山東省砂巖熱儲地熱資源開發(fā)利用模式探討

秦耀軍,張平平

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 德州 253072)

0 引言

地熱資源是一種綠色低碳的清潔能源，具有清潔環(huán)保、儲量大、分布廣、易開發(fā)、利用成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[1]。山東省砂巖熱儲地熱資源主要開采集中在魯西北地熱區(qū)，熱儲為館陶組和東營組熱儲，地熱資源埋深大，天然條件下基本上處于靜止狀態(tài)，地熱水的補給微弱，屬于不可恢復的消耗型資源[2]?？茖W利用、合理開發(fā)地熱資源，實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用，對發(fā)揮其綠色能源優(yōu)勢，改善能源結(jié)構(gòu)，服務山東省新舊動能轉(zhuǎn)換具有重要意義。

近年來隨著魯北地區(qū)供暖地熱井逐年增加，地熱開發(fā)利用方式單一、熱利用率低、設備使用壽命短、尾水直排等導致熱儲壓力逐年下降，同時造成了水資源的嚴重浪費，環(huán)境污染等問題凸顯[3-4]，這與我國建設資源節(jié)約型社會的主旨相悖。該文以地熱資源賦存條件、水質(zhì)特征結(jié)合開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問題，對山東省砂巖熱儲地熱資源開發(fā)利用模式進行探討，以工程實例示范推進地熱供暖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

魯北地區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬于華北板塊(Ⅰ級)的華北坳陷區(qū)Ⅰ(Ⅱ級)。中新生代以來，受喜馬拉雅運動與燕山運動的影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成凸凹相間的Ⅲ級構(gòu)造單元，聊城-蘭考斷裂、齊河-廣饒斷裂將其劃分為濟陽坳陷Ⅰa(Ⅲ級)、臨清坳陷Ⅰb(Ⅲ級)2個Ⅲ級構(gòu)造單元[5]。

區(qū)內(nèi)新近紀以來的斷裂格架及活動特征，主要表現(xiàn)為斷塊運動和對古近紀及其前的構(gòu)造繼承性活動，區(qū)內(nèi)對Ⅱ、Ⅲ級構(gòu)造單元的分布具有控制作用的分界斷裂主要有：聊城-蘭考斷裂帶、齊河-廣饒斷裂帶、滄東斷裂、邊臨鎮(zhèn)-羊二莊斷裂、陵縣-老黃河口斷裂[6]。

1.2 區(qū)域地層條件

魯北地區(qū)位于華北地臺的東部，為廣闊平坦的平原區(qū)，被第四系沉積物覆蓋。區(qū)內(nèi)自中新世以來，受差異性升降運動的影響，一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新生代地層。區(qū)內(nèi)主要開采地熱水主要賦存在新近紀館陶組和古近紀東營組地層中。

2 地熱資源條件

2.1 熱儲埋藏分布條件

館陶組熱儲在全區(qū)均有分布。受區(qū)域構(gòu)造和基底起伏的控制，在凸起區(qū)埋藏淺、厚度薄，凹陷區(qū)埋藏深、厚度大(圖1)。底板埋深一般為1000～1700m，最深可達2300m。熱儲厚度一般為250～400m。砂巖占熱儲厚度的30%～40%，單層厚度平均為10～20m；在垂向上具有上細下粗的正旋回特征；在水平方向上具有南部、東部顆粒粗，中部、西部顆粒細的特征。在取水段1000～1500m深度內(nèi)，單井出水量為40～80m3/h。熱水礦化度為4～20g/L，水化學類型以Cl-Na型為主，井口水溫一般為45～65℃，屬溫熱水-熱水型地熱資源[7-12]。

該熱儲主要分布在東營、惠民、沾化、車鎮(zhèn)、德州、臨清等凹陷區(qū)內(nèi)。在濟陽拗陷、臨清拗陷的凸起區(qū)缺失?？偟姆植继卣魇浅练e厚度和層底埋深受基底起伏和區(qū)域構(gòu)造的控制，在拗陷、凹陷盆地的中心厚度最大，在盆地邊緣薄，分布不穩(wěn)定，自西向東、自南向北有變厚趨勢。熱儲砂巖累計厚度10～200m，單井出水量為30～60m3/h，礦化度為7～20g/L，水化學類型為Cl-Na,Cl·SO4-Na·Ca型，井口水溫為50～70℃，屬溫熱水-熱水型地熱資源。富含對人體有益的多種微量及放射性元素[7-11]。

