秦耀軍,張平平

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 德州 253072)

0 引言

地?zé)豳Y源是一種綠色低碳的清潔能源，具有清潔環(huán)保、儲(chǔ)量大、分布廣、易開(kāi)發(fā)、利用成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]。山東省砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源主要開(kāi)采集中在魯西北地?zé)釁^(qū)，熱儲(chǔ)為館陶組和東營(yíng)組熱儲(chǔ)，地?zé)豳Y源埋深大，天然條件下基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，地?zé)崴难a(bǔ)給微弱，屬于不可恢復(fù)的消耗型資源[2]。科學(xué)利用、合理開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，對(duì)發(fā)揮其綠色能源優(yōu)勢(shì)，改善能源結(jié)構(gòu)，服務(wù)山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換具有重要意義。

近年來(lái)隨著魯北地區(qū)供暖地?zé)峋鹉暝黾?，地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方式單一、熱利用率低、設(shè)備使用壽命短、尾水直排等導(dǎo)致熱儲(chǔ)壓力逐年下降，同時(shí)造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，環(huán)境污染等問(wèn)題凸顯[3-4]，這與我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的主旨相悖。該文以地?zé)豳Y源賦存條件、水質(zhì)特征結(jié)合開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，對(duì)山東省砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用模式進(jìn)行探討，以工程實(shí)例示范推進(jìn)地?zé)峁┡a(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

魯北地區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬于華北板塊(Ⅰ級(jí))的華北坳陷區(qū)Ⅰ(Ⅱ級(jí))。中新生代以來(lái)，受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)與燕山運(yùn)動(dòng)的影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成凸凹相間的Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，聊城-蘭考斷裂、齊河-廣饒斷裂將其劃分為濟(jì)陽(yáng)坳陷Ⅰa(Ⅲ級(jí))、臨清坳陷Ⅰb(Ⅲ級(jí))2個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元[5]。

區(qū)內(nèi)新近紀(jì)以來(lái)的斷裂格架及活動(dòng)特征，主要表現(xiàn)為斷塊運(yùn)動(dòng)和對(duì)古近紀(jì)及其前的構(gòu)造繼承性活動(dòng)，區(qū)內(nèi)對(duì)Ⅱ、Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元的分布具有控制作用的分界斷裂主要有：聊城-蘭考斷裂帶、齊河-廣饒斷裂帶、滄東斷裂、邊臨鎮(zhèn)-羊二莊斷裂、陵縣-老黃河口斷裂[6]。

1.2 區(qū)域地層條件

魯北地區(qū)位于華北地臺(tái)的東部，為廣闊平坦的平原區(qū)，被第四系沉積物覆蓋。區(qū)內(nèi)自中新世以來(lái)，受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響，一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新生代地層。區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采地?zé)崴饕x存在新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組地層中。

2 地?zé)豳Y源條件

2.1 熱儲(chǔ)埋藏分布條件

館陶組熱儲(chǔ)在全區(qū)均有分布。受區(qū)域構(gòu)造和基底起伏的控制，在凸起區(qū)埋藏淺、厚度薄，凹陷區(qū)埋藏深、厚度大(圖1)。底板埋深一般為1000～1700m，最深可達(dá)2300m。熱儲(chǔ)厚度一般為250～400m。砂巖占熱儲(chǔ)厚度的30%～40%，單層厚度平均為10～20m；在垂向上具有上細(xì)下粗的正旋回特征；在水平方向上具有南部、東部顆粒粗，中部、西部顆粒細(xì)的特征。在取水段1000～1500m深度內(nèi)，單井出水量為40～80m3/h。熱水礦化度為4～20g/L，水化學(xué)類型以Cl-Na型為主，井口水溫一般為45～65℃，屬溫?zé)崴?熱水型地?zé)豳Y源[7-12]。

該熱儲(chǔ)主要分布在東營(yíng)、惠民、沾化、車鎮(zhèn)、德州、臨清等凹陷區(qū)內(nèi)。在濟(jì)陽(yáng)拗陷、臨清拗陷的凸起區(qū)缺失。總的分布特征是沉積厚度和層底埋深受基底起伏和區(qū)域構(gòu)造的控制，在拗陷、凹陷盆地的中心厚度最大，在盆地邊緣薄，分布不穩(wěn)定，自西向東、自南向北有變厚趨勢(shì)。熱儲(chǔ)砂巖累計(jì)厚度10～200m，單井出水量為30～60m3/h，礦化度為7～20g/L，水化學(xué)類型為Cl-Na,Cl·SO4-Na·Ca型，井口水溫為50～70℃，屬溫?zé)崴?熱水型地?zé)豳Y源。富含對(duì)人體有益的多種微量及放射性元素[7-11]。

