河北省层状热储水热型地热资源计算评价关键技术研究

杜可炎 吕文斌 张 博 赵 阳

1. 河北省地质矿产勘查开发局第三水文工程地质大队（河北省地热资源开发研究所） 河北 衡水 053000

2. 河北省水文工程地质勘查院（河北省遥感中心）河北 石家庄 050000

1 河北省地热资源概况与发展前景

在当前国家“双碳”的战略部署下，地热资源作为一种清洁、零碳、可再生能源，将为助力双碳目标实现与打造优美生态环境提供重要资源保障。河北省地热资源丰富，分布广泛，储量位居全国前列，全省地热资源可采热资源量为200.3万亿kJ/a，地热水可采量为9.7亿m3/a，可支撑供暖面积约4.8亿m2。我省的地热资源开发利用始于上世纪80年代，2020年的地热水开采量为5476万m3，仅占可采资源量5.6%，开发利用程度较低，开采潜力巨大[1]。邻近天津市地热资源条件与我省相近，地热资源分布面积是我省的六分之一，但供暖面积与我省相当[2]。

我省自《关于促进全省地热能开发利用的实施意见》（冀发改能源〔2022〕239号）印发后，地热资源开发将获得空前发展，大批地热资源勘查工作正在或即将实施，资源计算已成为制约地热资源开发和管理的瓶颈，如何正确确定和评价地热资源的计算结果，成为当前最迫切需要解决的问题。

2 地热资源计算存在的问题

地热资源资源的方法种类多、计算结果差异大。比如，根据以往安国东部地热资源预可行性勘查中的资源量计算成果，馆陶组热储回灌条件下可采量，分别采用热突破公式法、单井开采权益保护半径法（100年降2℃）、平均布井法计算，计算结果分别为63.79×106m3、21.48×106m3、81.56×106m3，最大值和中间值分别为最小值的3.8倍和3倍，差距悬殊。究其原因，并非技术人员计算错误，也非不符合规范所规定的计算方法适用条件，而是普遍存在的客观情况[1]。

一般在进行地热资源可开采量时，采用多个计算方法分别计算的初衷是为了相互印证，以得到更准确的结果，若各结果之间差异悬殊，则远达不到相互印证的目的。基于以上问题，我们开展了各计算方法计算机理及适用性研究。

3 各计算方法的计算机理及适用性

目前主要使用的计算方法主要有解析法、统计分析法、可采系数法、热突破公式法、单井开采权益保护半径法、平均布井法、回收率法、数值模拟法等，种类繁多，各计算方法的计算机理各不相同，也有一定的适用条件。

①解析法，适用于面积较大的地热田，采用非稳定流泰斯公式计算单井的开采量、水位随开采时间的变化量，推导出在给定压力允许降深下地热流体的可采量，一般单井水位降深与区域水位降深之和不允许超过100m，该计算方法考虑了周围区域地热田的水量补给，热储面积越小，补给断面面积与热储面积的比值越大，补给水量占计算水量的比例越大，导致计算结果偏大，所以不适用于面积较小的地热田。该方法主要考虑水位因素，未考虑回灌因素和温度因素。

②统计分析法，适用于具有多年动态监测资料的地热田，采用水位埋深和累计开采量之间建立相关统计模型对勘查区地热资源开采量进行预测，对动态监测资料的要求较高，资料统计难度大，同时随着大规模回灌工作的开展，在回灌对热储压力的维持作用，不能全面考虑，其计算结果一般较保守。该方法主要考虑水位因素，未考虑回灌因素、温度因素。

③可采系数法：仅适用于地热远景区可采量计算，开采系数大小取决于热储岩性、孔隙裂隙发育情况及补给情况。孔隙型层状热储可采系数一般取3-5%，岩溶型层状热储取值5%。计算精度较低。对水位、温度未全面考虑，回灌因素未考虑[3]。

④热突破公式法：适用于开展了回灌工作的地热田。将热储层概化为隔水隔热均一等厚的热储层，热量只依靠对流方式传递，根据设定热突破时间，计算采灌井距，根据勘查区面积计算可布井数，从而计算回灌条件下的地热流体可开采量。考虑了温度因素、回灌因素，未考虑水位因素。

⑤单井开采权益保护半径法：适用于开展了回灌试验工作的热田，未考虑热储层的能量补给，以回灌条件下开采100年，热储温度下降2℃，且不发生热突破为计算基础。考虑了温度因素、回灌因素，未考虑水位因素。

⑥平均布井法：适用于开展了回灌试验工作的地热田，根据采灌井距平均布井，求取回灌条件下的地热流体可采量。考虑了温度因素、回灌因素、水位因素。

⑦回收率法：适用于地热资源调查阶段的计算，计算原理与可采系数法类似，计算主体由地热水变为了地热能，计算精度较低。对温度、回灌、水位因素考虑不全面。

⑧数值模拟法：适用于勘查程度较高的地热田，并且有一定时期的开采历史，具有比较齐全的监测资料，在可采量计算中，可以根据设定的水位温度与温度条件，计算地热流体可采量，充分考虑了温度因素、回灌因素、水位因素[4]。

