中深层U型井供热技术原理与实践

罗娜宁，刘 林，申小龙，刘 军，赵 真，原博晨

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021；2.中石化绿源地热能开发有限公司，河北 雄县 071800)

0 引言

地热能是蕴藏在地球内部的热能，是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源[1]。地热能具有持续稳定、高效、可再生的特点，其开发利用可减少温室气体排放，改善生态环境，在未来清洁能源发展中占重要地位，有望成为能源结构转型的关键能源之一[2-3]。

按照分布位置和赋存状态，地热资源通常分为浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩地热资源以及岩浆型地热资源[4]。浅层地热能适用性较广，是我国目前地热供暖制冷的主力[5]，但其缺点显著，即占地面积大，尤其对老旧改造小区实施相对困难；水热型地热能供热效率高，但是对资源条件依赖性强，而干热岩地热资源必须采用人工建造地热储和人工流体循环的方式加以开采，因开发技术及高额成本等因素，我国还处于科学研究及探索阶段[6-8]；岩浆型地热资源在目前经济技术条件下尚无法开采。为有效利用地热能，并克服以上资源类型的利用难点，近些年国内兴起了中深层地埋管换热技术(亦有部分学者和供热企业称作深井换热、中深层地源热泵、套管换热、无干扰供热等)，其特点以中深层热储为热源，通过循环工质与周围岩体/土体进行传导换热，从而实现“取热不取水”清洁开发地热能[9-11]。由于该技术无需考虑开采地下热水、不存在腐蚀、结垢和不能回灌造成的不良后果，受到了业界的广泛关注。但是，深井换热技术的发展瓶颈极其显著，因为它的供热量有限[12-19]，亟需新的技术模式。

在此背景之下，中深层U型井供热技术应运而生。国内已在陕西、河北等地实施了多项中深层U型井供热实例，现阶段均为科研测试阶段，文献中仅建有对地热U型井水平段换热能力及温度分布规律的研究，如唐胜利等利用ANSYS FLUENT软件对关中地区U型地热井水平井段换热过程进行数值模拟，研究了不同注水流量下水平井段换热能力的规律[20]；张育平等根据关中盆地地温和地温梯度的变化规律，建议了钻井深度[21]。但是，未见有对中深层U型井供热技术的系统总结。本文将回顾U型井技术的发展历程，重点评述中深层U型井供热技术及其实践经验，以服务于地热能的清洁开发利用。

1 U型井技术

1.1 技术定义

U型井技术又叫U型水平连通井技术，是长距离实现水平井与直井连通的钻井技术，两口不同位置的直井与水平井、定向井与水平井或定向井与定向井在同一目的层连通。此外，U型井组也可以由1口直井和1口或多口水平井组成[22-23]。U型井技术最早产生于开采食盐及盐卤的生产实践，由水平井段注入水溶解盐类后由直井排出，后被引入石油、天然气及煤层气开采领域[24]。

1.2 技术现状

U型井技术在煤层气的开采过程中得到了大量改进和发展，通过对U型井技术在煤层气开发过程中取得的进展和遇到的问题进行回顾，对U型井技术用于供热具有显著的借鉴意义。国内煤层气储层地质构造相对复杂,高陡构造煤层、高含水煤储层的煤层气资源丰富，但常规的直井不能满足此类煤层气高效勘探开发需求[25]。U型井钻采技术充分结合直井和定向井的优势，利用液体势能原理对煤储层进行排水降压采气，缩短富水煤层的排水周期，以便更快更多地解析出煤层气，从而提高开发煤层气的效率；此外，U型井可以最大限度地沟通割理[26]，在较长水平段钻进过程中保持井壁稳定；水平井及直井同时开采也增加了采气量。

U型井技术集成了地质导向技术、水平井技术、井眼连通以及欠平衡钻井等技术。国外对我国煤层气钻采技术实行严格封锁和保密，目前我国煤层气U型井钻完井及压裂技术研究刚处于起步阶段[27]，钻井过程中井壁失稳、煤层损害，完井多为裸眼或筛管完井导致完井效果差等难题虽依然存在，但进展亦十分显著：

