PDF《雄安新区地热资源与开发利用研究》

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2017 年.

第32 卷.第11 期 庞忠和1,2,3 孔彦龙1,2,3 庞菊梅1,2 胡圣标1,2,3 汪集阳1,2,3

1 中国科学院地质与地球物理研究所 地热资源研究中心 北京

100029 2 中国科学院地球科学研究院 北京

100029 3 中国科学院大学 地学院水文地质与地热资源教研室 北京

100049 摘要 雄安新区地热资源丰富且比较容易开采,在生态文明建设中可发挥重要作用.雄安 新区浅层(3 000米)地热能也具有开采潜力.雄安新区的雄县在 利用大型岩溶热储开展规模化供暖方面,单一项目已实现世界最大(450万平方米)供暖能 力.文章认为,雄安新区应该加大地热资源勘查力度,重点是超深层碳酸盐岩热储;

在利 用上,要做到因地制宜,深、浅资源合理配置,还要重视环境保护,协调好与其他资源利 用的关系;

同时,要发展地热储能技术,形成以地热为主体,多能互补的 地热+ 的清洁 能源利用新格局. 关键词 雄安新区,大型岩溶热储,地热供暖,规模化开采,回灌技术,地热示踪,热储监测 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.11.007 设立河北雄安新区是以习近平同志为核心的党中央根据新时代的国家发展需要作出的 重大决策,是千年大计、国家大事.要建设蓝绿交融、水天一色的生态友好城市,必须做 好大气污染防治工作以及其他环境保护工作. 冬季是华北地区雾霾频发的时期,2016 年12 月21日,习近平总书记在中央财经领导小 组第十四次会议上的讲话中提到: 推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众 温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内 容 ,明确指出,清洁取暖是从源头上治理雾霾的关键一环. 基于长期的研究工作,笔者团队早在

20 世纪

80 年代就已经阐明,华北地区地热资源丰 富,其中京津冀地区最为丰富.21 世纪以来,以雄安新区的雄县为例,集中开展了大型岩 溶热储评价与开发关键技术研究.理论模型和现场实践结果均表明,华北地区广泛分布的 碳酸盐岩储层中发育的大型岩溶热储,规模大,地热资源品质优,可以实施采灌平衡的大 *资助项目:国家自然科学 基金(41372257),中国石 油化工集团新星石油公司项 目(51460960) 修改稿收到日期:2017年11 月3日 专刊:科技支撑雄安新区规划建设发展 Science &

Technology Supporting Xiongan New Area'

s Planning and Construction 雄安新区地热资源与开发利用研究 * 院刊

1225 规模开发利用,属世界罕见,可以支撑地热供暖形成产 业,替代燃煤,缓解该地区雾霾.本文尝试对

21 世纪以 来华北地热研究工作,特别是大型岩溶热储的地热研究 以及雄县地区的地热开发利用中热储工程关键技术作简 要回顾和分析,并就下一步工作提出建议.

1 大型岩溶热储成因与评价 与化石能源相比,地热能具有强大的社会经济与环 保优势,其利用过程中基本不排放污染物,也不会排放 大量 CO2.与太阳能和风能相比,地热能是一种连续稳 定的能源,一年

365 天、每天

24 小时稳定存在;

而且, 地热利用效率高,可以做到 热电联产 ,同时供应暖 气和热水[1] . 中科院的地热团队在华北地区开展了长期的地热研 究, 六五 计划期间(1980―1985 年),开展了系 统的地温测量和大地热流测试,收集整理了石油勘探的 地热资料,圈划出相对高温区域,开展地温场的数学模 拟,探讨了该地区的构造-热演化特点[2-4] .20 世纪90 年 代开展了冀东油田地热资源研究(企业委托项目);

