孟慶海

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院，安徽合肥 230051）

0 引言

“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念是我們新時代能源利用的核心思想，地熱能可再生資源開發(fā)利用得到迅猛發(fā)展，近10年來，中國水熱型地熱能直接利用以年均10%的速度增長，許多風景區(qū)的深度開發(fā)及人們對美好生活的向往和追求使得水熱型溫泉成為稀缺資源，由于受地質(zhì)條件限制，許多需要溫泉的地方?jīng)]有水熱型地熱，人造“溫泉”成為市場的需要。

2012 年科技部設(shè)立國家高新技術(shù)干熱巖研究計劃（863計劃），開啟了干熱巖的專項研究，干熱巖地熱能開發(fā)利用技術(shù)得到全面的發(fā)展，石油開采和頁巖氣開采的定向射孔技術(shù)、儲層改造壓裂技術(shù)在地熱開發(fā)中的利用日趨成熟普及，成本大幅降低，使人造“溫泉井”成為可能且經(jīng)濟可行。本文從地熱基本原理和數(shù)值分析技術(shù)方面探索人造“溫泉”的理論基礎(chǔ)，通過人造“溫泉井”孔系統(tǒng)設(shè)計求證人造“溫泉”可行性。

1 人造“溫泉井”方案設(shè)計理論技術(shù)依據(jù)

人造“溫泉井”是指通過向地下人工改造的滲流空間注水取熱和交換礦物質(zhì)，然后抽取“溫泉”水供開發(fā)利用，既是向地下注入循環(huán)水使水溫達到可利用溫度的一種地熱開采系統(tǒng)裝置。其主要工作原理是在適合的地溫梯度異常區(qū)建造人工滲流換熱場使循環(huán)水升溫和礦物質(zhì)交換。

1.1 地溫梯度原理

地溫梯度原理：地溫梯度（geothermal gradient）又稱“地熱梯度”、“地熱增溫率”。指地球不受大氣溫度影響的地層溫度隨深度增加的增長率。一般埋深越深處的溫度值越高，以每百米垂直深度上增加的度數(shù)（℃）表示。不同地段地溫梯度值不同，通常為（1～3）℃/百米，火山活動區(qū)較高。地殼的近似平均地熱梯度是每千米25℃，大于這個數(shù)字就叫做地溫梯度異常。近地表處的地熱梯度則因地而異，其大小與所在地區(qū)的大地熱流量值成正比，與熱流所經(jīng)巖體的熱導率成反比。因此，地熱梯度的區(qū)域性變化可能來源于熱流量的變化，也可能來源于近地表巖體的熱導率的變化。根據(jù)地溫梯度理論，地球內(nèi)部存在大量的地溫梯度異常區(qū)，例如，據(jù)資料安徽省在廬樅盆地的羅河礦區(qū)外圍深部勘探孔2000m 孔深處測得孔底溫度98℃，大別山地區(qū)也有多個鉆孔中測得每百米5℃地溫梯度異常區(qū)。

近年來，干熱巖新技術(shù)的發(fā)展使近地表地溫梯度異常區(qū)成為新型能源資源，當?shù)貙訋r體地溫達到一定值時，即可通過儲層改造技術(shù)和射孔技術(shù)等開發(fā)地熱能，即通過水循環(huán)人造溫泉技術(shù)開發(fā)出人造“溫泉”。

1.2 儲層改造和射孔技術(shù)

儲層改造技術(shù)原是油田為了提高油氣井產(chǎn)量或注水井的注水量而對儲層采取的一系列工程技術(shù)措施的總稱。儲層改造技術(shù)主要包括：

（1）各種不同介質(zhì)的壓裂技術(shù)，如水力壓裂技術(shù)、酸壓裂技術(shù)、泡沫壓裂技術(shù)、高能氣體壓裂技術(shù)等，其主要目的是在致密儲層中產(chǎn)生一條或多條具有一定導流能力的裂縫以利于油氣從儲層流向井筒。

