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山東魯北院:積蓄發展強勁動力 引領行業創新前沿

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  來源:《地源熱泵》雜志    作者:代海雷   發布日期:2020-03-02
核心提示:根據地熱資源分布情況,魯西北地區是主要的砂巖熱儲分布區,地熱資源分布范圍廣泛,在德州、濱州、東營、聊城的大部分地區和濟南北部、菏澤西部都有分布,并且資源量豐富,開發利用條件好,特別適宜于供暖。

山東魯北院:積蓄發展強勁動力 引領行業創新前沿

——專訪山東省魯北地質工程勘察院地質研究中心主任劉志濤



山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊(山東省魯北地質工程勘察院)隸屬于山東省地質礦產勘查開發局,成立于1975年,是一支從事水文地質、工程地質、環境地質調查與評價、地熱資源勘查開發等地質工作的專業化地勘隊伍。經過多年的發展,魯北院在大口徑深部資源勘探、地熱資源勘查開發與地熱尾水回灌研究等領域取得了令業界矚目的成績,積蓄發展強勁動力,魯北院走在了引領行業發展的前沿。近日,本刊記者采訪了魯北院地質研究中心主任劉志濤,他向記者講述了近年來魯北院取得的成績與收獲,并分享了以砂巖熱儲地熱尾水回灌研究著稱的魯北院在其工程設計理念及項目運行管理中的奧秘。


成績斐然,創新科技成果不斷刷新記錄


近年來,魯北院在大口徑深部資源勘探和地熱資源勘查與地熱尾水回灌研究領域通過創新發展取得了重要成果,不斷刷新行業記錄。


魯北院地質研究中心主任劉志濤介紹,大口徑深部資源勘探作為魯北院主營業務之一,目前業務已覆蓋到了全國17個省份,完成了大批3000米以上的地熱井、干熱巖、頁巖氣、鉀鹽等各類勘探孔。經過多年的創新發展,大口徑填礫、穿越高壓油氣層及注水層、定向鉆井、高溫鉆井、大口徑花崗巖取芯、鉀鹽勘探成為魯北院深部資源勘探六大核心技術,魯北院在大口徑深部勘探領域已然走在了全國地勘單位的前沿。


“青海共和盆地作為我國首個干熱巖開發示范工程,魯北院承擔了GR1勘探孔的鉆探施工任務,孔深3705米,孔底溫度236℃,這是我國首次鉆獲埋藏最淺溫度最高的干熱巖體,實現了我國干熱巖勘探的重大突破,并入選2017年全國探礦十大新聞。”劉志濤說,在大口徑深部鉆探方面,魯北院目前正在實施雄安新區地熱清潔能源調查評價D19鉆孔和牛駝鎮地熱田D05地熱勘探孔鉆探工程。此前,魯北院還在山東省利津縣完成了國內首個干熱巖試驗孔,孔深2500m;在福建漳州完成了國內首個干熱巖科學鉆探孔,孔深4000.86m。


圖為砂巖熱儲地熱回灌多功能展示廳


20世紀90年代,魯北院就開始致力于地熱清潔能源的勘查開發利用研究工作,承擔了山東省首個砂巖熱儲地熱資源詳查項目,建成了山東省首眼館陶組熱儲地熱井,并首次將地熱應用于住宅供暖,從而拉開了本區地熱資源勘查開發利用的序幕,之后又陸續發現并評價了十余處地熱田。在區域上圍繞地熱資源開發、地熱地質環境問題開展了一系列調查評價和監測項目,圍繞地熱尾水回灌開展了一系列堵塞機理、回灌工藝、回灌試驗等科研項目,在德州市建立了山東省首個砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程,制定有相關行業標準和地方標準。工作過程中,魯北院也取得了一大批優質科研成果,部分成果經鑒定達到國際領先水平,其中獲得省部級獎3項,廳局級獎47項,專利12項,為有效推動地熱清潔能源開發利用打下了堅實的基礎。


