河北平原地热资源合理开发保护关键技术
摘要：地热资源是地球给人类优质的清洁能源，在我省平原区广泛赋存、数量可观，通过开发地热资源来实现压减燃煤是防治雾霾天气、改善大气环境质量的有效途径，为更好地开发保护本区地热资源，提出地热资源梯级利用及地热水回灌等关键技术。
关键词：地热资源；地热水梯级利用；地热水回灌
中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0007-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.004
Abstract： In recent years， North China has continued to appear fog and haze weather， has become one of the major issues of social concern， winter heating coal-fired gas emissions is one of the main causes of fog and haze in the region. Geothermal resources are the earths best clean energy for humanity， it is widespread and considerable in plain area of our province， Through the development of geothermal resources to achieve Yajian coal is an effective way to control the quality of atmospheric environment and improve the haze weather. In order to better develop and protect geothermal resources in this area， key technologies such as geothermal resources cascade utilization and geothermal hot water recharge are put forward.
Key words：Geothermal resources；Geothermal water cascade utilization； Geothermal water recharge
1 河北平原地热资源及开发利用现状
河北平原区地下蕴藏着丰富的地热资源，主要为新近系馆陶组热储和古生界及中、新元古界基岩热储。据张德忠等研究[1-4] 河北平原地热储量为176811.49×1016J。河北平原区地热水储存量为51375.489×108m3，地热水可开采量为702.31×108m3，地热水可开采热量为974.48×1016J，相当于标准煤5.54×108t，折合热能3090.04MW。
河北省平原区地热开发利用兴起于20世纪80年代，随着新能源利用技术的推广，地热能源作为一种清洁能源显现出较好的开发利用前景。截至到2015年地热井达到近千眼，地热水年开采量5059万立方米。但地热水开采量仅为地热资源可开采总量的7.25%，地热资源开发潜力巨大。
2 河北平原地热资源开发利用存在的突出问题
2.1 集中开采区超采导致地热水水位下降过快
地热资源被定为可再生能源，但不是取之不尽用之不竭的。地热勘查规范明确可开采量是“允许每年合理开采的地热流体量”。在河北平原城市及县城区地热井集中分布，一个县城有十多眼或二三十眼地热井，井距仅二三百米，导致地热水水位逐年持续下降，年降幅3-5m，有的下降幅度大于10m，甚至超过20m（如任丘市）。
2.2 地热水利用效率低，利用形式单一
大部分地热井利用效率低，表现为利用形式单一，如仅为住宅小区供暖，或单独利用地热水洗浴等，未形成梯级利用，随意超量开采、排放现象普遍存在；尾水排放温度高，一般超过25℃，甚至超过30℃，造成地热资源的浪费，对环境造成污染。
2.3 地热水尾水回灌工作开展较少
北京、天津对基岩热储开展回灌并取得了显著效果，河北平原地热回灌试验工作开展较少，仅个别地区开展了馆陶组热储回灌试验，对地热水尾水实施回灌几乎空白。
2.4 地热资源的勘查评价程度低，监测工作薄弱
河北平原地热资源总体研究程度较低，大部分地区开展了地热资源调查，少部分地热田进行过普查、详查工作，地热资源评价精度低，使地热资源开发存在一定盲目性，制约了地热资源合理开发利用与保护。对地热水的各项指标的监测工作很薄弱，尾水排放及其对环境的影响更缺乏监测。
3 河北平原地热资源合理开发保护关键技术
通过上述分析，河北平原地热资源開发利用存在较多问题，为实现地热资源的高效利用和保护环境的目的，现提出地热资源梯级利用技术、地热尾水回灌技术。
