中深层地热勘探开发技术进展与开发对策

方朝合，宿方儒

(1.中国石油勘探开发研究院，河北 廊坊 065007；2.山东师范大学附属中学，山东 济南 250100)

科技与应用

中深层地热勘探开发技术进展与开发对策

方朝合1，宿方儒2，*

(1.中国石油勘探开发研究院，河北 廊坊 065007；2.山东师范大学附属中学，山东 济南 250100)

随着绿色能源开发需求的日益迫切，地热能作为一种绿色低碳、用之不竭的可再生能源越来越受到重视。浅层地热能已经被广泛应用于发电、供暖等领域，但由于受到地表水文地质特征的影响而缺乏稳定性。中深层地热能热源充足，可利用价值高，必将成为今后开发的重点。在简述了国内外中深层地热勘查开发现状的基础上，分析了开发利用中深层地热所需的关键钻井、回灌、除垢等技术，并结合我国地热开发存在的问题，提出了相关技术对策。加大政府引导，鼓励石油企业介入，建立综合能源开发企业，重视地热能开发基础研究，提高经济开发地热能水平。

地热资源；中深层；勘探技术；开发技术

引言

地热资源是指能够被经济利用的地球内部的地热能流体及其有用组分[1]。通过合理设计可以实现地热资源的循环利用，因此地热资源可以归类于可再生能源。地热资源不仅不会对环境造成污染，还能实现全天候全时段应用，具有绿色低碳、储量大、分布广、稳定性好、利用系数高等特点，对于拥有者来说是一种具有强大竞争力且非常现实的可再生能源[2-3]。地热资源有显著的二氧化碳减排效果且输出稳定，平均能源利用系数为73%，高于常见新能源资源，太阳能技术的能源利用系数不足它的1/5，风能技术的能源利用系数也仅有它的1/3强[4]。地热资源在未来能源供应与节能减排方面有着巨大潜力，受到世界各国高度认同与重视。

据估计[5]，地球内部储存的热量折合为能量后总量约为全球煤炭储量的1.7亿倍。其中可利用能源量相当于4948万亿吨标煤。目前全球每年消耗能源总量折合标准煤为190亿吨，如果按此标准计算，地热可利用资源量可以满足人类数十万年的能源需求。据统计，到目前为止有82个国家采用直接利用方法开发地热资源，装机总容量约70329MW。在直接利用地热的国家当中，中国地热直接利用装机总容量为17870MW，居世界首位，占世界总量的25.41%。国内浅层地热能资源总量折合标准煤95亿吨，中深层中低温地热资源量折合标准煤13700亿吨，而高温型地热资源总量约为8500MW。

历经30多年地热资源的规模开发与利用，我国地热资源利用的技术水平和产业规模均取得了显著的进步。形成的地热资源利用项目包括地热直接发电、地热替代化石燃料集中供暖、生活热水供应、温泉洗浴商业服务及农作物种植与水产养殖等[6]。但是据738处地热勘察资料统计[7-8]，中国90℃以下低温地热田占地热田勘察总数的96%，地热资源的利用主要以中低湿地热能的直接利用为主，对于中深层地热能的研究尚待完善。

1中深层地热能勘查技术

中深层地热能主要是指地下200米以下至2000米以上的地层中蕴含的热能资源[9]。地热资源的分布受到很多因素的影响，所以地热勘查也需要结合多种技术手段，如地质调查、深部地球物理勘查等，并要注意充分利用从前的地质调查数据和地球物探地球化学及深部地热钻井资料，从而确定热异常区，寻找赋存温度达到使用用途的热流体或热储。在缺少深部钻井地质资料的地区，应采用有效的深部地球物理勘查技术。

根据地热资源特征，按地热储集体的输出温度、储热形态与规模以及储热区地质构造复杂程度，地热资源可划分为高温地热田和中低温地热田两个大类，各三个亚类[3](见表1)。

表1 地热资源类型[3]

在地热勘查中常用的方法有地温测量、重力勘探、磁法勘探、电法勘探、放射性勘探和温度测井等。地球物理方法技术在地热勘查与开发各个技术环节中具有极为重要的作用，可用于完成目标区各种断裂的方向和性质的调查、深部热储的位置标定、储热层关联的地质构造的确定、火成岩岩体的规模、分布和性质的调查、储热层及地下水水文地质变化特征监测、储热层分布与地热资源埋藏状况调查等多项任务。主要包括以下内容：

