河北省層狀熱儲(chǔ)水熱型地?zé)豳Y源計(jì)算評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究

杜可炎 呂文斌 張 博 趙 陽(yáng)

1. 河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)（河北省地?zé)豳Y源開發(fā)研究所） 河北 衡水 053000

2. 河北省水文工程地質(zhì)勘查院（河北省遙感中心）河北 石家莊 050000

1 河北省地?zé)豳Y源概況與發(fā)展前景

在當(dāng)前國(guó)家“雙碳”的戰(zhàn)略部署下，地?zé)豳Y源作為一種清潔、零碳、可再生能源，將為助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與打造優(yōu)美生態(tài)環(huán)境提供重要資源保障。河北省地?zé)豳Y源豐富，分布廣泛，儲(chǔ)量位居全國(guó)前列，全省地?zé)豳Y源可采熱資源量為200.3萬億kJ/a，地?zé)崴刹闪繛?.7億m3/a，可支撐供暖面積約4.8億m2。我省的地?zé)豳Y源開發(fā)利用始于上世紀(jì)80年代，2020年的地?zé)崴_采量為5476萬m3，僅占可采資源量5.6%，開發(fā)利用程度較低，開采潛力巨大[1]。鄰近天津市地?zé)豳Y源條件與我省相近，地?zé)豳Y源分布面積是我省的六分之一，但供暖面積與我省相當(dāng)[2]。

我省自《關(guān)于促進(jìn)全省地?zé)崮荛_發(fā)利用的實(shí)施意見》（冀發(fā)改能源〔2022〕239號(hào)）印發(fā)后，地?zé)豳Y源開發(fā)將獲得空前發(fā)展，大批地?zé)豳Y源勘查工作正在或即將實(shí)施，資源計(jì)算已成為制約地?zé)豳Y源開發(fā)和管理的瓶頸，如何正確確定和評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源的計(jì)算結(jié)果，成為當(dāng)前最迫切需要解決的問題。

2 地?zé)豳Y源計(jì)算存在的問題

地?zé)豳Y源資源的方法種類多、計(jì)算結(jié)果差異大。比如，根據(jù)以往安國(guó)東部地?zé)豳Y源預(yù)可行性勘查中的資源量計(jì)算成果，館陶組熱儲(chǔ)回灌條件下可采量，分別采用熱突破公式法、單井開采權(quán)益保護(hù)半徑法（100年降2℃）、平均布井法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別為63.79×106m3、21.48×106m3、81.56×106m3，最大值和中間值分別為最小值的3.8倍和3倍，差距懸殊。究其原因，并非技術(shù)人員計(jì)算錯(cuò)誤，也非不符合規(guī)范所規(guī)定的計(jì)算方法適用條件，而是普遍存在的客觀情況[1]。

一般在進(jìn)行地?zé)豳Y源可開采量時(shí)，采用多個(gè)計(jì)算方法分別計(jì)算的初衷是為了相互印證，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，若各結(jié)果之間差異懸殊，則遠(yuǎn)達(dá)不到相互印證的目的。基于以上問題，我們開展了各計(jì)算方法計(jì)算機(jī)理及適用性研究。

3 各計(jì)算方法的計(jì)算機(jī)理及適用性

目前主要使用的計(jì)算方法主要有解析法、統(tǒng)計(jì)分析法、可采系數(shù)法、熱突破公式法、單井開采權(quán)益保護(hù)半徑法、平均布井法、回收率法、數(shù)值模擬法等，種類繁多，各計(jì)算方法的計(jì)算機(jī)理各不相同，也有一定的適用條件。

