油田地熱利用概況及對策建議

呂亳龍 馬建國 解紅軍 宗媛

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油天然氣集團公司勘探與生產分公司；3.中國石油工程建設有限公司北京設計分公司）

能源是國民經濟的支柱產業，對經濟持續快速健康發展和人民生活的改善發揮著十分重要的保障作用。2017年10月18日，中國共產黨第十九次全國代表大會上習近平總書記指出要推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。這為我國能源工作指明了發展方向，從滿足高速增長的能源需求轉變為調整能源結構，從高碳能源結構調整為低碳能源結構，關鍵是要發展“清潔能源、低碳能源”。清潔能源涉及范圍較廣，除天然氣、潔凈煤等非再生能源外，包括了幾乎全部的可再生能源，如太陽能、風能、生物質能、水能、地熱能等。其中，地熱能是唯一來自地球內部的可再生清潔能源，其能源利用系數最高達73%[1]，遠遠高于太陽能（14%）和風能（21%）。

1 地熱能資源概述

地熱資源是指能夠經濟地被人類所利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用組分[2]。相比其他可再生能源，地熱資源的可持續性和穩定性較好，附加價值多元化，較易實現分布式利用。地熱能資源按溫度可分為高溫地熱資源、中溫地熱資源、低溫地熱資源；按熱儲狀態可分為淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖。

我國境內大陸地區地熱資源分布廣、儲量巨大，根據地質勘查評價結果，大陸地區含油氣盆地不僅蘊藏大量油氣資源，還富集儲量豐厚的中低溫傳導型地熱能資源。中國科學院地質與地球物理研究所經過幾十年的研究，測量了921個熱流數據點，于2011年更新并編制了中國大陸地區新版熱流圖[3]（圖1）。

圖1 中國大陸地區熱流圖

從油區分布上來看，中國石油所屬油區蘊藏的地熱資源大致可分為兩類：一類是65～100℃的中高溫地熱資源，主要富集在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地，富集區內代表性的油田有大慶油田、遼河油田、吉林油田、華北油田、長慶油田等；另一類是25～65℃的中低溫地熱資源，主要富集在柴達木盆地、準格爾盆地、塔里木盆地、四川盆地，富集區內代表性的油田有新疆油田、塔里木油田、西南油氣田等。

2013年，中國石油開展了油區地熱資源初步調查，僅大慶油田、遼河油田、華北油田三家油田的地熱資源總量達10 934×1018J[4]，占全國油區地熱資源總量的44%。其中，可采地熱能資源達425×1018J，相當于集團公司能源消耗總量的200多倍，如此豐厚的地熱資源儲量，若有效開發利用，可替代油田傳統能源消耗，切實降低油田生產成本。

2 地熱能利用技術

人類很早就開始將天然吐露的溫泉、地下熱水等應用于各領域。我國從20世紀70年代初期開展現代意義上的地熱資源開發利用，經過40多年的發展，在技術上已形成以地熱發電和直接利用為主的綜合開發利用技術體系。

2.1 地熱發電技術

目前比較成熟的地熱發電技術主要有干蒸汽地熱發電、擴容閃蒸地熱發電、雙工質循環地熱發電、全流地熱發電[5]四種。

2.1.1 干蒸汽地熱發電

干蒸汽地熱發電是最簡單的地熱發電方式，利用具有一定過熱度的地熱蒸汽來推動汽輪機做功，從而帶動發電機發電的技術。其優點是投資小，工藝簡單，技術成熟，安全可靠；發電循環效率高，通常為20%～40%；但一般僅適用于溫度大于150℃、干度接近100%飽和蒸汽地熱資源。工藝流程如圖2所示。

