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山东鲁北院:积蓄发展强劲动力 引领行业创新前沿

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  来源:《地源热泵》杂志    作者:代海雷   发布日期:2020-03-02
核心提示:根据地热资源分布情况,鲁西北地区是主要的砂岩热储分布区,地热资源分布范围广泛,在德州、滨州、东营、聊城的大部分地区和济南北部、菏泽西部都有分布,并且资源量丰富,开发利用条件好,特别适宜于供暖。

山东鲁北院:积蓄发展强劲动力 引领行业创新前沿

——专访山东省鲁北地质工程勘察院地质研究中心主任刘志涛



山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)隶属于山东省地质矿产勘查开发局,成立于1975年,是一支从事水文地质、工程地质、环境地质调查与评价、地热资源勘查开发等地质工作的专业化地勘队伍。经过多年的发展,鲁北院在大口径深部资源勘探、地热资源勘查开发与地热尾水回灌研究等领域取得了令业界瞩目的成绩,积蓄发展强劲动力,鲁北院走在了引领行业发展的前沿。近日,本刊记者采访了鲁北院地质研究中心主任刘志涛,他向记者讲述了近年来鲁北院取得的成绩与收获,并分享了以砂岩热储地热尾水回灌研究著称的鲁北院在其工程设计理念及项目运行管理中的奥秘。


成绩斐然,创新科技成果不断刷新记录


近年来,鲁北院在大口径深部资源勘探和地热资源勘查与地热尾水回灌研究领域通过创新发展取得了重要成果,不断刷新行业记录。


鲁北院地质研究中心主任刘志涛介绍,大口径深部资源勘探作为鲁北院主营业务之一,目前业务已覆盖到了全国17个省份,完成了大批3000米以上的地热井、干热岩、页岩气、钾盐等各类勘探孔。经过多年的创新发展,大口径填砾、穿越高压油气层及注水层、定向钻井、高温钻井、大口径花岗岩取芯、钾盐勘探成为鲁北院深部资源勘探六大核心技术,鲁北院在大口径深部勘探领域已然走在了全国地勘单位的前沿。


“青海共和盆地作为我国首个干热岩开发示范工程,鲁北院承担了GR1勘探孔的钻探施工任务,孔深3705米,孔底温度236℃,这是我国首次钻获埋藏最浅温度最高的干热岩体,实现了我国干热岩勘探的重大突破,并入选2017年全国探矿十大新闻。”刘志涛说,在大口径深部钻探方面,鲁北院目前正在实施雄安新区地热清洁能源调查评价D19钻孔和牛驼镇地热田D05地热勘探孔钻探工程。此前,鲁北院还在山东省利津县完成了国内首个干热岩试验孔,孔深2500m;在福建漳州完成了国内首个干热岩科学钻探孔,孔深4000.86m。


图为砂岩热储地热回灌多功能展示厅


20世纪90年代,鲁北院就开始致力于地热清洁能源的勘查开发利用研究工作,承担了山东省首个砂岩热储地热资源详查项目,建成了山东省首眼馆陶组热储地热井,并首次将地热应用于住宅供暖,从而拉开了本区地热资源勘查开发利用的序幕,之后又陆续发现并评价了十余处地热田。在区域上围绕地热资源开发、地热地质环境问题开展了一系列调查评价和监测项目,围绕地热尾水回灌开展了一系列堵塞机理、回灌工艺、回灌试验等科研项目,在德州市建立了山东省首个砂岩热储地热尾水回灌示范工程,制定有相关行业标准和地方标准。工作过程中,鲁北院也取得了一大批优质科研成果,部分成果经鉴定达到国际领先水平,其中获得省部级奖3项,厅局级奖47项,专利12项,为有效推动地热清洁能源开发利用打下了坚实的基础。


在地热资源调查评价方面,鲁北院作为牵头单位开展了“山东省地热资源综合评价项目”。据刘志涛介绍,该项目由山东省地矿局地热清洁能源创新团队首席专家康凤新研究员牵头组织实施,历时三年时间,于2017年年底完成。该项目是对山东省50年地热资源勘查、试验、监测和研究成果的集成、凝练、提升和创新,是山东省地热资源的整装性研究成果。项目提出了地热田科学划分方法,并将山东省划分为96个地热田,查明了各地热田地热地质特征;建立了地热资源成矿理论,揭示了地热成矿机制与成矿规律,提出了采灌均衡条件下的地热资源计算方法,计算评价了采灌均衡地热资源量,为山东省地热清洁供暖提供了资源保障。项目成果荣获自然资源部国土资源科学技术一等奖和山东省科技进步一等奖。


搭建平台,建立企业自主创新发展体系


多年来,鲁北院在地热清洁能源领域不断加强科技平台建设,推进科技创新服务水平。该院申请建立了山东省地热院士工作站、山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心和山东省地矿局地热清洁能源创新团队,建设了“砂岩热储地热回灌示范工程”和“地热回灌模拟试验场”两大研发基地,并聘请多吉院士、曹耀峰院士为地热研究首席专家,致力于地热尾水回灌堵塞机理、经济回灌等重大技术攻关课题研究。


