梁文义胡霞汪艳勇薛东安陈春瑞
（大庆油田有限责任公司）
取水”的深并换热技术是切实可行的开发挂术.中深层岩热型地热资源埋藏深、热储致密，地层温度高、 摘要限制地下水破坏性开采致策提出后，对于地温场条件好、回灌难度大的地区，采用“取热不压力大，有效动用难度较大，国内开发利用技术与国外先进技术存在较大差距.为了明确影响深并换热强度的控制因素，本文利用海拉尔油回貝28作业区单井间轴换热试验、U型奔换热试验的实际运行数据，结 合国内外其他地区深井换热试验数据，深度分析了Greenloop、Eavor-Loop、网轴换热、油热同采、U型闭式循环换热等技术的优熟点及运应性，探培了中深层岩热型地热资源开发利用技术的发展前景.研究结果表明：U型闭式插环系统在给定的参数组合下，注入温度和循环流量的合理匹配是衡量微环系统性能的关键，岩层热导平、普深和水平段长度是换热强度的决定性因素.可采取优化并型、增加井深、强化保温、 优化完并和改造热储及地面配备热系系统等措施提高换热强度.间歇性开采可使换热强度瞬间加倍，但总换热量是一定的.同时，在考虑建并成本、施工难度和运行稳定性等因素下，U型闭式微环系统既解决了单异同轴管换热强度低、热能衰减速度快的难题，也解决了储层改造连通性差、采热量低的密境，同时还 解决了水热型砂岩回灌难度大、回灌率低、破坏地下水资源平衡的难题，真正实现了“取热不取水”，U型闭式微环系统可在地温场条件较好的区域推广应用.
关键调地热能；取热不取水；同轴换热；U型闭式循环换热：油热同采；换热强度；间款性开采
地热资源按温度可分为高温（>150℃）、中重要方向.本文介绍了国外中深层地热田开发利温（90-150C）和低温（<90℃）三类.由于理深、用的新进展，包括同轴换热、U型闭式循环换能的开发利用方式也有所不同.发电和供暖是中术.结合大庆油田地热资源条件和开发现状，展 深层地热能最常见的利用方式.在“双碳”目标望了“双碳”目标下中深层岩热型地热资源开发 热储类型、物性、温度、流体相态等差异，地热热、油热同采以及Greenlaop、Eavar-Iaop等技背景下，利用地热能实现供暖清洁替代备受关技术的发展方向，以期为中深层地热产业的科研注.冰岛、挪威、芬兰、瑞士等国的地热供暖技攻关提供参考.术较为成熟，冰岛冬季供暖几乎完全依赖地热能.我国中深层地热供暖起步较晚，但发展 迅速. 1中深层地热产业的发展趋势 地热能按热储层埋深可分为浅层地热能（理目前，我国地热供暖的成熟技术主要以中深深200m以浅，包括土壤层和浅层含水层）和中层水热型为主，浅层地源热泵为辅.然而，浅层深层地热能（埋深大于200m）.中深层地热能主地源热泵容易形成冷堆积，不适合北方寒冷地区要分为水热型和岩热型.目前，如何有效实现深高，不仅需要水量大，还要求同层回率不低于建筑供暖中应用深井换热技术，并积累了丰富的 或大规模建筑物：中深层水热型对热储层要求较井换热仍处于探索阶段.许多西方发达国家已在95%.对于大部分砂岩储层地区，回灌难度大，实践经验.相比之下，国内在浅层地埋管换热器导致区域地下水位下降、地面沉降、换热器与过转换等方面的试验和应用较多.孔彦龙等对深井换热技术的原理及其换热量评估进行了研究，卜 宪标等则系统研究了单井换热量的增强改进方针对以上间题，改进现有技术并探索“取热法.近年来，国内在天津、北京、西安等地开展不取水“技术以实现地热资源的可持续利用成为了单井“取热不取水”工程实践，为中深层地热 滤器腐蚀等问题，无法满足回灌要求的地热井已 被强制叫停. 能的开发利用提供了宝贵经验. 1.1多图加大地热资源开发力度 地热资源的开发与利用.例如：雪佛龙涉足地 国内外油气公司纷纷进人地热领域，推动热发电领域，评估了日本地热资源潜力及闭环循环技术的可行性；斯伦贝谢布局地热开发，制定了阿曼地热资源潜力的国家战略：中国石油在2021年提出“清洁替代、战略接替、绿色 转型”三步走战略，推动地热与新能源业务协同发展：中国石化在国内地热供暖市场占据领先地位，截至2024年供暖季，地热供暖能力已超过9500×10m². 