中國(guó)油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展方向

王社教，施亦做，方朝合，曹 倩，任 路

（1.中石油深圳新能源研究院有限公司，廣東深圳 518052；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油冀東油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北唐山 063004）

0 引言

能源清潔及低碳化發(fā)展已成為全球共識(shí)，隨著全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程的快速推進(jìn)，諸多國(guó)家和能源公司均提出清潔能源的發(fā)展戰(zhàn)略，加快能源轉(zhuǎn)型。地?zé)崮茏鳛榈厍虮就恋目稍偕茉矗蚱滟Y源量大、利用系數(shù)高、基礎(chǔ)載荷穩(wěn)定、減排效果顯著等優(yōu)勢(shì)，受到高度重視。中國(guó)開(kāi)發(fā)利用地?zé)釟v史悠久，利用溫泉進(jìn)行洗浴和醫(yī)療已有2 000 多年的歷史［1］。中國(guó)地?zé)豳Y源的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用始于20 世紀(jì)70 年代，著名地質(zhì)學(xué)家李四光提出要大力發(fā)展地?zé)幔瑢⒌厍蜻@個(gè)“龐大熱庫(kù)”中蘊(yùn)藏的能量充分利用起來(lái)［2］，之后中國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在淺層地?zé)崮堋⒅猩顚拥責(zé)崮艿闹苯永梅矫嬉恢蔽痪邮澜缡孜唬?］。地?zé)嶂苯永玫姆绞桨ǖ責(zé)峁┡厥曳N植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工農(nóng)業(yè)用熱、洗浴和溫泉旅游與療養(yǎng)等。中國(guó)高度重視地?zé)崮艿惹鍧嵉吞寄茉吹陌l(fā)展。基于中國(guó)地?zé)豳Y源特征、技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求，地?zé)岵膳戎苯永梅矫姘l(fā)展迅猛。由于中深層水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)比其他形式的地?zé)衢_(kāi)發(fā)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此中深層地?zé)岚l(fā)展更快速。“十三五”以來(lái)，中深層地?zé)峁┡娣e年均增長(zhǎng)超過(guò)90%，而油田企業(yè)，因其在中深層水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)方面具有先天的資源、技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)［4-5］，已成為發(fā)展中深層地?zé)岬闹髁姟?/p>

近年來(lái)，發(fā)改委、能源局等相繼出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的若干意見(jiàn)》《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等文件，制定“十四五”“十六五”國(guó)家中長(zhǎng)期地?zé)崮馨l(fā)展規(guī)劃和目標(biāo)，明確地?zé)崮苁侵袊?guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和未來(lái)能源體系的重要組成部分，地?zé)崮芄┡谴髿馕廴局卫淼囊粭l重要途徑［6］，從政策方面支持地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。隨著中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，以及推動(dòng)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的落地，地?zé)岙a(chǎn)業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段。基于中國(guó)地?zé)岚l(fā)展現(xiàn)狀、地?zé)豳Y源賦存和分布特點(diǎn)［7-8］，重點(diǎn)分析油田地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用潛力，并探討中國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)，尤其是油田地?zé)嵛磥?lái)的發(fā)展方向，以期為國(guó)家和能源公司制定地?zé)岚l(fā)展戰(zhàn)略和編制規(guī)劃提供依據(jù)。

1 中國(guó)地?zé)岚l(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)是地?zé)豳Y源較為豐富的國(guó)家之一，基于深部“東高西低，南高北低”的區(qū)域熱背景，以中低溫地?zé)豳Y源為主。淺層地?zé)豳Y源分布全國(guó)；中低溫地?zé)豳Y源分布于沉積盆地、東南沿海和隆起山區(qū)，如渤海灣盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、江漢盆地、東南沿海等，在不同深度形成了大面積分布的含地?zé)崴臒醿?chǔ)層，構(gòu)成了水熱型地?zé)豳Y源的主體；高溫地?zé)豳Y源集中分布在西藏南部、四川西部、云南西部和臺(tái)灣地區(qū)，這些地區(qū)處于印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊（次級(jí)板塊）的夾持地帶，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了滇藏地?zé)釒Ш团_(tái)灣地?zé)釒У雀邷氐責(zé)豳Y源的富集區(qū)。根據(jù)自然資源部發(fā)布的數(shù)據(jù)，中國(guó)淺層地?zé)崮苜Y源（淺于200 m 的336 個(gè)地級(jí)以上城市）年可開(kāi)采量折合7×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤［9］，可滿足320 m2建筑面積的供暖/制冷；水熱型地?zé)豳Y源量（200～4 000 m）為12 500×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤，年可開(kāi)采資源量為18.65×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤；干熱巖資源量（3～10 km）為856×1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤［10］。