2.2 熱儲(chǔ)巖石特征

2.2.1 熱儲(chǔ)砂巖巖性與巖石結(jié)構(gòu)

館陶組熱儲(chǔ)巖性主要為河流相、沖積扇相的細(xì)砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖。砂巖主要為顆粒支撐結(jié)構(gòu)，分選中等，多為泥質(zhì)膠結(jié)，少量為鈣質(zhì)膠結(jié)，局部有鐵質(zhì)膠結(jié)，以孔隙式膠結(jié)為主。熱儲(chǔ)層砂巖為中粒、中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造為主，鑒定名稱為中細(xì)粒、中粒長(zhǎng)石砂巖、泥質(zhì)膠結(jié)中粒長(zhǎng)石砂巖。熱儲(chǔ)砂巖由上至下顆粒逐漸變粗，上部0.075～0.25mm與0.25～0.5mm的顆粒各占40%左右，0.075～0.25mm顆粒最大可達(dá)60%，0.5～2mm的顆粒在6%左右；而下部顆粒直徑明顯增大，0.075～0.25mm顆粒占10%～23%，0.25～0.5mm的顆粒所占比例大，占42%～53%，0.5～2mm的顆粒在22%～34%左右。

1—第四紀(jì)平原組；2—新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組；3—新近紀(jì)館陶組；4—古近紀(jì)東營(yíng)組；5—古近紀(jì)孔店組—沙河街組；6—侏羅—白堊系；7—石炭—二疊系；8—寒武—奧陶系；9—地層界線(波浪線為不整合接觸分界線)；10—斷裂構(gòu)造線圖1 魯北地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)剖面圖

2.2.2 熱儲(chǔ)砂巖礦物成分

根據(jù)館陶組熱儲(chǔ)砂巖巖礦鑒定資料：巖石主要由巖屑、晶屑和膠結(jié)物組成，碎屑顆粒中大部分樣品的石英含量大于75%,沉積巖巖屑為2%～15%。膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，不透明礦物呈粒狀分散分布(圖2)，碎屑粒徑為0.03～2mm，以0.2～lmm為主，主要為中、細(xì)晶。

a—薄片；b—光片圖2 巖心光片

2.2.3 熱儲(chǔ)砂巖孔隙特征

區(qū)內(nèi)館陶組熱儲(chǔ)砂巖孔隙基本屬于粒間孔隙，形態(tài)不規(guī)則，沿一定方向分布，約0.001～0.6mm，以0.01～0.25mm為主，喉道類型屬于孔隙縮小型喉道，孔隙結(jié)構(gòu)屬于大孔粗喉；孔隙度約5%～30%，多為10%～20%，沉積礦物為顆粒支撐，多呈棱角狀，分選性、磨圓度均較差，呈棱角狀，沿一定方向分布。根據(jù)綜合測(cè)井解譯，孔隙度22%～38%左右。

3 開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

3.1 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

目前，魯北地區(qū)地?zé)峋?00余眼，主要分布在各市(縣)的城區(qū)，全年開(kāi)采量約1.07億m3(圖3)，主要用于供暖，其次是洗浴與療養(yǎng)、種植、養(yǎng)殖，其中供暖用水10120萬(wàn)m3/a，約占開(kāi)采量的94.6%；溫室種植、育苗養(yǎng)殖用水356萬(wàn)m3/a，約占開(kāi)采量的3.33%，洗浴、泳池等娛樂(lè)用水208萬(wàn)m3/a，約占開(kāi)采量的1.94%(圖4)。

圖3 魯北地區(qū)地?zé)峋伴_(kāi)采量分布圖

圖4 魯北地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用方式占比圖(%)

3.2 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用存在的問(wèn)題

3.2.1 利用形式單一、地?zé)崂寐实?/p>

目前區(qū)內(nèi)地?zé)峋饕糜诠┡?，部分用于居民洗浴，僅少部分用于理療、娛樂(lè)及溫室種植等，利用模式單一，尾水溫度過(guò)高，尚未梯級(jí)利用，熱利用率低。

3.2.2 技術(shù)、設(shè)備落后，經(jīng)濟(jì)效益不高

區(qū)內(nèi)新技術(shù)、新設(shè)備(如熱泵技術(shù)、低溫地板輻射采暖技術(shù)、信息技術(shù)等)研究和應(yīng)用推廣滯后。高礦化度的地?zé)崴畬?duì)地?zé)嵩O(shè)備及供暖末端腐蝕較嚴(yán)重，設(shè)備使用壽命較短，經(jīng)濟(jì)效益不高。

