設(shè)立河北雄安新區(qū)是以習(xí)近平同志為核心的黨中央根據(jù)新時代的國家發(fā)展需要作出的重大決策，是千年大計、國家大事。要建設(shè)藍(lán)綠交融、水天一色的生態(tài)友好城市，必須做好大氣污染防治工作以及其他環(huán)境保護(hù)工作。
冬季是華北地區(qū)霧霾頻發(fā)的時期，2016 年 12 月21日，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會議上的講話中提到：“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，關(guān)系北方地區(qū)廣大群眾溫暖過冬，關(guān)系霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容”，明確指出，清潔取暖是從源頭上治理霧霾的關(guān)鍵一環(huán)。
基于長期的研究工作，筆者團(tuán)隊早在 20 世紀(jì) 80 年代就已經(jīng)闡明，華北地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，其中京津冀地區(qū)最為豐富。21 世紀(jì)以來，以雄安新區(qū)的雄縣為例，集中開展了大型巖溶熱儲評價與開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究。理論模型和現(xiàn)場實踐結(jié)果均表明，華北地區(qū)廣泛分布的碳酸鹽巖儲層中發(fā)育的大型巖溶熱儲，規(guī)模大，地?zé)豳Y源品質(zhì)優(yōu)，可以實施采灌平衡的大規(guī)模開發(fā)利用，屬世界罕見，可以支撐地?zé)峁┡纬僧a(chǎn)業(yè)，替代燃煤，緩解該地區(qū)霧霾。本文嘗試對 21 世紀(jì)以來華北地?zé)嵫芯抗ぷ?，特別是大型巖溶熱儲的地?zé)嵫芯恳约靶劭h地區(qū)的地?zé)衢_發(fā)利用中熱儲工程關(guān)鍵技術(shù)作簡要回顧和分析，并就下一步工作提出建議。
大型巖溶熱儲成因與評價
與化石能源相比，地?zé)崮芫哂袕?qiáng)大的社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)保優(yōu)勢，其利用過程中基本不排放污染物，也不會排放大量 CO2。與太陽能和風(fēng)能相比，地?zé)崮苁且环N連續(xù)穩(wěn)定的能源，一年 365 天、每天 24 小時穩(wěn)定存在；而且，地?zé)崂眯矢?，可以做?ldquo;熱電聯(lián)產(chǎn)”，同時供應(yīng)暖氣和熱水。
中科院的地?zé)釄F(tuán)隊在華北地區(qū)開展了長期的地?zé)嵫芯浚?ldquo;六五”計劃期間（1980—1985 年），開展了系統(tǒng)的地溫測量和大地?zé)崃鳒y試，收集整理了石油勘探的地?zé)豳Y料，圈劃出相對高溫區(qū)域，開展地溫場的數(shù)學(xué)模擬，探討了該地區(qū)的構(gòu)造-熱演化特點。20 世紀(jì)90 年代開展了冀東油田地?zé)豳Y源研究（企業(yè)委托項目）；“十一五”規(guī)劃期間（2005—2010 年），開展了華北地區(qū)深部煤礦山熱害防治研究（“973”計劃項目），針對煤層與碳酸鹽巖熱儲組合結(jié)構(gòu)，研究熱量聚集與熱害形成機(jī)理與分布特點。“十二五”規(guī)劃期間（2010—2015 年），開展了渤海灣盆地 CO2地質(zhì)封存中的地?zé)釂栴}研究（“863”計劃項目）、典型熱儲成因分析與開發(fā)利用技術(shù)研究（企業(yè)委托項目）、大型巖溶熱儲對規(guī)?；_采的響應(yīng)研究（國家自然科學(xué)基金委資助項目）。此外，還有“華北克拉通破壞的地?zé)崮Ｐ椭萍s”（國家自然科學(xué)基金委資助項目）等基礎(chǔ)性研究工作?；陂L期的研究，筆者團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)雄安新區(qū)地下蘊(yùn)藏著極其豐富的地?zé)豳Y源。僅就地下3 000 米以淺的經(jīng)濟(jì)深度而論，就有 3 類地?zé)豳Y源和熱儲層可供利用，歸納如下。