基于中國(guó)以中低溫地?zé)豳Y源為主的資源特征，地?zé)崮苤苯永檬侵袊?guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的首要方式，主要用于區(qū)域供暖/制冷、溫泉洗浴和溫室大棚等。“十三五”期間，中國(guó)地?zé)豳Y源直接利用規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)，截至2020 年底，地?zé)崮苣昀醚b機(jī)容量和年利用總熱量分別為14 160 MW 和197 281 TJ［11］，是2015 年地?zé)崂每偭康?.3 倍，地?zé)岵膳崦娣e累計(jì)13.92×108m2（表1），其中淺層地?zé)峁┡娣e累計(jì)8.10×108m2，中深層地?zé)峁┡娣e累計(jì)5.82×108m2，淺層和中深層地?zé)峁┡娣e“十三五”期間年均增長(zhǎng)分別為21%和94%。受制于淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)面臨的地質(zhì)環(huán)境（可能引起地下水位下降和水質(zhì)惡化等）和熱交換效率低、穩(wěn)定性差、出現(xiàn)熱失衡或冷堆等問(wèn)題，近幾年淺層地?zé)崮馨l(fā)展緩慢，中深層水熱型地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，地?zé)峁┡娣e持續(xù)增長(zhǎng)，其中油田水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用規(guī)模占比大于70%，是我國(guó)中深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)的主要貢獻(xiàn)者。

表1 中國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀Table 1 Current situation of geothermal development and utilization in China

中國(guó)地?zé)岚l(fā)電發(fā)展緩慢。2011—2018 年，裝機(jī)容量一直保持在26.00 MW。2019 年，隨著西藏、四川和云南等地新建地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的相繼運(yùn)行，如西藏羊易地?zé)犭娬?6 MW 機(jī)組成功接入國(guó)家電網(wǎng)，四川康定藏區(qū)建成400 kW 發(fā)電機(jī)組和云南省德宏州建成2 MW 地?zé)岚l(fā)電機(jī)組，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量增加到44.56 MW［12］。在干熱巖發(fā)電方面，中國(guó)已在青海共和盆地、河北唐山馬頭營(yíng)成功進(jìn)行了干熱巖發(fā)電試驗(yàn)，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模發(fā)展。

2 不同地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的優(yōu)劣勢(shì)

目前用于地?zé)岵膳评涞馁Y源利用方式主要有：淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用、中深層水熱型地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用及深井直接換熱開(kāi)發(fā)利用（表2）。

2.1 淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用

主要采用熱泵技術(shù)提取地下100～200 m 深的巖土層和地下水中的熱能（溫度一般為15～25 ℃）用于采暖或制冷（圖1）。其優(yōu)勢(shì)是地?zé)豳Y源量大、分布廣，而且既可以采暖，又可以制冷。劣勢(shì)是建設(shè)場(chǎng)地需求大、項(xiàng)目規(guī)模小；單井供暖面積小，約50～90 m2；項(xiàng)目受地域限制，南方制冷項(xiàng)目和北方采暖項(xiàng)目會(huì)導(dǎo)致地下熱失衡或冷堆，影響采暖制冷效果和項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，華北平原地區(qū)適用性最好。

圖1 淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用示意圖Fig.1 Schematic diagram of shallow geothermal energy development

2.2 中深層水熱型地?zé)豳Y源供暖/發(fā)電

主要采用采灌技術(shù)利用地下200～4 000 m 水熱型地?zé)豳Y源中的熱能（溫度高于25 ℃，低于150 ℃），用于采暖或發(fā)電（圖2）。其優(yōu)勢(shì)是水熱型地?zé)豳Y源量大，資源品質(zhì)較高；供熱面積大，熱利用效率高，單井供暖面積可達(dá)（5～10）×104m2；以灌定采，100%尾水回灌，不影響地下水環(huán)境。劣勢(shì)是基于熱儲(chǔ)的非均質(zhì)性，資源分布差異性較大，需尋找優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源；此外，項(xiàng)目的初期投入比較大。

圖2 中深層水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用示意圖Fig.2 Schematic diagram of medium-deep hydrothermal geothermal energy development