3.2.3 尾水直排導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題突出

地?zé)豳Y源被開(kāi)發(fā)利用后，未進(jìn)行回灌，大量地?zé)嵛菜苯优欧?，?dǎo)致資源的浪費(fèi)嚴(yán)重，水位下降迅速，多地已由初建井時(shí)的自流狀態(tài)變?yōu)樗坏孛嬉韵聰?shù)十米，并在多城區(qū)形成不同程度的地?zé)崴德渎┒?，?dǎo)致吊泵、開(kāi)發(fā)利用成本增加、取水困難、資源枯竭等問(wèn)題。另一方面，地?zé)嵛菜迸湃氲退疁?、低礦化度的河道、田地內(nèi)，也造成了不同程度的熱污染、水土污染。

4 砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用模式

4.1 地?zé)峁┡绞?/h3>

結(jié)合目前地?zé)豳Y源的現(xiàn)有開(kāi)采程度及需求，解決北方清潔能源供暖仍然為地?zé)豳Y源主要利用方向。而目前區(qū)內(nèi)供暖方式以直供為主，地?zé)崴苯邮焦嵯到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可減少熱損失，但缺點(diǎn)是地?zé)崴|(zhì)較差，對(duì)供水管道腐蝕性嚴(yán)重，設(shè)備使用壽命短，且不利于維護(hù)。采用換熱器換熱供暖方式能很好地解決上述問(wèn)題。

4.2 梯級(jí)利用、多級(jí)取熱模式

地?zé)豳Y源利用領(lǐng)域廣泛，根據(jù)不同利用領(lǐng)域的溫度需求，可形成梯級(jí)利用，多級(jí)取熱的模式。如：溫度90℃以上地?zé)崴捎糜诟稍镉袡C(jī)物、烘干羊毛制品、烘制干魚(yú)、化凍等；60～80℃地?zé)崴捎糜诠┡⑥r(nóng)業(yè)溫室、孵化等；40～60℃地?zé)崴捎糜诠┡?、種植、洗浴、土壤加溫等；20～40℃地?zé)崴捎糜诹茉?、游泳、養(yǎng)殖、化冰、融雪等[12]。其中地?zé)峁┡鶕?jù)末端采暖方式，可以分為散熱器采暖和地板輻射采暖，將散熱器采暖用戶利用后的回水水溫控制在一定溫度范圍內(nèi)即可滿足地板輻射采暖及洗浴的要求。另外，區(qū)內(nèi)地?zé)峁┡蟮奈菜疁匾话阍?0℃以上，相對(duì)淺層地溫能地?zé)豳Y源，尚有很大的溫差利用空間，熱泵技術(shù)能有效進(jìn)一步提取熱量，提高地?zé)崴臒崂省?/p>

4.3 尾水回灌的采灌均衡模式

為避免已有地?zé)峋跋男汀?、“粗放型”開(kāi)采方式所帶來(lái)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)循環(huán)開(kāi)發(fā)利用，應(yīng)進(jìn)行地?zé)峁┡菜毓?。地?zé)峁┡菜毓啵苡行p緩地?zé)崴幌陆?、維持熱儲(chǔ)層壓力；維持已有地?zé)峋某掷m(xù)穩(wěn)定開(kāi)采，避免因水位下降造成井的報(bào)廢；減少地?zé)崃黧w排放對(duì)環(huán)境的污染；避免水熱資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)發(fā)[13-14]。

5 地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用工程實(shí)例

5.1 地?zé)崂霉こ毯?jiǎn)介

地?zé)崂霉こ涛挥诘轮菔兴募覉@。小區(qū)建筑面積共5.66萬(wàn)m2，由一眼地?zé)峋┡?。目前采用地?zé)崴惫┑姆绞竭M(jìn)行采暖，分為二級(jí)。一級(jí)為暖氣片采暖，面積約3.56萬(wàn)m2，水量約90m3/h，進(jìn)水溫度55℃，出水溫度為40～45℃，綜合取值42℃；一級(jí)供暖后，尾水部分供給洗浴，另一部分為二級(jí)地板輻射采暖，供暖面積2.1萬(wàn)m2，水量約70m3/h，出水溫度約為30℃(圖5)。供暖期最冷的天數(shù)1個(gè)月左右。上述供暖條件下，暖氣片采暖室溫較低15～17℃，二級(jí)地板輻射室溫20～23℃。由于地?zé)崴V化度在5g/L左右，對(duì)管道具有一定程度的腐蝕，且暖氣片內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致住戶室內(nèi)溫度不高。