①解析法，適用于面積較大的地?zé)崽铮捎梅欠€(wěn)定流泰斯公式計(jì)算單井的開采量、水位隨開采時(shí)間的變化量，推導(dǎo)出在給定壓力允許降深下地?zé)崃黧w的可采量，一般單井水位降深與區(qū)域水位降深之和不允許超過100m，該計(jì)算方法考慮了周圍區(qū)域地?zé)崽锏乃垦a(bǔ)給，熱儲(chǔ)面積越小，補(bǔ)給斷面面積與熱儲(chǔ)面積的比值越大，補(bǔ)給水量占計(jì)算水量的比例越大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，所以不適用于面積較小的地?zé)崽铩Ｔ摲椒ㄖ饕紤]水位因素，未考慮回灌因素和溫度因素。

②統(tǒng)計(jì)分析法，適用于具有多年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料的地?zé)崽铮捎盟宦裆詈屠塾?jì)開采量之間建立相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)勘查區(qū)地?zé)豳Y源開采量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料的要求較高，資料統(tǒng)計(jì)難度大，同時(shí)隨著大規(guī)模回灌工作的開展，在回灌對(duì)熱儲(chǔ)壓力的維持作用，不能全面考慮，其計(jì)算結(jié)果一般較保守。該方法主要考慮水位因素，未考慮回灌因素、溫度因素。

③可采系數(shù)法：僅適用于地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)可采量計(jì)算，開采系數(shù)大小取決于熱儲(chǔ)巖性、孔隙裂隙發(fā)育情況及補(bǔ)給情況。孔隙型層狀熱儲(chǔ)可采系數(shù)一般取3-5%，巖溶型層狀熱儲(chǔ)取值5%。計(jì)算精度較低。對(duì)水位、溫度未全面考慮，回灌因素未考慮[3]。

④熱突破公式法：適用于開展了回灌工作的地?zé)崽铩醿?chǔ)層概化為隔水隔熱均一等厚的熱儲(chǔ)層，熱量只依靠對(duì)流方式傳遞，根據(jù)設(shè)定熱突破時(shí)間，計(jì)算采灌井距，根據(jù)勘查區(qū)面積計(jì)算可布井?dāng)?shù)，從而計(jì)算回灌條件下的地?zé)崃黧w可開采量。考慮了溫度因素、回灌因素，未考慮水位因素。

⑤單井開采權(quán)益保護(hù)半徑法：適用于開展了回灌試驗(yàn)工作的熱田，未考慮熱儲(chǔ)層的能量補(bǔ)給，以回灌條件下開采100年，熱儲(chǔ)溫度下降2℃，且不發(fā)生熱突破為計(jì)算基礎(chǔ)。考慮了溫度因素、回灌因素，未考慮水位因素。

⑥平均布井法：適用于開展了回灌試驗(yàn)工作的地?zé)崽铮鶕?jù)采灌井距平均布井，求取回灌條件下的地?zé)崃黧w可采量。考慮了溫度因素、回灌因素、水位因素。

⑦回收率法：適用于地?zé)豳Y源調(diào)查階段的計(jì)算，計(jì)算原理與可采系數(shù)法類似，計(jì)算主體由地?zé)崴優(yōu)榱说責(zé)崮埽?jì)算精度較低。對(duì)溫度、回灌、水位因素考慮不全面。

⑧數(shù)值模擬法：適用于勘查程度較高的地?zé)崽铮⑶矣幸欢〞r(shí)期的開采歷史，具有比較齊全的監(jiān)測(cè)資料，在可采量計(jì)算中，可以根據(jù)設(shè)定的水位溫度與溫度條件，計(jì)算地?zé)崃黧w可采量，充分考慮了溫度因素、回灌因素、水位因素[4]。

