中深層地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境變化和能源需求逐漸成為全人類廣泛關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)前，全球已有約160個(gè)國(guó)家或地區(qū)提出碳中和目標(biāo)，加快綠色低碳轉(zhuǎn)型、大力發(fā)展新能源已成為全球共識(shí)。據(jù)國(guó)際可再生能源署發(fā)布的《2023年C O2排放報(bào)告》顯示，2023年我國(guó)CO2排放量達(dá)到126億噸，較2022年增長(zhǎng)了4. 7%，在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。地?zé)崮?/a>作為一種清潔、可再生的能源，其開(kāi)發(fā)利用不僅能有效降低溫室氣體排放，減少對(duì)化石燃料的依賴，且在提高能源利用效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)能源供應(yīng)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮重要作用。

目前，世界各國(guó)普遍將地?zé)豳Y源視為重要的接替資源，高度重視其開(kāi)發(fā)利用前沿技術(shù)，將中深層地?zé)?/a>作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。近年來(lái)，美國(guó)能源部啟動(dòng)了地?zé)崮?/a>前沿瞭望臺(tái)計(jì)劃(FORGE)和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(EGS Collab)項(xiàng)目，歐盟啟動(dòng)了歐洲地?zé)峒夹g(shù)與創(chuàng)新平臺(tái)計(jì)劃(ETIP-Geothermal)，我國(guó)也出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的若干意見(jiàn)》等一系列支持政策，紛紛謀劃推動(dòng)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展，努力搶占能源革命的戰(zhàn)略先機(jī)，使地熱能在有效保障國(guó)家資源安全中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。中深層地?zé)豳Y源通常指埋藏在200?3 000 m深度范圍內(nèi)的地?zé)豳Y源，具有分布廣泛、綠色低碳、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。相較于淺層(埋深小于200 m)地?zé)?/a>，其儲(chǔ)量更大、單位面積可開(kāi)發(fā)能量密度更高;相較于深層地?zé)?/a>(埋深大于3 000 m)，其開(kāi)采難度較低，經(jīng)濟(jì)性更高。中國(guó)作為世界第一大地熱能直接利用國(guó)家，裝機(jī)規(guī)模占全球57% ，淺層和中深層地?zé)崮?/a>直接利用規(guī)模均居世界首位。截至2022年底，我國(guó)地?zé)嶂苯永?/a>規(guī)模折合裝機(jī)容量100 219. 8 MW，其中中深層地?zé)峁┡?/a>利用規(guī)模折合裝機(jī)容量50 030 MW，占比達(dá)到49. 94%，是最主要的利用方式之一。

我國(guó)中深層地?zé)豳Y源以廣泛分布的中低溫水熱型為主，主要分布于渤海灣盆地、關(guān)中盆地、松遼盆地、蘇北盆地等大中型沉積盆地，以及部分山前斷裂帶部位，其分布區(qū)域與我國(guó)東部人口密集、能源需求旺盛的地區(qū)高度吻合，特別是能夠滿足北方地區(qū)冬季清潔取暖的重要民生需求，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的開(kāi)發(fā)與利用。

1 我國(guó)中深層地?zé)岬刭|(zhì)特征與資源狀況

1.1 資源特征及分布規(guī)律

全球地?zé)?/a>資源的分布主要受板塊構(gòu)造活動(dòng)影響，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)帶性。高溫地?zé)?/a>帶通常位于板塊邊緣或構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，與全球地震和火山活躍帶相吻合。中國(guó)在大地構(gòu)造位置上處于古亞洲、特提斯和西太平洋三大構(gòu)造域合圍的地區(qū)，其中特提斯和西太平洋兩大構(gòu)造域從晚中生代一直活動(dòng)至今，影響范圍廣，構(gòu)造作用強(qiáng)。區(qū)別于美國(guó)西海岸、東南亞等處于板塊邊緣地帶的地?zé)豳Y源區(qū)，我國(guó)除青藏高原和臺(tái)灣地區(qū)外整體處于板塊內(nèi)部，新生代深部熱背景整體呈現(xiàn)出“東高、中低、西南高、西北低”的四分格局。東部地區(qū)由于太平洋板塊向西俯沖，導(dǎo)致巖石圈減薄，具有較高溫和較高熱流的特征，在松遼盆地、渤海灣盆地、臺(tái)灣和瓊州海峽兩側(cè)形成了三大熱異常區(qū)，具備中高溫地?zé)豳Y源的潛力；中部地區(qū)主要由古老的克拉通或前新生代的造山帶構(gòu)成，相對(duì)于東部和西南部表現(xiàn)為低溫和低熱流特征，在局部火山裂谷區(qū)(如大同、二連火山盆地，汾渭、銀川地塹等)由于殼內(nèi)附加熱源的存在，具備一定的中高溫地?zé)豳Y源的潛力;西南地區(qū)的青藏高原經(jīng)歷印度-歐亞板塊的多期俯沖碰撞，殼內(nèi)普遍發(fā)育熔融體，可形成附加熱源，從而形成高溫和高熱流背景，是我國(guó)最具高溫地?zé)?/a>資源潛力的地區(qū);西北部地區(qū)與中部地區(qū)類似，以低溫和低熱流為主，但局部可見(jiàn)因特殊地質(zhì)構(gòu)造而形成高溫熱異常。