在地熱資源調查評價方面,魯北院作為牽頭單位開展了“山東省地熱資源綜合評價項目”。據劉志濤介紹,該項目由山東省地礦局地熱清潔能源創新團隊首席專家康鳳新研究員牽頭組織實施,歷時三年時間,于2017年年底完成。該項目是對山東省50年地熱資源勘查、試驗、監測和研究成果的集成、凝練、提升和創新,是山東省地熱資源的整裝性研究成果。項目提出了地熱田科學劃分方法,并將山東省劃分為96個地熱田,查明了各地熱田地熱地質特征;建立了地熱資源成礦理論,揭示了地熱成礦機制與成礦規律,提出了采灌均衡條件下的地熱資源計算方法,計算評價了采灌均衡地熱資源量,為山東省地熱清潔供暖提供了資源保障。項目成果榮獲自然資源部國土資源科學技術一等獎和山東省科技進步一等獎。


搭建平臺,建立企業自主創新發展體系


多年來,魯北院在地熱清潔能源領域不斷加強科技平臺建設,推進科技創新服務水平。該院申請建立了山東省地熱院士工作站、山東省地熱清潔能源探測開發與回灌工程技術研究中心和山東省地礦局地熱清潔能源創新團隊,建設了“砂巖熱儲地熱回灌示范工程”和“地熱回灌模擬試驗場”兩大研發基地,并聘請多吉院士、曹耀峰院士為地熱研究首席專家,致力于地熱尾水回灌堵塞機理、經濟回灌等重大技術攻關課題研究。


地熱尾水回灌堵塞是制約地熱可持續開發利用的瓶頸難題,同時也是地熱行業亟需解決的關鍵問題。劉志濤說,“魯北院從2006年就開始研究地熱尾水回灌,早期地熱只采不灌的開發利用模式產生了一些地質環境問題,比如熱儲壓力持續下降、水化學污染、熱污染等問題,我們從那時就開始研究回灌工作,一直持續到今天。”


十余年來,魯北院開展了眾多的地熱回灌試驗和研究項目,其中包括“山東省孔隙熱儲地熱回灌堵塞機理研究”、“魯北砂巖熱儲地熱尾水回灌鉆探及回灌工藝研究”等廳局級重要科研項目,提交研究成果20余項,并制定了自然資源部行業標準《砂巖熱儲地熱尾水回灌技術規程》和山東省地方標準《地熱尾水回灌技術規程》。經過多年的努力,魯北院在地熱尾水回灌研究領域取得了驕人的成績,“砂巖熱儲地熱供暖尾水回灌技術”入選“山東省能源領域重點技術、產品和設備目錄”,“山東省魯北地區地熱回灌條件研究”、“魯北砂巖熱儲地熱尾水回灌鉆探及回灌工藝研究”等多個項目成果獲廳局級科技進步獎。


在回灌實踐取得不斷突破的基礎上,魯北院積極加大與科研院所的合作,與清華大學、山東大學、山東科技大學等高等院校開展地熱回灌課題攻關。“大學、科研院所的綜合實力比較強,我們通過項目合作,在深入開展課題研究、提高科研成果質量和創新水平的同時,也培養了我們科研人員的各方面素質和水平。”劉志濤介紹,科研創新成果得到了很好的推廣和應用,已服務德州市德城區、武城、禹城、夏津、平原、濱州市惠民等城鎮與農村社區的地熱清潔供暖。


記者了解,魯北院下一步將加快提升科研創新水平,深入開展砂巖熱儲堵塞機理研究、地熱回灌環境影響監測與研究、大口徑深部鉆探完井技術研究,建立砂巖熱儲地熱尾水回灌關鍵技術體系,為砂巖熱儲生產性回灌工程建設和廣泛推廣應用等提供技術支撐。