2.2 熱儲巖石特征

2.2.1 熱儲砂巖巖性與巖石結(jié)構(gòu)

館陶組熱儲巖性主要為河流相、沖積扇相的細砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖。砂巖主要為顆粒支撐結(jié)構(gòu)，分選中等，多為泥質(zhì)膠結(jié)，少量為鈣質(zhì)膠結(jié)，局部有鐵質(zhì)膠結(jié)，以孔隙式膠結(jié)為主。熱儲層砂巖為中粒、中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造為主，鑒定名稱為中細粒、中粒長石砂巖、泥質(zhì)膠結(jié)中粒長石砂巖。熱儲砂巖由上至下顆粒逐漸變粗，上部0.075～0.25mm與0.25～0.5mm的顆粒各占40%左右，0.075～0.25mm顆粒最大可達60%，0.5～2mm的顆粒在6%左右；而下部顆粒直徑明顯增大，0.075～0.25mm顆粒占10%～23%，0.25～0.5mm的顆粒所占比例大，占42%～53%，0.5～2mm的顆粒在22%～34%左右。

1—第四紀平原組；2—新近紀明化鎮(zhèn)組；3—新近紀館陶組；4—古近紀東營組；5—古近紀孔店組—沙河街組；6—侏羅—白堊系；7—石炭—二疊系；8—寒武—奧陶系；9—地層界線(波浪線為不整合接觸分界線)；10—斷裂構(gòu)造線圖1 魯北地區(qū)地熱地質(zhì)剖面圖

2.2.2 熱儲砂巖礦物成分

根據(jù)館陶組熱儲砂巖巖礦鑒定資料：巖石主要由巖屑、晶屑和膠結(jié)物組成，碎屑顆粒中大部分樣品的石英含量大于75%,沉積巖巖屑為2%～15%。膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，不透明礦物呈粒狀分散分布(圖2)，碎屑粒徑為0.03～2mm，以0.2～lmm為主，主要為中、細晶。

a—薄片；b—光片圖2 巖心光片

2.2.3 熱儲砂巖孔隙特征

區(qū)內(nèi)館陶組熱儲砂巖孔隙基本屬于粒間孔隙，形態(tài)不規(guī)則，沿一定方向分布，約0.001～0.6mm，以0.01～0.25mm為主，喉道類型屬于孔隙縮小型喉道，孔隙結(jié)構(gòu)屬于大孔粗喉；孔隙度約5%～30%，多為10%～20%，沉積礦物為顆粒支撐，多呈棱角狀，分選性、磨圓度均較差，呈棱角狀，沿一定方向分布。根據(jù)綜合測井解譯，孔隙度22%～38%左右。

3 開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

目前，魯北地區(qū)地熱井800余眼，主要分布在各市(縣)的城區(qū)，全年開采量約1.07億m3(圖3)，主要用于供暖，其次是洗浴與療養(yǎng)、種植、養(yǎng)殖，其中供暖用水10120萬m3/a，約占開采量的94.6%；溫室種植、育苗養(yǎng)殖用水356萬m3/a，約占開采量的3.33%，洗浴、泳池等娛樂用水208萬m3/a，約占開采量的1.94%(圖4)。

圖3 魯北地區(qū)地熱井及開采量分布圖

圖4 魯北地區(qū)地熱資源開發(fā)利用方式占比圖(%)

3.2 地熱資源開發(fā)利用存在的問題

3.2.1 利用形式單一、地熱利用率低

目前區(qū)內(nèi)地熱井主要用于供暖，部分用于居民洗浴，僅少部分用于理療、娛樂及溫室種植等，利用模式單一，尾水溫度過高，尚未梯級利用，熱利用率低。

3.2.2 技術(shù)、設備落后，經(jīng)濟效益不高

區(qū)內(nèi)新技術(shù)、新設備(如熱泵技術(shù)、低溫地板輻射采暖技術(shù)、信息技術(shù)等)研究和應用推廣滯后。高礦化度的地熱水對地熱設備及供暖末端腐蝕較嚴重，設備使用壽命較短，經(jīng)濟效益不高。

