天津市地热资源整合模式研究

赵娜++王光辉++沈健++唐永香++高新智

摘要：天津市中心城区地热单井地热流体利用后尾水直接排放，且排放温度较高，资源浪费严重。地热资源整合是实现地热节能减排的重要途径。介绍了天津地热资源整合的两种模式，并对这两种模式的适用性及优缺点进行分析，通过工程案例介绍，说明地热资源整合的应用状况以及产生的经济社会环境效益。

关键词：地热资源整合，回灌，合众-亚中模式，补建回灌井，以新带老

中图分类号：P314 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2015）11-0073-80 收稿日期：2015-11-04

1 前言

天津的地热资源开发利用较早，储量丰富，包含孔隙性热储和岩溶裂隙性热储两种类型的五个不同年代的含水层，开发利用规模位于全国前列。截止到2014年，天津市利用地热供暖面积约2333万m2，并呈现逐年上升趋势。近年来，由于人们对于生态环境的关注，特别是雾霾天气逐年上升的影响，天津市政府决定将逐步关停现有的燃煤供热锅炉，同时选择使用更环保、清洁的能源用于居民冬季供热，地热资源的环保优势逐渐得到体现。但伴随地热资源开发利用项目的增加、开采量的增大，造成了地热热储压力的下降，影响地热资源的可持续开发利用。

上世纪90年代，天津市开始推行地热采灌对井开发利用模式，确定了新建地热供暖系统“只取热、不用水”的审批原则。近年来，已建成130余处回灌系统，年回灌量为1610万m3，约占年总开采量的42%，为有效缓解区域地热热储压力的下降，延长地热井开采寿命提供了有效的资源保障。在回灌开发模式大力推进的同时，早期开凿至今仍在使用的地热单井系统，因资金、场地等问题的制约，实现采灌平衡存在一定的难度。因此，在总结天津市地热开发利用经验的前提下，对现有地热单井系统进行资源整合，实现地热资源采灌平衡，成为天津市地热资源保护工作最主要的工作之一，对全国地热资源的可持续开发也具有带动作用。

地热资源整合在全国地热开发领域是一个全新的探索，并无任何经验，而面对地热资源开发利用的紧迫形势，开采量远大于回灌量，尤其对于地热开采井密集区域，热储压力持续下降，如不采取措施，直接影响地热资源的开发。

天津为了加大回灌力度，近年尝试性地开展了地热资源整合工作。本文通过地热资源整合工程案例的介绍，为下一步天津及全国的地热资源整合工作提供参考。

2 天津地热资源整合模式

近年来，随着地热资源开发利用得到广泛认同，地热开采单井的资源整合越来越得到重视，在天津市地热主管部门的推动下，先后完成了河西区、河东区、西青区等数个地热资源整合项目，同时，在地热资源整合过程中，通过研究总结，探索出两种天津地热资源整合模式。一方面，可加大回灌力度；另一方面，在实际情况允许的情况下，可进一步提高地热利用效率，增加供热面积，降低尾水排放温度，具有良好的经济社会环境效益。

2.1 合众-亚中模式

在开采较为集中的区域，选取相距较近的两眼或多眼地热供暖单井，通过地面或地下管线连接，改造成一采一灌系统或多采一灌系统，并将被改造成地热回灌井的供热面积，交由其他参与整合的地热开采井负担，实现不增加地热开采量，完成地热资源采灌平衡的目标。

优点：不需要开凿地热井的场地要求，资金投入相对较低，有效提高资源利用率。

难度：协调两家及以上地热开采单位相互信任并配合整合需要较难，尤其在涉及整合后收益分配方面。

2.2 补建回灌井模式

对于有资金、场地条件，愿意补建地热回灌井的地热开发单位，在政策、资金方面给予支持、补贴，完成新开凿地热回灌井，实现地热资源的采灌平衡。

优点：采灌系统的建设多数为一家地热开发单位，经济、环境效益明显。

难度：资金需求较大，并需要宽阔空地才可实施。

3 地热资源整合利用的关键技术

地热资源整合利用的关键技术是地热采灌平衡技术、地热资源梯级开发循环利用的集约化技术等，采灌平衡技术是资源整合的关键，是实现地热资源可持续发展的基础。

3.1 应用回灌技术，实现采灌平衡

利用低温地热尾水进行原水回灌，采灌平衡，维持热储层压力，这样做又可以将热储固体中的热量不断带出地面，有效延长地热田的使用寿命。

3.2 梯级开发，循环利用工艺

主要利用热泵及地板辐射采暖技术，地热水通过热交换器和热泵机组等进行梯次换热后，降低地热尾水温度，提高地热利用率。在初冬和末冬季节，仅以地热资源承担基础热负荷；在严冬季节，尖峰负荷出现时，启动调峰设备进行调峰。

