菏澤地熱供暖開發利用模式前景分析

馬龍，馮超臣

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州　272100)

菏澤地熱供暖開發利用模式前景分析

馬龍，馮超臣

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州272100)

菏澤位于山東省西南，中低溫地熱資源豐富，具有很好的開發應用前景。目前菏澤地熱的開發利用正處于起步階段，地熱資源的開發利用主要以供暖為主。該文介紹了地熱單井供暖開發利用模式，對區內地熱供暖的開發利用具有一定的指導意義。

地熱；供暖；模式；菏澤

引文格式：馬龍，馮超臣.菏澤地熱供暖開發利用模式前景分析[J].山東國土資源，2015,31(2)：24-27.[J].MA Long ，FENG Chaochen. Prospect Analysis on Development and Utilization of Geothermal Heating Mode in Heze City[J]. Shandong Land and Resources, 2015,31(2):24-27.

菏澤地處山東省西南部，在全國經濟布局中具有承東啟西、引南聯北的戰略地位。北、西、西南與河南省接壤，東連濟寧市，東南與安徽、江蘇兩省毗鄰。總面積12239km2。近年來的地熱地質勘查工作表明，菏澤地區地熱成礦地質條件有利，中低溫地熱資源豐富，具有很好的開發應用前景。目前菏澤地熱供暖的應用主要以住宅小區冬季供暖為主。

1　地熱資源概述

1.1大地構造及區域地層

大地構造單元地處華北陸塊魯西隆起魯西南潛隆起區菏澤-兗州潛斷隆構造單元內，分布有東明凹陷、菏澤凸起及成武凹陷3個次級構造單元(圖1)[1]。區內斷裂以近SN向和近EW向為主。主要控制性斷裂有：聊考斷裂、田橋斷裂、菏澤斷裂、巨野斷裂等。菏澤市范圍內除巨野縣核桃園附近有少量古生代基巖出露外，大部被第四系、新近系覆蓋，據現有揭露地層資料，從老到新的地層有古生界的奧陶系、石炭系及二疊系，新生界的古近系、新近系及第四系。

圖1　菏澤地質構造簡圖

1.2熱儲層特征

區內可開發利用的熱儲層主要為新近系砂巖熱儲、古近紀東營組砂巖熱儲及奧陶紀灰巖熱儲[2-4]。

(1)新近紀砂巖熱儲：屬層狀裂隙-孔隙型熱儲。該熱儲層地層主要為新近紀黃驊群上部的明化鎮組和下部的館陶組。由于新近紀明化鎮組熱儲層埋深相對較淺，蓋層厚度小，平均溫度一般40℃左右，溫度較低，區內未開發利用程度低。新近紀館陶組熱儲層主要分布在聊考斷裂以西，東明凹陷區內，巖性為灰白色礫狀砂巖、細礫巖、灰綠色砂巖、砂礫巖，垂向上呈上細下粗的沉積，底部有礫巖分布，孔隙度較大，具有良好的儲水空間，單井涌水量60～100m3/h，水溫60℃左右，礦化度一般大于3g/L，水中含有豐富的對人體健康有益的微量元素成分，具有較好的開發利用前景。

(2)古近紀東營組砂巖熱儲：主要分布于聊考斷裂以西，東明凹陷區域內，屬層狀裂隙-孔隙型熱儲。該熱儲含水層組頂板埋深1577～2041m，熱儲層受構造控制。其巖性以灰綠色、灰白色砂巖、細砂巖為主，厚度分布不均，在垂向上，上、下部顆粒較粗，中部較細，在有利的構造部位具備儲水條件。可利用的砂層約占該組地層厚度的49.3%，地熱流體溫度71.5℃。由于該熱儲層頂板埋深大，雖水溫較高，但成井成本高、風險大，區內開發利用程度低。

(3)奧陶紀灰巖熱儲層：屬灰巖類裂隙-巖溶型熱儲。該熱儲主要分布在菏澤凸起區域內，頂板埋深在1200～1700m。熱儲層為奧陶紀石灰巖層，埋藏于石炭-二疊系煤系地層之下，地熱流體溫度平均58℃。受斷裂構造的影響，灰巖巖溶裂隙比較發育，為深部地熱水體循環運移提供了通道及儲存空間，尤期是奧陶系頂部古風化殼較厚，巖溶裂隙更為發育，形成了良好的儲熱條件，具有較好的開發利用前景。

2　地熱供暖開發利用模式

2.1地熱資源梯級開發利用

地熱資源開發利用方式選擇地下開采。地熱井開采的地熱水資源全部用于地熱供暖，開發利用較為單一。為了避免已有地熱井“消耗型”、“粗放型”開采方式所帶來的環境、社會的不良影響，同時為實現地熱單井的可持續開發利用，地熱資源應進行梯級開發利用(圖2)，逐級提熱，充分利用地熱流體的熱能，對經梯級利用、降至較低溫度的地熱流體進行回灌處理，以實現可持續循環利用[3]。

