夏储冬用！天津探索地热能运用新技术

沈健

天津地热勘查开发设计院

天津市蕴藏着丰富的地热资源，是我国地热资源开发利用较早的地区之一，地热已成为重要的环保能源，地热资源的开发利用现已形成稳定的地热产业。凭借丰富的地热资源储量、众多的开发利用和保护成果以及自然资源管理部门的创新管理，天津市成为了全国唯一的集“中国温泉之都”“中国温泉之城”和“中国温泉之乡”为一体的省级城市，多年来地热资源的开发利用规模和水平均走在全国前列。

作为传统化石能源的完美替代者，地热资源已成为应对气候变化、打赢蓝天保卫战和优化能源结构的重要力量。天津市对地热资源的需求呈逐年上升的势头，但随着需求的不断增加，如何确保地热资源能够可持续利用成为了摆在地热管理者和技术工作者面前的重要问题。地热回灌是国际公认的维持地热热储压力、保证地热田可持续开采的重要技术手段，目前已经成为世界范围内数十个重要的地热田生产运行中的一项日常工作。通常情况下，地热回灌是在供暖期内将利用后降温的地热尾水回灌到热储层，属于“原水回灌”。天津市从1996年开始率先在地热供暖项目上采用对井回灌开发利用模式，已经相继建成了二百多处地热对井回灌开发系统，地热回灌率已由2000年时不足10%提高到了如今的80%。通过实际运行和动态监测，近年来天津市的地热储层压力下降趋势得到了明显的缓解，大部分地区甚至出现了回升，证明回灌取得了显著的应用效果。在此基础上，一方面为了弥补由于以往常年采灌失衡造成的热储压力亏空，另一方面为了能够进一步提高地热资源可开采量，天津市又在全国率先开展了“地表水回灌”研究。相对于“原水回灌”，地表水回灌属于“外来水源回灌”，是为适应对地热资源的需求量不断增加而提出的一种对热储层进行补给的新型技术，其有两大优势：

一是可以在非供暖期对热储层进行额外的流体补充，这些冷流体在地下储层这个大热库中通过围岩加热和与深部高温热流体的对流循环，最终会以热流体的形式在未来的供暖期再次成为我们的优质热源，从而增加了地热资源的可开采量，起到了“夏储冬用”的作用。

二是对于天津这样的北方城市，非供暖期尤其是夏季同时也是丰水期，地表水受降水的补给量大，水位上涨迅速，此时开展地表水回灌一方面解决了城市排涝方面的需求，另一方面也实现了使地表水资源就地蓄留、就地资源化的“海绵城市”效果。

为了使地表水回灌从构想变为现实，作为国内地热领域的龙头技术单位，天津地热勘查开发设计院在天津市地热管理部门的支持下早在2009年就组建了专门的技术团队开展相关研究。地表水回灌的成功需要有两个前提条件，一是要避免冷流体集中回灌造成的热突破问题;二是要避免外来水源注入热储层后对储层造成不可逆的伤害。

针对这两个问题，技术团队开展了大量的试验研究工作，在地表水回灌井的选址方面，不但要靠近回灌水源，降低管路铺设的成本，更要考虑地质方面的影响因素。为此，技术团队在充分分析天津市区域地热地质条件、水文条件、地热开发利用等情况的基础上，结合回灌目标储层的岩性特征、裂隙率、渗透率、裂隙分布特征及布井现状，应用地质条件分析和数学模拟方法综合优选目标靶区，并通过示踪试验分析目标区热储的裂隙连通特性和流场特征，确定优势渗流通道，再结合区域动态监测和回灌试验数据，来确定地表水回灌井的成井工艺，以及与周边开采井的相对方位和井间距，从而避免地表水回灌对周边地热开采井的温度产生不利影响，保障供热安全。

为了避免对热储层造成污染，回灌水必须达到一定的标准。考虑到地表水的补给来源主要是上游河道和天然降水，其水质和水量存在较大的时空变化。为此，技术团队专门搭建了拥有自主知识产权的地表水室内水处理模拟实验平台，根据不同水源水质特点及回灌水质要求，选择不同的模块，自由组合，以地表水为水源，进行不同工艺流程的水质处理试验，并通过高温高压水岩反应实验评估对储层的影响，最终优选出符合回灌水水质要求、处理成本低、运行稳定的工艺路线。这样就可以在地表水回灌站工程建设前优选工艺流程，从而避免地表水回灌站建成后，因水质变化原因导致更换设备带来的较大花费，确保地表水长期回灌不会对储层产生不利影响。

凭借着技术团队敢为人先的创新精神和科学严谨的工作态度，经过反复试验和精益求精的不断改进，从2013年在东丽湖地区率先建立了地表水回灌实验站起，至2021年又分别在东丽区和津南区以地热开采主力热储层蓟县系雾迷山组为回灌目的层，建成两处生产性地表水回灌工程，地表水回灌终于从理论变成了现实。

依据天津市规划和自然资源局关于印发《天津市地热资源管理实施办法》的通知：“鼓励有条件的单位，通过建设利用地表水的热储回灌工程，在非供暖期进行地热回灌。利用地表水进行回灌的，可按照增加回灌量的50%申请增加年度开采指标。”

位于东丽湖旅游度假区的东丽湖能源科技有限公司地表水回灌站拥有3眼地表水回灌井，每年可增加雾迷山组热储层回灌补给量约120万方/年，可增加60万方/年的雾迷山组热储层开采指标，可在该区域增加地热供暖面积约60万平米，产生的热量相当于每年节约标准煤1.1万吨，可降低向大气中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及悬浮质粉尘等各类污染物约2.8万吨。

位于津南区北闸口镇的国新供热公司地表水回灌站拥有1眼地表水回灌井，每年可增加雾迷山组热储层回灌补给量约24万方/年，可增加12万方/年的雾迷山组热储层开采指标，可在该区域增加地热供暖面积约9万平米，产生的热量相当于每年节约标准煤0.26万吨，可降低向大气中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及悬浮质粉尘等各类污染物约0.66万吨。

根据动态监测，地表水回灌区域的热储压力出现了明显的回升，而周边开采井温度、水质保持稳定，证明了利用丰水期的地表水对地热资源开采集中的热储层进行回灌，是缓解地热资源供需矛盾、消除因地热流体过度开采出现的漏斗现象、避免地热资源过快枯竭，实现可持续开发利用的有效手段。工程的建成应用，形成了保护环境、补给地热资源的产业结构和生产方式，开创了全国采用地表水集中回灌补给深部地热储层的先例，开辟了地热资源保护的新道路。

我国地热集中开发的地区，多数具有丰富的地表水资源，尤其是对于开发以碳酸盐岩为主的大型盆地型热储地区，具有回灌能力好，底部热源丰富的特点，配合技术合理的水处理工艺，具有广阔的应用前景，可以为国家开发利用地热这种新型、绿色、高效、清洁能源提供战略保障，为实现双碳目标和地热高质量发展提供技术支持。

注：原文刊登于2022年7月刊《中国地热》杂志 原标题：天津市探索地热能夏储冬用新技术方法，服务地热高质量发展