山东省砂岩热储地热资源开发利用模式探讨

秦耀军,张平平

(山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，山东 德州 253072)

0 引言

地热资源是一种绿色低碳的清洁能源，具有清洁环保、储量大、分布广、易开发、利用成本低、稳定可靠等优点[1]。山东省砂岩热储地热资源主要开采集中在鲁西北地热区，热储为馆陶组和东营组热储，地热资源埋深大，天然条件下基本上处于静止状态，地热水的补给微弱，属于不可恢复的消耗型资源[2]。科学利用、合理开发地热资源，实现地热资源的可持续开发利用，对发挥其绿色能源优势，改善能源结构，服务山东省新旧动能转换具有重要意义。

近年来随着鲁北地区供暖地热井逐年增加，地热开发利用方式单一、热利用率低、设备使用寿命短、尾水直排等导致热储压力逐年下降，同时造成了水资源的严重浪费，环境污染等问题凸显[3-4]，这与我国建设资源节约型社会的主旨相悖。该文以地热资源赋存条件、水质特征结合开发利用现状及存在的问题，对山东省砂岩热储地热资源开发利用模式进行探讨，以工程实例示范推进地热供暖产业的健康发展。

1 区域地质条件

1.1 区域地质构造

鲁北地区在大地构造单元上属于华北板块(Ⅰ级)的华北坳陷区Ⅰ(Ⅱ级)。中新生代以来，受喜马拉雅运动与燕山运动的影响，断裂构造发育，形成凸凹相间的Ⅲ级构造单元，聊城-兰考断裂、齐河-广饶断裂将其划分为济阳坳陷Ⅰa(Ⅲ级)、临清坳陷Ⅰb(Ⅲ级)2个Ⅲ级构造单元[5]。

区内新近纪以来的断裂格架及活动特征，主要表现为断块运动和对古近纪及其前的构造继承性活动，区内对Ⅱ、Ⅲ级构造单元的分布具有控制作用的分界断裂主要有：聊城-兰考断裂带、齐河-广饶断裂带、沧东断裂、边临镇-羊二庄断裂、陵县-老黄河口断裂[6]。

1.2 区域地层条件

鲁北地区位于华北地台的东部，为广阔平坦的平原区，被第四系沉积物覆盖。区内自中新世以来，受差异性升降运动的影响，一直缓慢下沉，沉积了巨厚的新生代地层。区内主要开采地热水主要赋存在新近纪馆陶组和古近纪东营组地层中。

2 地热资源条件

2.1 热储埋藏分布条件

馆陶组热储在全区均有分布。受区域构造和基底起伏的控制，在凸起区埋藏浅、厚度薄，凹陷区埋藏深、厚度大(图1)。底板埋深一般为1000～1700m，最深可达2300m。热储厚度一般为250～400m。砂岩占热储厚度的30%～40%，单层厚度平均为10～20m；在垂向上具有上细下粗的正旋回特征；在水平方向上具有南部、东部颗粒粗，中部、西部颗粒细的特征。在取水段1000～1500m深度内，单井出水量为40～80m3/h。热水矿化度为4～20g/L，水化学类型以Cl-Na型为主，井口水温一般为45～65℃，属温热水-热水型地热资源[7-12]。

该热储主要分布在东营、惠民、沾化、车镇、德州、临清等凹陷区内。在济阳拗陷、临清拗陷的凸起区缺失。总的分布特征是沉积厚度和层底埋深受基底起伏和区域构造的控制，在拗陷、凹陷盆地的中心厚度最大，在盆地边缘薄，分布不稳定，自西向东、自南向北有变厚趋势。热储砂岩累计厚度10～200m，单井出水量为30～60m3/h，矿化度为7～20g/L，水化学类型为Cl-Na,Cl·SO4-Na·Ca型，井口水温为50～70℃，属温热水-热水型地热资源。富含对人体有益的多种微量及放射性元素[7-11]。

2.2 热储岩石特征

2.2.1 热储砂岩岩性与岩石结构

馆陶组热储岩性主要为河流相、冲积扇相的细砂岩、粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩。砂岩主要为颗粒支撑结构，分选中等，多为泥质胶结，少量为钙质胶结，局部有铁质胶结，以孔隙式胶结为主。热储层砂岩为中粒、中细粒结构，块状构造为主，鉴定名称为中细粒、中粒长石砂岩、泥质胶结中粒长石砂岩。热储砂岩由上至下颗粒逐渐变粗，上部0.075～0.25mm与0.25～0.5mm的颗粒各占40%左右，0.075～0.25mm颗粒最大可达60%，0.5～2mm的颗粒在6%左右；而下部颗粒直径明显增大，0.075～0.25mm颗粒占10%～23%，0.25～0.5mm的颗粒所占比例大，占42%～53%，0.5～2mm的颗粒在22%～34%左右。