圖5 梯級(jí)供暖示意圖

5.2 示范工程建設(shè)與示范

5.2.1 設(shè)計(jì)理念

本著科學(xué)、節(jié)能、環(huán)保、適用的設(shè)計(jì)理念：采用換熱技術(shù)，有效避免地?zé)崴畬?duì)末端散熱器的腐蝕；采用梯級(jí)綜合利用方式，進(jìn)行二次換熱；一級(jí)換熱后部分地?zé)崴苯舆M(jìn)入地板輻射采暖。另一部分用于洗??；利用熱泵技術(shù)提熱，提高熱利用率；結(jié)合階梯電價(jià)與日供暖需求，控制熱泵開(kāi)啟時(shí)間、峰值等參數(shù)；供暖尾水經(jīng)過(guò)過(guò)濾設(shè)備回灌入井，實(shí)現(xiàn)地?zé)岬目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用。

5.2.2 工程建設(shè)

根據(jù)工程需求，主要保留了暖氣片采暖、地板輻射采暖和洗浴利用方式，增設(shè)相應(yīng)設(shè)備，完善工藝流程(圖6)。

圖6 地?zé)峁┡?洗浴利用工藝流程圖

由于地?zé)崴崛∵^(guò)程中，隨著水流會(huì)帶出熱儲(chǔ)砂層的細(xì)小懸浮砂礫，因此在地?zé)崴_(kāi)采提取端應(yīng)設(shè)置除砂器。

由于暖氣片多為鑄鐵散熱器，為減少地?zé)崴惫?duì)其結(jié)垢的影響，采用換熱技術(shù)，供暖側(cè)采用軟化水循環(huán)。地板輻射采暖一般采用塑料管道(PEX，PB，PP-R和PER)，采用地?zé)崴苯庸┡绞健?/p>

工程建設(shè)中為滿足供暖需求，分別對(duì)暖氣片、地板輻射采暖住房的供熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，綜合地?zé)崴疁囟?，在滿足暖氣片采暖需求條件下，55℃,90m3/h地?zé)崴畵Q熱后，溫度可在42℃以上，既可滿足地板輻射的采暖需求，又可用于洗浴和游泳使用。

由于暖氣片采暖用戶房屋建筑時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，保溫性能差，在溫差變動(dòng)大的極寒天氣，室溫穩(wěn)定性差，地板輻射采暖后30℃的地?zé)嵛菜赏ㄟ^(guò)二次換熱，將熱量通過(guò)熱泵機(jī)組提問(wèn)調(diào)峰后，作為補(bǔ)充熱源提供給暖氣片采暖用戶。另一方面，熱泵機(jī)組的使用，降低了地?zé)嵛菜疁囟?，提高了地?zé)崴疅崂寐?。二次換熱后的地?zé)嵛菜?jīng)過(guò)地面凈化設(shè)備(過(guò)濾、排氣等)灌入回灌井，實(shí)現(xiàn)地?zé)崴难h(huán)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用[15-18]。

5.2.3 工程示范效果

已建成集供暖、洗浴利用方式，換熱、熱泵、梯級(jí)開(kāi)發(fā)、回灌技術(shù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與回灌展示于一體的綜合性供熱站房。建成泵房供暖沙盤模型(圖7)，可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多功能展示廳(圖8)，多功能分區(qū)泵房(圖9)，用于展示工程示范作用。

圖7 供暖沙盤模型

圖8 可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖9 多功能分區(qū)泵房

在保證居民室溫同時(shí)，2016—2018年的連續(xù)2個(gè)供暖季供暖-回灌運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際供暖面積需求，除去洗浴用水部分水量，地?zé)峁┡菜?00%回灌，最大自然穩(wěn)定回灌量60m3/h，實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的循環(huán)可持續(xù)利用(圖10)。

圖10 2016—2018年2個(gè)供暖地?zé)峄毓嗔縿?dòng)態(tài)曲線

6 結(jié)論

(1)山東省砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源主要集中在魯北地區(qū)，地?zé)豳Y源分布廣、易開(kāi)發(fā)，以市縣城區(qū)住宅小區(qū)供暖為主，少量用于洗浴。

(2)區(qū)內(nèi)主要利用的熱儲(chǔ)層為新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組砂巖熱儲(chǔ)。

(3)采用適宜的地?zé)崽菁?jí)開(kāi)發(fā)利用模式，可有效提高地?zé)豳Y源熱利用率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(4)德州市水文家園地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用示范工程，成功實(shí)現(xiàn)砂巖熱儲(chǔ)地?zé)嵘a(chǎn)性回灌，為實(shí)現(xiàn)地?zé)岵晒嗑獾拈_(kāi)發(fā)模式應(yīng)用起到了示范和推動(dòng)作用。