例如:Geothermal Engineering Limited ( GEL) : 同时，地热开发领域的初创公司快速涌现，2008年成立于英国，开发了首个地热发电厂一联合唐斯项目（The United Downs Deep GeothermalPower）：Fervo Energy：2017年成立于休斯顿，2017年成立于加拿大，提供基本负载电源解决 专注于增强型地热系统（EGS）研发：EavorTM：方案；QuaiseEnergy：2018年由麻省理工学院孵化，计划钻探深部（可达20公里）地热资源；Sage GeosystemsTM：2020年由壳牌（Shell）科学 家和高管成立，总部位于休斯顿，致力于开发零排放、全天候、不依赖天气的地热资源. 此外，多个地热能产业联盟持续推动技术攻关.Wells2Watts：由贝克休斯（Baker Hughes）牵地热井，提高地热能利用率和经济性：Hotrock 头，旨在利用封闭式地热系统改造现有油气井或地热产业联盟：专注于地质分析、地质工程、发电设施与电网建设、地热供热与制冷直接利用等多个主题的研究. 1.2地然田开发利用场景要加多样 供暖与发电是中深层地热田开发利用的两个重要方向，但当前中深层地热田的开发利用已融合了更多创新场景，进一步拓展了地热资源的应高效换热.热能与太阳能，实现能源互补，提高能源利用效 用领域.例如：地热与太阳能耦合：通过结合地率；地热卤水提锂：从地热卤水中提取锂等稀有金属，为新能源电池产业提供原料；地热田CO，捕集与封存：利用地热田进行二氧化碳捕集与封存，助力碳中和目标：地热发电：地热发电装机世界地热发电排名前10的国家分别是：关国、提高了系统的经济性和可持续性. 印度尼西亚、菲律宾、土耳其、新西兰、肯尼亚、墨西哥、意大利、冰岛和日本，装机容量总在全球范围内的开发利用规模不断扩大，应用场 计16335MW.应用场景的多元化表明，地热能景日益多样化，为清洁能源转型和可持续发展提供了重要支撑. 2中深层地热能开发利用技术进展 中深层热储主要包括水热型和岩热型，其地质条件的差异决定了适宜的开发方式.尽管世界上地热田的采灌开发技术较为成熟，但致密热储的采灌开发整体经济性较差.中深层岩热型地热能具有温度高、开采技术要求高的特点，通常 采用抽取地热流体或井下换热的方式获取热能.近年来，中深层换热技术和采灌开发技术均取得了显著进展.中深层换热技术避免了回灌开发中常见的堵塞、腐蚀和结垢等问题，地热井井型、循环工质和保温材料成为提升开发 效益的重点. 2.1国外中深层换热技术研究进展 国外在中深层闭式换热系统方面取得了显著进展，其中 GrenFine Energy、EavarTM 和 Sage GeasystemsTM等公司开发的系统具有代表性. （1）GreenLoop系统（GreenFire Energy 公司），GreenFire Energy是一家在先进地热系统（Advanced Geothermal Systems）研究领域领先的公司.其研发的GreenLoop系统是一种闭式换热 技术，不仅适用于新钻地热井，还可用于废弃井改造，从而降低地热项目的高钻探风险和成本.GreenIoop系统包括一个井下热交换器（DBHX），界CO等）通过封闭循环系统进行热能交换（图 可以是同轴或多分支型，工作流体（如水、超临1）.该系统下部为开放式，地热流体可进入井内，热能通过开放式循环传导至封闭循环，实现 orTM公司成立于2017年，总部位于加拿大，致 （2）Eavor-Loop 系统（EavorTM 公司），Eav-力于提供清洁、碳中和、可扩展的基本负载电源解决方案.