十一五 规划期间(2005―2010 年),开展了华北 地区深部煤矿山热害防治研究(

973 计划项目), 针对煤层与碳酸盐岩热储组合结构,研究热量聚集与热 害形成机理与分布特点. 十二五 规划期间(2010―

2015 年),开展了渤海湾盆地 CO2 地质封存中的地热问 题研究(

863 计划项目)、典型热储成因分析与开发 利用技术研究(企业委托项目)、大型岩溶热储对规模 化开采的响应研究(国家自然科学基金委资助项目). 此外,还有 华北克拉通破坏的地热模型制约 (国家 自然科学基金委资助项目)等基础性研究工作.基于长 期的研究,笔者团队发现雄安新区地下蕴藏着极其丰富 的地热资源.仅就地下3

000 米以浅的经济深度而论,就有3类地热资源和热储层可供利用,归纳如下. (1)浅层地热能.位于地下

200 米以浅,可与地源 热泵技术相结合,达到节能目的.地源热泵供暖效率通 常比普通空调高

4 倍,比空气源热泵高

2 倍.此类地热资 源的利用,采用地埋管换热方式,不破坏环境,节电、 节煤效果显著.雄安新区浅层地热能在地下空间合理调 配的基础上比较适合利用. (2)砂岩热储.位于地下

200 米至

3 000 米深度范 围内,可以采用抽水加回灌的方式利用,可用于供暖或 供热,替代燃煤,减缓雾霾.不过,此类热储层有一定 局限性,主要缺点是有一些地区回灌比较难,平均只有 30% 回灌率,即每开采

100 立方米热水,只有

30 立方米 左右可以顺利回灌到地下.剩下的部分,若排放到地表 水体,则会带来污染,达不到清洁能源的要求.因此, 此类资源应该慎用,可以实行以灌定产的政策加以调 控. (3)碳酸盐岩热储.位于地下

1 000 米至

3 000 米深 度范围内,其中的中、晚元古界岩溶(喀斯特)特别发 育,形成大型岩溶热储,可用于供暖或供热.在雄安新 区,广泛分布着元古界雾迷山组白云岩热储,总厚度可 达数千米,千米深处的温度在 60℃ 以上.其最大优点是 出水量大,尾水可以 100% 回灌到地下,实现循环利用. 雄安新区以上

3 种类型地热资源的储量计算结果如 表1所示,其中浅层地热能资源量参考中国地调局的评 价结果[5] ,砂岩热储和碳酸盐岩热储的资源量采用类比法 由雄县地热田的资源量[6-8] 推算求得. 表1雄安新区地热资源与储量估算 指标 浅层地热能 砂岩热储 碳酸盐岩热储 深度范围(m) 0―200 200―3

000 1 000―3

000 热资源量(10

16 kJ) ― 66.6 77.4 折合标煤(10

9 t) ― 227.7 264.1 可回收热量(10

16 kJ) 0.1 16.65 19.35 折合标煤(10

9 t) 0.4 56.8 66.0 注: ― 表示未采集数据 在开展大量的水文地质、地球物理与地球化学等工 作基础上,我们建立了以牛驼镇地热田为代表的雄安新区 地热资源的 二元聚热 成因模式(图1),其中的 一1226

2017 年.第32 卷.第11 期元 是岩石热导率因素,另外 一元 是盆地尺度地下水 循环因素,渤海湾盆地丰富的地热资源正是在此双重机制 耦合作用下导致的地热再分配而聚集形成的.雄安新区地 热资源热源是裂谷盆地型较高的热流背景,其传热方式在 新生界盖层以传导为主,在基岩储层以对流为主.因此, 属于 对流-传导型地热系统 [7,9] .大型岩溶热储层以蓟 县系为主,上覆第四系和新近系为其盖层.其中的地下水 循环属于相对独立的系统.对于地热资源形成条件的认 识,为雄安新区的地热开发利用规划提供了科学依据,并 为超深层地热资源勘探提供了前瞻性信息. 图1雄安新区深层地热资源 二元聚热 成因模式图 [7] 最近完成的针对雄安新区地热流体的地球化学和 同位素研究,提供了地热系统物质来源和形成条件的重 要信息,以及估算超深层地热储层温度的机会.笔者认 为,地热田地热气体以壳源成因为主.气体中氦的体积 含量比较高(0.08%―0.52%),其中 5%―8% 源于地 幔.雾迷山组碳酸盐岩储层地热水化学类型为 Cl-Na 型, 气体主要成分为CH