3.2.3 尾水直排導致地質(zhì)環(huán)境問題突出

地熱資源被開發(fā)利用后，未進行回灌，大量地熱尾水直接排放，導致資源的浪費嚴重，水位下降迅速，多地已由初建井時的自流狀態(tài)變?yōu)樗坏孛嬉韵聰?shù)十米，并在多城區(qū)形成不同程度的地熱水降落漏斗，導致吊泵、開發(fā)利用成本增加、取水困難、資源枯竭等問題。另一方面，地熱尾水直排入低水溫、低礦化度的河道、田地內(nèi)，也造成了不同程度的熱污染、水土污染。

4 砂巖熱儲地熱資源開發(fā)利用模式

4.1 地熱供暖方式

結(jié)合目前地熱資源的現(xiàn)有開采程度及需求，解決北方清潔能源供暖仍然為地熱資源主要利用方向。而目前區(qū)內(nèi)供暖方式以直供為主，地熱水直接式供熱系統(tǒng)的優(yōu)點是可減少熱損失，但缺點是地熱水質(zhì)較差，對供水管道腐蝕性嚴重，設備使用壽命短，且不利于維護。采用換熱器換熱供暖方式能很好地解決上述問題。

4.2 梯級利用、多級取熱模式

地熱資源利用領域廣泛，根據(jù)不同利用領域的溫度需求，可形成梯級利用，多級取熱的模式。如：溫度90℃以上地熱水可用于干燥有機物、烘干羊毛制品、烘制干魚、化凍等；60～80℃地熱水可用于供暖、農(nóng)業(yè)溫室、孵化等；40～60℃地熱水可用于供暖、種植、洗浴、土壤加溫等；20～40℃地熱水可用于淋浴、游泳、養(yǎng)殖、化冰、融雪等[12]。其中地熱供暖根據(jù)末端采暖方式，可以分為散熱器采暖和地板輻射采暖，將散熱器采暖用戶利用后的回水水溫控制在一定溫度范圍內(nèi)即可滿足地板輻射采暖及洗浴的要求。另外，區(qū)內(nèi)地熱供暖后的尾水水溫一般在30℃以上，相對淺層地溫能地熱資源，尚有很大的溫差利用空間，熱泵技術(shù)能有效進一步提取熱量，提高地熱水的熱利率。

4.3 尾水回灌的采灌均衡模式

為避免已有地熱井“消耗型”、“粗放型”開采方式所帶來的地質(zhì)環(huán)境問題，同時實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)循環(huán)開發(fā)利用，應進行地熱供暖尾水回灌。地熱供暖尾水回灌，能有效減緩地熱水位下降、維持熱儲層壓力；維持已有地熱井的持續(xù)穩(wěn)定開采，避免因水位下降造成井的報廢；減少地熱流體排放對環(huán)境的污染；避免水熱資源浪費，實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)[13-14]。

5 地熱開發(fā)利用工程實例

5.1 地熱利用工程簡介

地熱利用工程位于德州市水文家園。小區(qū)建筑面積共5.66萬m2，由一眼地熱井供暖。目前采用地熱水直供的方式進行采暖，分為二級。一級為暖氣片采暖，面積約3.56萬m2，水量約90m3/h，進水溫度55℃，出水溫度為40～45℃，綜合取值42℃；一級供暖后，尾水部分供給洗浴，另一部分為二級地板輻射采暖，供暖面積2.1萬m2，水量約70m3/h，出水溫度約為30℃(圖5)。供暖期最冷的天數(shù)1個月左右。上述供暖條件下，暖氣片采暖室溫較低15～17℃，二級地板輻射室溫20～23℃。由于地熱水礦化度在5g/L左右，對管道具有一定程度的腐蝕，且暖氣片內(nèi)結(jié)垢嚴重，導致住戶室內(nèi)溫度不高。