地热尾水回灌堵塞是制约地热可持续开发利用的瓶颈难题,同时也是地热行业亟需解决的关键问题。刘志涛说,“鲁北院从2006年就开始研究地热尾水回灌,早期地热只采不灌的开发利用模式产生了一些地质环境问题,比如热储压力持续下降、水化学污染、热污染等问题,我们从那时就开始研究回灌工作,一直持续到今天。”


十余年来,鲁北院开展了众多的地热回灌试验和研究项目,其中包括“山东省孔隙热储地热回灌堵塞机理研究”、“鲁北砂岩热储地热尾水回灌钻探及回灌工艺研究”等厅局级重要科研项目,提交研究成果20余项,并制定了自然资源部行业标准《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》和山东省地方标准《地热尾水回灌技术规程》。经过多年的努力,鲁北院在地热尾水回灌研究领域取得了骄人的成绩,“砂岩热储地热供暖尾水回灌技术”入选“山东省能源领域重点技术、产品和设备目录”,“山东省鲁北地区地热回灌条件研究”、“鲁北砂岩热储地热尾水回灌钻探及回灌工艺研究”等多个项目成果获厅局级科技进步奖。


在回灌实践取得不断突破的基础上,鲁北院积极加大与科研院所的合作,与清华大学、山东大学、山东科技大学等高等院校开展地热回灌课题攻关。“大学、科研院所的综合实力比较强,我们通过项目合作,在深入开展课题研究、提高科研成果质量和创新水平的同时,也培养了我们科研人员的各方面素质和水平。”刘志涛介绍,科研创新成果得到了很好的推广和应用,已服务德州市德城区、武城、禹城、夏津、平原、滨州市惠民等城镇与农村社区的地热清洁供暖。


记者了解,鲁北院下一步将加快提升科研创新水平,深入开展砂岩热储堵塞机理研究、地热回灌环境影响监测与研究、大口径深部钻探完井技术研究,建立砂岩热储地热尾水回灌关键技术体系,为砂岩热储生产性回灌工程建设和广泛推广应用等提供技术支撑。


典型引领,示范项目树行业发展新标杆


位于山东省德州市德城区的水文家园小区地热采灌工程是鲁北院2016年建成的山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程,集供暖和洗浴利用方式、换热、热泵应用技术、回灌技术、自动化监测展示及产学研教为一体。该小区建筑总面积约5.7万平方米,包括暖气片供暖和地板辐射供暖两种供暖方式。刘志涛说,“这个工程已连续运行了三个供暖季,前三个供暖季回灌量已超过了50万立方米,实现了供暖尾水100%回灌,现在已经开始第四个供暖季采灌工作,并继续保持供暖尾水全部回灌。”


刘志涛告诉记者,该示范工程在设计理念上结合了德州市地热资源条件和小区的供暖需求进行了很好的设计,主要有几个特点:一是采用了热交换技术,利用板式换热器把软化的自来水加热供暖,有效避免高矿化度地热水对末端散热器的腐蚀;二是采用梯级综合利用方式,一级板换的热量用于效率较低的暖气片供暖,换热后的低温地热水用于地板辐射供暖和洗浴。三是同水源热泵结合起来,供调峰使用,提高热利用率。四是供暖尾水经过滤设备同层回灌到地下,实现地热的可持续开发利用。


图为山东省砂岩热储地热回灌示范工程供热站


“现在还是无压回灌,不需要添加任何压力,自然就能回灌到地下。”谈及这项工艺设计的奥秘时刘志涛介绍,回灌井采用了大口径填砾工艺,与传统工艺是有一定的区别。“传统工艺储层段井径大体是311mm左右,下入178mm的井管,间隙不填砾;现在的工艺就是大口径填砾工艺,井径比较大,可达450mm,下入178mm的井管后,井管和钻孔之间的间隙要填滤料,然后上面使用黏土球把它封住,这样的工艺更有利于回灌。”刘志涛说。


鲁北院大口径填砾工艺技术的成功应用得益于该院以往钻探工艺研究的技术成果。此项工艺最关键的是在填砾时需要高超的技术。比如在井深较大时,滤料很容易在中间的某个位置卡住而不能到达预期位置处,鲁北院科研人员进行了不懈的探索和尝试,精准填砾深度从1000米逐渐增加到2000米。


在回灌工艺中,鲁北院还对回灌过滤作了创新研究。传统的过滤方式大多采用一个大罐进行过滤,鲁北院技术人员在设备运行中发现,这种方式不利于生产性回灌工作的持续进行。“我们进行了改进,采用并联式的小罐,如果其中的一个堵了,就把它的阀门单独关闭进行处理,不会影响回灌持续运行。”刘志涛说,在回灌具体规范操作方面还有一些技巧,这些看似简单的操作,如果不注意很容易出现问题,最终影响回灌效果。