根據(jù)地?zé)豳Y源發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境不同，可將中深層地?zé)豳Y源進(jìn)一步劃分為隆起山地型和沉積盆地型。隆起山地型地?zé)?/a>資源主要發(fā)育在山區(qū)褶皺或山間盆地中，充足的水源補(bǔ)給和斷裂發(fā)育是其地?zé)?/a>富集的主要地質(zhì)要素。地?zé)崴?/a>因?yàn)槊芏容^低而通過(guò)斷裂或裂縫系統(tǒng)上升至地表或接近地表的區(qū)域，冷卻后密度增加下沉，形成熱對(duì)流循環(huán)，富集于帶狀裂隙型熱儲(chǔ)中。我國(guó)隆起山地型高溫地?zé)豳Y源主要分布于西南部的西藏南部一滇西一川西地區(qū)及東南部臺(tái)灣中央山脈兩側(cè)，為晚中生代以來(lái)的板塊交界部位，地震、構(gòu)造及巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)域平均大地?zé)崃髦禐?0?150 mW/m2,遠(yuǎn)高于我國(guó)陸域平均大地?zé)崃髦担瑐€(gè)別地區(qū)可高達(dá)304 mW/m2。沉積盆地型地?zé)豳Y源主要發(fā)育于沉積盆地中，是目前我國(guó)主要開(kāi)發(fā)利用的地?zé)豳Y源類型，一定埋深的大規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是地?zé)岣患闹饕?a href="http://www.kjzi.cn/t/地質(zhì).html" >地質(zhì)要素。通常以山區(qū)裸露的巖層接受大氣降水為主要補(bǔ)給水源，經(jīng)由斷裂、裂隙和地層不整合界面等通道運(yùn)移至盆內(nèi)熱儲(chǔ)層中，受周圍巖層通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式加熱升溫，后富集形成地?zé)豳Y源。我國(guó)大部分沉積盆地平均地溫梯度在1. 5?4. 0°C/100 m，平均值約為3. 2°C/100 m。中東部大多沉積盆地如渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地及周緣、松遼盆地的大地?zé)崃髌骄翟?5?80 mW/m2,西北部分沉積盆地如塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地，平均值為30?50 mW/m2。

2023年國(guó)務(wù)院印發(fā)《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動(dòng)計(jì)劃》，將京津冀及周邊地區(qū)以及汾渭平原劃分重點(diǎn)區(qū)域，建議優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，加速能源清潔低碳高效發(fā)展。京津冀及周邊地區(qū)以及汾渭平原整體為中高熱流背景(圖1)，大部分區(qū)域熱流值超過(guò)60 mW/m2,中深層地?zé)豳Y源條件良好，地?zé)峁┡?/a>可繼續(xù)規(guī)模化替代燃煤供暖。

1.2 我國(guó)中深層地?zé)?/a>資源潛力

我國(guó)地?zé)豳Y源總量約占全球的1/6,根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局全國(guó)地?zé)嵴{(diào)查成果顯示，我國(guó)陸域中深層水熱型地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為12 500X10 8 t隆起山地型地?zé)豳Y源4. 88 X 10 17 kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為167X10 8 t，發(fā)電潛力7 820 MW。其中西藏南部一川西一滇西一帶的地?zé)豳Y源折合標(biāo)準(zhǔn)煤為108X10 8 t，發(fā)電潛力7 120 MW，占隆山型高溫地?zé)豳Y源的84% 。主要沉積盆地型地?zé)豳Y源約為3. 11X 10 19 kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為10 600X10 8 t。其中，儲(chǔ)存量較大的是以渤海灣盆地為代表的華北平原、河淮平原和四川盆地，其次為汾渭盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地，這幾個(gè)大型沉積盆地地?zé)豳Y源合計(jì)約為2. 71X10 19 kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為924 X10 8 t，占沉積盆地型地?zé)豳Y源的87%。

此外，部分地區(qū)地?zé)豳Y源中還伴生有具開(kāi)發(fā)價(jià)值的鋰、氦、鈾、硼等稀有伴生礦產(chǎn)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基于對(duì)30個(gè)省市主要熱儲(chǔ)中地?zé)崴?/a>鋰含量的統(tǒng)計(jì)，推測(cè)我國(guó)地?zé)崴?/a>鋰金屬年排放量為3 233 t，折算碳酸鋰1. 7X10 4 t，約占2023年我國(guó)碳酸鋰進(jìn)口量14. 91 X 10 4 t的11.4% 。目前，中國(guó)石化江漢油田在鹵水提鋰領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，其30 t/年商水提鋰中試裝置已經(jīng)成功產(chǎn)出純度高達(dá)99. 5% 的電池級(jí)碳酸鋰。地?zé)岚樯夥矫妫覈?guó)水溶性氦氣資源的分布主要集中在關(guān)中盆地、柴達(dá)木盆地等區(qū)域。中國(guó)石化對(duì)關(guān)中盆地水溶氦氣資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)全盆水溶氦氣資源量為(984.2?1 141. 3)X10 8 m3，但整體而言其富集機(jī)理與資源情況仍需進(jìn)一步探明。