圖5 梯級供暖示意圖

5.2 示范工程建設與示范

5.2.1 設計理念

本著科學、節(jié)能、環(huán)保、適用的設計理念：采用換熱技術(shù)，有效避免地熱水對末端散熱器的腐蝕；采用梯級綜合利用方式，進行二次換熱；一級換熱后部分地熱水直接進入地板輻射采暖。另一部分用于洗浴；利用熱泵技術(shù)提熱，提高熱利用率；結(jié)合階梯電價與日供暖需求，控制熱泵開啟時間、峰值等參數(shù)；供暖尾水經(jīng)過過濾設備回灌入井，實現(xiàn)地熱的可持續(xù)開發(fā)利用。

5.2.2 工程建設

根據(jù)工程需求，主要保留了暖氣片采暖、地板輻射采暖和洗浴利用方式，增設相應設備，完善工藝流程(圖6)。

圖6 地熱供暖-洗浴利用工藝流程圖

由于地熱水提取過程中，隨著水流會帶出熱儲砂層的細小懸浮砂礫，因此在地熱水開采提取端應設置除砂器。

由于暖氣片多為鑄鐵散熱器，為減少地熱水直供對其結(jié)垢的影響，采用換熱技術(shù)，供暖側(cè)采用軟化水循環(huán)。地板輻射采暖一般采用塑料管道(PEX，PB，PP-R和PER)，采用地熱水直接供暖方式。

工程建設中為滿足供暖需求，分別對暖氣片、地板輻射采暖住房的供熱負荷進行了計算，綜合地熱水溫度，在滿足暖氣片采暖需求條件下，55℃,90m3/h地熱水換熱后，溫度可在42℃以上，既可滿足地板輻射的采暖需求，又可用于洗浴和游泳使用。

由于暖氣片采暖用戶房屋建筑時間相對較長，保溫性能差，在溫差變動大的極寒天氣，室溫穩(wěn)定性差，地板輻射采暖后30℃的地熱尾水，可通過二次換熱，將熱量通過熱泵機組提問調(diào)峰后，作為補充熱源提供給暖氣片采暖用戶。另一方面，熱泵機組的使用，降低了地熱尾水溫度，提高了地熱水熱利用率。二次換熱后的地熱尾水經(jīng)過地面凈化設備(過濾、排氣等)灌入回灌井，實現(xiàn)地熱水的循環(huán)可持續(xù)開發(fā)利用[15-18]。

5.2.3 工程示范效果

已建成集供暖、洗浴利用方式，換熱、熱泵、梯級開發(fā)、回灌技術(shù)，自動化監(jiān)測與回灌展示于一體的綜合性供熱站房。建成泵房供暖沙盤模型(圖7)，可視化實時監(jiān)測系統(tǒng)、多功能展示廳(圖8)，多功能分區(qū)泵房(圖9)，用于展示工程示范作用。

圖7 供暖沙盤模型

圖8 可視化實時監(jiān)測系統(tǒng)

圖9 多功能分區(qū)泵房

在保證居民室溫同時，2016—2018年的連續(xù)2個供暖季供暖-回灌運行，根據(jù)實際供暖面積需求，除去洗浴用水部分水量，地熱供暖尾水100%回灌，最大自然穩(wěn)定回灌量60m3/h，實現(xiàn)了地熱資源的循環(huán)可持續(xù)利用(圖10)。

圖10 2016—2018年2個供暖地熱回灌量動態(tài)曲線

6 結(jié)論

(1)山東省砂巖熱儲地熱資源主要集中在魯北地區(qū)，地熱資源分布廣、易開發(fā)，以市縣城區(qū)住宅小區(qū)供暖為主，少量用于洗浴。

(2)區(qū)內(nèi)主要利用的熱儲層為新近紀館陶組和古近紀東營組砂巖熱儲。

(3)采用適宜的地熱梯級開發(fā)利用模式，可有效提高地熱資源熱利用率，延長設備使用壽命，提高經(jīng)濟效益。

(4)德州市水文家園地熱開發(fā)利用示范工程，成功實現(xiàn)砂巖熱儲地熱生產(chǎn)性回灌，為實現(xiàn)地熱采灌均衡的開發(fā)模式應用起到了示范和推動作用。