2.3 深井直接換熱供暖

深井直接換熱供暖是利用同軸套管進(jìn)行單井內(nèi)部流體循環(huán)，基于熱傳導(dǎo)的方式與熱儲(chǔ)層進(jìn)行換熱，提取地下1 000～4 000 m 巖熱型/水熱型地?zé)豳Y源中的熱能（圖3）。深井直接換熱供暖適合地溫梯度高、熱補(bǔ)給快的地區(qū)，尾水回灌難度大、出水量小、不具備抽灌開(kāi)采條件的地區(qū)，以及政策環(huán)境不允許抽采地下水的地區(qū)。目前深井直接換熱供暖技術(shù)具有可行性，但存在單井取熱效率低［單井供暖面積在（0.2～2.0）×104m2］、可持續(xù)性差和經(jīng)濟(jì)效益不高的缺點(diǎn)。

圖3 深井直接換熱示意圖Fig.3 Schematic diagram of direct heat exchange in deep wells

考慮到淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的環(huán)境與效率問(wèn)題、深井直接換熱的效率問(wèn)題以及干熱巖開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，中深層水熱型地?zé)豳Y源將是當(dāng)今中國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用最主要和最現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域。其核心技術(shù)是在封閉系統(tǒng)中將地下水從生產(chǎn)井采出、處理后經(jīng)換熱器換走所需熱量，再?gòu)幕毓嗑⑷胪惶椎貙印Ｕ麄€(gè)過(guò)程全封閉運(yùn)行，不與熱儲(chǔ)層之外的任何環(huán)節(jié)接觸，具有安全、環(huán)保、可持續(xù)的特點(diǎn)。與燃煤/燃?xì)忮仩t供暖相比，該供暖方式初始投資大，但運(yùn)營(yíng)成本低，考慮碳交易收入，全生命周期內(nèi)其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于燃煤/燃?xì)忮仩t。與淺層地源熱泵、深井直接換熱供暖相比，水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)具有占地面積小、耗能低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)。目前中國(guó)石油運(yùn)行期最長(zhǎng)的中深層采灌均衡地?zé)峁┡?xiàng)目—河間華苑小區(qū)10×104m2地?zé)峁┡?xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行了20 年。該項(xiàng)目采用1 采1 灌，井深3 444.4 m，水溫105 ℃，采水量2 712 m3/d，100% 同層回灌，通過(guò)20 年連續(xù)監(jiān)測(cè)，地下水位一直保持在8.7 m，由此可見(jiàn)采灌均衡的地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方式不影響地下水資源。

表3 淺層地源熱泵、深井直接換熱與中深層水熱型地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性對(duì)比（公建用戶）Table 3 Comparison of the economy of geothermal heating among the ground source heat pump，direct heat exchange from deep wells and medium-deep hydrothermal development

3 油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展?jié)摿?/h2>

3.1 石油公司發(fā)展地?zé)崦媾R的形勢(shì)

以油氣為傳統(tǒng)主營(yíng)業(yè)務(wù)的石油公司，面對(duì)中國(guó)陸上資源劣質(zhì)化、成本剛性上升和海外自主勘探領(lǐng)域縮減等一系列問(wèn)題，油氣產(chǎn)量難以保持穩(wěn)定。順應(yīng)能源發(fā)展形勢(shì)，兼顧國(guó)家利益和企業(yè)責(zé)任，發(fā)展綠色低碳清潔能源、走清潔化發(fā)展道路是保持石油公司可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。除傳統(tǒng)油氣業(yè)務(wù)外，積極涉足新能源新產(chǎn)業(yè)，發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋淠堋⑸镔|(zhì)能、儲(chǔ)能等新能源，是石油公司轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要內(nèi)容。目前，中石油、中石化、中海油三大石油公司均把地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用納入公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)加以發(fā)展，加快了新能源發(fā)展的節(jié)奏。

地?zé)嶝灤┝擞蜌馍珊瓦\(yùn)聚的全過(guò)程，是與油氣業(yè)務(wù)高度融合的新能源資源，因此，石油公司開(kāi)發(fā)地?zé)峋哂械锰飒?dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，石油公司很早就開(kāi)始關(guān)注油氣分離出的采出水資源，常把這些資源中的熱能提取后用于油田生產(chǎn)和生活，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近幾年，中石油、中石化等石油公司加大了地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)力度，中深層水熱型地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用取得重大進(jìn)展，中石化打造了碳酸鹽巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的“雄縣模式”，中石油打造了砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的“冀東模式”，累計(jì)實(shí)現(xiàn)地?zé)岵膳娣e超過(guò)1×108m2。隨著地?zé)衢_(kāi)發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，致密熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)效率低、地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方式單一、資源利用率不高、經(jīng)濟(jì)效益待大幅提高等問(wèn)題都亟待解決。