其Eavor-Loop系统克服了传统增强型地热系统（EGS）造缝和采灌的困难.该系统采容量稳步增长，成为可再生能源的重要组成部环：冷水在一侧下沉，热水在另一侧上升，无需 用封闭回路设计，通过热虹吸效应实现自然循分.据ThinkGeoEnergy统计，截至2023年底，使用泵（图2）.这种设计显著降低了运行能耗， 图1Greenloop系统示意图 图2Eavor-lboop系统示意图 CO进行闭式换热，地热水回灌处理（图3a）.HeatRon：采用单井EGS系统和革命性的向下压裂技术，适用于多种工质循环.与传统EGS与地层接触，更加环保（图3b）.Heatloop： 系统相比，该系统无有害气体排放，循环工质不通过两口长水平井EGS系统提高热储接触面积，实现高效地热能利用（图3c）. （3）HeatLoop系统（Sage Geosystems公司），Sage Geosysdems公司成立于2020年，总部位于休斯顿，由壳牌（Shell）的科学家和高管创立，专注于开发零排放、全天候、不依赖天气 条件的地热资源.其核心技术包括：HeaFlood：专为提高热水采出速率设计，适用于水温100-250C的热储闭式换热开发.地热水与超临界 图3SapGostem公司主要中深层地热开发解决方案示意图 2.2国内中深层换热技术研究进展 功改造废弃井，实现了单井闭式循环换热试验.针对呼伦贝尔地区的地质条件，选取了深度、井2140m，井底温度70.1℃），并对其进行了改造： 身结构和套管程序适宜的废弃油井ZKI井（井深内管材料：上部200m为保温管（DN90），下部1600m为塑料管（DN80）.改造工艺：封堵底部射孔层位，通过循环水实现深井闭式循环直接换 热（工艺流程如图4所示）.通过与国外同类型项目对比（表1），分析了深井换热延米功率和换热功率的影响因素：地温梯度增加50%，延米 2023年世界地热大会上，中国发布了《中国地热供暖推荐做法》，为地热产业提供了比较完 善的技术标准.在中深层换热研究上，我国也紧跟世界前沿，大庆油田作为中石油的标杆旗帜，展现国企担当，借助技术、人才和管理经验，开技术. 展了多种换热试验，探索了中深层换热的开发 （1）废弃井改造实现单井闭式循环换热. 2017年，大庆油田在海拉尔贝28作业区成 井深、延长流体加热时间、优化采出段保温措施，可显著提升单井换热功率. 功率增加2-3倍.注人流量取决于岩石供热能力、流体加热时间和固井水泥热导率；通过增加 表1zk1井与国外同轴换热试验对比表 地区 井深/井底调度/ 地温梯度/进水湿度/出水湿度/循环流量/换热功率/延米功率/ 来源文献C (001/3) (L/s) kW W德国 Percu 德国Aachr 98Z 2500 108 85 3.5 3.4 35 40 2555 70 1.7 2.8 150 117 53.8 46.8 Dijksshoom et al. 2013 Schnzider et al. 1996瑞士 Weissbed 1200 45 3.75 20 1030 3 80 66. 7 Kohl et. al. 2000瑞士Weis 00 1962 110 86 3.39 5.1 30 32 40 98 1.3 0 100 188.8 43.5 Kehl et. al. 2000 Meritaet sl. 1992海拉尔员28作业区 美国Havaii 1800 70. 1 3.66 13 18 5.5 160 90 现场试验实例 试验结果表明：单井换热功率约为162kW，每延米换热量为90W，联合地面热泵机组为2000m²建筑设施供暖，系统运行稳定.供暖期 结束后5个月，地层温度恢复至原始状态，证实了技术的可行性和可持续性. 图4取热井井身结构示意图 庆市林甸成功开展了4000m超长重力热管地热能换热试验.