沈健
天津地熱勘查開發設計院
天津市蘊藏著豐富的地熱資源，是我國地熱資源開發利用較早的地區之一，地熱已成為重要的環保能源，地熱資源的開發利用現已形成穩定的地熱產業。憑借豐富的地熱資源儲量、眾多的開發利用和保護成果以及自然資源管理部門的創新管理，天津市成為了全國唯一的集“中國溫泉之都”“中國溫泉之城”和“中國溫泉之鄉”為一體的省級城市，多年來地熱資源的開發利用規模和水平均走在全國前列。
作為傳統化石能源的完美替代者，地熱資源已成為應對氣候變化、打贏藍天保衛戰和優化能源結構的重要力量。天津市對地熱資源的需求呈逐年上升的勢頭，但隨著需求的不斷增加，如何確保地熱資源能夠可持續利用成為了擺在地熱管理者和技術工作者面前的重要問題。地熱回灌是國際公認的維持地熱熱儲壓力、保證地熱田可持續開采的重要技術手段，目前已經成為世界范圍內數十個重要的地熱田生產運行中的一項日常工作。通常情況下，地熱回灌是在供暖期內將利用后降溫的地熱尾水回灌到熱儲層，屬于“原水回灌”。天津市從1996年開始率先在地熱供暖項目上采用對井回灌開發利用模式，已經相繼建成了二百多處地熱對井回灌開發系統，地熱回灌率已由2000年時不足10%提高到了如今的80%。通過實際運行和動態監測，近年來天津市的地熱儲層壓力下降趨勢得到了明顯的緩解，大部分地區甚至出現了回升，證明回灌取得了顯著的應用效果。在此基礎上，一方面為了彌補由于以往常年采灌失衡造成的熱儲壓力虧空，另一方面為了能夠進一步提高地熱資源可開采量，天津市又在全國率先開展了“地表水回灌”研究。相對于“原水回灌”，地表水回灌屬于“外來水源回灌”，是為適應對地熱資源的需求量不斷增加而提出的一種對熱儲層進行補給的新型技術，其有兩大優勢：
一是可以在非供暖期對熱儲層進行額外的流體補充，這些冷流體在地下儲層這個大熱庫中通過圍巖加熱和與深部高溫熱流體的對流循環，最終會以熱流體的形式在未來的供暖期再次成為我們的優質熱源，從而增加了地熱資源的可開采量，起到了“夏儲冬用”的作用。
二是對于天津這樣的北方城市，非供暖期尤其是夏季同時也是豐水期，地表水受降水的補給量大，水位上漲迅速，此時開展地表水回灌一方面解決了城市排澇方面的需求，另一方面也實現了使地表水資源就地蓄留、就地資源化的“海綿城市”效果。
為了使地表水回灌從構想變為現實，作為國內地熱領域的龍頭技術單位，天津地熱勘查開發設計院在天津市地熱管理部門的支持下早在2009年就組建了專門的技術團隊開展相關研究。地表水回灌的成功需要有兩個前提條件，一是要避免冷流體集中回灌造成的熱突破問題;二是要避免外來水源注入熱儲層后對儲層造成不可逆的傷害。
針對這兩個問題，技術團隊開展了大量的試驗研究工作，在地表水回灌井的選址方面，不但要靠近回灌水源，降低管路鋪設的成本，更要考慮地質方面的影響因素。為此，技術團隊在充分分析天津市區域地熱地質條件、水文條件、地熱開發利用等情況的基礎上，結合回灌目標儲層的巖性特征、裂隙率、滲透率、裂隙分布特征及布井現狀，應用地質條件分析和數學模擬方法綜合優選目標靶區，并通過示蹤試驗分析目標區熱儲的裂隙連通特性和流場特征，確定優勢滲流通道，再結合區域動態監測和回灌試驗數據，來確定地表水回灌井的成井工藝，以及與周邊開采井的相對方位和井間距，從而避免地表水回灌對周邊地熱開采井的溫度產生不利影響，保障供熱安全。
為了避免對熱儲層造成污染，回灌水必須達到一定的標準?？紤]到地表水的補給來源主要是上游河道和天然降水，其水質和水量存在較大的時空變化。為此，技術團隊專門搭建了擁有自主知識產權的地表水室內水處理模擬實驗平臺，根據不同水源水質特點及回灌水質要求，選擇不同的模塊，自由組合，以地表水為水源，進行不同工藝流程的水質處理試驗，并通過高溫高壓水巖反應實驗評估對儲層的影響，最終優選出符合回灌水水質要求、處理成本低、運行穩定的工藝路線。這樣就可以在地表水回灌站工程建設前優選工藝流程，從而避免地表水回灌站建成后，因水質變化原因導致更換設備帶來的較大花費，確保地表水長期回灌不會對儲層產生不利影響。
憑借著技術團隊敢為人先的創新精神和科學嚴謹的工作態度，經過反復試驗和精益求精的不斷改進，從2013年在東麗湖地區率先建立了地表水回灌實驗站起，至2021年又分別在東麗區和津南區以地熱開采主力熱儲層薊縣系霧迷山組為回灌目的層，建成兩處生產性地表水回灌工程，地表水回灌終于從理論變成了現實。
依據天津市規劃和自然資源局關于印發《天津市地熱資源管理實施辦法》的通知：“鼓勵有條件的單位，通過建設利用地表水的熱儲回灌工程，在非供暖期進行地熱回灌。利用地表水進行回灌的，可按照增加回灌量的50%申請增加年度開采指標。”
位于東麗湖旅游度假區的東麗湖能源科技有限公司地表水回灌站擁有3眼地表水回灌井，每年可增加霧迷山組熱儲層回灌補給量約120萬方/年，可增加60萬方/年的霧迷山組熱儲層開采指標，可在該區域增加地熱供暖面積約60萬平米，產生的熱量相當于每年節約標準煤1.1萬噸，可降低向大氣中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及懸浮質粉塵等各類污染物約2.8萬噸。
位于津南區北閘口鎮的國新供熱公司地表水回灌站擁有1眼地表水回灌井，每年可增加霧迷山組熱儲層回灌補給量約24萬方/年，可增加12萬方/年的霧迷山組熱儲層開采指標，可在該區域增加地熱供暖面積約9萬平米，產生的熱量相當于每年節約標準煤0.26萬噸，可降低向大氣中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及懸浮質粉塵等各類污染物約0.66萬噸。
根據動態監測，地表水回灌區域的熱儲壓力出現了明顯的回升，而周邊開采井溫度、水質保持穩定，證明了利用豐水期的地表水對地熱資源開采集中的熱儲層進行回灌，是緩解地熱資源供需矛盾、消除因地熱流體過度開采出現的漏斗現象、避免地熱資源過快枯竭，實現可持續開發利用的有效手段。工程的建成應用，形成了保護環境、補給地熱資源的產業結構和生產方式，開創了全國采用地表水集中回灌補給深部地熱儲層的先例，開辟了地熱資源保護的新道路。
我國地熱集中開發的地區，多數具有豐富的地表水資源，尤其是對于開發以碳酸鹽巖為主的大型盆地型熱儲地區，具有回灌能力好，底部熱源豐富的特點，配合技術合理的水處理工藝，具有廣闊的應用前景，可以為國家開發利用地熱這種新型、綠色、高效、清潔能源提供戰略保障，為實現雙碳目標和地熱高質量發展提供技術支持。
注：原文刊登于2022年7月刊《中國地熱》雜志 原標題：天津市探索地熱能夏儲冬用新技術方法，服務地熱高質量發展