1.1微震监测技术

微震监测技术的原理是通过监测岩体破裂产生的震动或其他物体的震动，反演出监测对象的破坏状况、安全状况等技术信息，从而为预报和控制灾害提供技术依据。该技术在注水开发检测和油田压裂等方面应用效果良好，在地热开发，尤其是干热岩的开发中具有重要的借鉴意义。微震监测技术利用的不是专门人工震源产生的地震波，而是实时采集水力压裂、地热开采、油田常规注水或热驱等工程作业自身形成的地震波。这种工程诱生地震产生的波动很微弱，常需要在观测井中进行数据采集以避免环境噪声的影响。通过对采集到的微震数据资料进行处理和解释，可描绘出水力压裂形成人工裂缝的空间图像，以及人工裂缝发育过程的详细信息；或对开发过程中携热流体的运动前缘，热交换区域的温度变化进行监测[10-12]。

1.2可控源音频大地电磁法(CSAMT)勘查

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是人工源电磁勘探法，该方法使用可控制的人工信号源来获得较好的探测效果，克服了大地电磁探测法(MT)信号微弱、观测困难的弱点。CSAMT不同于直接电阻率测深法，不是通过改变测量装置的几何尺寸而是通过改变频率来实现测深目的，因此，它具有直流电测探法不可能具备的许多优点。有些地质构造由于受到其上方覆盖的高电阻薄层屏蔽，无法通过直流法和人工地震法进行探测，而CSAMT法可以穿越高电阻薄层，取得较好的探测效果。因此，CSAMT法被广泛应用于油气、地热、矿产、水文地质、环境勘探等领域[13-14]。

1.3重磁勘探

重磁勘探是通过考察被探测物体在地球的引力场(重力场)和地球磁场中引起的变化来推断目标物体的性质的方法，一般是用重力检测仪器和磁力检测仪器采集被探测物体受地球引力场作用引起的重力异常及其受地球磁场作用引起的磁异常的数据，通过反演推断来实现探测目的。特别适合用来完成深层构造断裂探测、基岩坳陷中的凸起构造探查和地热成因特征研究等任务[15]。随着重磁勘探方法的技术发展，测量精度有所提高，测量参数也有所增加，重磁勘探方法在中深层地热的检测和评价领域有了越来越多的应用。

2中深层地热开发技术

2.1地热钻井技术

地热井钻井目的不仅仅是钻达目的层开发地热，和油气井相比，它还有一个目的是要经济节约。开发地热能短期效益不如油气，地热井钻井与完井费用占到地热开发成本的一半。地热井钻井费用甚至高出油气井钻井费用，主要由于地热井的高温、较大的井径。因此，经济性是地热钻井的最重要指标。地热井钻井费用降低也主要通过优化钻井工艺和减少井下复杂情况来实现的。由于地热井的高温，油基或气基钻井液是比较好的选择，考虑到储层损害问题，气体基钻井液是最好的选择，但是它的适用性总是有限的。因此，研发适合高温水基钻井液是开发地热和深层油气的关键。井壁稳定和漏失同样是地热井钻井过程中的重要问题。

2.2地热回灌技术

目前地热产业发展面临的最大技术难题是回灌技术。虽然地球内部热能资源蕴藏丰富，但利用过程也不可以过于随意，通常需要以 “用热不用水”为原则将地热尾水进行合理回灌，一方面可以提高地热资源的利用效率并维持地热资源利用的可持续性，另一方面可以减少废弃热水对环境的污染[16]。地热回灌的意义在于：①扩大地热采集区有效波及体积；②保护取热点周边地质结构和水文特征、延长地热田生产寿命；③避免尾水排放造成热污染、水污染及土壤污染。地热回灌技术存在4个要素：灌量、灌压(水位)、温度和水质。

地热回灌主要有三类实施方式：①同井分层回灌，适用于包含两层以上热水层的地热井，选定其中一个热水层为为生产层，另一个热水层为回灌层，使取热与回灌操作可以在单井同时进行。②对井回灌，需要在合理距离内打一对地热井，以其中之一为生产井，另一为回灌井，必要时两井需要交换角色，如果生产层与回灌层同层，井间距必须足够大以免影响采热效果。③群井生产性回灌，选定地热田合理位置进行多井集中回灌，由于回灌速率可以很高，要特别注意回灌量与开采量的匹配关系。

