渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析.pdf

陕西地质 GEOLOGY OF SHAANXI第 41 卷 第 1 期2023 年 6 月Vol.41 No.1June，202354渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析张鹏飞1，陈建兵2（1.西安沣东热力有限公司，陕西 西安 710018；2.陕西地矿集团有限公司陕西 西安 700054）摘要：渭河盆地地热资源丰富，开发利用历史悠久，以洗浴、供热为主，但原有开发模式属掠夺式开发利用，对资源损害较大，近年来中深层地埋管供热技术的研究使用，开创了一种新型利用模式，也激发了渭河盆地地热资源开发利用的新高潮。本文通过分析渭河盆地地热资源特征及中深层地热资源开发利用现状，结合高校、科研、企事业单位在中深层地埋管供热技术的研究，结合工作实际，对中深层地埋管供热技术进行了初步探析，大致了解了中深层地埋管供热技术的研究现状，分析出其中存在的地埋管传热机理复杂、持续换热稳定性低、换热效率较低等问题，提出下一步的研究方向。关键词：地热资源；渭河盆地；中深层地埋管；开发利用；中图分类号：TK529 文献标志码：A 文章编号：1001-6996（2023）01-0054-06渭河盆地地热资源丰富，地热资源开发利用历史悠久。如临潼华清池、蓝田石门汤和眉县凤泉汤等温泉早已被古人用于浴疗。随着地质科学技术的发展，对地热水的勘查开发在不断深入，开发深度从不足300m到超过4000m，利用方式为直接开采利用，主要用于沐浴、疗养、采暖、养殖和工业生产用水等，地热水年开采量持续增加，对地热资源掠夺式开发造成了地下水位急剧下降、水量锐减，地热开发热度有所减缓，近年来，随着中深层地热地埋管供热技术的快速发展和广泛应用，地热资源开发又重新焕发了新机。1.渭河盆地地热地质特征1.1 地质构造特征渭河盆地所处的构造部位较为独特，为北部的欧亚板块系统、西南部的特提斯板块系统和东-东南部环太平洋板块系统相交接的地带。北临鄂尔多斯地块、南接秦岭褶皱带，东靠山西隆起带，西段与六盘山断裂带相连，是一个东西向狭长的新生代断陷盆地，盆地内自西向东可划分为：宝鸡凸起、咸礼凸起、西安凹陷、临蓝凸起、固市凹陷、蒲城凸起六个构造断块（图 1）。1.2 地层与热储1.2.1 地层及沉积特征依据汾渭盆地石油普查阶段地质成果报告地层划分原则与地热井成井资料，结合各类物探勘探解释成果，3000m 以内沉积地层自下而上划分为：古近系渐新统残积层（E3），新近系中新统高陵群（N1gl），上新统蓝田灞河组（N21l+b）、张家坡组（N22z），第四系三门组（Q1s）、秦川群（Q2 4qc）。盆地内新近系沉积物南粗北细，西粗东细。高陵群以相对粗粒的冲积扇、扇三角洲、河流相沉积为主；蓝田灞河组、张家坡组以扇三角洲、河流三角洲和湖相沉积为主。1.2.2 储层分布及其特征渭河盆地地热地质条件优越，具有多个热源、水源和多套隔热层。新生代以来，渭河盆地发生大幅度的沉陷，堆积了古近系、新近系及第四系沉积物，最大沉积厚度逾 7000m，其中新近系高陵群、蓝田-灞河组、张家坡组是最主要的砂岩热储层段，具有较高的开发利用价值，古近系残积层物性较差，为次要热储层，第四系地层为区域盖层。以上地层沉积具有作者简介：张鹏飞，男，37岁，高级工程师，长期从事石油和地热能开发利用等工作。E-mail：。55张鹏飞等：渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析较强的储温、保温作用，为渭河盆地地热开发利用及现阶段中深层地埋管技术应用提供坚实的基础。盆地内已开发区域内，武功、兴平、咸阳一带是蓝田灞河组的优势产水区，蓝田灞河组中下段为最优储层；周至、西安蓝田灞河组、高陵群两层产水能力相当，靠近骊山凸起高陵群上部比中下部好。盆地内蓝田灞河组、高陵群中上段以河流三角洲前缘和滨浅湖滩坝砂体为主，砂体物性、连通性好，有效厚度大，产水量较大。结合沉积相与产水情况进行综合分析认识，新近系砂岩热储发育受沉积相展布影响，三角洲、河流、滨浅湖滩坝砂体储集条件好，物性优，有利于地下水流动和富集。优质砂体分布区是地下水的优势运移通道和储集区。新近系优质砂体主要分布在渭北断裂、口镇关山断裂以南至余下铁炉子断裂以北。砂体南厚北薄、东厚西薄。高陵群靠近北侧秦岭山前，砂体厚度 50-250m；蓝田灞河组砂体面积最大，厚度 100-400m；张家坡组砂体厚度相对薄。1.3 地温场特征1.3.1 深部热背景渭河盆地所处位置的莫霍面呈明显的隆起形态（图 2），莫霍面埋深不足 40km，向南北两侧山区或隆起区莫霍面埋深明显增大且表现为南陡北缓的明显不对称性。反映深层温度界面的居里面（600-650），在渭河盆地呈隆起状态（图 3），咸阳地区埋深仅 22km，向周缘地区埋深加大，表明了渭河盆地现在仍处于相对较热的地壳深部热状态。