人造“温泉井”方案探索研究

孟庆海

（安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥 230051）

0 引言

“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念是我们新时代能源利用的核心思想，地热能可再生资源开发利用得到迅猛发展，近10年来，中国水热型地热能直接利用以年均10%的速度增长，许多风景区的深度开发及人们对美好生活的向往和追求使得水热型温泉成为稀缺资源，由于受地质条件限制，许多需要温泉的地方没有水热型地热，人造“温泉”成为市场的需要。

2012 年科技部设立国家高新技术干热岩研究计划（863计划），开启了干热岩的专项研究，干热岩地热能开发利用技术得到全面的发展，石油开采和页岩气开采的定向射孔技术、储层改造压裂技术在地热开发中的利用日趋成熟普及，成本大幅降低，使人造“温泉井”成为可能且经济可行。本文从地热基本原理和数值分析技术方面探索人造“温泉”的理论基础，通过人造“温泉井”孔系统设计求证人造“温泉”可行性。

1 人造“温泉井”方案设计理论技术依据

人造“温泉井”是指通过向地下人工改造的渗流空间注水取热和交换矿物质，然后抽取“温泉”水供开发利用，既是向地下注入循环水使水温达到可利用温度的一种地热开采系统装置。其主要工作原理是在适合的地温梯度异常区建造人工渗流换热场使循环水升温和矿物质交换。

1.1 地温梯度原理

地温梯度原理：地温梯度（geothermal gradient）又称“地热梯度”、“地热增温率”。指地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。一般埋深越深处的温度值越高，以每百米垂直深度上增加的度数（℃）表示。不同地段地温梯度值不同，通常为（1～3）℃/百米，火山活动区较高。地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃，大于这个数字就叫做地温梯度异常。近地表处的地热梯度则因地而异，其大小与所在地区的大地热流量值成正比，与热流所经岩体的热导率成反比。因此，地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化，也可能来源于近地表岩体的热导率的变化。根据地温梯度理论，地球内部存在大量的地温梯度异常区，例如，据资料安徽省在庐枞盆地的罗河矿区外围深部勘探孔2000m 孔深处测得孔底温度98℃，大别山地区也有多个钻孔中测得每百米5℃地温梯度异常区。

近年来，干热岩新技术的发展使近地表地温梯度异常区成为新型能源资源，当地层岩体地温达到一定值时，即可通过储层改造技术和射孔技术等开发地热能，即通过水循环人造温泉技术开发出人造“温泉”。

1.2 储层改造和射孔技术

储层改造技术原是油田为了提高油气井产量或注水井的注水量而对储层采取的一系列工程技术措施的总称。储层改造技术主要包括：

（1）各种不同介质的压裂技术，如水力压裂技术、酸压裂技术、泡沫压裂技术、高能气体压裂技术等，其主要目的是在致密储层中产生一条或多条具有一定导流能力的裂缝以利于油气从储层流向井筒。

（2）各种不同的基质酸化技术，如砂岩酸化技术、碳酸盐岩酸化技术等，其与压裂的差别主要在于基质酸化技术是在低于储层破裂压力下注入化学剂，因而不产生裂缝。酸化增产增注的原理是化学解堵剂注入地层后，溶解储层中的某些物质，恢复和提高近井地带的渗透率。在地热能开发利用中，储层改造主要目的是利用压裂技术在热能能源储层形成网状裂隙或扩大贯通已有裂隙。

射孔技术：射孔工艺原是石油勘探和开发中的一项关键技术,射孔施工质量的高低直接影响着勘探开发的水平和效益。近年来,射孔技术已经从过去的那种以射开完成井油层为目的,发展到超深穿透射孔技术、高孔密射孔技术、在不均质地层中的变孔密射孔技术、复合射孔技术、水平井射孔技术、定向射孔技术、气体推进成缝技术等。

1.3 人造“温泉井”换热传导的数学模型

人造“温泉井”渗流场建造是通过钻孔内水平射孔和向上的15°角定向射孔压裂而成，换热渗流场可以看成一个近似圆柱体，从而可假设热传导方程为：

初始条件:

u(r,θ,z,0)=T0

边值条件:

这里的u(r,θ,z,0)=T0表示压裂柱体分布函数，k表示压裂柱体岩石的导热系数，ρ,c分别表示压裂柱体岩石的密度和比热容,,Q 表示开采的温泉水吸热功率,δ(*)表示冲击函数，δ(r-r0)·δ(θ-θ0)·δz表示人造温泉在压裂柱体孔底(r=r0,θ=θ0,z=1)处,T表示压裂柱体上顶端的初始温度,h 表示压裂圆柱体设计高度，1表示钻孔深度。

根据模型，温泉井开采稳定流条件可等同稳态传热条件，在稳态传热条件下，存在压裂区圆柱体侧面和底面面积与其热流密度之积等于人造温泉出水量Q相对于灌入时的热能增加值，根据人造温泉设计的出水量、出水温度、使用年限，按照稳态传热模型可计算推导出压裂体在导热率一定的条件下所需的最低温度和压裂体圆柱体范围。从以上条件可看出，压裂体的地温梯度和岩石导热系数只要满足一定的条件，是可以造出温泉的。

