山東省砂巖熱儲地熱資源開發利用模式探討

秦耀軍,張平平

(山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 253072)

0 引言

地熱資源是一種綠色低碳的清潔能源，具有清潔環保、儲量大、分布廣、易開發、利用成本低、穩定可靠等優點[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，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，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、合理開發地熱資源，實現地熱資源的可持續開發利用，對發揮其綠色能源優勢，改善能源結構，服務山東省新舊動能轉換具有重要意義。

近年來隨著魯北地區供暖地熱井逐年增加，地熱開發利用方式單一、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，環境污染等問題凸顯[3-4]，這與我國建設資源節約型社會的主旨相悖。該文以地熱資源賦存條件、水質特征結合開發利用現狀及存在的問題，對山東省砂巖熱儲地熱資源開發利用模式進行探討，以工程實例示范推進地熱供暖產業的健康發展。

1 區域地質條件

1.1 區域地質構造

魯北地區在大地構造單元上屬于華北板塊(Ⅰ級)的華北坳陷區Ⅰ(Ⅱ級)。中新生代以來，受喜馬拉雅運動與燕山運動的影響，斷裂構造發育，形成凸凹相間的Ⅲ級構造單元，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級構造單元[5]。

區內新近紀以來的斷裂格架及活動特征，主要表現為斷塊運動和對古近紀及其前的構造繼承性活動，區內對Ⅱ、Ⅲ級構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-羊二莊斷裂、陵縣-老黃河口斷裂[6]。

1.2 區域地層條件

魯北地區位于華北地臺的東部，為廣闊平坦的平原區，被第四系沉積物覆蓋。區內自中新世以來，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。區內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

館陶組熱儲在全區均有分布。受區域構造和基底起伏的控制，在凸起區埋藏淺、厚度薄，凹陷區埋藏深、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，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、德州、臨清等凹陷區內。在濟陽拗陷、臨清拗陷的凸起區缺失?？偟姆植继卣魇浅练e厚度和層底埋深受基底起伏和區域構造的控制，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構

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構，分選中等，多為泥質膠結，少量為鈣質膠結，局部有鐵質膠結，以孔隙式膠結為主。熱儲層砂巖為中粒、中細粒結構，塊狀構造為主，鑒定名稱為中細粒、中粒長石砂巖、泥質膠結中粒長石砂巖。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—斷裂構造線圖1 魯北地區地熱地質剖面圖

2.2.2 熱儲砂巖礦物成分

根據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%。膠結物以泥質為主，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

區內館陶組熱儲砂巖孔隙基本屬于粒間孔隙，形態不規則，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，孔隙結構屬于大孔粗喉；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。根據綜合測井解譯，孔隙度22%～38%左右。

3 開發利用現狀及存在的問題

3.1 地熱資源開發利用現狀

目前，魯北地區地熱井800余眼，主要分布在各市(縣)的城區，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、種植、養殖，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 魯北地區地熱井及開采量分布圖

圖4 魯北地區地熱資源開發利用方式占比圖(%)

3.2 地熱資源開發利用存在的問題

3.2.1 利用形式單一、地熱利用率低

目前區內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、設備落后，經濟效益不高

區內新技術、新設備(如熱泵技術、低溫地板輻射采暖技術、信息技術等)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，經濟效益不高。

3.2.3 尾水直排導致地質環境問題突出

地熱資源被開發利用后，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變為水位地面以下數十米，并在多城區形成不同程度的地熱水降落漏斗，導致吊泵、開發利用成本增加、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，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利用模式

4.1 地熱供暖方式

結合目前地熱資源的現有開采程度及需求，解決北方清潔能源供暖仍然為地熱資源主要利用方向。而目前區內供暖方式以直供為主，地熱水直接式供熱系統的優點是可減少熱損失，但缺點是地熱水質較差，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、農業溫室、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、養殖、化冰、融雪等[12]。其中地熱供暖根據末端采暖方式，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即可滿足地板輻射采暖及洗浴的要求。另外，區內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環境問題，同時實現地熱資源的可持續循環開發利用，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穩定開采，避免因水位下降造成井的報廢；減少地熱流體排放對環境的污染；避免水熱資源浪費，實現可持續開發[13-14]。

5 地熱開發利用工程實例

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，且暖氣片內結垢嚴重，導致住戶室內溫度不高。

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、節能、環保、適用的設計理念：采用換熱技術，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?。焕脽岜眉夹g提熱，提高熱利用率；結合階梯電價與日供暖需求，控制熱泵開啟時間、峰值等參數；供暖尾水經過過濾設備回灌入井，實現地熱的可持續開發利用。

5.2.2 工程建設

根據工程需求，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垢的影響，采用換熱技術，供暖側采用軟化水循環。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過地面凈化設備(過濾、排氣等)灌入回灌井，實現地熱水的循環可持續開發利用[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、回灌技術，自動化監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)，可視化實時監測系統、多功能展示廳(圖8)，多功能分區泵房(圖9)，用于展示工程示范作用。

圖7 供暖沙盤模型

圖8 可視化實時監測系統

圖9 多功能分區泵房

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

圖10 2016—2018年2個供暖地熱回灌量動態曲線

6 結論

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

(2)區內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，提高經濟效益。

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