古人把從地殼裂隙深處涌出地面的熱水喻為“金湯”。近年來，隨著溫泉、地熱供暖等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“金湯”盲目開采嚴重，一些地方的地熱水位嚴重下降甚至枯竭。因此，加強地熱水回灌成為地熱管理工作的重中之重。在這方面，天津無疑走在了世界前列。
天津是全國僅有的集“中國溫泉之都”、“中國溫泉之城”、“中國溫泉之鄉(xiāng)”、“地熱能開發(fā)利用示范單位”于一體的大城市。天津市從1996年開始開展了地熱水回灌試驗研究。經(jīng)過十幾年不懈努力，先后突破了基巖和孔隙型熱儲回灌兩大世界難題，全市地熱水回灌量占總開采量的1/3，有效地緩解了熱儲層壓力持續(xù)下降的問題，形成了在保護中開發(fā)、在開發(fā)中保護的良好機制。天津的經(jīng)驗為全國甚至世界不少國家的地熱資源管理提供了可以借鑒的范本。
孔隙型熱儲回灌率先突破
地熱所以“熱”，是因為處在地層深處，形成過程長。正因如此，地熱開采后難以用天然降水迅速補給，時間一長，就有了地下水位下降等風(fēng)險。因此，如何加強地熱水回灌，全世界都在摸索。
2010年3月30日，世界難題率先在天津孔隙型熱儲回灌中得到突破。
在以往的地熱開發(fā)利用中，孔隙型熱儲回灌量小且衰減嚴重，一直是世界性難點，極大地制約了地熱資源的開發(fā)。從2010年開始，天津市地熱勘查開發(fā)設(shè)計院在天津市國土資源和房屋管理局地熱處的大力支持下，展開技術(shù)攻關(guān)，在充分分析總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外最新技術(shù)成果，根據(jù)不同熱儲層特征選擇合理的成井工藝和地面回灌處理工藝，進行了多項技術(shù)改進。技術(shù)人員在濱海新區(qū)選取了3處地熱利用系統(tǒng)進行孔隙型熱儲地熱回灌井建設(shè)，并通過回灌試驗結(jié)果驗證了回灌效果，從而使孔隙型熱儲回灌技術(shù)取得突破性進展。
針對濱海新區(qū)塘沽中心區(qū)孔隙型熱儲埋藏深的特點，在理論分析和模擬演算的基礎(chǔ)上，研究人員分別在濱海新區(qū)渤海石油基地和河濱公園采用新成井工藝開鑿了兩眼地熱回灌井，通過回灌試驗，其回灌能都達到了預(yù)期效果。其中一口地熱回灌井自然回灌狀況下回灌量達到每小時103立方米時，回灌溫度34℃，穩(wěn)定回灌水位-22米，穩(wěn)定時間8215分鐘；另一口地熱回灌井回灌試驗總歷時18310分鐘，回灌溫度66℃，當回灌量達到每小時12立方米時，穩(wěn)定回灌水位-15.58米，穩(wěn)定時間5640分鐘。
濱海新區(qū)渤海石油基地，原本有三眼廢棄的石油井。如何將石油廢井射孔改造為回灌地熱井？研究人員在分析和研究三眼石油廢井附近區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地熱地質(zhì)條件特征的基礎(chǔ)上，收集和整理了三眼石油廢井的有關(guān)技術(shù)資料，將三眼石油廢井射孔改造為回灌地熱井，建成“一采兩灌”的地熱開發(fā)系統(tǒng)，以滿足東沽宏苑小區(qū)的冬季供暖和生活用水需求。在無任何經(jīng)驗可以借鑒的情況下，研究人員刻苦攻關(guān)，反復(fù)試驗，不斷解決一道又一道難題，在兩年的供暖期進行了多次生產(chǎn)性回灌試驗。實驗數(shù)據(jù)令人欣慰：最大回灌量每小時達63.79立方米，水位維持在67.4米，回灌能力達100%。
孔隙型熱儲回灌成功對于濱海新區(qū)這座新城來講是一大福音。該地區(qū)地熱開發(fā)主要為孔隙型熱儲層，目前有地熱井80多眼，且絕大多數(shù)都是單井開采。因無前例加之回灌難度非常大，長期以來，濱海新區(qū)地熱水水位不斷下降?；毓嗉夹g(shù)取得了很好的回灌效果，對今后在濱海新區(qū)大力推廣具有重要的指導(dǎo)意義。
2012年12月4日，該項技術(shù)在天津武清區(qū)再次取得新突破：該區(qū)下朱莊新地熱井成功建成“一采一灌”定向?qū)到y(tǒng)，為孔隙型地熱利用創(chuàng)造了新經(jīng)驗。