圖2　地熱供暖系統工藝流程示意圖

地熱水梯級利用工藝流程：由開采井采出的地熱流體，經除砂后，以較高的溫度直接進入換熱系統進行熱量交換。地熱流體首先經過一級板式換熱器，經過一級熱交換后對小區進行供熱，出一級板式換熱器的地熱流體由于溫度較高，如果直接排放就會造成地熱水能源的浪費，所以采取地熱流體梯級利用的形式，出一級板式換熱器的地熱流體進入二級板式換熱器，此部分地熱流體可以作為熱泵系統的低溫熱源，熱泵系統從中提取熱量實現對建筑物的供熱，經過逐級提熱后的地熱棄水水溫為8℃，以充分發掘地熱流體所攜帶的熱能，經利用后的地熱棄水進入回灌管網，回灌至同層位地熱井中。這種地熱流體梯級利用+水源熱泵的系統形式可以充分的提取地熱水中的能量，同時良好的回灌又保證了地熱水資源不被浪費。

2.2地熱資源開發利用供暖系統分析

研究區屬暖溫帶大陸型季風氣候，按日平均溫度≤5℃的起止溫度計算，該區域采暖期為120d。結合區內已有地熱井資料，井假設選定的地熱開采出水溫度為58℃。若單純采用地熱供暖，地熱一級尾水溫度最低可降到40℃。根據《城鎮地熱供熱工程技術規程》(CJJ138-2010)的規定，一級地熱供熱負荷(基本熱負荷)應按下式計算[5]：

式中：Qd—基本熱負荷(kW)；GD—地熱井開采量(m3/h)；ρp—地熱流體密度(kg/m3)；CP—地熱流體的定壓比熱(kJ/kg·℃；tdi—地熱流體供水溫度(℃)；tdo—無調峰裝置時地熱流體回水溫度(℃)。經計算，地熱水實際開采量為600m3/d時，基本熱負荷為514.5kW(表1)。

表1　基本熱負荷計算

可直接供熱量即一級地熱供熱負荷514.5kW。若要增加供熱負荷，需要采用熱泵裝置進一步降低地熱回灌溫度，根據常規熱泵蒸發器側額定參數(15℃/7℃),地熱回灌溫度最低可降到8℃，根據本項目供暖情況，設計回灌溫度為8℃，通過以下公式計算[5]：

式中：Qt—單井可供熱量(kW)；Q—地熱流體流量(m3/h)；ρ水—地熱流體密度(kg/m3)；C—地熱流體的定壓比熱(kJ/(kg·℃)；T進—地熱流體一級利用后的尾水溫度(℃)；T出—地熱流體二級利用后的尾水溫度(℃)；COP—熱泵制熱系數。經計算，熱泵可增加二級供熱負荷1161.6kW(表2)。

表2　調峰熱負荷計算

設計一級和二級供熱能力總熱負荷為1676.1kW，根據現代節能型建筑的設計理念及以往相關工作經驗，住宅區建筑熱負荷一般取45W/m2，據此計算，該地熱井可供暖面積約3.7×104m2。

3　熱供暖尾水回灌系統及動態監測方案

3.1地熱供暖尾水回灌系統

(1)回灌類型與模式。采用同層對井回灌模式，一眼回灌井對應一眼開采井，即：回灌井的注水層與開采井取水層位于同一熱儲層。

(2)回灌方法。由于區內無回灌經驗，在地熱系統建設前期，應進行回灌試驗，以確定回灌參數。因此，設計地熱回灌先采用真空回灌，再進行密封加壓回灌，加壓回灌過程中將回灌井密封，使回灌井處于真空狀態，避免空氣的進入，通過離心泵加壓進行回灌。考慮到目前已有管道、設備的承壓能力，省內進行過的回灌試驗中，所加的回灌壓力均在0.05～0.22MPa之間。可根據回灌水量的大小調節壓力，盡可能保證全量回灌。

(3)回灌系統工程。回灌工程設施包括回灌井和回灌管路。回灌井的結構設計采用和開采井相同的設計方案，且需安裝提水泵進行回揚；回灌管路包括輸水管路、進水管路、用水管路、排水管路等[5]。

(4)在地熱回灌前應檢查回灌水源凈化處理系統的精度能否達到不同熱儲層回灌系統的精度要求，其中熱儲層回灌系統需對回灌水進行去除水中懸浮固體物質的過濾處理，過濾精度應達到50μm，因此回灌系統需安裝粗過濾器。