2 中深層地?zé)峥碧介_(kāi)發(fā)技術(shù)

“十三五”以來(lái)，我國(guó)因地制宜規(guī)劃中深層水熱型地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)利用，初步實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化利用，取得了豐碩的發(fā)展成果。隨著地?zé)岙a(chǎn)業(yè)升級(jí)，中深層地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)日益完善，目前已形成了針對(duì)沉積盆地型地?zé)豳Y源的勘探評(píng)價(jià)和高效開(kāi)發(fā)技術(shù)體系。其中，地?zé)峥碧?/a>評(píng)價(jià)技術(shù)涵蓋了地?zé)嵯到y(tǒng)要素綜合分析、地球物理綜合探測(cè)和地?zé)豳Y源選區(qū)評(píng)價(jià)等方面，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用為地?zé)豳Y源的精細(xì)評(píng)估和后期有效開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)技術(shù)則包括地?zé)崽?/a>多場(chǎng)耦合模擬技術(shù)、地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)鉆完井技術(shù)、地?zé)崴?/a>自然回灌技術(shù)和地?zé)崮?/a>取熱不耗水技術(shù)等，旨在實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的最大化可持續(xù)利用和環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。

2.1 地?zé)峥碧?/a>評(píng)價(jià)技術(shù)

(1)地?zé)嵯到y(tǒng)要素綜合分析技術(shù):與常規(guī)油氣的圈閉成藏機(jī)制不同，地?zé)豳Y源廣泛分布，局部相對(duì)富集，整體依賴于熱源、熱儲(chǔ)和蓋層的有效配置。通過(guò)對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)成因四要素(源、儲(chǔ)、通、蓋)的分析研究，揭示地?zé)嵯到y(tǒng)形成機(jī)制和資源富集規(guī)律，是地?zé)?a href="http://www.kjzi.cn/t/勘探.html" >勘探的基礎(chǔ)。其中，熱源是地?zé)嵯到y(tǒng)分析的核心，通常與地球內(nèi)部放射性衰變產(chǎn)生的熱能、地幔對(duì)流等有關(guān)，提供了地?zé)嵯到y(tǒng)所需的初始能量;熱儲(chǔ)為地?zé)崃黧w提供存儲(chǔ)空間，如巖石孔隙、巖層裂隙等，是地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要目標(biāo);運(yùn)移通道是地?zé)嵯到y(tǒng)的必要條件，如斷裂帶、裂隙系統(tǒng)等，可提升地?zé)嵯到y(tǒng)熱量傳遞的能力;蓋層為覆蓋在儲(chǔ)層上方的巖層，能夠阻止熱量向外散失，保持地?zé)醿?chǔ)層的溫度，通常具有較低的導(dǎo)熱率。

一個(gè)完整的地?zé)嵯到y(tǒng)以熱源為基礎(chǔ)，還需有具備良好儲(chǔ)集能力的優(yōu)質(zhì)熱儲(chǔ)，充足的水源和較好的地?zé)崴\(yùn)移通道，以及一定厚度的蓋層。對(duì)于地?zé)嵯到y(tǒng)的研究通常還包含熱的生成-運(yùn)移聚集-保持所需要的地質(zhì)作用。以渤海灣盆地為例，開(kāi)發(fā)的兩套熱儲(chǔ)主要為新近系館陶組(Ng)砂巖熱儲(chǔ)與中新元古界一下古生界(Pt2-3 +PZ1)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)，分別構(gòu)成了兩套疊置的地?zé)嵯到y(tǒng)(圖2)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)有著共同的熱源、水源以及統(tǒng)一的區(qū)域熱蓋層。熱量來(lái)源為伸展背景下殼幔熱流的傳導(dǎo)熱，熱流值35?106 mW/m2,具有凸起帶高凹陷帶低的分布特征。地?zé)崴畞?lái)源于周緣山區(qū)的大氣降水。N g地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)產(chǎn)狀平緩，砂體連通性好，儲(chǔ)集物性優(yōu)良。P t2-3+ PZ1地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)構(gòu)造變形復(fù)雜、分割性強(qiáng)，儲(chǔ)集物性好。熱儲(chǔ)上覆松散的第四紀(jì)黏土層構(gòu)成了統(tǒng)一而穩(wěn)定的區(qū)域熱蓋層。

