渤海油田礦區地熱尾水深度回灌利用探討

劉曉凡

（中海石油（中國）有限公司天津分公司礦區管理中心 天津 300452）

引言

地熱是可再生資源，利用地熱資源供熱具有綠色、低碳、可持續等優勢，推進冬季清潔供暖不僅是打好大氣污染防治攻堅戰的重要舉措，也是國家提出的一項重要節能減排戰略部署。

“取熱不取水”，地熱尾水應灌盡灌，是實現地熱資源充分利用和資源保護的重要原則。因此，結合渤海油田工業供熱系統現狀，進一步推進區域地熱尾水深度回灌利用具有重要的現實和深遠意義。

1 渤海油田礦區工業供熱系統現狀分析

圖1 該區域現供熱系統工藝流程簡圖

（1）渤海油田礦區現有的工業供熱系統采用直供方式，地熱水提取后進入一次熱水罐自然沉淀出砂，然后通過一次管網輸送至新建辦公樓換熱站提供熱源，溫度降至約55℃后直接進入老式辦公樓二次管網，回水部分進入二次熱水罐后作為燃氣熱泵蒸發器熱源水進行二次提熱，部分進入燃氣熱泵冷凝器作為老式辦公樓二次管網循環水。進入蒸發器側地熱水降溫至45℃，瞬時回灌率50～70%。

（2）根據現場調研和對往年運行參數分析，目前該供熱系統由于系統采用直供方式，地熱原水直接進入用戶末端和熱泵機組蒸發器內，長期運行，供暖設備及管道內累積的泥砂、鐵銹、懸浮物較多，影響設備的使用壽命，同時，增大回灌過濾設備運行負荷，造成地熱井回灌能力下降。運行期間，由于一二次側均為地熱原水，互相交叉影響，溫度穩 定性差。且由于是開式系統，如遇停電等特殊情況，二次網內不能做到封閉循環，造成水力失調。因此，擬補打一眼館陶組回灌井，并對現有系統進行改造，是解決渤海油田礦區工業供熱系統不足的有效途徑。

2 地熱尾水深度利用的技術原則

（1）根據地熱地質條件，現場布局及場地條件，合理設計和鉆探采灌、地熱井。

（2）遵循“技術先進、環保節能、經濟合理、安全可靠”的基本原則。

（3）充分利用地熱資源，通過合理規劃采暖方式和采用熱泵技術等方式，降低地熱回灌溫度，實現地熱梯級利用，提高地熱利用率。

3 地熱地質條件分析

3.1 構造特征

該區域地熱回灌井構造位置處于III 級構造單元黃驊坳陷東部之次級構造單元北塘凹陷的東南部，區域主構造格局受新華夏構造體系控制。滄東斷裂、漢沽斷裂相互作用，使得該地區在中生代末長期持續沉降，沉積著數千米厚的新生界。新近系在凹陷區內具有由西向東，向海中傾斜的趨勢；自北向南地層沉積有由厚變薄的特點。區域上斷裂構造較為發育，對地熱地質條件起控制作用的斷裂主要有：西側的滄東斷裂，南側的海河斷裂[1]。

3.2 地層特征

根據區域地質及鉆井資料，該區域地層自上而下有：新生界第四系、新近系明化鎮組、館陶組和古近系東營組[2]。

3.3 熱儲層特征

根據以往工作成果，該區域從上到下發育的熱儲層主要有新近系明化鎮組、館陶組和古近系東營組熱儲層。

3.4 井深預測

通過分析周邊已有地熱井資料，該區域目前揭露的地層垂向上存在三個主要熱儲層：新近系明化鎮組和館陶組。館陶組底板埋深在2000～2100m，通過分析周邊地熱井鉆遇地層情況，該區域地熱井鉆遇地層預測由上到下為第四系、新近系明化鎮組、館陶組、古近系東營組，具體如表1、表2。