目前，石油公司能耗高，碳排放量大，亟需發(fā)展地?zé)岬惹鍧嵞茉礃I(yè)務(wù)替代油田生產(chǎn)用能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油田生產(chǎn)能耗中用熱占比最大，達(dá)80%以上，如中國(guó)石油，2021 年總能耗超過(guò)6 800×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中耗油170×104t、耗煤1 700×104t、耗氣180×108m3，碳排放CO2當(dāng)量1.8×108t，減排任務(wù)十分艱巨。這些生產(chǎn)用熱能耗大部分可以用地?zé)崮芴娲瑥亩_(dá)到節(jié)能降耗和減排的目的。

中國(guó)的大多數(shù)油田已進(jìn)入勘探開(kāi)發(fā)中后期，東部油田含水率平均高達(dá)95%以上，油田實(shí)際上已變?yōu)椤暗責(zé)崴铩保蜌忾_(kāi)發(fā)成本居高不下。開(kāi)發(fā)油田地?zé)峄颉坝蜔帷蓖伞⒌責(zé)峋C合與梯級(jí)利用將成為提高油田效益的重要方向。

3.2 油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

3.2.1 業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)石油公司的地?zé)針I(yè)務(wù)主要集中在中石油和中石化兩大企業(yè)。中國(guó)石油開(kāi)發(fā)利用地?zé)彷^早，大慶、華北、遼河、大港等油田企業(yè)在19 世紀(jì)80 年代就利用油田采出水資源，用于建筑采暖、溫室大棚，或用于油田生產(chǎn)的原油集輸管道加熱和熱洗油管等，均取得了較好的效果。“十三五”以來(lái)，中石油加大了地?zé)崮艿目碧介_(kāi)發(fā)力度，下?lián)軐ｍ?xiàng)資金，用于地?zé)峁こ添?xiàng)目的實(shí)施，先后建成了曹妃甸地?zé)峁┡⒑颖蔽涑堑責(zé)峁┡⑷A北石油新城地?zé)峁┡⑦|河歡三聯(lián)地?zé)崽娲a(chǎn)用能等大型地?zé)峁こ添?xiàng)目，截至2022 年底，累計(jì)建成地?zé)峁┡娣e2 461×104m2，預(yù)計(jì)2023 年底累計(jì)供暖面積可超過(guò)4 000×104m2。以中深層地?zé)峁┡瘶I(yè)務(wù)為主的中石化，依托“地?zé)?”為主營(yíng)業(yè)務(wù)的新星公司，加快地?zé)岙a(chǎn)業(yè)布局，地?zé)針I(yè)務(wù)快速發(fā)展，目前已成為中國(guó)最大的地?zé)峁┡髽I(yè)，地?zé)岵膳娣e累計(jì)達(dá)8 500×104m2，占全國(guó)中深層采暖面積的15% 以上，為天津、陜西、河北、河南、山東、山西、湖北等地60 多個(gè)市縣百萬(wàn)戶居民提供了清潔供暖。

3.2.2 技術(shù)及應(yīng)用

由于地?zé)崾穷愃朴谑秃吞烊粴獾哪茉矗虼擞蜌饪碧介_(kāi)發(fā)過(guò)程所使用的技術(shù)和裝備大部分可用于地?zé)豳Y源的勘探和開(kāi)發(fā)，如地球物理勘探、地質(zhì)評(píng)價(jià)、鉆完井、儲(chǔ)層壓裂改造等油氣行業(yè)成熟的技術(shù)，均可用在地?zé)岬目碧介_(kāi)發(fā)工程，大幅降低了地?zé)犴?xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，因此，石油行業(yè)在開(kāi)發(fā)地?zé)嶂芯哂邢忍斓膬?yōu)勢(shì)。結(jié)合油田地?zé)崽攸c(diǎn)，中石油、中石化加大科技創(chuàng)新，攻克并形成了地?zé)豳Y源勘查與評(píng)價(jià)、砂巖地層回灌、廢棄井改造為地?zé)峋⒏邷劂@完井等一批關(guān)鍵技術(shù)，支撐了地?zé)峁┡陀吞锷a(chǎn)用能替代等大型地?zé)峁こ添?xiàng)目的建設(shè)。