(2)地球物理綜合探測(cè)技術(shù):地?zé)峥碧?/a>中重磁電等非震物探方法應(yīng)用較為普遍，通過(guò)測(cè)量和分析地球的物理場(chǎng)(如重力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等)來(lái)推斷地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)條件、流體分布等信息。目前，中國(guó)石化實(shí)施的地?zé)岬厍蛭锢?a href="http://www.kjzi.cn/t/勘探.html" >勘探通常以電磁類方法為主，微動(dòng)方法為輔，多種非震方法相結(jié)合，圈定目標(biāo)區(qū)。以山東齊河榮盛溫泉小鎮(zhèn)為例，針對(duì)該區(qū)斷裂較為發(fā)育、地層橫向變化大、地質(zhì)條件復(fù)雜的難點(diǎn)問(wèn)題，綜合考慮地層電性和地層速度差異特征，先利用電磁方法查明研究區(qū)斷裂構(gòu)造位置和熱儲(chǔ)埋深，初步明確富水有利區(qū)域;再通過(guò)微動(dòng)方法驗(yàn)證斷裂和地層的展布特征，縮小目標(biāo)靶區(qū)，為地?zé)峋?/a>布設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。通常認(rèn)為解釋得到的斷裂附近或者斷裂交匯部，巖溶作用發(fā)育，熱儲(chǔ)含水性好。經(jīng)實(shí)際鉆探驗(yàn)證，開(kāi)采的奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)井口水溫50 °C，水量230 m3/h，表明所選用的非震方法具有較好的應(yīng)用效果。

(3)地?zé)豳Y源選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù):該技術(shù)涉及對(duì)地?zé)豳Y源的賦存特征、開(kāi)發(fā)潛力、環(huán)境影響、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)效益等多維度因素的系統(tǒng)評(píng)估。基于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、地球化學(xué)分析、地?zé)峋@探等獲取的資料，針對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)的資源規(guī)模、熱儲(chǔ)條件、資源開(kāi)采條件等綜合評(píng)價(jià)，形成“盆地-地?zé)嵯到y(tǒng)-地?zé)釒?/a>-地?zé)崽?/a>-地?zé)岵?優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段”一整套逐級(jí)聚焦的優(yōu)選方法。以渤海灣盆地為例，考慮單位進(jìn)尺取熱效率，優(yōu)先聚焦盆內(nèi)凸起區(qū)碳酸鹽巖地?zé)豳Y源，以及凹陷區(qū)砂巖地?zé)豳Y源，從埋藏深度、斷裂條件、儲(chǔ)層展布、富水性、非均質(zhì)性等方面評(píng)價(jià)地?zé)崽?/a>，優(yōu)選出雄縣、獻(xiàn)縣、霸州等有利勘探靶區(qū)，進(jìn)一步結(jié)合局部熱傳導(dǎo)聚集的差異性，明確地?zé)岵睾蛢?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段。地?zé)峥碧?/a>評(píng)價(jià)技術(shù)系列的應(yīng)用，有效指導(dǎo)了渤海灣盆地內(nèi)的地?zé)峥碧焦ぷ鳎渴鸬目?a href="http://www.kjzi.cn/t/探井.html" >探井成功率超過(guò)80% 。

2.2 地?zé)岣咝ч_(kāi)發(fā)技術(shù)

(1)地?zé)崽?/a>多場(chǎng)耦合模擬技術(shù):地?zé)衢_(kāi)發(fā)具有周期性(供暖季、非供暖季)、大流量(單井注采量通常大于2 000 m3/d)、以灌定采的特點(diǎn)，特別是地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在持續(xù)的流體和熱量補(bǔ)給，與油氣資源開(kāi)發(fā)差異巨大。要保證開(kāi)采量與補(bǔ)給量的精準(zhǔn)匹配、動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的穩(wěn)定高效開(kāi)發(fā)，需要考慮地?zé)崽镞吔纭⑺臐B流規(guī)律及水-巖、巖-巖等多種傳熱過(guò)程之間的關(guān)系。同時(shí)，熱儲(chǔ)開(kāi)采過(guò)程中流體工質(zhì)會(huì)與周圍巖石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，引起巖石中礦物的溶解或沉積，使熱儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及物性產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，對(duì)地下流體流動(dòng)與熱量傳輸過(guò)程造成影響。因此將地球化學(xué)反應(yīng)與流體和熱量傳輸進(jìn)行耦合模擬是當(dāng)前熱儲(chǔ)模型研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