圖2 干蒸汽地熱發電工藝流程

2.1.2 擴容閃蒸地熱發電

擴容閃蒸地熱發電可分為單級閃蒸和多級閃蒸兩種方式。地熱水或濕蒸汽經閃蒸器或汽水分離器降壓閃蒸，產生的飽和蒸汽引到汽輪機做功發電；分離后的含鹽水在第二級低壓閃蒸器中閃蒸出低壓蒸汽并引入汽輪機中部繼續膨脹做功。擴容閃蒸地熱發電技術適用于中低溫濕蒸汽田和熱水田產生的地熱流體發電，其優點是對地熱源參數要求比干蒸汽發電系統低，易實現中低溫地熱發電，但其發電循環效率也略低于干蒸汽發電系統，約為12%～20%。工藝流程如圖3所示。

圖3 擴容閃蒸地熱發電工藝流程

2.1.3 雙工質循環地熱發電

雙工質循環地熱發電按工質循環方式不同分為有機朗肯循環和卡琳娜循環兩種。地熱水在熱交換器中加熱低沸點的工質使之變成蒸汽，進而推動汽輪機做功發電。雙工質循環地熱發電技術適用于地熱井口參數條件低，或地熱水、蒸汽中含有較多不凝結氣體雜質的地熱田。其突出優點是系統適應性強，可利用各種不同化學類型地熱水及低溫地熱水，通常發電循環效率比擴容閃蒸地熱發電技術高20%～30%。工藝流程如圖4所示。

圖4 雙工質循環地熱發電工藝流程

2.1.4 全流地熱發電

全流地熱發電指來自生產井的地熱流體全部進入螺桿膨脹機，一邊膨脹一邊做功，驅動發電機發電。該工藝適應性強，能適應過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水工質，以及低品位地熱源的地熱井，但該工藝機組整體熱效率和運行經濟效益略低。工藝流程如圖5所示。

圖5 全流地熱發電工藝流程

2.2 地熱直接利用技術

地熱直接利用是地熱資源利用的主要方式，近年來我國地熱直接利用規模穩居世界第一位。截至2009年底，我國年直接利用地熱能達7.53×1013kJ。

2.2.1 地源熱泵利用技術

地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵、地下水源熱泵、地表水源熱泵，是通過少量高位電能輸入，將冷熱量由低位能向高位能轉移的空調系統。地熱流體經過熱泵機組蒸發器時，循環工質吸收熱量蒸發，蒸汽經過壓縮機壓縮后放出熱量，在冷凝器中與系統循環介質換熱，從而實現熱量傳遞。地源熱泵技術工藝系統簡單，適用性較強，利用效率高，同一套系統冬季可供暖、夏季可制冷，通常壓縮式熱泵系統COP可達3.5以上。工藝流程如圖6所示。

圖6 地源熱泵工藝流程

2.2.2 直接利用技術

地熱直接利用技術是用換熱器直接提取中、低溫地熱水熱量，再使用循環水對向系統供熱，在河北雄縣等水質優良的地區，可以使用地熱水作為熱水源直接進入需熱環節進行供熱，尾水返回至自來水廠處理后民用。

3 重點油田地熱利用情況

中國石油油區蘊藏巨大的地熱資源。1995年，中國石油天然氣總公司下達了“地熱資源評價及綜合利用科研先導項目”，開展了渤海灣地區地熱資源評價利用研究，開啟了地熱資源規模化利用的征程；隨后華北、大慶、大港等油田公司先后開展了油區職工住宅、辦公樓集中供暖，溫室大棚種植等地熱資源利用項目，經濟效益顯著。2003年，中國礦業聯合會、中國石油學會聯合組織召開了第一次“全國油區城鎮地熱開發利用經驗交流會”，系統總結并交流了我國油區及相關城鎮在地熱開發利用中所取得的成功經驗，帶動了全國地熱資源的開發利用，各油田也紛紛探索油區地熱資源利用的模式，并組織實施了諸多項目，取得了豐碩的研究成果。