4 地?zé)豳Y源開發(fā)利用的約束條件

根據(jù)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法的計(jì)算機(jī)理，結(jié)合我們近年來對(duì)地?zé)豳Y源計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)與研究，化繁就簡(jiǎn)，我們認(rèn)為地?zé)豳Y源資源計(jì)算主要應(yīng)受三個(gè)方面的條件約束，分別為水位、溫度、回灌能力，即水位埋深與下降速度、儲(chǔ)層溫度下降幅度要控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)可以確保在開采條件下地?zé)崃黧w可以順暢回到儲(chǔ)層。只要接受了這三個(gè)條件的約束，我們就可以認(rèn)為其所計(jì)算的地?zé)豳Y源量是可靠的，以該資源量為限值進(jìn)行開采，其環(huán)境影響程度、資源保障程度就均在可控范圍內(nèi)。在上述的各種地?zé)豳Y源計(jì)算方法中，一般一種計(jì)算方法會(huì)考慮到一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)上述的約束條件，考慮的條件越多，一般評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確，綜合評(píng)定每種方法對(duì)約束條件的符合程度，即可確定地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的最終結(jié)果[5]。下面就三個(gè)約束條件分別論述：

4.1 水位

地?zé)崃黧w作為地?zé)崮芴崛〉慕橘|(zhì)，其水頭壓力，即水位，直接代表著地?zé)崃黧w的豐富程度，也直接影響著地?zé)豳Y源的開采技術(shù)條件，水位下降過快，會(huì)大幅提高開采成本，也代表著地?zé)崃黧w已被過量開采，且回灌工作不到位。將水位設(shè)定為地?zé)豳Y源開發(fā)利用的約束條件是有必要的。

對(duì)于水位的約束，在不進(jìn)行回灌或回灌量小于90%的地區(qū)尤為重要。目前的計(jì)算方法中對(duì)水位進(jìn)行約束的，主要是解析法，約束開采100年，單井水位降深與區(qū)域水位降深之和不大于100m；二是地?zé)衢_采單井資源量計(jì)算時(shí)，以水位降深不能超過20m，做為計(jì)算單井允許開采量的條件[6]。

對(duì)于回灌率達(dá)到95%以上的地區(qū)，水位問題可以不用過于擔(dān)心。因?yàn)殚_采的只是熱能，而動(dòng)用的水量很少，一般不會(huì)造成區(qū)域性水位大幅度下降。

4.2 溫度

除少量利用地?zé)崃黧w中有益成分的地?zé)衢_發(fā)外，一般情況下，對(duì)地?zé)崮艿睦貌攀堑責(zé)豳Y源開發(fā)利用中占絕對(duì)主導(dǎo)的利用方式。連續(xù)開采地?zé)崮埽ＷC熱儲(chǔ)溫降和回收率控制在可控范圍內(nèi)，確保其可持續(xù)性，是資源保障的關(guān)鍵。其中回收率，即地?zé)豳Y源開采的熱量與總熱量的比值，是政府部門資源量審批和是資源總量控制的重要依據(jù)，是開采熱量與總熱量關(guān)系的宏觀體現(xiàn)。

目前常用的計(jì)算方法主要有單井開采權(quán)益保護(hù)半徑法，即開采100年，熱儲(chǔ)的溫度下降不超過2℃，與回收率法，即開采100年，熱儲(chǔ)回收率取15%兩種，其中單井開采權(quán)益保護(hù)半徑法設(shè)定的降溫幅度過于保守，降溫2℃時(shí)不同溫度熱儲(chǔ)的回收率僅為2.67-8%，與熱儲(chǔ)回收率法中15%相差甚遠(yuǎn)，資源得不到有效利用，在不突破其他約束條件的基礎(chǔ)上，降溫幅度應(yīng)靈活掌握[7]。

同時(shí)兩種方法都存在著對(duì)不同溫度地?zé)崽锟紤]不周的問題，對(duì)于溫度較低的地?zé)崽铮瑴囟认陆捣冗^大，會(huì)導(dǎo)致熱儲(chǔ)回收率過大，資源利用得不到保障，比如熱儲(chǔ)中部溫度為40℃與50℃時(shí)，降溫6℃，回收率為24%與17.14%，超過了15%；對(duì)于溫度較高的地?zé)崽铮瑹醿?chǔ)回收率過大，會(huì)導(dǎo)致熱儲(chǔ)降溫幅度過大，資源也得不到保障，比如熱儲(chǔ)中部溫度為80℃與90℃時(shí)，回收率取15%，熱儲(chǔ)降溫幅度為9.75℃與11.25℃，超過了8℃。見表1、表2。