地?zé)豳Y源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)。為研究地?zé)崽锏臒醿?chǔ)、埋深、蓋層、熱流體通道、熱源等地?zé)豳Y源賦存條件，針對(duì)層狀和帶狀2 類熱儲(chǔ)，研發(fā)形成了三維重磁電震地?zé)峥碧郊夹g(shù)、基于地球物理屬性的三維地溫場(chǎng)模擬技術(shù)、復(fù)雜構(gòu)造與熱儲(chǔ)建模及目標(biāo)優(yōu)選技術(shù)。其中，三維重磁電震地?zé)峥碧郊夹g(shù)能有效識(shí)別地層界面、斷裂及其他構(gòu)造，侵入巖體等熱源巖體分布，熱儲(chǔ)、通道位置及含水性等；基于地球物理屬性的三維地溫場(chǎng)模擬技術(shù)，即基于地球物理屬性參數(shù)、巖石熱導(dǎo)率、地溫梯度，通過(guò)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，可以模擬熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)變化，有效刻畫(huà)熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)的空間展布；復(fù)雜構(gòu)造與熱儲(chǔ)建模及目標(biāo)優(yōu)選技術(shù)，即通過(guò)斷層、層位、構(gòu)造模型的建立，精細(xì)表征熱儲(chǔ)體構(gòu)造特征，綜合評(píng)價(jià)多目的層熱儲(chǔ)分布，優(yōu)選有利目標(biāo)，部署鉆探井位。針對(duì)不同地?zé)岬刭|(zhì)情況和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，研發(fā)形成了基于隨機(jī)模擬法、單元容積法、類比法的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)技術(shù)，可以客觀評(píng)價(jià)地?zé)崮艿馁Y源潛力。

砂巖地層回灌技術(shù)。砂巖地層回灌技術(shù)是指把砂巖熱儲(chǔ)中開(kāi)采出的地?zé)崴诘孛娼?jīng)除砂器除砂、氣水分離后換熱，再經(jīng)過(guò)濾器處理重新回灌到地下的技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在針對(duì)物性較好的熱儲(chǔ)層，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)壓100%同層回灌。其核心要點(diǎn)是采灌系統(tǒng)全部密封，即全流程使用氮?dú)饷芊猓苊獾叵滤c外界空氣的接觸。該技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了保證地下水平衡和保護(hù)環(huán)境的目的，先后在河北、遼寧、天津、浙江、吉林等地，對(duì)館陶組、東營(yíng)組、沙河街組等砂巖熱儲(chǔ)進(jìn)行回灌試驗(yàn)和工程應(yīng)用，全部實(shí)現(xiàn)了無(wú)壓回灌，取得了較好的效果。

廢棄井改造為地?zé)峋夹g(shù)。在油氣的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有大量的廢棄井和低效油井，這些井已不再用于油氣的開(kāi)發(fā)，但可以改造為地?zé)峋右岳茫瑥亩档偷責(zé)衢_(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。通過(guò)攻關(guān)試驗(yàn)，形成了廢棄井改造為水熱井和直接換熱井的地?zé)衢_(kāi)發(fā)工藝技術(shù)。其核心工藝為：通井及清理井筒、做人工井底、刮管、化學(xué)熱洗井等。

高溫地?zé)徙@完井技術(shù)。針對(duì)高溫地?zé)崽餃囟雀摺⒏吒g、高研磨、固井效率低、高溫測(cè)試難等工程難點(diǎn)，研發(fā)形成了以高溫地?zé)峋咝DC 鉆頭、抗高溫泡沫鉆井液體系、高溫固井及回填工藝、高溫地?zé)峋疁y(cè)試儀器為核心的高溫地?zé)徙@完井技術(shù)，大幅提高了高溫地?zé)峋你@探成功率和高溫地?zé)崽锏拈_(kāi)發(fā)效率。其中，研制的高效PDC 鉆頭，達(dá)到了高溫地?zé)峋八拈_(kāi)一趟鉆”、機(jī)械鉆速最高達(dá)18.47 m/h 的效果（地層溫度392 ℃）；抗高溫泡沫鉆井液體系，將適用溫度從180 ℃提高到240 ℃，機(jī)械鉆速提高了5 倍多，解決了超高溫裂縫發(fā)育地層攜巖難的問(wèn)題；高溫地?zé)峋叹夹g(shù)，平均回填次數(shù)由5.83 次降至2.83 次，固井回填率降低50%，解決了漏失、套管間存水、超高溫水泥有效封隔難的問(wèn)題；地?zé)峋邷販y(cè)試儀器，隨鉆可測(cè)252 ℃，完井測(cè)試400 ℃。