淺層地?zé)崮?。位于地?em> 200 米以淺，可與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到節(jié)能目的。地源熱泵供暖效率通常比普通空調(diào)高 4 倍，比空氣源熱泵高 2 倍。此類地?zé)豳Y源的利用，采用地埋管換熱方式，不破壞環(huán)境，節(jié)電、節(jié)煤效果顯著。雄安新區(qū)淺層地?zé)崮茉诘叵驴臻g合理調(diào)配的基礎(chǔ)上比較適合利用。
砂巖熱儲。位于地下 200 米至 3 000 米深度范圍內(nèi)，可以采用抽水加回灌的方式利用，可用于供暖或供熱，替代燃煤，減緩霧霾。不過，此類熱儲層有一定局限性，主要缺點是有一些地區(qū)回灌比較難，平均只有30% 回灌率，即每開采 100 立方米熱水，只有 30 立方米左右可以順利回灌到地下。剩下的部分，若排放到地表水體，則會帶來污染，達(dá)不到清潔能源的要求。因此，此類資源應(yīng)該慎用，可以實行以灌定產(chǎn)的政策加以調(diào)控。
碳酸鹽巖熱儲。位于地下 1 000 米至 3 000 米深度范圍內(nèi)，其中的中、晚元古界巖溶（喀斯特）特別發(fā)育，形成大型巖溶熱儲，可用于供暖或供熱。在雄安新區(qū)，廣泛分布著元古界霧迷山組白云巖熱儲，總厚度可達(dá)數(shù)千米，千米深處的溫度在 60℃ 以上。其最大優(yōu)點是出水量大，尾水可以 100% 回灌到地下，實現(xiàn)循環(huán)利用。
雄安新區(qū)以上 3 種類型地?zé)豳Y源的儲量計算結(jié)果如表 1 所示，其中淺層地?zé)崮苜Y源量參考中國地調(diào)局的評價結(jié)果[5]，砂巖熱儲和碳酸鹽巖熱儲的資源量采用類比法由雄縣地?zé)崽锏馁Y源量推算求得。
在開展大量的水文地質(zhì)、地球物理與地球化學(xué)等工作基礎(chǔ)上，我們建立了以牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽餅榇淼男郯残聟^(qū)地?zé)豳Y源的“二元聚熱”成因模式（圖1），其中的“一元”是巖石熱導(dǎo)率因素，另外“一元”是盆地尺度地下水循環(huán)因素，渤海灣盆地豐富的地?zé)豳Y源正是在此雙重機(jī)制耦合作用下導(dǎo)致的地?zé)嵩俜峙涠奂纬傻摹Ｐ郯残聟^(qū)地?zé)豳Y源熱源是裂谷盆地型較高的熱流背景，其傳熱方式在新生界蓋層以傳導(dǎo)為主，在基巖儲層以對流為主。因此，屬于“對流-傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)”。大型巖溶熱儲層以薊縣系為主，上覆第四系和新近系為其蓋層。其中的地下水循環(huán)屬于相對獨立的系統(tǒng)。對于地?zé)豳Y源形成條件的認(rèn)識，為雄安新區(qū)的地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)，并為超深層地?zé)豳Y源勘探提供了前瞻性信息。
圖1 雄安新區(qū)深層地?zé)豳Y源“二元聚熱”成因模式圖
最近完成的針對雄安新區(qū)地?zé)崃黧w的地球化學(xué)和同位素研究，提供了地?zé)嵯到y(tǒng)物質(zhì)來源和形成條件的重要信息，以及估算超深層地?zé)醿訙囟鹊臋C(jī)會。筆者認(rèn)為，地?zé)崽锏責(zé)釟怏w以殼源成因為主。氣體中氦的體積含量比較高（0.08%—0.52%），其中 5%—8% 源于地幔。霧迷山組碳酸鹽巖儲層地?zé)崴瘜W(xué)類型為 Cl-Na 型，氣體主要成分為CH4、N2、CO2，其中CO2為碳酸鹽巖熱變質(zhì)的成因。熱成因 CO2的加入對深部碳酸鹽巖儲層的巖溶發(fā)育起到了促進(jìn)作用。根據(jù)氦同位素組成，該區(qū)殼幔熱結(jié)構(gòu)中幔源熱流占地表熱流的比例為 48%—51%。根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)地溫計的計算結(jié)果，目前開采層位地?zé)崴疁囟葹?em> 66℃—108℃。依據(jù) CO2/N2氣體相對組分地溫計和CO2-CH4間碳同位素地溫計，地?zé)崽锷畈績訙囟鹊钠骄捣謩e為 163℃ 和 153℃。深部儲層溫度為超深層勘查提供了新的信息。