表1 區域周邊地熱井地層資料統計表

表2 區域回灌井鉆遇地層預測表

預測館陶組底板埋深為2050m，開鑿地熱回灌井垂深為2080m。

3.5 水溫預測

根據區域地層平均地溫梯度，利用公式計算擬建回灌井熱儲層溫度：

式中：Tg—熱儲層中點溫度（℃）；

D1—熱儲層中點埋深（根據周邊地熱井取水段數據，取1675～1825m）；

Gi—蓋層平均地溫梯度（取3.0～3.1℃/100m）；

D2—常溫層埋深（30m）；

T0—常溫層溫度（13.5℃）。

經計算，該區域地熱井館陶組熱儲層中點溫度為68～72℃，地熱流體經井筒向井口運移過程中，因受熱水流動速度、流量、井壁阻力等諸多因素影響，使得井口水溫均小于熱儲層內地熱流體的溫度，一般流量越大，損失越小。依據經驗，館陶組熱儲層井口溫度較熱儲層溫度損失2～6℃（取4℃），因此預測該井井口流溫為64～68℃。

3.6 出水量預測

水量預測主要采用與同構造單元、同熱儲層地熱井實際出水量進行類比確定。參考項目所在地附近館陶組地熱井涌水量，預測該區域館陶組地熱回灌井的單井涌水量為80～100m3/h。

3.7 回灌可灌性分析

補建回灌井擬將新近系館陶組作為目的熱儲層，并且采用同層對井采灌方式開發利用地熱資源，單井可灌量參考同構造單元、同熱儲 層回灌井實際回灌量來確定。擬建回灌井周邊最近的回灌井成井后回灌試驗中穩定回灌量60m3/h，水溫49.5℃，穩定水位埋深84.57m。擬建回灌井周邊約3km 處有1 眼館陶組地熱回灌井。

根據往年的動態監測資料分析，往年總回灌量4.76×104m3，地熱單井穩定回灌量達到70m3/h。根據以往實踐經驗，若采用射孔成井工藝，能有效提高館陶組熱儲層地熱井的回灌效果。擬建回灌井以館陶組作為目的熱儲層，可采用射孔成井工藝，預計回灌井的可灌量在60～70m3/h。

3.8 地熱回灌井布局

回灌井布局主要取決于熱儲資源開采強度、熱儲條件、場地條件以及可操控性。同時應結合鉆井施工所需水、電、道路交通等基本要求，確定井口位置。

3.9 地熱流體腐蝕、結垢性預測

通過對地熱流體腐蝕性及結垢性分析，可知設計回灌井地熱流體屬輕微腐蝕性地熱流體，無結垢，回揚時使用的管材和設備應具有防腐性。

4 熱負荷及熱源供熱能力

4.1 熱負荷

渤海油田礦區工業辦公樓建筑面積11×104m2，末端為散熱器采暖，供回水溫度參數為60～45℃；寫字樓建筑面積為6×104m2，末端為中央空調，供回水溫度參數為50～40℃。依據近年來實際運行分析，寫字樓建筑尖峰熱負荷約為1900KW，辦公樓區域尖峰熱負荷為6050KW，該區域設計總熱負荷為7950KW。

4.2 地熱井供熱能力分析

該區域地熱井開采井出水水溫為70℃，根據該井年開采量指標，設計最大出水量不超過93.5m3/h計算，根據熱平衡分析最終確定回灌溫度。地熱井提供熱能主要分為兩部分：

一是通過板式換熱器直接將熱能輸送至用戶端，二是降溫后的低溫地熱尾水聯合熱泵提供用戶端所需熱能，兩部分能量總和為項目所需最大供熱負荷7950kW。

根據末端熱負荷需求及供暖參數，地熱水直接利用溫度可降至47℃；地熱直接利用后尾水聯合燃氣熱泵機組進行再提熱，為保護燃氣熱泵機組，且保證熱泵機組蒸發器進出口溫度的穩定性，系統可增加一臺熱泵前置板式換熱器和配套的循環水泵。

根據以上熱負荷分析可知，地熱水最大瞬時開采量為89m3/h，并利用后回灌溫度降至25℃即可滿足該區域所需熱負荷需求。運行期間可以通過調節地熱水的開采量以達到尾水回灌標準。