表1 不同熱儲(chǔ)降溫幅度時(shí)的熱儲(chǔ)回收率

表2 熱儲(chǔ)取不同回收率時(shí)的熱儲(chǔ)降溫幅度

為保障地?zé)豳Y源開采可持續(xù)和熱儲(chǔ)溫度下降保持在可控條件下，一般我們認(rèn)為地?zé)豳Y源計(jì)算結(jié)果，應(yīng)同時(shí)滿足開采100年熱量不大于計(jì)算區(qū)域總熱資源量的15%（回收率15%）、當(dāng)熱儲(chǔ)溫度在50℃時(shí)，熱儲(chǔ)降溫幅度不超過5℃，且熱儲(chǔ)溫度每升高10℃，熱出溫度降幅可增加1℃。

4.3 回灌能力

地?zé)崮苁强稍偕茉矗責(zé)崃黧w是不可再生資源，近年來人們對(duì)供暖類地?zé)崂梦菜仨氝M(jìn)行回灌，已達(dá)成共識(shí)，熱儲(chǔ)回灌是環(huán)境保護(hù)的前提，為了保證回灌工作的順利實(shí)施，熱儲(chǔ)的回灌能力顯得尤為重要，但回灌量并不是越大越好，隨著冷水的注入，可能會(huì)造成開采井水溫下降，即發(fā)生熱突破，同時(shí)回灌量過大，熱儲(chǔ)溫度降低的問題會(huì)凸顯，可能會(huì)導(dǎo)致熱儲(chǔ)溫度下降過快，也可能造成開采井的水溫降低，即熱突破，所以人們所說的“以灌定采”，客觀上說是不全面的，地?zé)峄毓嘧鳛橘Y源量計(jì)算的約束條件，并不是唯一的，資源計(jì)算還應(yīng)滿足溫度與水位的約束，一般來說回灌能力足夠大時(shí)，溫度的約束會(huì)凸顯[8]。

5 結(jié)論與建議

我省的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，但目前利用程度較低，地?zé)豳Y源計(jì)算已成為了制約地?zé)豳Y源開發(fā)利用的瓶頸。目前，地?zé)豳Y源資源的方法種類多、計(jì)算結(jié)果差異大，本文詳細(xì)論述了各評(píng)價(jià)方法的適用條件與計(jì)算機(jī)理，認(rèn)為地?zé)豳Y源的計(jì)算應(yīng)同時(shí)符合三個(gè)約束條件的約束，分別為水位（100年水下降不超過100m）、溫度(熱儲(chǔ)溫度下降不超過允許值)、回灌(單井回灌率不小于95%)。

水位作為約束條件會(huì)在不回灌或回灌量率較小的地區(qū)凸顯；而熱儲(chǔ)溫度下降是在回灌率較大的地區(qū)為防止熱儲(chǔ)溫度下降造成地?zé)豳Y源破壞而提出的限制約束條件；回灌能力是確定可開采量的重要約束條件，目前河北省地?zé)豳Y源管理部門要求地?zé)豳Y源開采，實(shí)行“以灌定采”的原則控制單井地?zé)豳Y源開采量。原則上實(shí)行“一采一灌”配置開采井和回灌井。因此，各計(jì)算結(jié)果之間的取舍應(yīng)該分別考慮不同計(jì)算方法對(duì)三個(gè)約束條件的符合程度，綜合確定最終資源計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果。總的原則是“采的出，灌的進(jìn)，有保障”，作為地?zé)豳Y源計(jì)算結(jié)果確定的基本原則[9]。