1—第四纪平原组；2—新近纪明化镇组；3—新近纪馆陶组；4—古近纪东营组；5—古近纪孔店组—沙河街组；6—侏罗—白垩系；7—石炭—二叠系；8—寒武—奥陶系；9—地层界线(波浪线为不整合接触分界线)；10—断裂构造线图1 鲁北地区地热地质剖面图

2.2.2 热储砂岩矿物成分

根据馆陶组热储砂岩岩矿鉴定资料：岩石主要由岩屑、晶屑和胶结物组成，碎屑颗粒中大部分样品的石英含量大于75%,沉积岩岩屑为2%～15%。胶结物以泥质为主，不透明矿物呈粒状分散分布(图2)，碎屑粒径为0.03～2mm，以0.2～lmm为主，主要为中、细晶。

a—薄片；b—光片图2 岩心光片

2.2.3 热储砂岩孔隙特征

区内馆陶组热储砂岩孔隙基本属于粒间孔隙，形态不规则，沿一定方向分布，约0.001～0.6mm，以0.01～0.25mm为主，喉道类型属于孔隙缩小型喉道，孔隙结构属于大孔粗喉；孔隙度约5%～30%，多为10%～20%，沉积矿物为颗粒支撑，多呈棱角状，分选性、磨圆度均较差，呈棱角状，沿一定方向分布。根据综合测井解译，孔隙度22%～38%左右。

3 开发利用现状及存在的问题

3.1 地热资源开发利用现状

目前，鲁北地区地热井800余眼，主要分布在各市(县)的城区，全年开采量约1.07亿m3(图3)，主要用于供暖，其次是洗浴与疗养、种植、养殖，其中供暖用水10120万m3/a，约占开采量的94.6%；温室种植、育苗养殖用水356万m3/a，约占开采量的3.33%，洗浴、泳池等娱乐用水208万m3/a，约占开采量的1.94%(图4)。

图3 鲁北地区地热井及开采量分布图

图4 鲁北地区地热资源开发利用方式占比图(%)

3.2 地热资源开发利用存在的问题

3.2.1 利用形式单一、地热利用率低

目前区内地热井主要用于供暖，部分用于居民洗浴，仅少部分用于理疗、娱乐及温室种植等，利用模式单一，尾水温度过高，尚未梯级利用，热利用率低。

3.2.2 技术、设备落后，经济效益不高

区内新技术、新设备(如热泵技术、低温地板辐射采暖技术、信息技术等)研究和应用推广滞后。高矿化度的地热水对地热设备及供暖末端腐蚀较严重，设备使用寿命较短，经济效益不高。

3.2.3 尾水直排导致地质环境问题突出

地热资源被开发利用后，未进行回灌，大量地热尾水直接排放，导致资源的浪费严重，水位下降迅速，多地已由初建井时的自流状态变为水位地面以下数十米，并在多城区形成不同程度的地热水降落漏斗，导致吊泵、开发利用成本增加、取水困难、资源枯竭等问题。另一方面，地热尾水直排入低水温、低矿化度的河道、田地内，也造成了不同程度的热污染、水土污染。

4 砂岩热储地热资源开发利用模式

4.1 地热供暖方式

结合目前地热资源的现有开采程度及需求，解决北方清洁能源供暖仍然为地热资源主要利用方向。而目前区内供暖方式以直供为主，地热水直接式供热系统的优点是可减少热损失，但缺点是地热水质较差，对供水管道腐蚀性严重，设备使用寿命短，且不利于维护。采用换热器换热供暖方式能很好地解决上述问题。

4.2 梯级利用、多级取热模式

地热资源利用领域广泛，根据不同利用领域的温度需求，可形成梯级利用，多级取热的模式。如：温度90℃以上地热水可用于干燥有机物、烘干羊毛制品、烘制干鱼、化冻等；60～80℃地热水可用于供暖、农业温室、孵化等；40～60℃地热水可用于供暖、种植、洗浴、土壤加温等；20～40℃地热水可用于淋浴、游泳、养殖、化冰、融雪等[12]。其中地热供暖根据末端采暖方式，可以分为散热器采暖和地板辐射采暖，将散热器采暖用户利用后的回水水温控制在一定温度范围内即可满足地板辐射采暖及洗浴的要求。另外，区内地热供暖后的尾水水温一般在30℃以上，相对浅层地温能地热资源，尚有很大的温差利用空间，热泵技术能有效进一步提取热量，提高地热水的热利率。

