在全球氣候變暖加劇與能源結構加速轉型的當下,清潔可再生的地熱資源愈發(fā)成為能源領域的研究熱點。我國地熱資源稟賦優(yōu)越,綜合開發(fā)利用前景廣闊。山東省供暖以燃煤鍋爐、天然氣為主,在“雙碳”目標下,山東省溫室氣體減排壓力巨大,中深層地熱資源等新能源開發(fā)利用具有重要戰(zhàn)略意義。魯西北是山東省地熱資源主要富集區(qū),其中德州市武城縣地熱資源量巨大,館陶組可利用地熱資源量1.730 2× 108GJ。2021年之前,武城縣供暖依賴縣城熱電廠,供熱能力約240×104m2。隨著城區(qū)規(guī)模持續(xù)擴張,原有熱源的供應能力逐漸不足,補充新型供熱能源成為迫切需求。鑒于武城縣中深層地熱資源的高效規(guī)模化開發(fā)潛力與現實需求,2021年,武城縣與中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司合作推進中深層地熱開發(fā)項目,實現“當年審批、當年建設、當年投產”,截至目前已穩(wěn)定運行4個供暖季,各項運行指標均優(yōu)于預期。

 

本文基于該項目實踐經驗,系統(tǒng)闡述武城縣中深層地熱供暖的實施路徑,通過梳理區(qū)域地熱資源研究成果及地熱開發(fā)現狀,探討武城地區(qū)中深層地熱資源潛力,總結地熱開發(fā)技術在武城的應用及其在山東省的可能應用前景,為開展山東省中深層地熱高效規(guī)模化開發(fā)利用提供參考和借鑒。

 

1武城縣中深層地熱資源

1.1區(qū)域地質特征

武城縣位于華北平原東南部,屬華北板塊臨清坳陷德州潛斷陷的德州潛凹陷,為中新生代斷陷盆地。 基底為中生代白堊系,斷裂構造發(fā)育,以NE~NEE走向為主,其中滄東大斷裂為重要隱伏斷裂,控制上下第三系地層發(fā)育,將武城分為故城-館陶潛斷隆與德州潛斷陷2個Ⅳ級構造單位。

 

1.2地層特征

受差異性升降運動影響,武城城區(qū)地層分區(qū)明顯,在凸起區(qū)缺失古近紀,新近紀直接覆蓋于中生界之上;凹陷區(qū)新生界發(fā)育較齊全,厚度超3000m，新近系明化鎮(zhèn)組以泥巖為主,是優(yōu)質蓋層,館陶組以砂礫巖、粉砂巖為主,為主要熱儲層;古近系東營組、沙河街組、孔店組巖性復雜,含多種礦產與火山巖。(表1)。

1.3熱儲特征

武城地區(qū)處于伸展條件下沉積盆地內凹陷地熱背景。熱源為地幔熱能,變質巖內元素衰變放射作為附加熱源,低熱導率巖層埋深超過3 500 m。區(qū)內地熱資源類型為沉積盆地傳導型地熱資源。滄東斷裂等導水性強,利于深部高溫流體補給。

 

新生界東營組及館陶組砂巖儲層是該區(qū)最具經濟開采價值的地熱儲層[13],東營組地層在該區(qū)分布極不均勻,不同位置的賦水性變化也較大;館陶組熱儲層分布廣泛,厚度200~210 m,下部砂體單層厚度大, 孔隙度25%~38%,水溫57~62℃,單井涌水量72~ 95 m3/h。水化學類型為Cl-Na型,屬溫熱水型地熱資源。館陶組之上覆蓋厚1 000~1 200 m的明化鎮(zhèn)組與第四系,巖性為泥巖或砂巖,熱導率低,成為館陶組熱儲層的良好蓋層。

 

1.4地溫場特征

區(qū)域地溫場的平面分布與基底構造相關,凸起區(qū)地溫梯度高,凹陷區(qū)地溫梯度低;地殼深部均勻,上部受構造影響熱流重新分配。礦區(qū)處于德州潛凹陷中部,地溫梯度3.2~3.4℃/100m,垂向地溫隨深度遞增,開采井、回灌井地溫梯度分別為3.46℃/100 m、 3.01℃/100 m,與區(qū)域一致。

 

1.5地熱資源利用評價

本次評價參照GB/T 11615—2010《地熱資源地質勘查規(guī)范》,用熱儲法算地熱能總量,結合回采率定可采量,地熱水資源用凈儲量法計算。

 