典型引領,示范項目樹行業發展新標桿


位于山東省德州市德城區的水文家園小區地熱采灌工程是魯北院2016年建成的山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程,集供暖和洗浴利用方式、換熱、熱泵應用技術、回灌技術、自動化監測展示及產學研教為一體。該小區建筑總面積約5.7萬平方米,包括暖氣片供暖和地板輻射供暖兩種供暖方式。劉志濤說,“這個工程已連續運行了三個供暖季,前三個供暖季回灌量已超過了50萬立方米,實現了供暖尾水100%回灌,現在已經開始第四個供暖季采灌工作,并繼續保持供暖尾水全部回灌。”


劉志濤告訴記者,該示范工程在設計理念上結合了德州市地熱資源條件和小區的供暖需求進行了很好的設計,主要有幾個特點:一是采用了熱交換技術,利用板式換熱器把軟化的自來水加熱供暖,有效避免高礦化度地熱水對末端散熱器的腐蝕;二是采用梯級綜合利用方式,一級板換的熱量用于效率較低的暖氣片供暖,換熱后的低溫地熱水用于地板輻射供暖和洗浴。三是同水源熱泵結合起來,供調峰使用,提高熱利用率。四是供暖尾水經過濾設備同層回灌到地下,實現地熱的可持續開發利用。


圖為山東省砂巖熱儲地熱回灌示范工程供熱站


“現在還是無壓回灌,不需要添加任何壓力,自然就能回灌到地下。”談及這項工藝設計的奧秘時劉志濤介紹,回灌井采用了大口徑填礫工藝,與傳統工藝是有一定的區別。“傳統工藝儲層段井徑大體是311mm左右,下入178mm的井管,間隙不填礫;現在的工藝就是大口徑填礫工藝,井徑比較大,可達450mm,下入178mm的井管后,井管和鉆孔之間的間隙要填濾料,然后上面使用黏土球把它封住,這樣的工藝更有利于回灌。”劉志濤說。


魯北院大口徑填礫工藝技術的成功應用得益于該院以往鉆探工藝研究的技術成果。此項工藝最關鍵的是在填礫時需要高超的技術。比如在井深較大時,濾料很容易在中間的某個位置卡住而不能到達預期位置處,魯北院科研人員進行了不懈的探索和嘗試,精準填礫深度從1000米逐漸增加到2000米。


在回灌工藝中,魯北院還對回灌過濾作了創新研究。傳統的過濾方式大多采用一個大罐進行過濾,魯北院技術人員在設備運行中發現,這種方式不利于生產性回灌工作的持續進行。“我們進行了改進,采用并聯式的小罐,如果其中的一個堵了,就把它的閥門單獨關閉進行處理,不會影響回灌持續運行。”劉志濤說,在回灌具體規范操作方面還有一些技巧,這些看似簡單的操作,如果不注意很容易出現問題,最終影響回灌效果。


魯北院打造的山東省第一座砂巖熱儲地熱尾水回灌示范工程得到了地方政府領導和國內地熱專家的高度肯定,被能源行業地熱能標委會評定為“地熱能開發利用標準化示范項目”。該示范工程建成以來,每年接待全國各地甚至國外大學、科研院所、企事業單位數十批次考察團的參觀交流學習,“實地參觀后,他們很受啟發,這為他們地熱采灌工程的建設提供了很好的工程借鑒,也切實為地熱資源的可持續開發利用起到了良好的示范和引領作用。”


地熱尾水回灌研究成果的背后得益于山東省地礦局和魯北院各級領導對科研工作的重視以及科研人員多年來專心致志、潛心鉆研的努力。地熱尾水回灌研究歷經試驗性回灌階段、生產性回灌階段、標準化回灌階段三大發展歷程,針對砂巖熱儲地熱尾水回灌關鍵技術難題,魯北院從回灌井鉆探成井工藝、回灌工藝、回灌技術三方面,對影響回灌效果的因素進行了深入的研究,為地熱回灌的推廣應用提供了有力的技術支撐。