4.3 供熱工藝流程

地熱井70℃原水進入供熱中心站后，通過除砂器進行過濾，用以降低地熱水中固體雜質對換熱器等設備的損害，過濾后地熱水先經原輸送管網輸送至寫字樓換熱站，降至51℃后的地熱水換出的熱量全部作為一次熱源提供給寫字樓換熱站，后輸送回至供熱中心，又經一級板式換熱器，降至47℃的地熱水換出的熱量全部作為部分一次熱源提供給辦公樓區域，最后二級地熱尾水經過二級板式換熱器后降至25℃，該部分地熱水熱量為燃氣熱泵蒸發器提供熱源，用以滿足辦公樓區域剩余熱負荷需求。地熱尾水最終回灌溫度為25℃以下地熱原水。

4.4 改造后供熱站內主要設備

為了解決保持熱儲壓力，減少地熱流體直接排放污染環境問題，并使地熱資源得到充分利用，采用尾水聯合熱泵機組方式。熱泵機組（電驅動壓縮式熱泵和直燃型燃氣吸收式熱泵，結合實際情況，科學選定）可以實現降低地熱水回灌溫度，達到梯級利用地熱資源的目的。改造后系統利用原有的燃氣熱泵，預留儲熱系統管道接口。

板式換熱器通過板式換熱器可以將地熱熱能利用系統分為一次水、二次水系統，保證地熱利用設備可靠運行，實現安全供熱。

地熱水水質中最常出現的腐蝕成分是氯離子和溶解氧。為了解決地熱供暖系統的腐蝕和水力穩定性問題，國內外的地熱供暖系統，主要采用間接供暖方式，即通過板式換熱器將地熱供暖系統分為一次水、二次水系統，從而實現可靠、安全供熱。考慮到地熱水中氯離子對金屬的腐蝕性，宜選用鈦板材質的板式換熱器材質。

根據改造后系統流程及相應參數，進行站房內主要設備選型，包含板式換熱器、熱泵機組、循環水泵及其他附屬設備等，用以將原有直供系統改造為間供系統。各個板換系統相對獨立，便于運行期間系統調節，增強了運行穩定性。

4.5 供熱管網

（1）一次熱水管網

由于管網僅用于回灌地熱水，對管道耐高溫和耐壓要求不高，要求具備一定防腐能力，所以建議使用時采用PE 給水管道，可采用預制保溫管直埋敷設形式。

保溫材料為聚氨酯材料，耐溫要求90℃。設計管道采用SDR11 系列PE100 級管材，管徑為D160，工作管標準，GB/T13663-2000。預估管道長度為400m。

（2）二次熱水管網

二次管網在本次改造中不進行變動，維持原狀，可根據使用情況逐年替換部分老舊管網。

5 實施效果

（1）該區域可通過補建一眼館陶組地熱井，與原采灌系統形成“一采兩灌”開發利用系統，通過改造供熱系統，能夠保證采水高峰期尾水實時回灌。

圖2 改造系統工藝流程簡圖

（2）地熱回灌井井口流體溫度64～68℃；出水量80～100m3/h；預計可灌量60～70m3/h；地熱流體總礦化度為1800～2000g/L；水化學類型為HCO3·Cl-Na 型或Cl·HCO3-Na 型，pH 值約8.2～8.3；為弱 堿性、無結垢趨勢的輕微腐蝕性地熱流體。

（3）以地熱尾水深度回灌利用為目標，充分利用現有地熱井流體作為熱源，采用三眼館陶組地熱井（一采兩灌）聯合燃氣吸收式熱泵系統，冬季可滿足區域內建筑所需熱負荷，尾水回灌溫度降至25℃以下，同時，保證地熱尾水完全回灌。

結語

綜上所述，地熱尾水深度回灌利用在渤海油田礦區應用，具有節能、環保、綠色、低碳特點，推廣應用價值顯著。供熱企業應當從節約資源、保護環境、推進生態文明建設、促進經濟社會可持續發展角度出發，積極行動，充分運用，為國家綠色低碳戰略實施履行好企業應有的責任。