2.3梯级利用地热能技术

地热能最直接利用的方式是利用地热水的热能量。目前地热能利用比例最高的技术是地热能发电技术，然而地热发电的热能利用率也仅有5% -20%，80%以上的热能只能废弃，废热通常蕴含在尾水当中，直接排放到自然环境中或者回灌到地下，造成地热资源的浪费，如果直接排放还会形成热污染，给植被、生物和土壤带来不良影响。地热梯级利用是从温度由高到低分别采用不同的方式对各个温度级别的地热水加以利用。理想的梯级利用情况是，首级为新采的高温地热水，用来发电，次级为发电之后的次高温热水，用于供暖及工业热源，三级是次级取热后形成的略高体温的地热水，可以用来开展养殖业、种植业及温泉洗浴。经过以上梯级利用之后的最末端尾水温度一般可降低至20℃左右，如此，一方面最大程度的利用了地热资源，另一方面也最大程度的降低了热污染对自然环境的危害，可见地热梯级利用技术对推动地热产业发展意义重大。通过地热梯级利用的全流程设计，能充分发挥深层地热的利用潜力，相比以往的简单地热利用，地热梯级利用的能源效率更高，可以最大限度地利用地下热水蕴含的热能[17]。

2.4地热井除垢技术

由于地下的高矿化度环境，各种管线上的结垢现象普遍存在，这给地热能的开发造成了重大危害，除垢技术的研究意义重大。经研究分析[18-19]，结垢的原因是流经地层的高硬水由于在从地层开始的流动过程中压力和温度下降，原有的气、液、固三相平衡被打破，水中的Ca(HCO3)2分解，CO2从水中溢出，出现CaCO3结垢，地热学上称作“钙华”。目前较为有效的除垢方法主要有石灰—纯碱法和井下控制热储层工艺。

2.4.1石灰—纯碱法

运用化学沉淀法原理，根据溶度剂原理使用所含硬度等在适当的药剂作用下形成难溶性化合物而去除的过程。水的药剂软化通常采用石灰、纯碱、苛性钠等。

石灰—纯碱法可以同时降低地热水的暂时硬度和永久硬度。具体反应步骤为，先将生石灰溶于加药池水中，制成石灰乳即氢氧化钙(Ca(OH)2)，然后与纯碱、助凝剂同时投加到机械搅拌反应池中，即可除去水中的暂时硬度Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2和MgCO3，还可以除去水中的永久硬度CaSO4、CaCl2、MgCO3和MgCl2，在pH较高时，反应生成物MgCO3很快水解为Mg(OH)2，最后都转化为CaCO3和Mg(OH)2沉淀。钙、镁离子形成的固体物质在自然沉降过程中起到混凝剂的作用，其中CaCO3的絮凝作用尤其出色。经过絮凝反应的水自流至斜板沉淀池中，经过沉淀池沉淀后，自流入中间水池。软化后的水再进入车间原有的除铁猛过滤器，除去水中的铁锰，同时降低浊度。

2.4.2井下控制热储层技术

北京地矿局根据HR1井的上下热储层水质情况和具体数据，建议在HR1井上层高钙水储层井段中加入一套井管封隔其滤水管位置(井深1026.27-1566.56)，就能保证只利用下层低硬度热水的目的。目前国内这种施工工艺完全可以做到。该方法除垢彻底，但前提是原始钻井数据准确，还要重新测井以对井内结构变化情况进行判定，并且保证水量、水温不能下降，具有一定风险。

3中深层地热开发对策

3.1政府主导建立综合能源开发企业

随着创新、协调、开放、共享、绿色理念的深入，绿色的地热能开发逐渐被政府和企业重视。但是，由于矿权和地热能利用问题，导致一些地热能浪费。如石油企业在油气开发过程中产生大量高温热水，而这些热能都没有得到利用。因此，在政府主导下，加大地热能利用推广，提高政府补贴等措施，鼓励企业实现多能共开。

3.2鼓励石油企业进入地热能开发

石油企业拥有油气勘探、开发、储存与运输等重要经验，尤其石油企业在油气钻井与油气井改造、注水等方面经验丰富，技术较为成熟，这是其它公司不能相比的。尤其目前石油在开发致密油气和页岩气方面采用显著提高流体泄流面积的水平井分段压裂技术，可以在地热开发方面加以利用。

3.3重视中深层地热能开发的基础研究

美国页岩气开发取得了重要进展，较为成功，但是美国能源部针对页岩气开发方面从上世纪70年代就已经连续进行资助。我国中深层地热开发利用尚处于起步阶段，技术基础和理论尚未突破，例如，高温岩石物理性质、高温多孔介质流体相态与渗流等基础研究需要重点支持。

结语

目前地热资源应用已非常广泛，不仅包括生活类的供暖、旅游、疗养保健，还包括生产类的发电、制冷、烘干、化工、种植、养殖等许多领域，其应用前景极为广阔。近年来，我国对环境问题的重视程度日益提高，绿色发展成为主流思想，地热产业面临历史性的发展机遇，具有极其可观的发展潜力。中深层地热能是地热应用领域最具价值和潜力的部分，必将在能源结构优化、能源清洁化转型及大气污染防治中发挥更加重要的作用。目前国内中深层地热开发还处于刚刚起步的初级阶段，其基础理论和技术尚未突破，面临很多困难，因此需要通过技术攻关和示范工程等多种方式不断完善地热应用的理论体系与技术工艺，形成完整且高效的中深层地热开发技术体系。

[1]GB/T11615-2010.地热资源地质勘查规范[S]. 中国国家标准化管理委员会，2010：4-7.