未來可期,積蓄地熱能發展更強勁動力


山東省擁有豐富的地熱資源,未來在地熱清潔供暖領域具有非常好的發展潛力。劉志濤依據“山東省地熱資源綜合評價”項目成果向記者介紹了山東省地熱資源家底:全省供暖用地熱水,自然條件下供暖期可采資源量為3275.39萬m3/d,折合標準煤4070.51萬t/a,可供暖面積19.72億m2,居全國前列。按照“取熱不取水”的采灌均衡開采模式,回灌條件下供暖期地熱水可采資源量為4797.67萬m3/d,折合標準煤5885.06萬t/a,可供暖面積28.51億m2。截至目前,山東省水熱型地熱供暖面積已超過6000萬平方米。


“根據地熱資源分布情況,魯西北地區是主要的砂巖熱儲分布區,地熱資源分布范圍廣泛,在德州、濱州、東營、聊城的大部分地區和濟南北部、菏澤西部都有分布,并且資源量豐富,開發利用條件好,特別適宜于供暖。”劉志濤介紹,魯西北地區地熱水可開采量為3465萬立方米/日,可供暖面積21.9億平方米。 


由傳統的大罐過濾方式經創新研究后采用并聯式的小罐



地熱能相比其他供暖方式具有怎樣的優勢?他認為,“煤改氣、煤改電”所用的天然氣、煤炭畢竟是化石能源,還是有一定的污染,并且冬季大規模集中應用容易引起能源供應緊張,造成氣荒、電荒。相比其他清潔供暖方式,比如生物能、太陽能,這些清潔能源受各方面因素影響較大,比如太陽能受日照影響,并且只能作為輔助供暖應用,生物能原料供應目前可能也是一大問題,相比之下地熱能是一種更加穩定可靠的清潔能源。


對于地熱能未來發展前景劉志濤充滿信心。“近年來不管中央還是地方,各級政府對生態環境保護越來越重視,促使清潔能源開發利用得到了快速發展。”他認為,現在地熱供暖在城鎮地區應用較為廣泛,而農村地區開發利用程度還比較低。另外尤其是在偏遠地區,集中供暖難以達到的地方,出于清潔供暖需求的考慮,這也將是地熱企業最佳選擇的市場方向之一。


厚積薄發,引領地熱產業突破發展瓶頸


大口徑深部資源勘探、地熱資源勘查開發與地熱尾水回灌作為魯北院核心競爭力的兩大優勢產業,未來魯北院將繼續發揮核心優勢并加強相關領域的研究及拓展工作。


劉志濤介紹,2019年魯北院建成了全國第一個大型地熱回灌模擬試驗場。該試驗場將針對回灌堵塞機理開展深入的模擬研究,探討不同因素影響條件下的堵塞效應,另外也將開展人工回灌對儲層水動力場、溫度場、水化學場等各方面影響的監測試驗與數值模擬研究,探討回灌條件下的環境影響效應,同時也將深入研究回灌條件下地熱資源可持續開采量計算評價的理論方法,該試驗場研究成果將為區域地熱能大規模開發利用提供指導。“此外包括該試驗場在內的相關試驗平臺將實行開放共享服務,高校、科研院所等都可以利用開展試驗研究,共同努力解決地熱產業發展關鍵問題。”


另外,魯北院還將開展地熱資源開發與地質環境問題影響研究。通過近幾年對典型采灌工程的持續監測,發現回灌井地溫有降低現象,到下一個供暖季之前不能恢復到初始溫度。目前魯北院正在加強此方面的監測和模擬研究,為確定避免熱突破的合理采灌井距提供科學依據。 


展望未來,2020年魯北院地熱清潔能源創新工作將圍繞提高科研水平、完善設施建設、加強產學研合作交流、促進成果轉化、加強人才培養、促進推廣共享等六大方面展開工作,引領行業前沿,積蓄發展強勁動力,為推動地熱能清潔能源產業發展做出更大的貢獻。


責編:dhl

 
 
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