鲁北院打造的山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程得到了地方政府领导和国内地热专家的高度肯定,被能源行业地热能标委会评定为“地热能开发利用标准化示范项目”。该示范工程建成以来,每年接待全国各地甚至国外大学、科研院所、企事业单位数十批次考察团的参观交流学习,“实地参观后,他们很受启发,这为他们地热采灌工程的建设提供了很好的工程借鉴,也切实为地热资源的可持续开发利用起到了良好的示范和引领作用。”


地热尾水回灌研究成果的背后得益于山东省地矿局和鲁北院各级领导对科研工作的重视以及科研人员多年来专心致志、潜心钻研的努力。地热尾水回灌研究历经试验性回灌阶段、生产性回灌阶段、标准化回灌阶段三大发展历程,针对砂岩热储地热尾水回灌关键技术难题,鲁北院从回灌井钻探成井工艺、回灌工艺、回灌技术三方面,对影响回灌效果的因素进行了深入的研究,为地热回灌的推广应用提供了有力的技术支撑。


未来可期,积蓄地热能发展更强劲动力


山东省拥有丰富的地热资源,未来在地热清洁供暖领域具有非常好的发展潜力。刘志涛依据“山东省地热资源综合评价”项目成果向记者介绍了山东省地热资源家底:全省供暖用地热水,自然条件下供暖期可采资源量为3275.39万m3/d,折合标准煤4070.51万t/a,可供暖面积19.72亿m2,居全国前列。按照“取热不取水”的采灌均衡开采模式,回灌条件下供暖期地热水可采资源量为4797.67万m3/d,折合标准煤5885.06万t/a,可供暖面积28.51亿m2。截至目前,山东省水热型地热供暖面积已超过6000万平方米。


“根据地热资源分布情况,鲁西北地区是主要的砂岩热储分布区,地热资源分布范围广泛,在德州、滨州、东营、聊城的大部分地区和济南北部、菏泽西部都有分布,并且资源量丰富,开发利用条件好,特别适宜于供暖。”刘志涛介绍,鲁西北地区地热水可开采量为3465万立方米/日,可供暖面积21.9亿平方米。 


由传统的大罐过滤方式经创新研究后采用并联式的小罐



地热能相比其他供暖方式具有怎样的优势?他认为,“煤改气、煤改电”所用的天然气、煤炭毕竟是化石能源,还是有一定的污染,并且冬季大规模集中应用容易引起能源供应紧张,造成气荒、电荒。相比其他清洁供暖方式,比如生物能、太阳能,这些清洁能源受各方面因素影响较大,比如太阳能受日照影响,并且只能作为辅助供暖应用,生物能原料供应目前可能也是一大问题,相比之下地热能是一种更加稳定可靠的清洁能源。


对于地热能未来发展前景刘志涛充满信心。“近年来不管中央还是地方,各级政府对生态环境保护越来越重视,促使清洁能源开发利用得到了快速发展。”他认为,现在地热供暖在城镇地区应用较为广泛,而农村地区开发利用程度还比较低。另外尤其是在偏远地区,集中供暖难以达到的地方,出于清洁供暖需求的考虑,这也将是地热企业最佳选择的市场方向之一。


厚积薄发,引领地热产业突破发展瓶颈


大口径深部资源勘探、地热资源勘查开发与地热尾水回灌作为鲁北院核心竞争力的两大优势产业,未来鲁北院将继续发挥核心优势并加强相关领域的研究及拓展工作。


刘志涛介绍,2019年鲁北院建成了全国第一个大型地热回灌模拟试验场。该试验场将针对回灌堵塞机理开展深入的模拟研究,探讨不同因素影响条件下的堵塞效应,另外也将开展人工回灌对储层水动力场、温度场、水化学场等各方面影响的监测试验与数值模拟研究,探讨回灌条件下的环境影响效应,同时也将深入研究回灌条件下地热资源可持续开采量计算评价的理论方法,该试验场研究成果将为区域地热能大规模开发利用提供指导。“此外包括该试验场在内的相关试验平台将实行开放共享服务,高校、科研院所等都可以利用开展试验研究,共同努力解决地热产业发展关键问题。”


另外,鲁北院还将开展地热资源开发与地质环境问题影响研究。通过近几年对典型采灌工程的持续监测,发现回灌井地温有降低现象,到下一个供暖季之前不能恢复到初始温度。目前鲁北院正在加强此方面的监测和模拟研究,为确定避免热突破的合理采灌井距提供科学依据。 


展望未来,2020年鲁北院地热清洁能源创新工作将围绕提高科研水平、完善设施建设、加强产学研合作交流、促进成果转化、加强人才培养、促进推广共享等六大方面展开工作,引领行业前沿,积蓄发展强劲动力,为推动地热能清洁能源产业发展做出更大的贡献。


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