3.1 地热梯级利用技术
地热梯级利用就是多级次从地热水中提取热能，地热利用先高温、后低温、尾水再用于洗浴、康乐、旅游等方面，以实现地热资源的高效利用，改变地热水利用形式单一，有效解决地热尾水排放温度高、资源利用率低与环境热污染等问题。
如70℃以上地热水综合梯级利用模式：主要适用于城镇地热井综合梯级利用，采用热、水双循环系统梯级利用技术。根据供暖建筑物的规模、负荷、末端设备分成若干组团，根据组团的负荷，将系统总负荷划分成几个部分，同时结合各组团设计参数和负荷量来确定各部分的系统参数，同时使各部分参数与负荷之间相互耦合，优化配置，在满足各部分负荷要求的同时，使整个系统总负荷能力得到增强。
3.2 地热水回灌技术
从北京、天津、西安、福州等地近年开展的地热水回灌经验来看，在岩溶和基岩裂隙地层，地热回灌量可以达到与开采量相当的程度，即基本上可以实行1：1的回灌。但在第三系孔隙热储中回灌的堵塞问题突出，回灌量仅能达到开采量的40%。地热尾水回灌技术是有效解决环境污染和延长地热田使用寿命的方法，然而对于河北平原第三系孔隙热储层来说[7]，在目前技术条件下回灌比较困难，回灌量有限，各种堵塞问题还没有得到很好解决。本次选择新近系馆陶组热储地热井开展回灌试验，依据回灌试验数据确定回灌方案，为推动地热井回灌工作，实现保护地热资源和地质环境的目标。
本次新近系馆陶组热储回灌试验地点位于辛集市中心城区，三个抽水孔位置距回灌井距离1083～1401m（图1）。回灌试验分两个阶段进行。在供暖期采取一采一灌的自然回灌方式，平均回灌量59.2m3/h，瞬时回灌量最大不超过100m3/h，回灌水温、水温不超过39.75℃。供暖期结束后进行了二采一灌大回灌量的回灌，平均回灌量150.9m3/h。瞬时回灌量最大达到199.8m3/h，回灌水温最大68.31℃。对回灌井、抽水井1的水位、水温、水量同步观测。本次回灌试验总计109.375台班，回灌总量为52143.4m3。回灌结束后25小时进行回灌井回扬，持续8个小时，累计抽水量449.80m3。回灌井回扬的水位、水温、水量同步观测。
中央国际城1井终孔深度1750.0m。利用新近系馆陶组热储，热储层顶板1376m，底板1718m，岩性为泥岩、细砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1359.65m-1744.89m，含水砂层厚度180.1m。
回灌井（佰盛国际1井）终孔深度1780m。利用新近系馆陶组热储，热储层顶板1395m，底板1780m，岩性为泥岩、细砾岩、砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1372.86m-1754.75m，含水砂层厚度225m。辛热1井利用新近系馆陶组热储，热储顶板1347.5m，底板1680.5m。巖性为泥岩、细砾岩、砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1447m-1671m，取水段厚度68m。本次回灌试验回灌井初始水位178.23m。一采一灌阶段平均回灌量56.5m3/h，最高水位埋深160.8m，水位上升17.43m。二采一灌阶段平均回灌量150.9m3/h，最高水位埋深130.5m，水位上升47.73m，地层吸收率0.0140m3/h·m·m。
通过试验得出如下认识：随着回灌量的加大和回灌时间增加，回灌井热储层对地热水回灌的吸收率在逐渐降低并趋于稳定。表明随着回灌量的增加，热储层压力在逐渐变大。在回灌量150.9m3/h下，水位埋深130.5m，说明回灌井仍有回灌空间。根据地层吸收率0.0140m3/h·m·m推算，在无压自然回灌的条件下，水位不超过井口为前提，该回灌井最大理论回灌量可达412.589m3/h，此值虽为理想状态下的理论值，未考虑井壁磨阻等其他外部影响因素，但仍说明该井在供暖期回灌能力很强。
4 结语
综上，河北平原地下赋存丰富的地热资源，在住宅供暖、洗浴、种植养殖等方面得到利用。但本区地热资源的开发利用存在诸多问题，影响了地热资源整体效益和可持续利用。通过梯级利用技术和地热水回灌技术可以实现地热资源的高效可持续利用，在京津冀协同发展中，河北平原地热资源将会得到进一步的合理开发利用，在改善能源结构、防治大气污染等方面发挥重要作用，将会产生显著的环境效益和社会效益。
参考文献
[1]张德忠，刘志刚，卢红柳等.河北地热[M].北京：地质出版社，2013.
[2]陈望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.
[3]陈墨香.华北地热[M].北京：科学出版社，1988.
[4]河北省地质局水文地质远景区划组.河北省地下热水开采利用水文地质远景区划报告[R].石家庄：河北省地矿局水文工程地质勘查院，1982.