該井口距離5米，井底距離800米，是世界第一對采用先下管固井、后采用射孔成井工藝施工完成的地熱定向井。天津市地熱勘查開發(fā)設(shè)計院在該項目進行的系統(tǒng)回灌試驗取得了可喜的成果。項目一共進行了3個穩(wěn)定回灌量的試驗，其中最大灌量以35度地熱流體回灌，每小時回灌量達到120立方米，穩(wěn)定時間36小時，穩(wěn)定動水位74米～75米。實驗表明，該地熱對井回灌效果非常理想，仍然具有較大回灌潛力。
這組數(shù)字說明，世界首次“一采一灌”定向?qū)到y(tǒng)完美收官。一年過后，這樣的“對兒井”在天津市已經(jīng)達到16眼。
地表水熱儲回灌再創(chuàng)紀錄
新中國的地熱開發(fā)利用始于20世紀50年代。這一時期，地礦部門相繼開展了全國地熱重點地區(qū)的勘查評價，探明了一批中高溫地熱田，并初步掌握了全國地熱資源基本狀況和分布規(guī)律。據(jù)初步估算，全國主要沉積盆地距地表2000米以內(nèi)儲藏的地熱，相當于2500億噸標準煤的熱量。
20世紀90年代以來，由于缺乏宏觀調(diào)控，導(dǎo)致哪里有地熱哪里就一哄而上，你打井我也打井。片面追求經(jīng)濟效益產(chǎn)生的惡果在有些地方已經(jīng)顯現(xiàn)——井越打越深，地熱水位連年下降，一些老泉眼相繼枯竭。
事實上，過度開發(fā)地熱造成危害，不僅中國有，國外也屢見不鮮。瑞士一口地熱井在打到5000多米時引發(fā)了地震，法國也發(fā)生過類似事故。
道理并不復(fù)雜：地下的地熱水被人類強行鉆透深部巖層抽走后，自然降水很難在短時間里進行補給，產(chǎn)生的空隙極易導(dǎo)致地面的穩(wěn)定性受到破壞，產(chǎn)生危害。
于是，地熱研究者有了新的“幻想”：將地表水進行處理后，回灌到地熱含水層中，可使地熱含水層不枯竭。
這的確是一個很誘人的想法。這一想法假如得以實現(xiàn)，沉積盆地型地熱資源將成為取之不盡的清潔能源，祖祖輩輩永遠可以享用。
2014年1月2日，天津市國土房管局組織地熱專家匯集局第四會議室。此次會議主題之一就是評審《天津市濱海新區(qū)東麗湖基巖熱儲地熱資源保護工程》。隨著評審結(jié)束，世界地熱界又一道難題宣告破解：
沉積盆地型地熱資源用地表水回灌各項指標完全符合設(shè)計要求。專家一致認為，這一課題為世界沉積盆地型地熱資源實現(xiàn)持續(xù)利用提供了可借鑒的范例，一旦推廣經(jīng)濟價值和社會效益無量。
承擔這一課題的仍是天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院。該院從2009年10月接到任務(wù)到2013年12月結(jié)題，4年多的時間里，十幾名研究人員不分晝夜，常年堅守在科研崗位。
把幻想變成現(xiàn)實需要勇氣和真功夫。研究人員在充分分析工作區(qū)地熱地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，開鑿了兩眼霧迷山組地熱回灌井，鉆探進尺4862.37米。通過對地表水源和地熱流體水質(zhì)的全面分析，確定了科學(xué)的回灌水質(zhì)處理工藝方法。讓科研人員興奮的是，處理后的水質(zhì)達到地熱流體回灌標準。
天津市地熱勘查開發(fā)設(shè)計院院長孫寶成告訴記者，4年里，項目同時分階段進行了不同水源、不同流量和不同溫度的回灌試驗，并對水位、水質(zhì)和水溫進行了監(jiān)測，最大回灌量為每小時152立方米，地熱水位有所回升，水溫無明顯變化。同時建立了工作區(qū)的地熱地質(zhì)模型，采用兩款模擬軟件對回灌條件下熱儲層壓力場、溫度場和水化學(xué)場進行了預(yù)測，水質(zhì)模擬仿真環(huán)境與原水質(zhì)相似。
專家評價，這個項目建立了地表水集中回灌試驗基地，開創(chuàng)了世界采用地表水回灌補給熱儲層的先例，有非常明顯的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，是一項造福世界的創(chuàng)舉。
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