基礎參數:勘查區(qū)面積25.65 km2,研究區(qū)面積 6.2 km2;熱儲平均厚度205 m;熱儲溫度63.0℃;平均孔隙度33%;熱力學參數參照規(guī)范與區(qū)域資料確定, 彈性釋水系數2×10-4。

 

資源量核算:武城縣城區(qū)館陶組地下熱水儲量為 1 741.48×106m3(研究區(qū)420.94×106m3),其中容積儲量1735.22×106m3(研究區(qū)419.43×106m3),占總量的 99.55%,彈性儲量為7.81×106m3(研究區(qū)1.89×106m3), 占總量的0.45%。可利用資源量1.730 2×108GJ(研究區(qū)0.418 2×108GJ)。

 

武城縣地熱供暖面積為235.5×104m2,供暖季平均溫度為0℃,供暖室外計算溫度為-6.5℃,室內采暖設計溫度為18℃,一個供暖期需要消耗熱量62.37× 104GJ。按可利用資源量計算,館陶組地熱資源可滿足縣城長期地熱供暖需求,服務年限可達67年。

 

2地熱項目開發(fā)與建設

2.1地熱模擬計算與開發(fā)

項目借助專業(yè)地熱開發(fā)模擬軟件,結合武城縣城區(qū)館陶組熱儲特征,對采灌井井距進行模擬計算。模擬過程設定約束條件為單井開采量120 m3/h、100%回灌、間歇性開采(當年11月至次年3月)、熱田壽命 50年,以年為時間單位,重點分析第6、34、50年的溫度場與水流場分布規(guī)律,明確溫度變化及水流波及范圍,最終確定400 m為最優(yōu)井距。

根據地熱數值模擬結果,結合地面及地質特征, 優(yōu)化井身軌跡,確定選用3個鉆井平臺,完成31口地熱鉆井部署方案,另有2口地熱零散井單獨選址建井,共布置33口地熱井(圖1)。

2.2地面工程建設布局

項目新建地熱供暖系統(tǒng),以地熱水為熱源,為武城縣北區(qū)居民樓及公建供暖,總供熱面積235.5×104m2。工程分為集中供熱和沙東社區(qū)供熱兩部分。

1)集中供熱部分:供熱面積223.52×104m2,在武城縣六六河南岸新建3個地熱井平臺,新鉆14口取水井和17口回灌井,取水量1 680 m3/h。1號地熱井平臺為10井式平臺(5采5灌),2號為11井式平臺 (5采6灌),3號為10井式平臺(4采6灌)。建設1座武城北地熱供熱站,供熱站供熱量為85 MW,主要包括3臺地熱水-供熱水板式換熱器、3臺地熱回水-熱泵用軟化水板式換熱器、6臺7.2 MW離心式熱泵以及1套1 680 m3/h回灌過濾設備。

2)沙東社區(qū)供熱部分:在沙東社區(qū)的東南角和西南角分別設置1口取水井和1口回灌井,在小區(qū)內新建1座沙東地熱供熱站為沙東社區(qū)12×104m2住宅供暖提供熱源。供熱站供熱量為4.2 MW,主要包括2臺地熱水-高層供熱水板式換熱器、2臺地熱水-低層供熱水板式換熱器、1臺地熱回水-熱泵用軟化水板式換熱器、1套100 m3/h的回灌過濾操作設備。

 

供暖系統(tǒng)工藝流程為:地熱水由潛水泵從生產井抽出,經多井集輸、除砂排氣后,通過管道輸送至武城北地熱供熱站內,站內地熱水溫度不低于62℃。部分市政供熱回水與地熱水經換熱器,水溫由38℃加熱到 55℃;另一部分市政供熱回水經熱泵加熱至55℃,兩部分供熱水混合后輸送至小區(qū)供熱。地熱水經換熱、 熱泵提取熱量后,溫度降至21.8℃,進入回灌系統(tǒng)（圖2、圖3）。

 

3抽水回灌試驗及實施效果

3.1抽水試驗

2021年7月,項目開展了72 h抽水試驗,共完成 3個降深試驗。當降深為26 m、運行頻率為50 Hz時, 涌水量與水溫逐漸趨于穩(wěn)定,涌水量保持在160 m3/h, 水溫保持在62℃(圖4)。72 h后動水位恢復至80 m 左右,后續(xù)靜液面維持在80 m左右,后續(xù)靜液面保持穩(wěn)定,水位恢復速度較快,表明熱儲層補給能力良好。(圖5)。