(5)回灌系統主要設備：①粗過濾器：過濾管道及系統殘留的物理懸浮固體或化學沉淀物，提高地熱回灌率。在運行過程中，過濾器兩端應安裝監測器，通過監測，可根據壓力的變化辨別過濾器工作的狀態，并決定清洗濾料的時間，以保證過濾效果。選擇濾料材料要考慮耐溫和耐壓，宜優先選用石英砂濾料，按單層石英砂濾料級配填充濾料，并應定期補充濾料。②排氣灌：排氣灌應安裝在加壓泵、回灌井口之前，用以在回灌前排出尾水中的不凝氣體，以防止壓力發生變化生成氣泡，產生氣堵。③加壓泵：是為了防止由于回灌井口壓力過高(回灌水位上升較快)而回灌困難，在不具備重力回灌條件時，采用加壓回灌方案。回灌壓力，流量要經過前期回灌試驗求得。④反沖洗：應確保有反沖洗水的水源，當反沖洗水源不能滿足過濾器的反沖洗水量時，應設置儲水裝置，保證過濾器的反沖洗要求。需設置反沖洗污水的壓力排水系統。反沖強度控制在12～15L/s·m2，過濾器置兩端的壓力差值達到50～60kPa時，需進行反沖洗。

3.2地熱供暖動態監測方案

對地熱開采井和回灌井進行地下熱水動態長期監測，主要包括水位、水量、水溫、水質等。監測手段可采取地下水自動監測儀，逐步更新與改進地下水動態監測手段和方法，不斷提高監測質量和水平。同時要提高監測信息的傳輸、儲存和處理效率。根據監測結果，若出現地熱水水位、水質等變化異常，適當調整地熱水供水方案。

(1)水位監測。每天監測1次，水位監測數據精確到厘米級。每次監測水位時，進行數據分析時，均應考慮周邊地熱井的抽水狀況，分析是否受到附近的地熱井抽水影響。

(2)水量監測。計量地熱水量的儀器，采用耐熱的熱水流量計進行實時監測，需要滿足測量精度要求，水量誤差在5%以內。并要定期檢驗儀器誤差，并及時校正。

(3)水溫及氣溫的監測。在監測水位、水量的同時，也應該監測地熱井出水口水溫、地熱尾水的溫度、回灌井地熱水水溫。天氣情況和氣溫也要同時監測。

(4)水質監測。水質監測每年應進行一次，水質檢測項目主要包括常規陰陽離子、微量元素、礦化度、總硬度、pH值、氡、放射性元素(總α、總β)等。

4　結論

(1)菏澤地處山東省西南部，區內地熱成礦地質條件良好，中低溫地熱資源豐富，具有很好的開發應用前景。目前菏澤地熱的開發利用主要以住宅小區地熱供暖為主。

(2)區內可開發利用的熱儲層主要為新近紀砂巖熱儲、古近紀東營組砂巖熱儲及奧陶紀灰巖熱儲。

(3)對于地熱供暖系統宜采用地熱流體梯級開發利用模式，提高地熱資源可利用程度，以實現地熱資源的可持續開發利用。

(4)加強地熱回灌試驗的研究，從而為地熱供暖尾水回灌提供一定的參考數據。

(5)加強地熱開采井和回灌井的動態監測工作。建立地熱單井動態監測系統，對開采量、回灌量及其引起的水位、水溫、水質變化及環境影響實行有效監測，保證地熱資源的可持續開發與利用。

[1]孔慶友，張天禎，于學峰，等.山東礦床[M].濟南：山東科學技術出版社，2006：199-201.

[2]陳墨香.華北地熱[M].北京：科學出版社，1988：94-102.

[3]蔡義漢.地熱直接利用[M].天津：天津古文出版社，2004：488-628.

[4]馮超臣，馬龍，張旭.山東省定陶縣城區地熱資源分析及開發利用[J].城市地質，2012，7(4)：28-31.

[5]CJJ138-2010.城鎮地熱供熱工程技術規程[S].

[6]GB/T11615-2010.地熱資源地質勘查規范[S].

Prospect Analysis on Development and Utilization of Geothermal Heating Mode in Heze City

MA Long ，FENG Chaochen

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100, China)

Heze locates in southwest of Shandong province. Low medium temperature geothermal resources are very rich in this area with very good development prospect. At present, the development and utilization of geothermal resources in Heze city is still at its initial stage, and the development and utilization of geothermal resources is mainly in heating mode. In this paper, development and utilization of geothermal heating mode has been introduced. It will has a certain guiding significance to the development and utilization of geothermal heating in this area.

Geothermal；heating； pattern; Heze city

2014-02-12；

2014-06-05；編輯：曹麗麗

馬龍(1985—)，男，山東東阿縣人，工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：malongh@163.com

P314

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