4.3 尾水回灌的采灌均衡模式

为避免已有地热井“消耗型”、“粗放型”开采方式所带来的地质环境问题，同时实现地热资源的可持续循环开发利用，应进行地热供暖尾水回灌。地热供暖尾水回灌，能有效减缓地热水位下降、维持热储层压力；维持已有地热井的持续稳定开采，避免因水位下降造成井的报废；减少地热流体排放对环境的污染；避免水热资源浪费，实现可持续开发[13-14]。

5 地热开发利用工程实例

5.1 地热利用工程简介

地热利用工程位于德州市水文家园。小区建筑面积共5.66万m2，由一眼地热井供暖。目前采用地热水直供的方式进行采暖，分为二级。一级为暖气片采暖，面积约3.56万m2，水量约90m3/h，进水温度55℃，出水温度为40～45℃，综合取值42℃；一级供暖后，尾水部分供给洗浴，另一部分为二级地板辐射采暖，供暖面积2.1万m2，水量约70m3/h，出水温度约为30℃(图5)。供暖期最冷的天数1个月左右。上述供暖条件下，暖气片采暖室温较低15～17℃，二级地板辐射室温20～23℃。由于地热水矿化度在5g/L左右，对管道具有一定程度的腐蚀，且暖气片内结垢严重，导致住户室内温度不高。

图5 梯级供暖示意图

5.2 示范工程建设与示范

5.2.1 设计理念

本着科学、节能、环保、适用的设计理念：采用换热技术，有效避免地热水对末端散热器的腐蚀；采用梯级综合利用方式，进行二次换热；一级换热后部分地热水直接进入地板辐射采暖。另一部分用于洗浴；利用热泵技术提热，提高热利用率；结合阶梯电价与日供暖需求，控制热泵开启时间、峰值等参数；供暖尾水经过过滤设备回灌入井，实现地热的可持续开发利用。

5.2.2 工程建设

根据工程需求，主要保留了暖气片采暖、地板辐射采暖和洗浴利用方式，增设相应设备，完善工艺流程(图6)。

图6 地热供暖-洗浴利用工艺流程图

由于地热水提取过程中，随着水流会带出热储砂层的细小悬浮砂砾，因此在地热水开采提取端应设置除砂器。

由于暖气片多为铸铁散热器，为减少地热水直供对其结垢的影响，采用换热技术，供暖侧采用软化水循环。地板辐射采暖一般采用塑料管道(PEX，PB，PP-R和PER)，采用地热水直接供暖方式。

工程建设中为满足供暖需求，分别对暖气片、地板辐射采暖住房的供热负荷进行了计算，综合地热水温度，在满足暖气片采暖需求条件下，55℃,90m3/h地热水换热后，温度可在42℃以上，既可满足地板辐射的采暖需求，又可用于洗浴和游泳使用。

由于暖气片采暖用户房屋建筑时间相对较长，保温性能差，在温差变动大的极寒天气，室温稳定性差，地板辐射采暖后30℃的地热尾水，可通过二次换热，将热量通过热泵机组提问调峰后，作为补充热源提供给暖气片采暖用户。另一方面，热泵机组的使用，降低了地热尾水温度，提高了地热水热利用率。二次换热后的地热尾水经过地面净化设备(过滤、排气等)灌入回灌井，实现地热水的循环可持续开发利用[15-18]。

5.2.3 工程示范效果

已建成集供暖、洗浴利用方式，换热、热泵、梯级开发、回灌技术，自动化监测与回灌展示于一体的综合性供热站房。建成泵房供暖沙盘模型(图7)，可视化实时监测系统、多功能展示厅(图8)，多功能分区泵房(图9)，用于展示工程示范作用。

图7 供暖沙盘模型

图8 可视化实时监测系统

图9 多功能分区泵房

在保证居民室温同时，2016—2018年的连续2个供暖季供暖-回灌运行，根据实际供暖面积需求，除去洗浴用水部分水量，地热供暖尾水100%回灌，最大自然稳定回灌量60m3/h，实现了地热资源的循环可持续利用(图10)。

图10 2016—2018年2个供暖地热回灌量动态曲线

6 结论

(1)山东省砂岩热储地热资源主要集中在鲁北地区，地热资源分布广、易开发，以市县城区住宅小区供暖为主，少量用于洗浴。

(2)区内主要利用的热储层为新近纪馆陶组和古近纪东营组砂岩热储。

(3)采用适宜的地热梯级开发利用模式，可有效提高地热资源热利用率，延长设备使用寿命，提高经济效益。

(4)德州市水文家园地热开发利用示范工程，成功实现砂岩热储地热生产性回灌，为实现地热采灌均衡的开发模式应用起到了示范和推动作用。