4 “合众-亚中”整合模式实例介绍

4.1 项目概况

HX-24开采单井和HX-33开采单井，均位于天津市河西区友谊北路附近，相距490m，分属两个产权单位，两眼地热开采井均有一套独立的地热供热系统。该系统的整合在城市繁华地段实施成功在全国尚属首例，其应用的主要是采灌平衡技术。

4.1.1 HX-24井原供热系统

HX-24井建成于1994年，地热井深2656m，成井时水温84℃，出水量146.7m3/h，现有供热面积8万m2（7万m2散热器和1万m2风机盘管）。供热系统工艺流程如图1所示。

4.1.2 HX-33井原供热系统

HX-33井建成于1997年，地热井深2762m，成井时水温81℃，出水量100m3/h，现有供热面积5万m2（风机盘管1.5万m2和散热器3.5万m2）。供热系统工艺流程如图1所示。

4.2 整合工作

此次整合选择HX-24井为地热开采井，地热井HX-33井改造为回灌井，通过拉管、地埋等管道连接方式连接两眼地热井，供暖后的地热尾水回灌至HX-33井内，原HX-33井供热负荷由HX-24井地热井承担，最终地热井形成采灌开发利用模式。管道连接完成后，HX-33井原先所承担的合众大厦的供暖负荷由HX-24井承担，整合后的工艺流程如图2所示。HX-24井开采的地热流体一部分自用，另一部分通过敷设的热水管到达合众供热站，供暖后的地热尾水回灌至HX-33井内。

4.3 项目评价

4.3.1 经济效益

根据目前天津市矿产资源补偿费的优惠政策，对采取回灌方式进行开发利用的单位，回灌部分的矿产资源补偿费只收取正常费用的30%。亚中HX-24井地热开采井温度为84℃，合众开采井温度为81℃，供暖和生活热水部分征收的矿产资源补偿费为2.0元/m3，回灌量部分征收的矿产资源补偿费为0.6元/m3。根据上年度的开采情况，两眼井的年开采量总共为16.87万m3，通过对原有地热井整合后，回灌率达到了100%，每年矿产资源补偿费可节省23.62万元。由于地热水回灌部分可以免缴排污费，按1.1元/m3计算，每年可节省18.56万元。通过回灌系统的技术改造，总计每年可节省42.18万元（见表1）。

4.3.2 社会效益

目前，天津市部分早期进行地热利用的单位地热尾水直接排放，且排放温度较高，给地热资源造成了极大的浪费。亚中-合众地热资源整合改造工程结合市场需求和资源保护，在不影响原有能源需求的前提下，将两眼开采井整合为采灌对井，实现地热尾水100%回灌，减少了地热尾水排放对城市管网的压力，减少了热污染，缓解了热储压力的下降速率，延长地热田的使用寿命，有效地保护了地热资源。

4.3.3 环境效益

地热尾水直接排放会产生大量的热量，使周围水体和土壤的温度上升，影响生物的生存和生长，破坏生态平衡。通过整合低热资源以后，地热尾水全部实现了回灌，有效地保护了生态环境。同时最大程度地减少了废水的排放，节约了城市环境污染的治理费用。

5 建回灌井整合模式实例介绍

5.1 项目概况

XQ-09和XQ-13地热井位于西青区，均为较老的开采井，地热尾水直接排放，造成资源浪费。据近几年地热动态监测数据显示，两眼井所在地区雾迷山热储层水位年降幅已达3-4m，热储压力下降趋势明显，影响地热井的使用寿命。

5.1.1 XQ-09井原供热系统

XQ-09地热井，目的层为蓟县系雾迷山组，成井深度2400m，出水温度为87℃，在严寒期最大开采量100m3/h，在非严寒期最大开采量为70m3/h，为“单井”开采方式，供暖面积为12万m2，尾水排放温度为38℃。

5.1.2 XQ-13井原供热系统

XQ-13地热井为废井改造井，井深3470.8m，目的层为雾迷山组，温度为94℃，开采量70m3/h，尾水排放温度为38℃。

5.2 整合方案

XQ-09和XQ-13原供热系统不变，补建一眼回灌井，将两眼井的地热尾水进行回灌。由于XQ-13供热站供热负荷逐渐增加（新增加地板采暖用户），原有供暖系统满足不了需求，迫切需要寻找供热热源。因此，通过管道连接将距离其600m的XQ-09地热尾水通过热泵提温，以满足新增加的地板采暖用户需求。