莫霍面及居里面的上隆，使渭河盆地地温较高，实测盆地大地热流值平均高达 71.6 mW/m2，比全球平均热流值61.1mW/m2高出很多，在盆地的主体沉降部位西安凹陷和固市凹陷区，平均地温梯度 3/100m。西安凹陷的大地热流背景高于咸礼凸起，相比于盆地其他构造单元则更高。这种深部的热背景，是西安凹陷内中深层传导型热储普遍具有较高温度的基础条件。1.3.2 地温变化特征恒温层以下，地温随深度的增加而升高，在不同的地层岩性中或构造不同位置，地温与深度曲线的斜率和形态有一定的差异。一般来说，泥岩层地温增幅大，而砂岩层增幅相对较小；在断裂带附近，地温在局部层位可能发生突变。地温场的水平分布南北方向表现为由渭河北侧断裂向渭河之南地温梯度逐渐变低、东西方向有西高东低的特点。越靠近主干断裂带，地温梯度越高；越远离主干断裂带，地温梯度越低。地温梯度的高值区与断裂带的走向和位置基本一致。图 1 渭河盆地构造分区图Figure 1.Tectonic zoning map of Weihe Basin56张鹏飞等：渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析图 2 渭河盆地及邻区莫霍面等深线图Figure 2.A batymetric chart of the Moho surface in the Weihe Basin and its adjacent areas图 3 渭河盆地及邻区居里面等深线图Figure 3.A batymetric chart of the Juli surface in the Weihe Basin and its adjacent areas2.中深层地热资源开发利用2.1 中深层地热资源开发利用现状目前中深层地热资源开发主要有地热水直接开采、采灌系统平衡和中深层地热地埋管供热三种方式。地热水直接开采利用就是直接开采地热水，用于洗浴或经地面热交换后向用户供热，供热尾水处理达标后直接排放至污水管网。主要用于供暖、医疗保健、设施农业等，是过去传统的开发利用方式，目前已不提倡。采灌系统平衡利用按照“以灌定采”原则，由开采井、地面换热设备和回灌井组成闭式循环系统，实57张鹏飞等：渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析现地下热水采灌平衡，主要用于供暖。该方式在陕西省渭北岩溶地区回灌率已经可以达到 90%100%，在盆地内中部地区新生界砂岩热储层局部孔隙度、渗透率、砂岩厚度较大地段，回灌效果较好，而其它大部分地区由于储层压力大、回灌通道易堵塞等原因，现有技术条件下回灌率比较低。中深层地热地埋管供热技术原型概念首次于1995 年由 Rybach 教授及 Kohl 教授在文献中报道，由于技术水平、使用理念、施工成本的不同，该原型概念在国外并没有得到重视。2012 年陕西省工程技术和科研人员独立探索出利用中深层同轴套管换热器耦合特制地源热泵机组进行建筑供热的中深层地热地埋管供热技术，并成功完成商业化规模应用。中深层地热地埋管利用形式与原有地热水直接开采、采灌系统平衡方式相比，其利用形式单井换热效率还是较低的，但因为该利用形式“取热不取水”，无冷热平衡、尾水回灌等优点，该技术应用前景可期。2.2 中深层地热地埋管供热中深层地热地埋管供热是以中深层地热能为热源，先通过钻机向地下 2 3km 深处高温热岩体施工地热井，在井内安装一种密闭的同轴套管换热器，利用换热介质在井内形成闭式循环，将地热能“取热不取水”无干扰交换，经地面热泵机组温度提升后由用户侧循环水泵和输配管网为用户提供供热服务的新技术。现常用的中深层地热同轴套管供热系统由地热换热系统、地热热泵系统和室内供热系统三部分组成，原理如图 4 所示。地热换热系统由中深层地热同轴套管换热器、热源侧循环水泵、水处理系统等组成，同轴套管换热器由外管和内管组成，地热侧循环介质沿内、外管间的环形空间自上而下流动，通过外管与地热井近井地带高温热岩体进行热交换，吸收热量温度逐渐升高，到达底部后沿内管内壁自下而上流动，经过井口后在热源侧循环水泵驱动下沿循环回路进入地热热泵机组蒸发器，释放热量温度降低后再次进入地热井，如此不断循环，就将地热能传递给地热热泵机组。地热热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀（或节流阀）等四部分组成，通过不断循环，就将地热侧循环介质中的热量传递给用户侧循环介质。室内供热系统由用户侧循环水泵、输配管网、末端用户组成，通过循环就将热泵机组中制冷剂的热量传递给末端用户。通过地热换热系统、地热热泵系统和室内供热系统三个封闭式循环系统，就将中深层地热能传递给末端用户实现冬季供暖。在用户侧增加储热水罐、热水循环泵和热水管网还可实现常年供生活热水。2.3 中深层地埋管供热研究情况2.3.1 模拟计算方面根据导热方程、能量守恒方程等建立数值模型及解析方程，研究不同因素对换热量的影响。