以上研發(fā)形成的關(guān)鍵技術(shù)，均在大型地?zé)衢_(kāi)發(fā)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。地?zé)豳Y源勘查技術(shù)，無(wú)論是在國(guó)內(nèi)的北京、天津、河北、山東、西藏、青海等地?zé)峥辈轫?xiàng)目，還是在國(guó)外的匈牙利、冰島等地?zé)峥辈轫?xiàng)目，均得到了成功應(yīng)用。目的層的識(shí)別率達(dá)到100%；砂巖地層回灌技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)壓回灌，節(jié)約了加壓回灌的電力成本，該技術(shù)已在遼河油田的興一礦、華北油田的石油新城和冀東油田的曹妃甸、山東武城等地?zé)岵膳?xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，累計(jì)采暖面積超過(guò)5 000×104m2；廢棄井改造為地?zé)峋夹g(shù)在遼河油田的興一礦和歡三聯(lián)、大慶油田的海拉爾貝28 作業(yè)區(qū)等東部的多家油田地?zé)岵膳蜕a(chǎn)用能替代項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，節(jié)約了大量鉆井成本；高溫地?zé)徙@完井技術(shù)，在肯尼亞實(shí)施151 口高溫地?zé)峋@探，支撐了肯尼亞地?zé)岚l(fā)電的加快發(fā)展。

3.2.3 油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用潛力

油田地?zé)豳Y源十分豐富，具備大規(guī)模發(fā)展的資源基礎(chǔ)。如中石油擁有大量陸上油氣探礦權(quán)，礦權(quán)區(qū)內(nèi)15 家油田公司的水熱型地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.1×1012t，年可采16×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤。同時(shí)，油田擁有大量的采出水資源，每年油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中分離出的地?zé)崴?0×108m3，溫度為30～80 ℃，采出水蘊(yùn)含豐富的可以直接利用的熱能資源。此外，在油氣勘探與開(kāi)發(fā)階段存在大量的廢棄井或低效油井，這些井可以通過(guò)工藝改造，改為地?zé)峋_(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源［15-16］，可降低地?zé)衢_(kāi)發(fā)成本，提高地?zé)犴?xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。2021 年，遼河油田在歡三聯(lián)改造8 口報(bào)廢油井，用于歡三聯(lián)生產(chǎn)和采暖供熱，實(shí)施后替代原燃?xì)饧訜釥t19 臺(tái)，年節(jié)約燃?xì)?31.5×104m3，折標(biāo)準(zhǔn)煤1.21×104t，減排CO21.88×104t，年收益超1 500×104元。

北方地區(qū)以燃煤/氣供暖為主，清潔供暖需求旺盛，地?zé)崾袌?chǎng)潛力巨大。我國(guó)現(xiàn)有建筑面積超過(guò)500×108m2，若現(xiàn)有建筑面積的5%、新增面積的40%采用地?zé)峁┡錆撛谑袌?chǎng)價(jià)值達(dá)1×1012元。此外，油田能耗高，生產(chǎn)終端需求中超80%為用熱需求，開(kāi)發(fā)利用油田地?zé)崾怯吞锷a(chǎn)用能清潔替代的需要，更是石油公司加快綠色低碳轉(zhuǎn)型的需要。

4 未來(lái)油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方向

研究和勘探開(kāi)發(fā)證實(shí)，主要富集在沉積盆地的水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)潛力巨大。為實(shí)現(xiàn)能源低碳化和“雙碳”目標(biāo)，大力開(kāi)發(fā)油田水熱型地?zé)岽笥锌蔀椋吞锏責(zé)岢糜谔娲吞锷a(chǎn)用熱外，還可用于地?zé)岵膳⒌責(zé)岚l(fā)電、氦氣和鹵水鋰等伴生資源的開(kāi)發(fā)，廢棄的油氣田還可用于地下儲(chǔ)熱和CO2的封存。

4.1 油田生產(chǎn)用能替代

油田在原油生產(chǎn)過(guò)程中能耗大，無(wú)論是原油集輸還是油水分離，都需要大量熱能。以大慶油田為例，目前采用比較典型的三級(jí)布站石油生產(chǎn)流程，即石油從地下產(chǎn)出到地面后，需要經(jīng)過(guò)計(jì)量站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等三級(jí)站點(diǎn)才能成為成品原油輸出。從產(chǎn)出到成為成品原油輸出系統(tǒng)的過(guò)程中，有向井口提供熱水、對(duì)油水混合液加熱、對(duì)成品原油加熱等3 種用熱需求［17］。此外，還有廠礦的宿舍和泵房等的采暖用熱需求。目前這些用能需求都是由以天然氣為主要燃料的加熱爐提供，能耗較大［18］。利用油田伴生地?zé)豳Y源進(jìn)行用能替代，可顯著降低生產(chǎn)能耗，減少碳排放，提升經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 地?zé)崆鍧嵐┡?/h3>