5.2.1 回灌井的补建

根据构造条件选择场地，2012年开凿XQ-09B雾迷山地热井作为回灌井。该井为定向井，终孔深度3633.84m，成井目的层为中元古界蓟县系雾迷山组。根据回灌试验资料，XQ-09B地热井回灌量为134m3/h以上。

5.2.2 梯级利用系统的建立

由于急需热源，XQ-09供热站增加了一组换热器及一台水源热泵机组，采用热泵机组提取部分丰达和红磡换热站地热尾水中的热量，暂为1.9万m2地板采暖用户供暖，尾水温度最低能降至10℃。通过评估，两眼井的地热尾水可为14.2万m2的地板辐射采暖用户提供供暖热源。

5.2.3 回灌系统的完善

为了保证地热回灌顺利进行，在回灌井前安装过滤系统，主要包括过滤装置和排气装置，过滤精度为50μm，过滤后的尾水进入排气装置，排除由于压力变化而从地热流体中溢出的气体，提高回灌率，保证地热回灌井寿命，回灌系统流程见图3。

据评估，在非严寒期两眼地热开采井的地热尾水基本可100%进行回灌，而在严寒期，回灌井可将79%地热尾水实现回灌。回灌效果良好，达到了整合项目的预期。

5.3 项目评价

5.3.1 经济效益

根据2012年度动态监测的数据，XQ-09开采量为8.5×104m3，XQ-13开采量为20.7×104m3，两眼井总开采量为29.2×104m3，通过XQ-09B回灌井回灌能力评估，回灌井年可灌量为38.6×104m3，可将两眼开采井的地热尾水全部回灌。但由于在严寒期回灌瞬时回灌能力稍显不足，因此，年回灌量按年开采量的90%计算。具体节约费用见表2。通过计算，每年可节约矿产资源补偿费及排污费共计65.4万元。同时采用热泵将38℃地热尾水降至10℃后，可增加供热面积14.2万m2，每平方米供热面积按25元计算，每年可增加355万元，扣除供暖年运行费用（包括电费、水费、人员工资福利、折旧维修费等）共计298.2万元，每年可产生56.8万元的经济收入。

项目完成后，每年可增加的经济效益包括矿产资源费的减免及增加供热面积所取得的收入共计122.2万元。

5.3.2 环境效益

环境保护问题不仅是影响城市形象的重要标志，更是推动城市经济发展的关键。本项目的地热资源开发采用了循环利用集约化供热工艺，可有效减少常规燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量，节约了城市污染的治理费用，并相应减少城市运输量，有效地保护了生态环境，有明显的环境效益；同时，地热作为绿色能源为满足居民的能源需求，优化能源结构，具有较高的社会效益。

经计算，将两地供热站38℃的地热尾水150 m3/h，采用水源热泵机组利用到10℃，可提取地热3489kW热量，相当于节约原煤量2314t/a。如采用燃煤供暖，还会产生相应有害气体排放，本项目采用地热供暖可节约相应治理费，不计煤灰碴运输费用，年节约环境治理费64.35万元，具体数据见表3。

6 结论

天津市现有部分地热开发单位尾水直接排放，且排放温度较高，资源浪费严重。地热资源整合是实现地热节能减排的重要途径。

地热资源整合本着资源保护的原则，在不影响原有需求的前提下，建立采灌系统，实现地热尾水回灌，可增加热储的人工补给量，缓解热储压力的下降速率。

地热井之间的管路连接是地热资源整合的一个难点，由于整合地热的开采井大多位于中心城区，地下管线错综复杂，前期管道路由的申请需要地热开发单位、管理单位及规划部门的通力协作，这是地热资源整合的重要保障。

地热资源整合项目完成后，加强两眼地热井的动态数据观测、回灌运行指导以及地下温度场、水化学场影响研究，梳理地热资源整合中形成的文本合同及经验总结，是开展天津市地热资源整合的经验。

在地热资源开发中，以新带老模式也正在探索中，对于没有相邻地热单井和补建回灌井条件的，采取在其附近开凿一对同层地热井，通过管道连接三眼地热井形成两采一灌系统，实现地热资源保护目标。

对于历史遗留问题，要有计划地进行技术改造和机构调整，不断进行优化，以最少的改造费用换取最大的效益。开发与改造并举，持续优化，使地热资源真正成为可持续发展的新能源，造福人类。

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作者简介：

赵娜，工程师，从事水工环和地热地质工作。

王光辉，工程师，从事水工环和地热地质工作。

沈健，工程师，从事水工环地质工作。

唐永香，工程师，从事水工环工作。

高新智，助理工程师，从事水工环工作。

基金项目：

本文为中央财政专项资金矿产资源保护项目研究成果。