作者简介 ：赵志超，研究生，高级工程师，研究方向为水文工程地质。
关键词：地热资源；地热水梯级利用；地热水回灌
中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0007-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.004
Abstract： In recent years， North China has continued to appear fog and haze weather， has become one of the major issues of social concern， winter heating coal-fired gas emissions is one of the main causes of fog and haze in the region. Geothermal resources are the earths best clean energy for humanity， it is widespread and considerable in plain area of our province， Through the development of geothermal resources to achieve Yajian coal is an effective way to control the quality of atmospheric environment and improve the haze weather. In order to better develop and protect geothermal resources in this area， key technologies such as geothermal resources cascade utilization and geothermal hot water recharge are put forward.
Key words：Geothermal resources；Geothermal water cascade utilization； Geothermal water recharge
1 河北平原地热资源及开发利用现状
河北平原区地下蕴藏着丰富的地热资源，主要为新近系馆陶组热储和古生界及中、新元古界基岩热储。据张德忠等研究[1-4] 河北平原地热储量为176811.49×1016J。河北平原区地热水储存量为51375.489×108m3，地热水可开采量为702.31×108m3，地热水可开采热量为974.48×1016J，相当于标准煤5.54×108t，折合热能3090.04MW。
河北省平原区地热开发利用兴起于20世纪80年代，随着新能源利用技术的推广，地热能源作为一种清洁能源显现出较好的开发利用前景。截至到2015年地热井达到近千眼，地热水年开采量5059万立方米。但地热水开采量仅为地热资源可开采总量的7.25%，地热资源开发潜力巨大。
2 河北平原地热资源开发利用存在的突出问题
2.1 集中开采区超采导致地热水水位下降过快
地热资源被定为可再生能源，但不是取之不尽用之不竭的。地热勘查规范明确可开采量是“允许每年合理开采的地热流体量”。在河北平原城市及县城区地热井集中分布，一个县城有十多眼或二三十眼地热井，井距仅二三百米，导致地热水水位逐年持续下降，年降幅3-5m，有的下降幅度大于10m，甚至超过20m（如任丘市）。
2.2 地热水利用效率低，利用形式单一
大部分地热井利用效率低，表现为利用形式单一，如仅为住宅小区供暖，或单独利用地热水洗浴等，未形成梯级利用，随意超量开采、排放现象普遍存在；尾水排放温度高，一般超过25℃，甚至超过30℃，造成地热资源的浪费，对环境造成污染。
2.3 地热水尾水回灌工作开展较少
北京、天津对基岩热储开展回灌并取得了显著效果，河北平原地热回灌试验工作开展较少，仅个别地区开展了馆陶组热储回灌试验，对地热水尾水实施回灌几乎空白。
2.4 地热资源的勘查评价程度低，监测工作薄弱
河北平原地热资源总体研究程度较低，大部分地区开展了地热资源调查，少部分地热田进行过普查、详查工作，地热资源评价精度低，使地热资源开发存在一定盲目性，制约了地热资源合理开发利用与保护。对地热水的各项指标的监测工作很薄弱，尾水排放及其对环境的影响更缺乏监测。
3 河北平原地热资源合理开发保护关键技术
通过上述分析，河北平原地热资源開发利用存在较多问题，为实现地热资源的高效利用和保护环境的目的，现提出地热资源梯级利用技术、地热尾水回灌技术。
3.1 地热梯级利用技术