西安交通大学、延长石油集团、长安大学等高校和企业科研团队对中深层地埋管供热系统进行了模拟研究。延长石油集团的中深层地埋管地热能提取技术先导试验项目，建立了耦合管内外换热的全尺寸模型，结果表明，埋管长期运行时，通过恢复期，虽然埋管换热能力在新一个供暖期会有一定程度的恢复，但 50 年运行期间为持续衰减，衰减速率逐年变缓，埋管换热影响半径与岩土热扩散系数呈正相关，固井水泥导热系数在小于或接近岩土层导热系数的范围内增加时，埋管换热强度增加明显，在远大于岩土层导热系数的范围内增加时对埋管换热强度的增加作用不明显，使用纳米流体作为深埋管换热的热流载体时，有一定的强化换热效果，但就整个埋管的换热而言增加的效果很小。2.3.2 实测数据分析方面通过搭建实验平台监测项目运行，或对实际运行项目进行现场测试，分析流量、管径、入口温度等因素对换热量的影响。清华大学、长安大学、新奥燃气公司、中国建筑科学研究院等单位的科研团队对中深层地埋管供热技术进行了实测研究。李骥等人选取西安市 2 个项目（均运行 3 以上）进行了实地测试和图 4 中深层地热同轴套管供热技术原理示意图Figure 4.Schematic diagram of middle-deep geothermal coaxial casing heating technology58张鹏飞等：渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析参考文献1时建超.鄂尔多斯南缘中新生代构造特征及演化 D.西北大学，2010.2任战利，刘润川，任文波，等.渭河盆地地温场分布规律及其控制因素 J.地质学报，2020(7)：1938-19493 任文波.渭河盆地中深层地热资源特征及开发利用D.4LIU J，WANG F H，CAI W L，et al.Numerical investigation on the effects of geological parameters and layered subsurface on the thermal performance of medium-deep borehole heat exchangerJ.Renewable Energy，2020，149：384-3995王德敬，胡松涛，高志友，等中深层套管式地埋管换热器性能的参数分析J 区域供热，2018（3）：1-76孔彦龙，陈超凡，邵亥冰，等深井换热技术原理及其换热量评估 J地球物 理学报，2017，60（12）4741-47527SONG X Z，WANG G S，SHI Y，et al.Numerical analysis of heat extraction performance of a deep coaxial borehole heat exchanger geothermal systemJ.Energy，2018，164：1298-13108HUANG Y B，ZHANG Y J，XIE Y Y，et al.Thermal performance analysis on the composition attributes of deep coaxial borehole heat exchanger for building heatingJ.Energy and Buildings，2020，221：1100199邓杰文，魏庆秡，张辉中深层地热源热泵供暖系统能耗和能效实测分析 J暖通空调，2017，47(8)：150-15410李骥，徐伟，李建峰，等.中深层地埋管供热技术综述及工程实测分析 J.暖通空调，2020(8)：35-39.11中深层地热地埋管供热系统应用技术规程 S DBJ 61/T 166-2020监测数据分析，结果表明，中深层地埋管供热系统热源侧取热量稳定，延米换热量约为 120 130W/m，热源侧进水温度为 18.0 29.8，热泵机组 COP 达到 5.9 以上。2.3.3 关键技术与工艺优化方面通过对中深层地热同轴套管供热系统关键技术的研究及工艺优化，在安全和环保的前提下，提高换热强度、增加换热量，降低投资成本，提高经济效益。中煤科工集团、延长石油集团、陕煤地质集团、中石化绿源等单位对中深层地热同轴套管供热系统关键技术和工艺进行研究、优化。中煤科工集团西安研究院在高新院区重点科研项目，采用丛式定向钻井工艺与技术，研发高导热复合固井材料和防水保温耐腐管材，完成 1 口井深3500m 直井，2 口井深 3500m 定向井，使单口地热井取热量 1000kW，延米换热功率 300W/m，供暖面积 2.7 3.0 万 m2，较同类型项目供暖能力提高了1.5 倍以上。陕煤地质集团先后在金泰.经开花城、金泰霸柳东郡、韩城一号地热能源站等项目开展了中深层 U型井技术、负位移水平对接技术、双位移水平对接技术、U型井压力不平衡连通技术、深孔穿针对接技术、内管保温优化技术等研究，取得了一定的研究成果。