[2]廖忠礼，张予杰. 地热资源的特点与可持续开发利用[J]. 中国矿业，2006(10)：8-11.

[3]徐世光，郭远生. 地热学基础[M]. 科学出版社，2009：246-258.

[4]汪集旸，孙占学. 神奇的地热[M].北京：清华大学出版社，2001：68-64.

[5]中国石化报.开发地热资源，发展地热产业.[EB/OL]http://202.149.227.159/zgshb/html/2015-07/13/content_625621.htm.

[6]韩建光，蒋宗霖，等. 中国地热资源及开发利用[J]．消费导刊，2008(23)：39-40.

[7]张金华，魏伟，等. 地热资源的开发利用及可持续发展[J]. 中外能源，2013(18):30-35.

[8]田廷山，刘延忠中国地热资源的勘査开发利用和管理[J]. 中国地质，1999(11)：21-25.

[9]丁永昌. 中深层地热能梯级利用系统优化研究[D]. 山东建筑大学，2016：154-159.

[10]Kristinsdottir L H, Flovenz O G, Arnason K, et al. Electrical conductivity and P -wave velocity in rock samples from high -temperature Icelandic geothermal fields[J]. Geothermics, 2010, 39(1): 94-105.

[11]Jaya M S, Shapiro S A. Temperature dependence of seismic properties in geothermal rocks at reservoir conditions[J]. Geothermics, 2010, 39(1):115-123.

[12]Yang Y, Ritzwoller M H, Jones C H. Subsurface characterization of the COSO Geothermal Field and surroundings by Ambient Noise Tomography[J]. Geochemistry, Geophysics, and Geosystems, 2010: 1-43.

[13]Oskooi B, Manzella A. 2D inversion of the magnetotelluric data from travale geothermal field in Italy [J]. Journal of the Earth & Space Physics, 2011, 36(4): 1-18.

[14]底青云，王若，等.可控源音频大地电磁数据正反演及方法应用[M]. 北京：北京科学出版社，2008：213-232.

[15]Karastathis V K, Papoulia J, Di Fiore B, et al. Deep structure investigations of the geothermal field of the North Euboean Gulf, Greece,using 3-D Local Earthquake Tomography and Curie Depth Point analysis[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2011, 206 (3-4):106-120.

[16]田延山.中国地热资源及开发利用[M].北京：中国环境科学出版社，2006:147-159.

[17]张金华，魏伟，杜东，等．地热资源的开发利用及可持续发展[J]．中外能源，2013(18)：30-34．

[18]Morizot A P and Neville A.Heriot-Watt U:Using an Electro-chemical Approach for Monitoring Kinetics of CaCO3and BaSO4Scale Formation and Inhibition on Metal Surfaces[J]. SPE71712.

[19]云智汉，马致远，周鑫，等. 碳酸盐结垢对中低温地热流体回灌的影响-以咸阳地热田为例[J]. 地下水,2014,36(2)：31-33.

(责任编辑：孙 强)

Technical Progress and Development Strategies of Mid-Deep Geothermal Exploration and Development

FANG Chaohe1,SU Fangru2,*

(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Langfnag,Hebei 065007,China;2.Attached Middle School of Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250100, China)

With the increasing demand of the green energy development, geothermal resources, as green, low-carbon and renewable resources, have received more and more attention. Shallow geothermal energy has been widely used in power generation, heating and so on. However, the instability of shallow geothermal resource, due to the near surface hydrogeological influences, made it unfavorable compared to the mid-deep geothermal energy. The abundance and high utilization value of the mid-deep geothermal resource, made it popular for the future development. On the basis of summarizing the status of mid-deep geothermal exploration in China and overseas, this paper analyzed the key technologies for the development and utilization of mid-deep geothermal resources, such as drilling, reinjection and descaling. The strategic solutions to the existing problems of geothermal development in China are also provided: strengthen the guidance from the government, encourage oil companies to the market, establish the integrated energy enterprises, support the fundamental research on geothermal resource, and promote the economical development of geothermal resources.

geothermal resources; mid-deep layer; exploration technology; development technology

2016-12-21

方朝合(1976- )，男，山东德州人，廊坊分院高级工程师。 *通讯作者

TK521

A

1671-4385(2017)01-0089-05