(1)现阶段国内已开发出多种煤层专用钻井液，现场应用表明其稳定井壁效果显著；

(2)国内已开展钻井筛管完井、充气欠平衡钻井、分段压裂等U型井钻完井新技术研究[27-28]；

(3)远距离连通技术是U型井开发的核心技术，现阶段已取得较好的成绩。专有井眼连通技术可以实时检测控制钻进轨迹，为定向提供距离和方位参数，即时调整工具面，指导钻头向洞穴井钻进，实现水平井与洞穴井较好连通[28]。

(4)组合U型井钻采技术的优化设计，可实现多口U型井共用一口直井进行排采，从而节约地面资源，发挥一井多用的作用。

2 中深层U型井供热技术原理与实践

2.1 技术定义

U型井应用于中深层地热供热系统的技术原理是在U型对接井中泵入循环工质，经水平井段及直井从中深层岩土体中吸收热量，后由直井出水供至热泵供暖系统，降温再返回U型井井下换热系统，从而实现“取热不取水”清洁供热。

图1 中深层U型井供热技术概念图

2.2 供热实践

我国自2016年起，陆续采用中深层U型井供热技术[29]，目前共有3个供热项目，其中两个位于陕西西安、一个位于河北邯郸(表1)。鉴于中深层U型井供热项技术目前均处于起步阶段，实际供暖效果仍有待于评价。

表1 中深层U型井供热技术实例

表1中，我们总结对比了国内现有中深层U型井技术供热项目实例，可以看出：

(1)已有案例多开展在回灌难度较大但井底温度较高的砂岩或者泥岩储层；

(2)钻井实施深度均在2 000～3 000 m之间，水平井长度则在150～700 m之间；

(3)供热能力与井底温度以及水平井长度相关：在水平井长度相近时，井底温度越高，供热能力越强；在井底温度接近时，水平井长度越长，供热能力越高。

3 中深层U型井供热技术优缺点分析

考虑中深层U型井技术的供热属性，本文将它与其他常见的供热技术进行对比，重点比较其经济性与适用性(表2)。根据国家能源局综合司发布的《关于促进可再生能源供热的意见》附件2中各类能源供暖技术经济性比较表，燃煤锅炉与燃气锅炉等常规供热技术在初投资方面优势较大，但运行费用过高[30]。土壤源热泵、中深层水热型和中深层同轴套管型地热供热成本数据为自有项目经济测评结论。中深层U型井地热供热成本为国内工程实例调研计算得出。表中投资成本和运行成本按照我国北方地区居民住宅采暖用热量、电价、燃料价格等测算。

表2 不同供热技术的经济性与适用性对比

(1)经济性：地热开发利用的投资成本显然高于天然气和燃煤锅炉供热技术，但是其运行成本明显较低。在地热开发技术之中，中深层U型井供热技术的投资成本最高，其次为中深层地埋管，中深层水热和土壤源热泵则相对较低；而从运行成本来看，中深层U型井供热技术则居于中深层水热和其他地热开发利用技术之间。

(2)适用性：中深层U型井的适用性可与传统的燃煤与燃气锅炉供暖系统相媲美，几乎不受气候、地质条件限制，可用于分散式及集中供热。相比之下，中深层水热和土壤源热泵技术所受限制则较多。

(3)推广价值：综合分析不同技术的经济性与实用性，同时考虑各技术的优缺点，从环保以及管理角度，中深层U型井具备一定的推广价值，尤其是在污染重且水热与地源热泵技术不适用的地区，环境友好，节能效果显著，推广价值大。

4 技术前瞻

综上，将U型井技术应用于中深层地热开发利用，其取热原理为“热传导”，因此若要增加换热量，主要措施为增加地热井管长度和高温热储层间的接触面积[34-36]：一方面可以延长水平井长度，另一方面可以对地热井井径、循环介质的流速与温度等进行优化。为推广应用中深层U型井供热技术，以下几点是未来的突破瓶颈：