延长石油集团通过中深层地埋管地热能提取技术先导试验研究项目，构建了 2 种型式的深埋管取热井，建立了国内目前唯一的换热性能测试试验平台，并在各井管外敷设了测温光纤，对设定的 20 种工况进行了长达 1 年的测试实验，取得了大量的埋管换热测试数据和地温场光纤测温数据，在管内取热和管外地温场的变化方面开展了一系列探索、研究。3.结语渭河盆地沉积的古近系、新近系及第四系沉积物为地热资源提供了可靠的储层及盖层，粗厚砂体分布为地下水提供了良好的运移通道和储集区域，也为水热型地热资源开发利用提供了地质基础，随着地热水大量的开发利用，产生了水位下降、水量锐减等一系列问题，促使了人们研究中深层地埋管供热应用新模式。随着地热资源开发利用的深入研究，各高校、科研院所、企业对中深层地埋管供热技术积极探索，成果丰硕、百花齐放，为中深层地埋管供热技术的推广和应用奠定了扎实的理论基础，提供了重要参考资料。但中深层地热地埋管供热技术研究还处于起步阶段，仍存在地埋管传热机理复杂、持续换热稳定性不高、换热效率较低、管材性能与工况不匹配等技术难题亟需攻克解决，下一步应继续在提高换热系统效率，降低初期投入成本等方面进行深入研究，使其发挥更大的经济效益、社会效益和环境效益。59张鹏飞等：渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析Preliminary Analysis Of Heating Technology In Medium-Deep Buried Pipes Of The Weihe BasinZhang Pengfei1 and Chen Jianbing2（1.Xi an Fengdong Thermal Power Co.，LTD.，Xi an 710018;2.Shaanxi Geology and Mining Group Co.，LTD.，Xian 700054）Abstract：The Weihe basin is rich in geothermal resources and has a long history of exploitation and utilization，mainly for bathing and heating.However，the original mode of exploitation was predatory exploitation and utilization，which would be harmful to the resources.In recent years，the research and use of heating technology of middle and deep buried pipes has created a new utilization mode，and also stimulated a new upsurge in the development and utilization of geothermal resources in Weihe Basin.This paper analyzes the characteristics of geothermal resources in Weihe Basin and the status of exploitation and utilization of middle and deep geothermal resources and based on combination with the research of buried pipe heating technology in colleges and universities，scientific research，enterprises and institutions，a preliminary analysis on the heat-supply technology of the middle and deep buried pipe has been made，thus roughly understanding the present research situation of the heat-supply technology of the middle and deep buried pipe，the problems such as complex heat transfer mechanism，low heat transfer stability and low heat transfer efficiency，and then some suggestions for further research are put forward in this paper.Key words：geothermal resources;Weihe Basin;middle-deep buried pipe;development and utilization