 

3.2回灌試驗

選取開采井DR202-4(井深1 771.47 m)和回灌井DR202-13(井深1 951.28 m)進行回灌試驗,2口井井口距離9 m,井底相距382 m,取水層位及回灌層位均為館陶組熱儲層。試驗采用自然回灌方式,設置 47.1、60.2、80.0、99.98 m3/h四個回灌量梯度,回灌過程中對開采井、回灌井水位、溫度、開采量、回灌量進行觀測,同時對水質進行監(jiān)測。

 

水位與單位回灌量變化歷時曲線顯示(圖6— 9),回灌初期水位上升速度快,隨著回灌持續(xù)進行, 水位上升速度明顯減慢,最后水位逐漸趨于穩(wěn)定。 各階段不同回灌量的末期水位不同,回灌量越大,最終水位越高,回灌量與水頭高度成正比。回灌末期水位上升至距井口57.20 m,達到該井最大回灌量 99.98 m3/h。

3.3供暖運行效果

項目自2021年11月投運以來,已連續(xù)穩(wěn)定運行 4個供暖季。在供熱能力、溫度維持與回灌效率等方面均達到設計預期。供暖期間,室內溫度保持在21℃以上,一次網供水溫度穩(wěn)定維持在45℃以上,即便遭遇極寒天氣,通過熱泵系統(tǒng)實時調節(jié),仍能將溫度穩(wěn)定在較高水平,成功保障了武城縣居民冬季采暖需求。 通過對4個供暖季單井取水量與回灌量數據曲線分析(以采水井12月份為例),取水量穩(wěn)定保持在 120 m3/h左右,回灌量在維持100%回灌的基礎上也保持穩(wěn)定,實現了“取熱不耗水”的資源利用目標,系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與可靠性良好。

 

4社會影響

4.1環(huán)保效益

地熱供暖的規(guī)模化應用大幅降低了武城縣的碳排放量,首期地熱供暖解決了集中供暖區(qū)域235.5× 104m2的供熱需求,每年可替代標準煤6.0×104t,減少 CO2排放量15.5×104t,地熱能替代率達到45%。同時, 項目采用同層開采、同層回灌技術,實現地下水100%回灌,真正做到“取熱不取水”,環(huán)保效益突出。

4.2經濟效益

地熱供暖的低成本優(yōu)勢為居民和企業(yè)降低了采暖支出,同時帶動了清潔能源裝備制造、配套服務、科技創(chuàng)新等相關產業(yè)鏈發(fā)展,為當地創(chuàng)造了大量就業(yè)崗位,增加了地方稅收,對促進區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要推動作用。

4.3社會示范效應

武城縣地熱資源供暖的成功實踐為山東省乃至全國同類地區(qū)提供了可復制、可推廣的經驗。作為中深層地熱規(guī)模化高效開發(fā)的典型案例,該項目為城區(qū)集中供暖清潔替代探索出了一條技術可行、經濟合理、環(huán)境友好的路徑,有助于推動更多地熱資源稟賦優(yōu)越的地區(qū)開展清潔能源轉型,助力國家“雙碳”目標實現。

 

5結論

1)地質研究結果表明武城縣地熱地質條件優(yōu)越。 熱儲層館陶組分布穩(wěn)定、埋深適中、富水性好,城區(qū)館陶組可采地熱資源量1.730 2×108GJ,資源潛力巨大、利用價值高,能夠滿足縣城長期地熱供暖需求。

2)地熱供暖實踐驗證了技術方案的可行性與高效性。通過數值模擬確定400 m最佳井距,科學部署地熱井;開展先導試驗井抽水、回灌先導試驗預測出水溫度、水量,實際生產中平均出水溫度61℃、平均單井涌水量120 m3/h,與試驗參數高度吻合;通過同層開采、同層回灌技術,實現魯北地區(qū)砂巖最大單井無壓回灌量,單井平均自然回灌量80 m3/h,達成100%自然無壓回灌,實現了地熱資源的合理利用。

3)武城縣地熱供暖項目為城區(qū)集中供暖清潔替代提供了創(chuàng)新路徑。當前國內規(guī)模高效開發(fā)地熱用于集中供暖的案例尚不多見,武城縣地熱供暖實踐為實施城區(qū)集中供暖清潔替代摸索出一條可行的技術路徑,可為其他有地熱開發(fā)利用潛力的城市提供借鑒對推動全國清潔能源供暖發(fā)展、助力“雙碳”目標實現具有重要意義。