试验井GR1井深4030.08m，井底温度132℃.工作原理：重力热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，通过工作液（氨介质）的气化 和冷凝循环实现热量传递（图5）.在热管内部注人适量的工作液（首次采用氨介质），并对热管进行抽真空处理；在蒸发段加热，工作液迅速气化，在压力的作用下使蒸气流至冷凝段；冷凝段的温度低于蒸气的饱和温度，蒸气在冷凝 段释放热量，形成液膜，在重力的作用下回流至热管底部，如此循环，将热量从蒸发段传至冷凝段. （2）致密油高温区块“油热同采“新模式探索. 2021年试验：优选低效井进行“点对点"单向压裂，稳定期日产液5.21，产油2.2t，累计增用侧钻短支水平井对接、筛管完井和定向压裂， 油728t，但未实现采热目标.2022年改进：采稳定期日产液3.1t，产油2t，累计增油450t，但仍未达到采热目的.2024年探索了新工艺：提出由“单一压裂”向“侧钻压裂连通”转变，由“单注单采”向”多井注采“转变，构建大体积蓄 水池，探索“油热同采、先油后热”新模式. （3）超长重力热管试验 2023年，中国科学院广州能源研究所在大 图5超长重力热管工艺流程示意困 方式：一是重新建大吨位的燃煤锅炉房，燃煤锅炉烟气脱硫脱硝处理使热源成本大幅度增加，出于环保压力不建议；二是新建燃气锅炉房，但是厂区没有天然气，需要新建管线从外部输气，运 行成本高，根据国家能源局综合司2017年发布的《关于促进可再生能源供热的意见》附件2中各类能源供暖技术经济性比较表，燃煤锅炉与燃气锅炉等常规供热技术在初投资方面优势较大，高优势，推荐应用中深层地热能换热，在地下人 但运行费用过高：三是借助朝阳地区地温梯度较工构建一个“地热锅炉房”，初投资高于燃煤燃气，但运行成本低，不同供热方式的适应性见表2，表中投资成本和运行成本按照我国北方地区 居民住宅采暖用热量、电价、燃料价格等测算. 试验结果表明：重力热管提供热量774kW，热泵系统提供1020kW，综合供暖COP达到4.28.与常规单井同轴换热相比，换热功率提高20%-30%.尽管超长重力热管在高效传热和节 能方面优势明显，但其安装复杂、环境依赖性强等缺点仍需考虑. （4）U型井先导试验工程 2023年，大庆油田采油十厂成功开展了U需淘汰.统计区域内探井数据，地层水不发育， 型井先导试验工程.朝阳燃煤锅炉房设备老旧，朝深3井井深2658.7m，地层温度117.8℃，朝深7井井深3315.29m，地层温度137.9℃，该区域平均地温梯度4.3℃/100m，具备岩热型清洁 替代的潜力.朝阳燃煤锅炉房淘汰后有三种新建 表2不同供热方式的经济性与适用性 供热技术 单位投资/供热成本/ （元/m²) （元/m²) 适用条件 优势区城集中管理，调节性能 何染严重，环保设施投资高；45 25 散式及集中供热 不受限制；可用于分 好，投资成本低；不受季节、 运行费，用高.政府需对企业有 一定资金补贴，增加财政负担；地城等影响 大部分锅炉效率低，系统能耗大燃气锅护 50 限制：可用于分散式及 不受气候、地质条件 染物排放：占地面积小：热 与燃醒相比，减少大气污 行受气源涨幅影响大，运行费用 天然气气源、价格不稳定：运集中供热 效率较高 高：需做低氮改造中 对地质条件要求不高； 城市配套热源在广：国初投资较 单井供暖能力低，不适宜作为轴套管式 092~00 10~13 可用于分散式供热，较 少用于集中供热 取热不取水，清洁环保 大，适用于有致策补贴的地区；系统后续稳定性持考证 单井供暖能力比中深层地埋管中 对地质条件要求不高； 稍大，不适宜作为城市配在热源U型井 350~450 01~g 可用于分散式供热，较 少用于集中供热. 取热不取水，清清环保 推广；投资成本过高，适用于有 政策补贴的地区：系统后续稳定性待考证
