由山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院)打造的山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程，近年來得到了國內(nèi)外地熱專家的高度肯定，并被能源行業(yè)地熱能標委會評定為“地熱能開發(fā)利用標準化示范項目”。該項目實現(xiàn)供暖尾水100%回灌的奧秘是什么?示范工程在設計理念上具有怎樣的特點?該工程同以往傳統(tǒng)的地熱回灌工藝設計相比有哪些不同?就此《中國地熱》記者帶著諸多疑問，實地參觀了山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程。
山東德州德城區(qū)水文家園小區(qū)外景
位于山東省德州市德城區(qū)的水文家園小區(qū)地熱采灌工程是山東省魯北地質(zhì)工程勘察院2016年建成的山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程，集供暖和洗浴利用方式、換熱、熱泵應用技術(shù)、回灌技術(shù)、自動化監(jiān)測展示及產(chǎn)學研教為一體。該小區(qū)建筑總面積約5.7萬平方米，包括暖氣片供暖和地板輻射供暖兩種供暖方式。
砂巖熱儲地熱回灌多功能展示廳
山東省魯北地質(zhì)工程勘察院地質(zhì)研究中心主任劉志濤說，“這個工程已連續(xù)運行了三個供暖季，前三個供暖季回灌量已超過了50萬立方米，實現(xiàn)了供暖尾水100%回灌，現(xiàn)在已經(jīng)開始第四個供暖季采灌工作，并繼續(xù)保持供暖尾水全部回灌。”
地熱開采井和回灌井模型圖
劉志濤告訴記者，該示范工程在設計理念上結(jié)合了德州市地熱資源條件和小區(qū)的供暖需求進行了很好的設計，主要有幾個特點：一是采用了熱交換技術(shù)，利用板式換熱器把軟化的自來水加熱供暖，有效避免高礦化度地熱水對末端散熱器的腐蝕;二是采用梯級綜合利用方式，一級板換的熱量用于效率較低的暖氣片供暖，換熱后的低溫地熱水用于地板輻射供暖和洗浴。三是同水源熱泵結(jié)合起來，供調(diào)峰使用，提高熱利用率。四是供暖尾水經(jīng)過濾設備同層回灌到地下，實現(xiàn)地熱的可持續(xù)開發(fā)利用。
山東省砂巖熱儲地熱回灌示范工程供熱站
“現(xiàn)在還是無壓回灌，不需要添加任何壓力，自然就能回灌到地下。”談及這項工藝設計的奧秘時劉志濤介紹，回灌井采用了大口徑填礫工藝，與傳統(tǒng)工藝是有一定的區(qū)別。“傳統(tǒng)工藝儲層段井徑大體是311mm左右，下入178mm的井管，間隙不填礫;現(xiàn)在的工藝就是大口徑填礫工藝，井徑比較大，可達450mm，下入178mm的井管后，井管和鉆孔之間的間隙要填濾料，然后上面使用黏土球把它封住，這樣的工藝更有利于回灌。”劉志濤說。
魯北院大口徑填礫工藝技術(shù)的成功應用得益于該院以往鉆探工藝研究的技術(shù)成果。此項工藝最關(guān)鍵的是在填礫時需要高超的技術(shù)。比如在井深較大時，濾料很容易在中間的某個位置卡住而不能到達預期位置處，魯北院科研人員進行了不懈的探索和嘗試，精準填礫深度從1000米逐漸增加到2000米。
由傳統(tǒng)的大罐過濾方式經(jīng)創(chuàng)新研究后采用并聯(lián)式的小罐過濾
在回灌工藝中，魯北院還對回灌過濾作了創(chuàng)新研究。傳統(tǒng)的過濾方式大多采用一個大罐進行過濾，魯北院技術(shù)人員在設備運行中發(fā)現(xiàn)，這種方式不利于生產(chǎn)性回灌工作的持續(xù)進行。“我們進行了改進，采用并聯(lián)式的小罐，如果其中的一個堵了，就把它的閥門單獨關(guān)閉進行處理，不會影響回灌持續(xù)運行。”劉志濤說，在回灌具體規(guī)范操作方面還有一些技巧，這些看似簡單的操作，如果不注意很容易出現(xiàn)問題，最終影響回灌效果。
魯北院打造的山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程得到了地方政府領導和國內(nèi)地熱專家的高度肯定，被能源行業(yè)地熱能標委會評定為“地熱能開發(fā)利用標準化示范項目”。該示范工程建成以來，每年接待全國各地甚至國外大學、科研院所、企事業(yè)單位數(shù)十批次考察團的參觀交流學習，“實地參觀后，他們很受啟發(fā)，這為他們地熱采灌工程的建設提供了很好的工程借鑒，也切實為地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用起到了良好的示范和引領作用。”
砂巖熱儲地熱回灌示范工程被授予“地熱能開發(fā)利用標準化示范項目”銅牌
地熱尾水回灌研究成果的背后得益于山東省地礦局和魯北院各級領導對科研工作的重視以及科研人員多年來專心致志、潛心鉆研的努力。地熱尾水回灌研究歷經(jīng)試驗性回灌階段、生產(chǎn)性回灌階段、標準化回灌階段三大發(fā)展歷程，針對砂巖熱儲地熱尾水回灌關(guān)鍵技術(shù)難題，魯北院從回灌井鉆探成井工藝、回灌工藝、回灌技術(shù)三方面，對影響回灌效果的因素進行了深入的研究，為地熱回灌的推廣應用提供了有力的技術(shù)支撐。
劉志濤介紹，2019年魯北院建成了全國第一個大型地熱回灌模擬試驗場。該試驗場將針對回灌堵塞機理開展深入的模擬研究，探討不同因素影響條件下的堵塞效應，另外也將開展人工回灌對儲層水動力場、溫度場、水化學場等各方面影響的監(jiān)測試驗與數(shù)值模擬研究，探討回灌條件下的環(huán)境影響效應，同時也將深入研究回灌條件下地熱資源可持續(xù)開采量計算評價的理論方法，該試驗場研究成果將為區(qū)域地熱能大規(guī)模開發(fā)利用提供指導。
地熱回灌模擬試驗場
十余年來，魯北院開展了眾多的地熱回灌試驗和研究項目，其中包括“山東省孔隙熱儲地熱回灌堵塞機理研究”、“魯北砂巖熱儲地熱尾水回灌鉆探及回灌工藝研究”等廳局級重要科研項目，提交研究成果20余項，并制定了自然資源部行業(yè)標準《砂巖熱儲地熱尾水回灌技術(shù)規(guī)程》和山東省地方標準《地熱尾水回灌技術(shù)規(guī)程》。經(jīng)過多年的努力，魯北院在地熱尾水回灌研究領域取得了驕人的成績，“砂巖熱儲地熱供暖尾水回灌技術(shù)”入選“山東省能源領域重點技術(shù)、產(chǎn)品和設備目錄”“山東省魯北地區(qū)地熱回灌條件研究”、“魯北砂巖熱儲地熱尾水回灌鉆探及回灌工藝研究”等多個項目成果獲廳局級科技進步獎。
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