中國(guó)油田地?zé)豳Y源富集區(qū)與北方采暖區(qū)高度重合，市場(chǎng)潛力巨大。與此同時(shí)，現(xiàn)今供暖線以南區(qū)域同樣具有推行地?zé)峁┡?制冷的潛力［19］。2021 年，國(guó)家八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的若干意見(jiàn)》提出，到2025 年，各地基本建立起完善規(guī)范的地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用管理流程，地?zé)崮芄┡?制冷面積比2020 年增加50%，這意味著尚有巨大的地?zé)崆鍧嵐┡袌?chǎng)待開(kāi)發(fā)，因此開(kāi)發(fā)沉積盆地的水熱型地?zé)豳Y源用于地?zé)峁┡笥锌蔀椤Ｄ壳埃弥猩顚铀疅嵝偷責(zé)豳Y源進(jìn)行供暖需要解決的問(wèn)題包括有效資源的精準(zhǔn)定位、不同類型熱儲(chǔ)回灌以及井筒保溫與地面換熱效率的提高等。

4.3 地?zé)岚l(fā)電

盡管中國(guó)對(duì)地?zé)豳Y源直接利用的研究和應(yīng)用較為完善，但直接利用的方式存在能量遠(yuǎn)距離傳輸困難、就地需求有限、受地域限制和季節(jié)約束等問(wèn)題，而地?zé)岚l(fā)電可使能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，其用途廣、需求大，具有更好的應(yīng)用前景。受制于地?zé)岬刭|(zhì)條件與地?zé)豳Y源分布，中國(guó)高溫水熱型地?zé)豳Y源與人口稠密地區(qū)的分布具有不匹配性。因此，推動(dòng)地?zé)岚l(fā)電需向更深層、干熱巖或中低溫地?zé)岚l(fā)電的方向發(fā)展，形成完善的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)發(fā)電技術(shù)和雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)，可大幅推動(dòng)中國(guó)地?zé)豳Y源的應(yīng)用前景［20-21］。目前賦存在油田巨量的中低溫水熱型地?zé)豳Y源主要用于采暖，其開(kāi)發(fā)程度低，而發(fā)展中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)是高效開(kāi)發(fā)和有效動(dòng)用水熱型地?zé)豳Y源的有效途徑。

4.4 地?zé)岚樯Y源開(kāi)發(fā)

地?zé)崃黧w因其高溫和循環(huán)深度大，常溶解有其他種類的伴生元素和資源，在豐度達(dá)到富集成礦的地區(qū)，開(kāi)發(fā)地?zé)岬耐瑫r(shí)對(duì)這些伴生資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，可以提高項(xiàng)目的綜合效益。例如，在中國(guó)的渭河盆地，深大斷裂構(gòu)造發(fā)育，地?zé)崃黧w伴生有水溶氦氣［22-23］，這些氦氣可作為重要的戰(zhàn)略資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用；在中國(guó)四川盆地和柴達(dá)木盆地等膏巖地層發(fā)育區(qū)的地?zé)猁u水中，富含濃度較高的鋰元素［24-25］，鋰是目前全球廣受關(guān)注的礦產(chǎn)資源，是電池與其他一些電子元器件制備中不可或缺的材料，此外，地?zé)崃黧w中還富集鉀、硼及硫等元素。無(wú)論是地?zé)徇€是伴生資源，單獨(dú)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性都比較差，如果在開(kāi)發(fā)地?zé)岬耐瑫r(shí)進(jìn)行伴生資源的開(kāi)發(fā)利用，則可以大幅提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

4.5 地下儲(chǔ)熱

地下儲(chǔ)熱主要指以水或超臨界CO2為介質(zhì)，將地面間歇性能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、余熱等，以穩(wěn)定的熱能形式存儲(chǔ)于地下水體中的技術(shù)［26-27］。含水層儲(chǔ)能具有儲(chǔ)量大、成本低、跨季節(jié)等優(yōu)勢(shì)，可以綜合利用多種能源，彌補(bǔ)能源供需在時(shí)間和空間分布的不平衡，減少對(duì)礦物燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

