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地热资源开发利用新时代从雄安起航

来源: 中国石油报    责编: admin     发布时间:2018-01-24 18:42

为实现更快的技术进步和更大范围的推广应用,建议将地热资源利用纳入大气污染防治的总体规划之中。采取必要政策措施与资金扶持,引导地方加大推广力度,出台优惠政策,鼓励各类企业积极参与,提升开发效率和水平,逐步形成和发展绿色地热能源产业。

与化石能源相比,地热能具有强大的社会经济与环保优势,其利用过程中基本不排放污染物,也不会排放大量二氧化碳。与太阳能和风能相比,地热能是一种连续稳定的能源,一年365天、每天24小时稳定存在。而且地热利用效率高,可以做到“热电联产”,同时供应暖气和热水甚至冷能。

地球的地热总能量虽然巨大,但其分布很不均匀,要想加以经济合理的有效利用,需要找到资源聚集地,进行清晰的地热资源成因模式研究、准确的地热资源储量评价研究,不断开辟新的资源储备。这是地热资源规模化可持续利用的基础。

冬季是华北地区雾霾频发的时期,清洁取暖是从源头上治理雾霾的关键一环。华北地区地热资源丰富,其中京津冀地区最为丰富。“大华北要看京津冀,京津冀要看雄安新区”,雄安新区的地热是如何形成的?资源量多大?能满足多大规模供暖需求?是不是可再生的?如何可持续?会不会污染环境?

21世纪以来,我国集中开展了大型岩溶热储评价与开发关键技术研究。理论模型和现场实践结果均表明,华北地区广泛分布的碳酸盐岩储层中发育的大型岩溶热储,规模大,地热资源品质优,可以实施采灌平衡的大规模开发利用,属世界罕见,可以支撑地热供暖形成产业,替代燃煤,缓解该地区雾霾。

中科院的地热团队在华北地区开展了长期的地热研究。“六五”计划期间(1981年—1985 年),开展了系统的地温测量和大地热流测试,收集整理了石油勘探的地热资料,圈划出相对高温区域,开展地温场的数学模拟,探讨了该地区的构造—热演化特点。20 世纪90 年代,开展了冀东油田地热资源研究。“十一五”期间(2006年—2010 年),开展了华北地区深部煤矿山热害防治研究,针对煤层与碳酸盐岩热储组合结构,研究热量聚集与热害形成机理与分布特点。“十二五”期间(2011年—2015 年),开展了渤海湾盆地二氧化碳地质封存中的地热问题研究、典型热储成因分析与开发利用技术研究、大型岩溶热储对规模化开采的响应研究。此外,还有“华北克拉通破坏的地热模型制约”等基础性研究工作。

基于长期的研究,发现雄安新区地下蕴藏着极其丰富的地热资源。仅就地下3000米以浅的经济深度而论,就有三类地热资源和热储层可供利用。第一类是浅层地热能(位于地下200米以浅),可与地源热泵技术相结合,达到节能目的。地源热泵供暖效率通常比普通空调高4倍,比空气源热泵高2倍。此类地热资源的利用,采用地埋管换热方式,不破坏环境,节电、节煤效果显著。雄安新区浅层地热能在地下空间合理调配的基础上比较适合利用。第二类是砂岩热储(位于地下200米至3000米深度范围内),可以采用抽水加回灌的方式利用,可用于供暖或供热,替代燃煤,减缓雾霾。不过,此类热储层有一定局限性,主要缺点是有一些地区回灌比较难,平均只有30%回灌率,即每开采100立方米热水,只有30立方米左右可以顺利回灌到地下。剩下的部分,若排放到地表水体,则会带来污染,达不到清洁能源的要求。因此,此类资源应该慎用,可以实行以灌定产的政策加以调控。第三类是碳酸盐岩热储(位于地下1000米至3000米深度范围内),其中的中、晚元古界岩溶(喀斯特)特别发育,形成大型岩溶热储,可用于供暖或供热。在雄安新区,广泛分布着元古界雾迷山组白云岩热储,总厚度可达数千米,千米深处的温度在60摄氏度以上。其最大优点是出水量大,尾水可以100%回灌到地下,实现循环利用。

雄安新区以上三种类型地热资源都很丰富,如何持续开发利用呢?需要依靠先进的地热开采关键技术及示范工程。

地热资源开发利用技术经历了两代演变。第一代技术的基本特征是直采、直供、直排,但由于环保水准很低,现已放弃不用。第二代技术是采灌结合、用热不用水,环保水准很高,已经得到各地政府的重视和推广应用。在我国,浅层地热能的利用技术比较成熟。只要抓好严格监管等工程质量控制措施,大部分地方可以使用。实践中,一般鼓励地埋管模式的土壤源热泵系统,限制需要抽水的地下水源热泵系统,以保护珍贵的地下水资源。对于中深层砂岩热储,在回灌条件好的地方,普遍采用第二代技术,回灌技术也在不断进步中。对于基岩中的岩溶热储,逐步形成了规模化、产业化的地热开发利用技术体系,并进行了应用实践。

雄县地热供暖示范工程基于政产学研用相结合的方式,首次实现了地热利用高效率和接近零排放高水准的清洁能源利用双重目标,迄今已经平稳运行了8年。2014年年初,国家能源局开始把雄县地热供暖的示范项目向北方地区推广。

在过去20年里,我国地热资源直接利用总量一直处于世界第一的位置,目前还比美国高1倍以上。同时,一般供热系统的主体设备都是国产化的,因而技术基础较好。在尾水回灌技术上,通过持续探索,形成了可支持规模化开发利用的热储回灌技术系列。雄县地热田回灌始于2010年,地热尾水的回灌避免了地表排放带来的污染,也有效地减缓了热储压力的下降。

雄安新区地热开发如何可持续?采灌井的合理布局和最优井距是地热田优化开采极为关键的两方面内容,关系到企业的生产成本和热田的使用寿命。为此,研究团队建立了一套用于评价热田合理布局和最优井距的方法,雄县地热田在对井模式下,采灌井最优井距为400米。

为实现更快的技术进步和更大范围的推广应用,建议将地热资源利用纳入大气污染防治的总体规划之中。采取必要政策措施与资金扶持,引导地方加大推广力度,出台优惠政策,鼓励各类企业积极参与,提升开发效率和水平,逐步形成和发展绿色地热能源产业。

同时,进一步加强地热资源勘查,查清更深层地热储层发育状况和地热资源开发利用条件。在雄县模式的基础上,雄安新区应该立足于高起点、高标准、高水平的地热资源开发利用;在容积率比较低的住宅区,可采用浅层地热能供暖,地源热泵是新型节能技术,在地下空间合理协调的前提下,应该充分加以利用;在集中办公区域宜采用中深层地热能供暖。

依托地热,多能互补。一方面,加强地热系统运行的长期动态监测和定量化热储模拟;另一方面,对于砂岩热储和岩溶热储开发利用条件稍差的地方,开展储层改造技术研发和试验。同时,鼓励探索以地热能为主体,多种清洁能源融合的“地热+”第三代技术的研发与应用示范。

(作者为中国科学院地热资源研究中心主任。本报记者王巧然根据其在2018第三届中国地热产业发展与地源热泵创新技术大会上的发言整理)

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