3.1 大慶油田

大慶油田中深層地熱資源非常豐富。初步勘察地熱流體總量為6518×108m3，熱儲量達2.7×1015kJ，另外還有大量的采出水型地熱資源。目前大慶油田水務公司成立油田地熱項目部，組織地熱利用項目的研究與實施，設計院、地質研究院、節能減排項目部等單位提供技術支持。截至2014年底，大慶油田在采油一廠、二廠、三廠、五廠等單位利用熱泵技術共開展22個地熱供暖項目，總供暖面積達36×104m2，其中地源熱泵項目1個，水源熱泵項目3個，其余為采出水水源熱泵項目。

3.2 遼河油田

遼河油田淺層低溫地熱資源非常豐富。初步勘察遼河凹陷地熱流體總量為8800×108m3，熱儲量達1008×1015kJ，另外還有大量稠油高溫采出水。目前遼河油田供水公司成立地熱工程項目部，組織實施資源勘查利用項目。遼河油田已利用熱泵技術開展重點地熱利用項目7個，其中5個采暖項目，2個供油氣技術伴熱項目，年總節能量6335 t（煤當量），產生經濟效益564萬元。如興油三十五站地源熱泵供熱工程，共打30口地源井，產出50℃循環熱水為進站原油加熱。項目實施后年節約天然氣23×104m3，投資回收期8.6年。

3.3 華北油田

華北油田中深層優質地熱資源非常豐富。初步勘察，華北油田上第三系和中、上元古界地熱田地熱流體總量17694×108m3，地熱資源總量為1304×1015kJ。目前華北油田勘探開發研究院成立地熱綜合利用研究室，組織實施相關項目。華北油田已在發電、生產伴熱、供暖、養殖等眾多領域開展幾十項地熱利用項目，日平均利用地熱水量32 000 m3（不含溫泉洗浴），年節能量1.4×104t。其中，用于工藝伴熱的項目共有3個，如雁嶺油田利用6口地熱水井直接進行站內外維溫伴熱，日產水量2020 m3，項目實施后年節約天然氣18×104m3。留北地熱發電站是中國第一個利用油田采出水發電的中低溫發電項目，于2011年4月投產試運行，機組裝機容量410 kW，設置7采2注，日產水3600 m3，井口水溫117℃。截至2013年底，累計運行2880 h，發電21×104kWh，增產原油4.4×104t。

4 對策建議

中國石油油區地熱資源豐富，有大量的探井、廢井可直接利用，且在資源勘查與評價、鉆完井工藝、尾水回灌、防腐保溫等方面有豐富的技術支撐，經過數十年的地熱利用積累，各油氣田總結了豐富的可借鑒經驗。但是總覽已開展的地熱利用項目，也存在一定不足，如油田生產場所用熱集中區與地熱富集區匹配程度不高，項目建成能源有效利用率偏低，項目投資回收期普遍較長，地區公司開展項目積極性不高等問題。

為進一步推動地熱資源有效開發利用，加強“綠色礦山”建設，切實在油氣田生產領域替代傳統化石能源消耗，實現“降本增效”，需強化以下幾方面的工作：

1）開展廢井、探井調查評估，挖掘資源潛力，發揮油田勘探、鉆完井、水處理等技術優勢，以低開發成本面向市場培育新興產業鏈，形成效益增長點；

2）開展梯級綜合利用方式向站內用熱負荷（生產、生活、附屬產業）供熱，提高項目綜合收益；

3）合理設定地熱利用項目經濟效益評價指標，凸顯項目節能減排效益及社會效益，強化清潔低碳生產示范作用；

4）建立地熱資源利用技術及信息共享平臺，促進各地區公司成果共享；

5）實時跟蹤產業政策，如未來資源費征收、尾水回灌等方面面臨的不確定性，并分析其對地熱利用項目經濟效益的影響；

6）組建專業化地熱產業發展管理機構，爭取國家、集團公司相關財務、政策扶持并負責組織協調相關工作。