(2)地?zé)崴匀?a href="http://www.kjzi.cn/t/回灌.html" >回灌技術(shù):主要針對(duì)砂巖熱儲(chǔ)，由于砂巖熱儲(chǔ)滲透性不均、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、膠結(jié)物和充填物的存在，同時(shí)地層壓力、溫度化學(xué)變化、環(huán)境因素及工藝流程等因素的影響，導(dǎo)致回灌水無(wú)法均勻回灌，或引起地層結(jié)垢、堵塞。為提高回灌效率，一是需深人研究熱儲(chǔ)特性，一般而言，有利于回灌的熱儲(chǔ)層應(yīng)發(fā)育穩(wěn)定，無(wú)阻水?dāng)嗔彦e(cuò)層，平均砂巖厚度大于150 m，平均孔隙度大于20%，平均滲透率大于200 mD，平均泥質(zhì)含量小于20%，孔隙直徑大于5戶1。二是通過(guò)建模和數(shù)值模擬方法，分析回灌條件下地溫變化情況，利用鉆井和測(cè)井等資料，獲取熱儲(chǔ)參數(shù)，模擬分析在不同采水量、不同回灌溫度、不同回灌量、不同儲(chǔ)層厚度條件下開(kāi)發(fā)技術(shù)方案，確定合理的地?zé)峋?/a>采灌間距。模擬結(jié)果表明，在保持可持續(xù)開(kāi)發(fā)的前提下，井距在400?500 m可滿足生產(chǎn)要求。三是通過(guò)對(duì)地?zé)嵩⑽菜瘜W(xué)成分分析，現(xiàn)場(chǎng)回?fù)P水中沉淀物、現(xiàn)場(chǎng)垢物進(jìn)行室內(nèi)化驗(yàn)、室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)配伍試驗(yàn)和水文地球化學(xué)軟件模擬，系統(tǒng)分析影響地?zé)嵛菜?/a>回灌過(guò)程中的堵塞機(jī)理，針對(duì)不同堵塞特征制定相應(yīng)的防堵解堵措施。四是在防堵解堵措施研究基礎(chǔ)之上，從成井結(jié)構(gòu)成井工藝、管路密封防堵技術(shù)、水處理系統(tǒng)、回灌與換熱系統(tǒng)平衡技術(shù)等5部分進(jìn)行系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，建設(shè)與之相適應(yīng)的地?zé)峄毓?/a>系統(tǒng)及地面工藝設(shè)備。從而實(shí)現(xiàn)地?zé)崴畯牡叵碌降孛妗⒃俚降叵碌娜鞒套匀换毓唷Ｉ皫r熱儲(chǔ)隨著回灌時(shí)間的延長(zhǎng)存在回灌能力衰減的現(xiàn)象，常規(guī)回?fù)P解堵、出砂產(chǎn)能預(yù)測(cè)控砂、虹吸沖砂、出砂井井筒防砂、化學(xué)物理防腐防垢等手段可極大恢復(fù)砂巖的回灌能力(圖3)。在河南蘭考、山東河口等砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)區(qū)，針對(duì)部分地?zé)峋毓?/a>能力下降的情況，采取回?fù)P、沖砂、化學(xué)解堵等措施，使得回灌井的回灌量得到大幅提升。

(3) 地?zé)崮?/a>取熱不耗水技術(shù):包括對(duì)井循環(huán)取熱技術(shù)、單井閉式循環(huán)取熱技術(shù)、重力熱管循環(huán)取熱技術(shù)、單井開(kāi)式循環(huán)取熱技術(shù)、U 型井閉式循環(huán)取熱技術(shù)和多分支徑向井循環(huán)取熱技術(shù)等。目前中深層水熱型地?zé)?/a>供暖最成熟的技術(shù)方法為對(duì)井循環(huán)取熱技術(shù)，熱源側(cè)地?zé)崴陀脩魝?cè)循環(huán)水為兩套獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)間接換熱提取地?zé)崴械臒崃浚瑹峤粨Q后的地?zé)崴耆瑢踊毓啵Ｕ系責(zé)崽锟沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)。相較于單井閉式循環(huán)取熱技術(shù)，對(duì)井循環(huán)取熱技術(shù)熱能提取效率較高，以典型的對(duì)井循環(huán)地?zé)犴?xiàng)目為例，地?zé)衢_(kāi)采井水量80 m3/h、水溫65 °C，利用至15 °C回灌，按典型供熱運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備性能，單井供熱能力可達(dá)5 236 kW;在相同地溫條件下，單井閉式循環(huán)供熱能力大約290?320 kW，對(duì)井循環(huán)供熱能力是單井換熱的16. 3?18. 0倍。

3 不同類型地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)實(shí)踐

截至2021年底，中國(guó)中深層地?zé)峁┡?/a>能力約5X108 m2，占全國(guó)城市集中供熱比重已升至5%，年利用量320 297TJra。華北地區(qū)的河北、河南、山東、陜西、天津5省市，依托渤海灣盆地、南華北盆地、汾渭地塹系等沉積盆地區(qū)的豐富地?zé)豳Y源，在北方地區(qū)冬季清潔取暖的需求下，逐漸發(fā)展成為水熱型地?zé)?/a>供暖的主要區(qū)域。中國(guó)石化通過(guò)理論技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模推廣應(yīng)用，發(fā)展成為中國(guó)最大的中深層地?zé)崂?/a>企業(yè)，2024年底，地?zé)崆鍧嵞茉?/a>供暖能力累計(jì)達(dá)1.2X108 m2,在河北、河南、天津、陜西、山西、山東、湖北等地多個(gè)省市為居民提供清潔能源集中供暖，打造了 10座地?zé)峁┡?/a>“無(wú)煙城”。其中位于渤海灣盆地的河北雄縣、關(guān)中盆地的陜西咸陽(yáng)分別為碳酸鹽巖和砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的典型代表。

3.1 雄安地?zé)崽铩?碳酸鹽巖熱儲(chǔ)