2 人造“温泉井”孔的方案设计

2.1 人工改造储层选择及条件

人造“温泉井”成功的关键是改造储层段的选择，改造储层段须要具备的条件有以下几个方面：改造储层内岩石不得有遇水泥化、膨胀、崩解等使人造裂隙快速闭合的因素；储层改造段岩石环境温度大于70℃为宜；储层改造段宜选择大地热流值高地段，大地热流值大于50mw/m2为宜；储层岩体导热性良好，热导率高的岩石地层全孔换热效率高，宜选择放射性生热地层或构造挤压生热地段；宜选择地热以对流传热方式的地段。

2.2 人造“温泉井”钻孔及取热系统的设计

储层改造段选定后，钻孔设计、压裂段的设计、取热系统设计是人造温泉关键技术，系统设计可以采用分段水平射孔压裂法构建，系统构建设计如图1，也可采用定向孔钻进技术形成分支孔，采用底端压裂构建温泉井系统，系统设计如图2。

图1 人造“温泉井”井身结构方案设计示意图Figure 1.Schematic diagram of artificial "hot spring well"shaft structure design

图2 定向钻进成孔底端压裂构建温泉井系统示意图Figure 2.Schematic diagram of constructing hot spring well system by fracturing at the bottom of hole formed by directional drilling

上述的温泉井系统中，注水循环系统的深井潜水泵，需下入地下水位20m 以下，潜水泵电机需采用特殊装置，深井的井中隔断也需采用特殊装置，为此我们自己研究开发了相关技术，并申请了专利保护。

2.3 人造“温泉井”孔建造施工及技术控制

人造温泉井孔的施工顺序：选址→地球物理勘测→钻探成孔→测井→完成固井→射孔压裂第一段→射孔压裂第二段→射孔压裂第三段→孔内地层贯通试验→取热系统安装→注取水取热试验→竣工验收及总结报告。

人造温泉井施工注意事项：

（1）选址：人造温泉井选址既要考虑地质条件，又要考虑经济条件，人造温泉的基本地质条件如下：储层易改造、热储温度、岩石的热导性符合基本要求，最好能选在有热盖层、大地热流值高和放射性生热或构造生热地段；人造温泉井造价较高，从经济效益角度来选，温泉井建设宜选在人流量大、亟需地热温泉水提升旅游品质的风景区或经济发达地区。

（2）地球物理勘测：地热异常岩体地球物探主要适宜方法有：因热岩体部位温度不同及热胀冷缩物理现象引起密度变化，重力物探可判断地热岩体深度及热储量等信息；高温地热岩体对地震波影响明显，人工地震物探可很好地探知地热岩体深度和规模等信息；地热岩体处在高温状态，温度对于磁性具有显著作用，温度越低，磁性强度衰减值越小，二者呈现正比例的相关关系，地热岩体有显著的相对低磁特征，磁法可发现地热岩体；地热异常体具有低阻高导的特性，电法数据是判别地热岩体很好的依据；区域地温测量和红外线航测对区域地热异常具有很好的判别作用；需要注意的是地热岩体需综合物探法进行判别，最后使用三种及以上物探方法进行勘测。

（3）钻探成孔：注意记录地层情况，做好岩芯岩性、节理等编录工作，对储层改造段进行分段取样，注意钻孔的水文地质条件变化情况。

（4）测井：主要测量孔内底层温度、岩性、水文地质条件等变化情况。

（5）完成固井：钻进至设计深度时，根据地层和储层改造段情况设计井孔加固，可以全孔固井，也可上部固井，其他段裸孔，以压裂改造施工后，井孔需保证不坍塌，或者是有塌落但清孔后井孔较完整为原则。

（6）射孔压裂：射孔压裂技术原为石油开采技术，主要注意压裂应至下而上，从孔底向上分段压裂，在接近孔内分隔段时，射孔应有一个向上的角度。

（7）孔内地层贯通试验：用临时止水措施代替孔内分隔器，下入“温泉井”注水取水系统，进行注取水试验，检查射孔压裂效果及连通性，如连通性效果不好，可减少分隔段长度，再次向上射孔压裂。

（8）系统安装：注意因取水管过长自重拉应力问题。

（9）取热试验和调整：控制灌入水量，避免过度取热问题。

3 结语

本文所探讨的人造“温泉井”系统是增强型地热系统（EGS）的简化版，从理论上探讨储层改造单井取热的可行性，认为：只要相关条件许可，人造“温泉井”系统可实现，其具有规模小、投资低、符合市场需求的特点，特别是为满足风景旅游区深度开发的需求提供解决方案；人造“温泉井”系统又为干热岩开发所需的岩石压裂参数、换热率等提供试验方案；同时人造温泉井方案又为利用地热能供暖提供解决思路。其注取水系统设计具有一定的创新性，对地热能的开采提供一种新方向。特别是本方案能在降低地热水井施工风险方面做出贡献，当地热井施工无水时，只要孔底端有相对较高的温度，即可利用本技术方案进行改造，避免减少投资完全失败。