4、N

2、CO2,其中CO2为碳酸盐岩热 变质的成因.热成因 CO2 的加入对深部碳酸盐岩储层的 岩溶发育起到了促进作用.根据氦同位素组成,该区壳 幔热结构中幔源热流占地表热流的比例为 48%―51%.根 据化学热力学地温计的计算结果,目前开采层位地热水 温度为 66℃―108℃[10-13] .依据 CO2/N2 气体相对组分地温 计和CO2-CH4 间碳同位素地温计,地热田深部储层温度 的平均值分别为 163℃ 和153℃① .深部储层温度为超深 层勘查提供了新的信息.

2 先进的地热开采关键技术及示范工程 地热资源开发利用技术经历了两代的演变.第一代 技术的基本特征是直采、直供、直排,由于环保水准很 低,现已放弃不用.第二代技术是采灌结合、用热不用 水,环保水准很高,已经得到各地政府的重视和推广应 用.在我国,浅层地热能的利用技术比较成熟.只要抓 好严格监管等工程质量控制措施,大部分地方都可以使 用.实践中,一般鼓励地埋管模式的土壤源热泵系统, 限制需要抽水的地下水源热泵系统,以保护宝贵的地下 水资源.对于中深层砂岩热储,在回灌条件好的地方, 普遍采用第二代技术,回灌技术也在不断进步中.对于 基岩中的岩溶热储,逐步形成了规模化、产业化的地热 开发利用技术体系,并进行了应用实践.

2009 年起,中国石化集团绿源地热能开发有限责 任公司开始投资建设雄县地热供暖项目.在此过程中, 中科院地热团队受邀提供持续的地热储技术支持与技术 服务.经过几年的努力,终于建成了中国第一个用地热 供暖替代燃煤的 无烟城 .雄县地热供暖示范工程基 于政产学研用相结合的方式,首次实现了地热利用高效 率和接近零排放高水准的清洁能源利用双重目标,迄今 已经平稳运行了

8 年.2014 年初,国家能源局开始把雄 县地热供暖的示范项目向北方地区推广.2016 年,雄 县县城地区的人口

9 万,拥有地热井

68 口,其中回灌 井24 口,形成供暖能力

450 万平方米,基本实现了地 热集中供暖全覆盖.雄县采用的是第二代技术,实现了 近100% 回灌,做到了用热不用水.示范工程的亮点包 ① Pang J M, Pang Z H, Lv M, et al. Geochemical and isotopic characteristics of fluids in the Niutuozhen geothermal field, North China. Environmental Earth Sciences, 2017, in press. 第二类 (新近系) 第二类 (古近系) 第三类 太古界 水流 图例第一类 热流 断流 测温曲线 开采井 回灌井 太行山 燕山 牛驼热田 院刊

1227 括:地热供暖城区全覆盖,项目规模世界上最大(供暖 能力

450 万平方米,现状运行

280 万平方米,惠及

9 万人 口),单井平均供暖能力高达 10万―15 万平方米,尾水 原水全额同层回灌. 在过去

20 年里,我国地热资源直接利用总量一直处 于世界第一的位置,目前还比美国高

1 倍以上;

同时,一 般供热系统的主体设备都是国产化的,因而技术基础较 好.在尾水回灌技术上,通过持续探索,形成了可支持规 模化开发利用的热储回灌技术系列.雄县地热田回灌始于

2010 年,截至

2016 年底,雄县地热田的累计回灌量已达 到2383 万立方米.地热尾水的回灌避免了地表排放带来 的污染,也有效地减缓了热储压力的下降[14] (图2). 雄安新区岩溶热储层的非均质性强,采灌井之间 的连通性不易确定.示踪技术可以将运移参数量化, 有效刻画储层流体的特征,研究回灌........