4 地热资源开发利用的约束条件

根据地热资源评价方法的计算机理，结合我们近年来对地热资源计算的经验与研究，化繁就简，我们认为地热资源资源计算主要应受三个方面的条件约束，分别为水位、温度、回灌能力，即水位埋深与下降速度、储层温度下降幅度要控制在合理范围内，同时可以确保在开采条件下地热流体可以顺畅回到储层。只要接受了这三个条件的约束，我们就可以认为其所计算的地热资源量是可靠的，以该资源量为限值进行开采，其环境影响程度、资源保障程度就均在可控范围内。在上述的各种地热资源计算方法中，一般一种计算方法会考虑到一个、两个或三个上述的约束条件，考虑的条件越多，一般评价结果越准确，综合评定每种方法对约束条件的符合程度，即可确定地热资源评价的最终结果[5]。下面就三个约束条件分别论述：

4.1 水位

地热流体作为地热能提取的介质，其水头压力，即水位，直接代表着地热流体的丰富程度，也直接影响着地热资源的开采技术条件，水位下降过快，会大幅提高开采成本，也代表着地热流体已被过量开采，且回灌工作不到位。将水位设定为地热资源开发利用的约束条件是有必要的。

对于水位的约束，在不进行回灌或回灌量小于90%的地区尤为重要。目前的计算方法中对水位进行约束的，主要是解析法，约束开采100年，单井水位降深与区域水位降深之和不大于100m；二是地热开采单井资源量计算时，以水位降深不能超过20m，做为计算单井允许开采量的条件[6]。

对于回灌率达到95%以上的地区，水位问题可以不用过于担心。因为开采的只是热能，而动用的水量很少，一般不会造成区域性水位大幅度下降。

4.2 温度

除少量利用地热流体中有益成分的地热开发外，一般情况下，对地热能的利用才是地热资源开发利用中占绝对主导的利用方式。连续开采地热能，保证热储温降和回收率控制在可控范围内，确保其可持续性，是资源保障的关键。其中回收率，即地热资源开采的热量与总热量的比值，是政府部门资源量审批和是资源总量控制的重要依据，是开采热量与总热量关系的宏观体现。

目前常用的计算方法主要有单井开采权益保护半径法，即开采100年，热储的温度下降不超过2℃，与回收率法，即开采100年，热储回收率取15%两种，其中单井开采权益保护半径法设定的降温幅度过于保守，降温2℃时不同温度热储的回收率仅为2.67-8%，与热储回收率法中15%相差甚远，资源得不到有效利用，在不突破其他约束条件的基础上，降温幅度应灵活掌握[7]。

同时两种方法都存在着对不同温度地热田考虑不周的问题，对于温度较低的地热田，温度下降幅度过大，会导致热储回收率过大，资源利用得不到保障，比如热储中部温度为40℃与50℃时，降温6℃，回收率为24%与17.14%，超过了15%；对于温度较高的地热田，热储回收率过大，会导致热储降温幅度过大，资源也得不到保障，比如热储中部温度为80℃与90℃时，回收率取15%，热储降温幅度为9.75℃与11.25℃，超过了8℃。见表1、表2。

表1 不同热储降温幅度时的热储回收率

表2 热储取不同回收率时的热储降温幅度

为保障地热资源开采可持续和热储温度下降保持在可控条件下，一般我们认为地热资源计算结果，应同时满足开采100年热量不大于计算区域总热资源量的15%（回收率15%）、当热储温度在50℃时，热储降温幅度不超过5℃，且热储温度每升高10℃，热出温度降幅可增加1℃。

4.3 回灌能力

地热能是可再生能源，但地热流体是不可再生资源，近年来人们对供暖类地热利用尾水，必须进行回灌，已达成共识，热储回灌是环境保护的前提，为了保证回灌工作的顺利实施，热储的回灌能力显得尤为重要，但回灌量并不是越大越好，随着冷水的注入，可能会造成开采井水温下降，即发生热突破，同时回灌量过大，热储温度降低的问题会凸显，可能会导致热储温度下降过快，也可能造成开采井的水温降低，即热突破，所以人们所说的“以灌定采”，客观上说是不全面的，地热回灌作为资源量计算的约束条件，并不是唯一的，资源计算还应满足温度与水位的约束，一般来说回灌能力足够大时，温度的约束会凸显[8]。

5 结论与建议

我省的地热资源储量丰富，但目前利用程度较低，地热资源计算已成为了制约地热资源开发利用的瓶颈。目前，地热资源资源的方法种类多、计算结果差异大，本文详细论述了各评价方法的适用条件与计算机理，认为地热资源的计算应同时符合三个约束条件的约束，分别为水位（100年水下降不超过100m）、温度(热储温度下降不超过允许值)、回灌(单井回灌率不小于95%)。

水位作为约束条件会在不回灌或回灌量率较小的地区凸显；而热储温度下降是在回灌率较大的地区为防止热储温度下降造成地热资源破坏而提出的限制约束条件；回灌能力是确定可开采量的重要约束条件，目前河北省地热资源管理部门要求地热资源开采，实行“以灌定采”的原则控制单井地热资源开采量。原则上实行“一采一灌”配置开采井和回灌井。因此，各计算结果之间的取舍应该分别考虑不同计算方法对三个约束条件的符合程度，综合确定最终资源计算的评价结果。总的原则是“采的出，灌的进，有保障”，作为地热资源计算结果确定的基本原则[9]。