先進(jìn)的地?zé)衢_采關(guān)鍵技術(shù)及示范工程
地?zé)豳Y源開發(fā)利用技術(shù)經(jīng)歷了兩代的演變。第一代技術(shù)的基本特征是直采、直供、直排，由于環(huán)保水準(zhǔn)很低，現(xiàn)已放棄不用。第二代技術(shù)是采灌結(jié)合、用熱不用水，環(huán)保水準(zhǔn)很高，已經(jīng)得到各地政府的重視和推廣應(yīng)用。在我國，淺層地?zé)崮艿睦眉夹g(shù)比較成熟。只要抓好嚴(yán)格監(jiān)管等工程質(zhì)量控制措施，大部分地方都可以使用。實踐中，一般鼓勵地埋管模式的土壤源熱泵系統(tǒng)，限制需要抽水的地下水源熱泵系統(tǒng)，以保護(hù)寶貴的地下水資源。對于中深層砂巖熱儲，在回灌條件好的地方，普遍采用第二代技術(shù)，回灌技術(shù)也在不斷進(jìn)步中。對于基巖中的巖溶熱儲，逐步形成了規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)體系，并進(jìn)行了應(yīng)用實踐。
2009 年起，中國石化集團(tuán)綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限責(zé)任公司開始投資建設(shè)雄縣地?zé)峁┡椖俊Ｔ诖诉^程中，中科院地?zé)釄F(tuán)隊受邀提供持續(xù)的地?zé)醿夹g(shù)支持與技術(shù)服務(wù)。經(jīng)過幾年的努力，終于建成了中國第一個用地?zé)峁┡娲济旱?ldquo;無煙城”。雄縣地?zé)峁┡痉豆こ袒谡a(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的方式，首次實現(xiàn)了地?zé)崂酶咝屎徒咏闩欧鸥咚疁?zhǔn)的清潔能源利用雙重目標(biāo)，迄今已經(jīng)平穩(wěn)運行了 8 年。2014 年初，國家能源局開始把雄縣地?zé)峁┡氖痉俄椖肯虮狈降貐^(qū)推廣。2016 年，雄縣縣城地區(qū)的人口 9 萬，擁有地?zé)峋?em> 68 口，其中回灌井 24 口，形成供暖能力 450 萬平方米，基本實現(xiàn)了地?zé)峒泄┡采w。雄縣采用的是第二代技術(shù)，實現(xiàn)了近 100% 回灌，做到了用熱不用水。示范工程的亮點包括：地?zé)峁┡菂^(qū)全覆蓋，項目規(guī)模世界上最大（供暖能力 450 萬平方米，現(xiàn)狀運行 280 萬平方米，惠及 9 萬人口），單井平均供暖能力高達(dá) 10萬—15 萬平方米，尾水原水全額同層回灌。
在過去 20 年里，我國地?zé)豳Y源直接利用總量一直處于世界第一的位置，目前還比美國高 1 倍以上；同時，一般供熱系統(tǒng)的主體設(shè)備都是國產(chǎn)化的，因而技術(shù)基礎(chǔ)較好。在尾水回灌技術(shù)上，通過持續(xù)探索，形成了可支持規(guī)?；_發(fā)利用的熱儲回灌技術(shù)系列。雄縣地?zé)崽锘毓嗍加?010 年，截至 2016 年底，雄縣地?zé)崽锏睦塾嫽毓嗔恳堰_(dá)到 2 383 萬立方米。地?zé)嵛菜幕毓啾苊饬说乇砼欧艓淼奈廴?，也有效地減緩了熱儲壓力的下降（圖 2）。
雄安新區(qū)巖溶熱儲層的非均質(zhì)性強(qiáng)，采灌井之間的連通性不易確定。示蹤技術(shù)可以將運移參數(shù)量化，有效刻畫儲層流體的特征，研究回灌井和開采井之間的水力聯(lián)系，對長期回灌可能引起的開采井溫度的冷卻進(jìn)行預(yù)測。筆者團(tuán)隊從2011年起，在雄縣地?zé)崽镞M(jìn)行了3次群井示蹤試驗，取得了試驗區(qū)內(nèi)巖溶儲層采灌井之間連通性的有效參數(shù)，包括通道長度、滲透流速、縱向彌散度等，為后期采灌井距和采灌井布局的數(shù)值模擬研究提供了科學(xué)基礎(chǔ)。試驗結(jié)果揭示了回灌井不同方向的滲透流速（圖 3）和采灌井之間連通性好的方向（圖 4）。