中國(guó)西北、東北、華北等地區(qū)棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，城市和工業(yè)中的廢熱、余熱量巨大，既浪費(fèi)資源也對(duì)環(huán)境造成危害。若能將這些能源通過(guò)地下熱儲(chǔ)進(jìn)行儲(chǔ)存和利用［28-29］，形成“地球充電寶”［30］，即在非采暖期（夏季）將熱能儲(chǔ)存［31-32］，冬季用熱時(shí)再?gòu)牡叵绿崛。憧赏貙挼責(zé)衢_(kāi)發(fā)利用的應(yīng)用場(chǎng)景，大幅提高地?zé)犴?xiàng)目的質(zhì)量和生命周期。油田開(kāi)發(fā)后期的油氣田或油氣藏是最現(xiàn)實(shí)可行的地下儲(chǔ)能場(chǎng)所，不但儲(chǔ)集空間大、封閉性能好，而且多年的油氣勘探開(kāi)發(fā)掌握了熱儲(chǔ)的儲(chǔ)集性能、蓋層封閉、水動(dòng)力等各種參數(shù)，大量的廢棄井再利用，大幅降低了儲(chǔ)熱工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。

4.6 超臨界CO2地?zé)衢_(kāi)發(fā)與CO2封存

超臨界CO2作為一種優(yōu)良的傳熱流體，具有較大的可壓縮性和膨脹性，在地?zé)衢_(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的作用顯著：一是超臨界CO2臨界溫度較低，壓力較小，容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，便于工程應(yīng)用。二是可用作增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中的采熱工質(zhì)［33-34］，相比水工質(zhì)，在相同注采壓差下，其流量是水的1～6 倍，采熱效率是水的1.4～2.7 倍。此外，CO2是非極性溶劑，不易引起礦物的溶解和沉淀，從而降低了井筒和地面設(shè)備中結(jié)垢的可能性。三是超臨界CO2還可作為地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)［35-36］，以CO2為循環(huán)工質(zhì)，熱電轉(zhuǎn)換效率高、動(dòng)力設(shè)備和系統(tǒng)體積小、靈活性好。2021 年12 月8 日，中國(guó)華能集團(tuán)自主研發(fā)了目前世界參數(shù)指標(biāo)最高、容量最大的超臨界CO2發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，發(fā)電功率5 MW，且順利完成了72 h 試運(yùn)行。四是采用超臨界CO2開(kāi)發(fā)地?zé)幔砷g接達(dá)到地質(zhì)封存CO2的目的。CO2埋存是碳減排的重要策略之一，但單一的CO2地質(zhì)埋存費(fèi)用十分昂貴。利用沉積盆地地層中的天然孔隙作為超臨界CO2熱交換通道，提取地?zé)豳Y源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存，可大大降低CO2埋存的成本，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）隨著中國(guó)能源低碳化發(fā)展進(jìn)程的提速和“雙碳”目標(biāo)實(shí)施路徑的落地和實(shí)施，地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用即將進(jìn)入新的發(fā)展階段。最近發(fā)布的中國(guó)《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，明確指出要積極推進(jìn)地?zé)崮芤?guī)模化開(kāi)發(fā)。積極推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡?制冷，推動(dòng)中深層地?zé)崮芄┡幸?guī)劃、統(tǒng)一開(kāi)發(fā)。鼓勵(lì)開(kāi)展地?zé)崮芘c旅游業(yè)、種養(yǎng)殖業(yè)及工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的綜合利用，有序推動(dòng)地?zé)崮馨l(fā)電發(fā)展，標(biāo)志著地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)將進(jìn)入大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展階段。由于淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的環(huán)境與效率問(wèn)題、深井直接換熱的效率問(wèn)題以及干熱巖開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，分析認(rèn)為中深層水熱型地?zé)豳Y源將是當(dāng)今中國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的最主要和最現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域。

（2）富集在沉積盆地的油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)是未來(lái)地?zé)衢_(kāi)發(fā)的主體，是助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要內(nèi)容。一是油田地?zé)豳Y源十分豐富；二是油田有大量的廢棄井，可改造為地?zé)峋右岳茫蠓档偷責(zé)衢_(kāi)發(fā)成本；三是地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方式多樣，除用于大量油田生產(chǎn)用能、替代油田生產(chǎn)燃燒的天然氣、減少冬季保供壓力以及地?zé)岵膳猓€可以進(jìn)行中低溫地?zé)岚l(fā)電，同步開(kāi)發(fā)伴生的鉀、鋰、氦氣等伴生資源，提高地?zé)崮艿慕?jīng)濟(jì)效益；四是可以利用油田地下儲(chǔ)層進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)熱，同時(shí)進(jìn)行CO2封存，實(shí)現(xiàn)油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用的最大化。