中國(guó)石化在河北省雄縣推進(jìn)整縣地?zé)衢_(kāi)發(fā)和完全回灌，基本覆蓋城區(qū)，打造了中國(guó)首座地?zé)峁┡?/a>“無(wú)煙城”，為全國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)化、可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供了有益經(jīng)驗(yàn)。2017年，雄安新區(qū)(涵蓋雄縣、容城、安新三縣)成立，地?zé)崂?/a>被納人新區(qū)綠色能源體系建設(shè)整體規(guī)劃。區(qū)域主要勘探開(kāi)發(fā)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)，采取“取熱不耗水”的方式開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源，形成了規(guī)模地?zé)峁┡?/a>的“雄縣模式”，被國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA )列人全球推廣項(xiàng)目名錄。“雄縣模式”充分發(fā)揮技術(shù)可復(fù)制、經(jīng)驗(yàn)可推廣的示范作用，帶動(dòng)其它北方強(qiáng)制供暖區(qū)地?zé)衢_(kāi)發(fā)，使地?zé)崮艹蔀?a href="http://www.kjzi.cn/t/北方地區(qū).html" >北方地區(qū)清潔供暖的重要綠色替代能源。中國(guó)石化在雄安新區(qū)目前已累計(jì)建成地?zé)崆鍧嵐┡?/a>能力超2 000 X104 m2,服務(wù)近10萬(wàn)戶居民，累計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)煤約60萬(wàn)t，減少二氧化碳排放約150萬(wàn)t。隨著實(shí)時(shí)地?zé)嵘a(chǎn)數(shù)據(jù)接人信息化平臺(tái)，已初步建立起了智能運(yùn)維調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)決策，有效降低能耗，提高地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)水平。

3.1.1 高效開(kāi)發(fā)

碳酸鹽巖熱儲(chǔ)出水量大小主要受裂縫溶洞及斷裂的發(fā)育程度影響，地?zé)峋?/a>鉆孔附近裂縫、溶洞發(fā)育區(qū)域出水量較好，地層能量充足，靜水位埋深淺，水量高、降深小;斷裂不發(fā)育區(qū)域出水效果差，靜水位埋深深，降深大。從歷年投產(chǎn)井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)看，雄縣在近十年的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地層壓力保持在11 MPa以上。

雄縣目前在運(yùn)行的地?zé)峋?/a>平均井深1 600 m左右，平均井距約600 m。平均單井采灌量100 m3/h左右，出水溫度介于65. 0?75. 0°C，總體保持在65°C以上。容城目前在運(yùn)行的地?zé)崞骄? 800 m左右，平均井距約770 m;地?zé)峋骄鶈尉晒嗔?5 m3/h左右，出水溫度主要在50?55 °C。

結(jié)合雄縣、容城熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)狀況分析，認(rèn)為目前影響地?zé)崽锟沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用的因素主要是采灌井開(kāi)采時(shí)間、采灌流量、井距、以及回灌溫度。大量數(shù)值模擬結(jié)果顯示，開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)采井溫度下降，以雄安新區(qū)盛唐2井為例，在采灌均衡的前提下，隨著開(kāi)采時(shí)間增加，溫度逐漸降低。不同采灌流量下，顯示在開(kāi)采初期水溫差異不明顯，當(dāng)開(kāi)采量/回灌量從100 m3/h增大到140 m3/h，開(kāi)采井的水溫降低速率增大;模擬至第100年，140 m3/h流量下的開(kāi)采井水溫比100 m3/h流量下開(kāi)采井的水溫低2?2?5°C ;同樣，以100年為開(kāi)采周期，140 m3/h流量相較于100 m3/h流量，水位更低，水頭提升幅度減小(圖4)。對(duì)于不同井間距，模擬發(fā)現(xiàn)在井距400 m時(shí)，第10年開(kāi)采井溫度出現(xiàn)下降，第100年溫度下降達(dá)到4?5°C;井距為500 m時(shí)，第100年溫度下降不到1°C;井距為600 m 時(shí)，溫度基本保持不變(圖5)。對(duì)于不同回灌溫度，可以觀察到由30°C降低到10°C時(shí)，50年大部分開(kāi)采井的溫度變化在1?2°C范圍內(nèi)，回灌溫度的降低，對(duì)開(kāi)采井溫度的影響相對(duì)有限。因此，在一定開(kāi)采時(shí)間和全回灌的條件下，減小開(kāi)采流量，保持500?600 m的安全的井距，可以延緩熱突破時(shí)間，延長(zhǎng)地?zé)崽飰勖?o:p>

3.2 咸陽(yáng)地?zé)崽铩?砂巖熱儲(chǔ)

咸陽(yáng)地?zé)崽镂挥?a href="http://www.kjzi.cn/t/陜西.html" >陜西關(guān)中地區(qū)中部，咸陽(yáng)市地?zé)豳Y源豐富，是全國(guó)首座“中國(guó)地?zé)岢?/a>”，被國(guó)家發(fā)展改革委命名為“國(guó)家地?zé)豳Y源綜合開(kāi)發(fā)利用示范區(qū)”。目前已探明咸陽(yáng)市城區(qū)及周圍300 km2范圍內(nèi)，地?zé)崮軆?chǔ)量為495X108 m3,推測(cè)遠(yuǎn)景區(qū)面積為3 000 km2，熱能儲(chǔ)量為 3 450 X108 m3。2006 年，中國(guó)石化在咸陽(yáng)開(kāi)始商業(yè)化開(kāi)發(fā)水熱型地?zé)?a href="http://www.kjzi.cn/t/供暖項(xiàng)目.html" >供暖項(xiàng)目，累計(jì)建成地?zé)崆鍧嵐┡?/a>能力超800 X104 m2，累計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)煤約12萬(wàn)t，減少二氧化碳排放約30萬(wàn)t。