采灌井的合理布局和最優(yōu)井距是地?zé)崽飪?yōu)化開采極為關(guān)鍵的兩方面內(nèi)容，關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)成本和熱田的使用壽命。為此，筆者團(tuán)隊建立了一套用于評價熱田合理布局和最優(yōu)井距的方法，即在建立地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)模型的基礎(chǔ)之上，采用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬熱儲的溫度和壓力對不同采灌情景的響應(yīng)（圖 5 和 6），進(jìn)而以經(jīng)濟(jì)學(xué)模型為依據(jù)，以回灌帶來的開采水溫下降與水位下降所產(chǎn)生的最小損失為目標(biāo)函數(shù)，確定最優(yōu)采灌井距和優(yōu)化開采模式。通過該方法可知，雄縣地?zé)崽镌趯Ｊ较?，采灌井最?yōu)井距為 400 米（圖 7）。
地?zé)衢_發(fā)利用建議
雄安新區(qū)的地?zé)豳Y源豐富，特別是巖溶熱儲面積廣、儲量大、水質(zhì)好、溫度高、易采易灌，有利于開發(fā)利用。雄安新區(qū)在地?zé)崂蒙弦呀?jīng)先行了一步，擁有成功的經(jīng)驗，通過向全國推廣，勢必發(fā)揮雄安新區(qū)在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用。以下針對如何進(jìn)一步做好地?zé)豳Y源開發(fā)利用工作，提一些具體建議。
加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，政策扶持
采取必要政策措施與資金扶持，引導(dǎo)地方加大推廣力度，出臺優(yōu)惠政策，鼓勵各類企業(yè)積極參與，提升開發(fā)效率和水平，逐步形成和發(fā)展綠色地?zé)崮茉串a(chǎn)業(yè)。為實現(xiàn)更快的技術(shù)進(jìn)步和更大范圍的推廣應(yīng)用，建議將地?zé)豳Y源利用納入大氣污染防治的總體規(guī)劃之中。
精準(zhǔn)評價，摸清家底
地球的地?zé)峥偰芰侩m然巨大，但其分布很不均勻，要想加以經(jīng)濟(jì)合理的有效利用，還需要找到它們的聚集地。只有在這些地方（聚集地），地?zé)岵拍鼙挥行У丶右蚤_發(fā)利用。進(jìn)行清晰的地?zé)豳Y源成因模式研究、準(zhǔn)確的地?zé)豳Y源儲量評價研究，不斷開辟新的資源儲備，是地?zé)豳Y源規(guī)?；沙掷m(xù)利用的基礎(chǔ)。因此，建議進(jìn)一步加強(qiáng)地?zé)豳Y源勘查，查清更深層地?zé)醿影l(fā)育狀況和地?zé)豳Y源開發(fā)利用條件。
因地制宜，深淺結(jié)合
在地?zé)豳Y源利用上，應(yīng)該針對資源條件和供暖需求，綜合考慮中深層和淺層地?zé)崮艿倪m宜性。以下原則可供參考：（1）在雄縣模式的基礎(chǔ)上，雄安新區(qū)應(yīng)該立足于高起點、高標(biāo)準(zhǔn)、高水平的地?zé)豳Y源開發(fā)利用；（2）在容積率比較低的住宅區(qū)，可采用淺層地?zé)崮芄┡?，地源熱泵是新型?jié)能技術(shù)，在地下空間合理協(xié)調(diào)的前提下，應(yīng)該充分加以利用；（3）在集中辦公區(qū)域宜采用中深層地?zé)崮芄┡?/span>
依托地?zé)?，多能互補(bǔ)
一方面，加強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)運行的長期動態(tài)監(jiān)測和定量化熱儲模擬；另一方面，對于砂巖熱儲和巖溶熱儲開發(fā)利用條件稍差的地方，開展儲層改造技術(shù)研發(fā)和試驗。同時，鼓勵探索以地?zé)崮転橹黧w，多種清潔能源融合的“地?zé)?”第三代技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用示范。
責(zé)編：lj
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