地热梯级利用就是多级次从地热水中提取热能，地热利用先高温、后低温、尾水再用于洗浴、康乐、旅游等方面，以实现地热资源的高效利用，改变地热水利用形式单一，有效解决地热尾水排放温度高、资源利用率低与环境热污染等问题。
如70℃以上地热水综合梯级利用模式：主要适用于城镇地热井综合梯级利用，采用热、水双循环系统梯级利用技术。根据供暖建筑物的规模、负荷、末端设备分成若干组团，根据组团的负荷，将系统总负荷划分成几个部分，同时结合各组团设计参数和负荷量来确定各部分的系统参数，同时使各部分参数与负荷之间相互耦合，优化配置，在满足各部分负荷要求的同时，使整个系统总负荷能力得到增强。
3.2 地热水回灌技术
从北京、天津、西安、福州等地近年开展的地热水回灌经验来看，在岩溶和基岩裂隙地层，地热回灌量可以达到与开采量相当的程度，即基本上可以实行1：1的回灌。但在第三系孔隙热储中回灌的堵塞问题突出，回灌量仅能达到开采量的40%。地热尾水回灌技术是有效解决环境污染和延长地热田使用寿命的方法，然而对于河北平原第三系孔隙热储层来说[7]，在目前技术条件下回灌比较困难，回灌量有限，各种堵塞问题还没有得到很好解决。本次选择新近系馆陶组热储地热井开展回灌试验，依据回灌试验数据确定回灌方案，为推动地热井回灌工作，实现保护地热资源和地质环境的目标。
本次新近系馆陶组热储回灌试验地点位于辛集市中心城区，三个抽水孔位置距回灌井距离1083～1401m（图1）。回灌试验分两个阶段进行。在供暖期采取一采一灌的自然回灌方式，平均回灌量59.2m3/h，瞬时回灌量最大不超过100m3/h，回灌水温、水温不超过39.75℃。供暖期结束后进行了二采一灌大回灌量的回灌，平均回灌量150.9m3/h。瞬时回灌量最大达到199.8m3/h，回灌水温最大68.31℃。对回灌井、抽水井1的水位、水温、水量同步观测。本次回灌试验总计109.375台班，回灌总量为52143.4m3。回灌结束后25小时进行回灌井回扬，持续8个小时，累计抽水量449.80m3。回灌井回扬的水位、水温、水量同步观测。
中央国际城1井终孔深度1750.0m。利用新近系馆陶组热储，热储层顶板1376m，底板1718m，岩性为泥岩、细砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1359.65m-1744.89m，含水砂层厚度180.1m。
回灌井（佰盛国际1井）终孔深度1780m。利用新近系馆陶组热储，热储层顶板1395m，底板1780m，岩性为泥岩、细砾岩、砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1372.86m-1754.75m，含水砂层厚度225m。辛热1井利用新近系馆陶组热储，热储顶板1347.5m，底板1680.5m。巖性为泥岩、细砾岩、砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。取水段1447m-1671m，取水段厚度68m。本次回灌试验回灌井初始水位178.23m。一采一灌阶段平均回灌量56.5m3/h，最高水位埋深160.8m，水位上升17.43m。二采一灌阶段平均回灌量150.9m3/h，最高水位埋深130.5m，水位上升47.73m，地层吸收率0.0140m3/h·m·m。
通过试验得出如下认识：随着回灌量的加大和回灌时间增加，回灌井热储层对地热水回灌的吸收率在逐渐降低并趋于稳定。表明随着回灌量的增加，热储层压力在逐渐变大。在回灌量150.9m3/h下，水位埋深130.5m，说明回灌井仍有回灌空间。根据地层吸收率0.0140m3/h·m·m推算，在无压自然回灌的条件下，水位不超过井口为前提，该回灌井最大理论回灌量可达412.589m3/h，此值虽为理想状态下的理论值，未考虑井壁磨阻等其他外部影响因素，但仍说明该井在供暖期回灌能力很强。
4 结语
综上，河北平原地下赋存丰富的地热资源，在住宅供暖、洗浴、种植养殖等方面得到利用。但本区地热资源的开发利用存在诸多问题，影响了地热资源整体效益和可持续利用。通过梯级利用技术和地热水回灌技术可以实现地热资源的高效可持续利用，在京津冀协同发展中，河北平原地热资源将会得到进一步的合理开发利用，在改善能源结构、防治大气污染等方面发挥重要作用，将会产生显著的环境效益和社会效益。
参考文献
[1]张德忠，刘志刚，卢红柳等.河北地热[M].北京：地质出版社，2013.
[2]陈望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.
[3]陈墨香.华北地热[M].北京：科学出版社，1988.
[4]河北省地质局水文地质远景区划组.河北省地下热水开采利用水文地质远景区划报告[R].石家庄：河北省地矿局水文工程地质勘查院，1982.
作者简介 ：赵志超，研究生，高级工程师，研究方向为水文工程地质。