主要開(kāi)發(fā)利用新近系孔隙型砂巖熱儲(chǔ)，包括高陵群和永樂(lè)店群（張家坡組和藍(lán)田灞河組）。目前，咸陽(yáng)地區(qū)利用中深層地?zé)崮?/a>進(jìn)行O RC 發(fā)電及“熱電氦”三聯(lián)產(chǎn)先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已順利完成系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試，并成功并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目也是全國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)居民供熱服務(wù)、中低溫發(fā)電及水溶氦氣提取一體化地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目。

3.2. 1 地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式

咸陽(yáng)地?zé)崽镂挥陉P(guān)中盆地腹地，關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，綿延近350 km,形態(tài)狹長(zhǎng)，面積約3.4X104 km20構(gòu)造位置上地處不同的構(gòu)造單元的疊置部位，北接鄂爾多斯地塊，南依秦嶺造山帶，東為山西隆起帶，西與六盤山弧形斷裂帶南段相接。關(guān)中盆地屬新生代伸展斷陷盆地，主控?cái)嗔岩越鼥|西向、北東東向、北西西向?yàn)橹鳎啾缓笃诮睎|、北西向斷裂切割。關(guān)中盆地地?zé)嵯到y(tǒng)的形成包括新元古代一早古生代碳酸鹽巖熱儲(chǔ)沉積、晚古生代一早中生代穩(wěn)定沉積、中晚中生代一早新生代構(gòu)造變形改造、新生代砂巖熱儲(chǔ)及蓋層形成4個(gè)階段。咸陽(yáng)地?zé)崽镎w為新生代陸內(nèi)半地塹樣式，有著較高的大地?zé)崃髦当尘埃皫r地?zé)嵯到y(tǒng)由來(lái)自南部秦嶺和北部渭北隆起的大氣降水沿著地層不整合面和斷裂運(yùn)移通道進(jìn)行補(bǔ)給，通過(guò)熱傳導(dǎo)增溫后在新近系砂巖儲(chǔ)層中富集形成地?zé)崴嵩?大陸裂谷型盆地深部地幔軟流層物質(zhì)上涌，地殼減薄過(guò)程，造成的巖石圈界面、莫霍面、居里等溫面及殼內(nèi)高導(dǎo)層上拱，形成局部高溫熱異常。關(guān)中盆地所處位置的莫霍界面呈明顯的隆起形態(tài)，莫霍界面埋深不足40 km，西安附近埋深約為34 km，向南北兩側(cè)山區(qū)或隆起區(qū)莫霍界面埋深明顯增大且表現(xiàn)為南陡北緩、南高北低的明顯不對(duì)稱性。相對(duì)高的地幔熱流的熱傳導(dǎo)和深大斷裂溝通的熱對(duì)流共同作用構(gòu)成了關(guān)中盆地中-低溫地?zé)崽锏臒嵩礄C(jī)理。

熱儲(chǔ):區(qū)域地層發(fā)育整體南深北淺，新近系砂巖熱儲(chǔ)頂板埋深9⑻?1 700 m。同沉積斷層渭河斷裂控制地層發(fā)育厚度，自北向南地層加厚（圖6）。東西向地層變化不大，沉積較穩(wěn)定。咸陽(yáng)地區(qū)砂地比“北高南低，上高下低”，物源方向主要來(lái)自北部。

主要發(fā)育三角洲前緣-濱淺湖沉積，優(yōu)勢(shì)砂體為水下分流河道、河口壩，有效孔隙度和滲透率高，為地?zé)崃黧w提供了良好的貯存與運(yùn)移空間。縱向上隨著埋深的增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，孔隙度逐漸減小，張家坡組孔隙度25% ?40% ，藍(lán)田灞河組孔隙度15% ?30% ，高陵群孔隙度5% ?20% ;熱儲(chǔ)滲透率與孔隙度具有較好的相關(guān)性，滲透率隨埋深的增加呈降低趨勢(shì)，整體主要分布在50?2 000 mD。通道:關(guān)中盆地腹地內(nèi)的新近系砂巖地?zé)崴难a(bǔ)給源主要為秦嶺的大氣降水，盆內(nèi)地?zé)崴囊詢?yōu)勢(shì)砂體和導(dǎo)水?dāng)嗔褳閮?yōu)勢(shì)運(yùn)移通道。咸陽(yáng)地區(qū)大部分水化學(xué)類型為Cl-Na型，也有C1 ? HCO3-Na型和C1 ? HCO3 ? SO4 Na型。通過(guò)產(chǎn)液剖面結(jié)果推算水化學(xué)分層，主力產(chǎn)水層藍(lán)田灞河組和高陵群發(fā)育兩套相互獨(dú)立的地?zé)崴\(yùn)移系統(tǒng)，運(yùn)移方向相同，深部高陵群地?zé)崴墒臁Ｒ詻芎訑嗔褳榻绶譃閮蓚€(gè)地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)（圖6），西側(cè)以西安一咸陽(yáng)為匯水區(qū)，東側(cè)以華縣一蒲城為匯水區(qū)。