(1)水平井段极限长度

一般而言，给定岩土体热物性参数，如岩土体热导率、地温梯度等、以及工程参数如地热井深度、井径、注入介质比热容、密度、温度、流量等条件，若增长水平段长度，则可提高换热量，且在一定范围内提高幅度较大；水平井达到一定长度后，继续增加长度对换热量影响幅度会变小。这是由于在水平段长度较短时，岩土体还没有对井筒内流体充分加热就从水平段流出导致温度较低，且温差越大导致换热效率更高。而在水平段较长时，注入流体在水平段加热时间较长且已基本达到岩土体所能加热的最高温度，这时再增加水平井长度并不能有效提高温度达到增加换热量的目的。因此，理论上存在水平井段极限长度。工程应用中应考虑施工难度、经济成本及项目整体效益选取最为科学经济的水平井长度。

(2)经济评估

表2中的中深层U型井供热技术经济成本分析仅为初步概算，而具体的成本分析有待于充分考虑地质条件、市场需求以及施工工艺本身的综合演算。地热开发利用项目建设投资包含工程费用、工程建设其他费用、预备费、资金筹措费及铺底流动资金。其中工程费用占比最大，包含钻井费用、能源站内各设备材料购置费、建筑安装费用等。U型井深井换热地热供暖项目可行性分析中，影响各主要技术经济指标的最大的影响因素为单位热量钻井成本，U型井钻孔越深，水平井段越长，钻井难度及成本相应增加。单井采热功率小，可利用单位热量成本高昂，应进一步优化钻井设计提高换热量，降低钻井成本，使中深层U型井供热技术更具备市场竞争性。

(3)施工工艺

如前文所述，U型井钻井技术在煤层气领域已有较大进展，但在中深层地热开发领域则未崭露头角。地热钻井施工有其特殊性，比如对保温要求十分高。在采用中深层U型井供热技术时，通常采用水平对接井工艺，分为直井、对接井和水平井段三部分，其埋管均为石油钢管。在直井段要做好保温工作，而在水平井段则要做好传热工作。此外，施工过程务必采用全井段固井并试压，以阻隔深层地热承压水的串层上涌或管内循环水泄露，防止有害组分污染浅部含水层。

(4)适宜区评价

为有效推广中深层U型井供热技术，应严格做好中深层地热能供暖项目的前期地质勘查工作，对不同地区的地下基岩的可钻性、地温梯度的大小、最佳深度温度组合、是否有合适的水平段选取等综合考虑，结合市场需求与技术经济性，开展我国北方不同地区的适宜性评价，以有效指导生产。

(5)标准建设

深井换热供暖系统包含U型井、一二次管网、热泵机房三部分建设。项目建设重点及难点在于U型井及井下换热器的设计施工。目前还未出台相应的标准及规范。笔者认为应采用石油钻探工艺技术，严格进行钻井标准化施工，同时可以借鉴住房和城乡建设部正在征求意见的《地源热泵系统工程技术规范》。此外，陕西省工程建设标准《中深层无干扰地热供热系统应用技术规程》的编制正在进行中。未来还应继续开展长期、细致的地热深井换热实验研究工作，并针对深井换热装置、深井换热岩土层热物性的现场测试和计算方法等编制中深层地热能深井换热应用标准。建立完善资源勘查与评价、项目开发与评估、加强项目全过程管理、环境监测与保护等各环节有效衔接的监管机制，规范市场主体行为。

5 结论

(1)中深层U型井供热技术作为地热清洁供暖新技术，与本文中列举的其他清洁能源技术相比，普适性强，在清洁能源需求迫切区域应用潜力较大，尤其是在水热型地热资源条件较差的区域，具有显著的推广价值。

(2)U型井水平井段存在极限长度，工程应用中应考虑施工难度、经济成本及项目整体效益，选取最为科学经济的水平井长度。

(3)中深层U型井供热技术未来发展可期，在优化利用、经济评估、施工工艺、适宜区评价和标准建设方面，具备较大工作空间，应加强研究。