,造成热污染。地热水利用程度较低,没有形成梯级利用,在尾水的温度还是较高的情况下直接排放,向周围环境释放热量,使周围空气或水体的温度升高,造成热污染。

(3) 地下水过度开采,回灌难度较大。渭河盆地有400多口地热井,井位分布不科学,有的区域地热井较为密集,由于缺乏统一的规划,取水段相对集中,缺少严格分层开采,人们大量开采地热水利用后将尾水直接就近外排，极少采用回灌技术对水资源重复利用,这种粗放式、无序性的开发方式引起了地热水位急剧下降,形成了明显的降落漏斗。渭河盆地中深层地热水补给能力较弱,径流速度缓慢,地热水资源以静储量为主,而且热储层又埋藏较深,所以盆地内地热流体处在一个近似封闭的微径流环境。

2.2 换热型地热开发模式存在的问题

目前应用的换热型地热开发模式主要是同轴套管换热模式,U型对接井开发系统仅建成一处,尚未开始供暖,无运行数据。根据已有的公开数据[6]和有关套管换热数值模拟,该模式存在以下问题：

(1) 换热量的局限性。根据孔彦龙[7]等进行的同轴套管换热量的模拟评估得到如下结果，无论短期(4个月)或者长期(30年),延米换热功率不超过150 W,在间断采热,即每天供热12 h、停供12 h的情况下,延米换热功率可以翻倍,但是总体换热量基本不变。相比之下,同种情况下常规地抽取地下水模式地热系统每延米换热功率多在1 000 W以上,远高于同轴套管换热系统。总体来说,同轴套管换热技术的主要瓶颈是换热量偏小、建设成本高。

(2) 地温场恢复问题。同轴套管换热系统还有一个容易被人忽视的问题,就是长时间运行情况下如何保持地层有持续供热的能力？由于中深层地层温度较高,不适宜在夏季工况制冷,所以目前市场上只是利用中深层地热能进行供暖,在持续四个月的一个供暖期结束后,地温场能否在剩余的八个月当中恢复到接近原始的温度？目前有两种意见：一是认为地球内部热量主要来自于放射性元素衰变,有源源不断的热量补给到中深层地热中,从地层取热后不需要额外补热；二是认为中深层地热资源是地球在漫长的形成过程中逐渐积累的,虽然地球内部一直有核反应衰变产生热量,但是岩层的热传导能力并没有达到取热后很快能自行恢复的能力,所以系统长时间运行后,在没有稳定热源补给的情况下,地层温度逐渐降低,必然会造成系统的效率下降。目前这两种认识尚待实践验证。

需要指出的是以上各模式影响因素的研究仅仅局限在某一个别因素,实际工程中换热性能的高低是由所有影响因素综合叠加的一个结果,影响因素不能单独考虑,必须将各影响因素进行综合研究。

3 改进措施

3.1 抽取地下热水开发模式的改进措施

(1) 梯级利用可提高地热水的利用率,减少热污染。根据不同的末端用户、不同的温度需求,将地热流体的热量由高温到低温逐级细化提取利用[8],使地热能得到充分利用。另外可以采用现在比较成熟的热泵技术,在板式换热器提取热量后,再利用热泵提取热量,可以将热水的温度利用到25 ℃以下,然后回灌利用或者处理后达标排放。

(2) 地热尾水回灌是地热能可持续利用的重要保障,应从以下几个方面突破：

① 成井工艺。成井工艺包括井身结构选择、固井方法、射孔、洗井等。当前回灌井多为直井,且有的井在非取水端并未采取固井,增加了回灌水串层的可能性,且不能保证同层回灌。借鉴石油定向钻井技术,可实施定向地热丛式井,即在岩层内打一个主井的情况下,在主井末端打多个斜井,这样可以解决用地问题和井间距问题,并且针对特定的开采层进行回灌,做到同层回灌；在非取水段全部进行水泥固井,防止深部与浅部地下水串层反应。

② 加强孔隙型热储回灌技术的研究,渭河盆地热储层主要以新生界碎屑岩孔隙型层状热储张家坡组热储层、蓝田灞河组热储层和高陵群热储层为主,孔隙型热储回灌量小,衰减严重且持续性差[9]。回灌堵塞较为严重,通过水质化验分析、室内岩芯驱替模拟实验、示踪试验等手段进一步摸清堵塞机理,探查回灌井和生产井之间连通渠道,揭示水力联系规律,提出采灌井间距、回灌方案优化及建议。

由于不同地区的地热储层岩性、物性等条件的差异,回灌方法以及回灌难度也不同,要考虑回灌井的成井工艺、地热储层的特性等综合因素,做到因地制宜、对症下药,提高回灌率,增加回灌量。

3.2 换热型地热开发模式的改进措施

针对换热量不足以及冷热平衡影响系统效率问题，提出以下改进措施：

(1) 使用同轴管换热时,在内管涂上保温材料,减少热能在传输过程中的热损失；若换热段目的储层地热水丰富,也可考虑只在上部非取热段采用保温隔热性能的固井材料,在取热段不固井,让换热器充分与地热水接触,扩大对流换热,提高换热效率。

(2) 目前井下换热器多为同轴管换热器,换热效率已达瓶颈,建议研制新型换热器,从储层中换得更多热量,增大换热效率。

(3) 研究具有更高换热效率的新型换热介质,取代传统的水、乙二醇等换热介质,从地层中换取更多的热量。

4 结论

渭河盆地利用中深层地热资源进行供暖，其开发模式分为两种：抽取地下热水开发模式和换热型地热开发模式。本文重点对两种模式供暖效率的影响因素进行了分析与讨论,并提出了相应改进措施,得到如下结论：

(1) 影响抽取地下热水开发模式持续发展的主要难点在于回灌,渭河盆地热储层主要为新生界碎屑岩孔隙型层状砂岩热储,应加强回灌井成井工艺、砂岩回灌技术、回灌井堵塞等方面研究,实现回灌技术的突破。

(2) 换热型地热开发模式是一种新型模式,整个采热过程不开采地下水。该模式存在系统换热量局限、效率低下和系统持续性未知等问题，建议研制新型井下换热器和新型传热介质,将更多的地热能换取出来,提高换热效率。