蓋層:關(guān)中盆地的第四系地層廣泛分布，主要由風(fēng)積、沖洪積、湖積等沉積類型構(gòu)成。第四系和新近系上部地層結(jié)構(gòu)密實(shí)、厚度巨大、封閉性好，為區(qū)域中深層地?zé)?/a>資源起到了隔水隔熱的封閉作用。

3.2.2 高效開(kāi)發(fā)

咸陽(yáng)地區(qū)地?zé)峋骄? 700 m左右，分為米漼段約為1 500?3 000 m 和米漼段約為1 500?2 500 m的兩類井。產(chǎn)水能力可超100 m3/h。在開(kāi)發(fā)咸陽(yáng)地區(qū)的砂巖熱儲(chǔ)過(guò)程中，地?zé)崴毓?/a>易衰減，主要為物理堵塞和化學(xué)堵塞，化學(xué)堵塞中，垢物損傷問(wèn)題較為突出。垢物主要由石英碎屑和鐵類垢物構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)研究顯示，溫度對(duì)垢物的形成有顯著影響，尤其是在30°至70的溫度范圍內(nèi)，巖心的化學(xué)堵塞程度增加。這表明溫度的升高會(huì)加劇巖心的化學(xué)堵塞，而懸浮物堵塞和化學(xué)堵塞之間存在協(xié)同效應(yīng)，隨著溫度的升高，懸浮物堵塞的貢獻(xiàn)比例增加，化學(xué)堵塞的貢獻(xiàn)比例相對(duì)減少。綜合生產(chǎn)井和回灌井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合滲透性、熱傳導(dǎo)率、比熱容、流體黏度等關(guān)鍵參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，在地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，整合溫壓模擬。按照每年四個(gè)月供暖的生產(chǎn)周期，模擬顯示當(dāng)采灌比為1 : 1、井間距超過(guò)500 m，同時(shí)確保回灌溫度不低于25 °C時(shí)，地?zé)崽锬軌驅(qū)崿F(xiàn)理想的開(kāi)采狀態(tài)。咸陽(yáng)地區(qū)連續(xù)3年采暖季的實(shí)際水溫、水量曲線(圖7)顯示，采灌段約為1 500?2 500 m 的井平均出口流量在54?67 m3/h之間，采灌段約為1 500?3 000 m的井平均出口流量在70?84 m3/h之間。從水溫變化曲線來(lái)看，采灌段約為1 5?3 (X)0 m地?zé)峋骄鏊疁囟仍?2?85 °C，采灌段約為1 5?2 500 m的井平均出水溫度在67?73 °C，溫度變化無(wú)逐年遞減的趨勢(shì)，與流量呈正相關(guān)并與氣溫變化導(dǎo)致的取暖需求變化相一致，顯示出較為穩(wěn)定的溫度特性。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 中國(guó)大陸地區(qū)新生代深部熱背景整體受到構(gòu)造活動(dòng)的控制，呈現(xiàn)東局、中低、西南局、西北低的格局。中深層地?zé)豳Y源具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力，為國(guó)家的能源安全和綠色轉(zhuǎn)型提供重要資源支撐。

(2)我國(guó)已形成了較為完善的中深層地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，勘探領(lǐng)域形成了具有油田企業(yè)特點(diǎn)的地?zé)嵯到y(tǒng)要素的綜合分析技術(shù)、地球物理綜合探測(cè)技術(shù)，以及逐級(jí)聚焦的地?zé)豳Y源選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)，評(píng)估地?zé)豳Y源的潛力和開(kāi)發(fā)條件，提高資源勘探成功率。開(kāi)發(fā)領(lǐng)域形成了地?zé)崽锒鄨?chǎng)耦合模擬技術(shù)，因地制宜的地?zé)徙@完井技術(shù)，安全環(huán)保的地?zé)崴匀换毓嗉夹g(shù)和地?zé)崮?a href="http://www.kjzi.cn/t/取熱不耗水.html" >取熱不耗水技術(shù)，為地?zé)豳Y源的高效可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

(3)沉積盆地型中深層水熱地?zé)豳Y源已形成規(guī)模化開(kāi)發(fā)利用，針對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)和砂巖熱儲(chǔ)的開(kāi)發(fā)利用存在一定差異性。以渤海灣盆地碳酸鹽巖熱儲(chǔ)為例，因其巖溶作用和裂縫系統(tǒng)特點(diǎn)，通常具有較高的孔隙度和滲透率，開(kāi)發(fā)時(shí)需特別注意其布井策略。以關(guān)中盆地砂巖熱儲(chǔ)為例，開(kāi)發(fā)過(guò)程中更側(cè)重于回灌策略，提高儲(chǔ)層滲透性和維持地層壓力，確保資源的高效利用。