（2）各種不同的基質(zhì)酸化技術(shù)，如砂巖酸化技術(shù)、碳酸鹽巖酸化技術(shù)等，其與壓裂的差別主要在于基質(zhì)酸化技術(shù)是在低于儲層破裂壓力下注入化學劑，因而不產(chǎn)生裂縫。酸化增產(chǎn)增注的原理是化學解堵劑注入地層后，溶解儲層中的某些物質(zhì)，恢復(fù)和提高近井地帶的滲透率。在地熱能開發(fā)利用中，儲層改造主要目的是利用壓裂技術(shù)在熱能能源儲層形成網(wǎng)狀裂隙或擴大貫通已有裂隙。

射孔技術(shù)：射孔工藝原是石油勘探和開發(fā)中的一項關(guān)鍵技術(shù),射孔施工質(zhì)量的高低直接影響著勘探開發(fā)的水平和效益。近年來,射孔技術(shù)已經(jīng)從過去的那種以射開完成井油層為目的,發(fā)展到超深穿透射孔技術(shù)、高孔密射孔技術(shù)、在不均質(zhì)地層中的變孔密射孔技術(shù)、復(fù)合射孔技術(shù)、水平井射孔技術(shù)、定向射孔技術(shù)、氣體推進成縫技術(shù)等。

1.3 人造“溫泉井”換熱傳導的數(shù)學模型

人造“溫泉井”滲流場建造是通過鉆孔內(nèi)水平射孔和向上的15°角定向射孔壓裂而成，換熱滲流場可以看成一個近似圓柱體，從而可假設(shè)熱傳導方程為：

初始條件:

u(r,θ,z,0)=T0

邊值條件:

這里的u(r,θ,z,0)=T0表示壓裂柱體分布函數(shù)，k表示壓裂柱體巖石的導熱系數(shù)，ρ,c分別表示壓裂柱體巖石的密度和比熱容,,Q 表示開采的溫泉水吸熱功率,δ(*)表示沖擊函數(shù)，δ(r-r0)·δ(θ-θ0)·δz表示人造溫泉在壓裂柱體孔底(r=r0,θ=θ0,z=1)處,T表示壓裂柱體上頂端的初始溫度,h 表示壓裂圓柱體設(shè)計高度，1表示鉆孔深度。

根據(jù)模型，溫泉井開采穩(wěn)定流條件可等同穩(wěn)態(tài)傳熱條件，在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，存在壓裂區(qū)圓柱體側(cè)面和底面面積與其熱流密度之積等于人造溫泉出水量Q相對于灌入時的熱能增加值，根據(jù)人造溫泉設(shè)計的出水量、出水溫度、使用年限，按照穩(wěn)態(tài)傳熱模型可計算推導出壓裂體在導熱率一定的條件下所需的最低溫度和壓裂體圓柱體范圍。從以上條件可看出，壓裂體的地溫梯度和巖石導熱系數(shù)只要滿足一定的條件，是可以造出溫泉的。

2 人造“溫泉井”孔的方案設(shè)計

2.1 人工改造儲層選擇及條件

人造“溫泉井”成功的關(guān)鍵是改造儲層段的選擇，改造儲層段須要具備的條件有以下幾個方面：改造儲層內(nèi)巖石不得有遇水泥化、膨脹、崩解等使人造裂隙快速閉合的因素；儲層改造段巖石環(huán)境溫度大于70℃為宜；儲層改造段宜選擇大地熱流值高地段，大地熱流值大于50mw/m2為宜；儲層巖體導熱性良好，熱導率高的巖石地層全孔換熱效率高，宜選擇放射性生熱地層或構(gòu)造擠壓生熱地段；宜選擇地熱以對流傳熱方式的地段。

2.2 人造“溫泉井”鉆孔及取熱系統(tǒng)的設(shè)計

儲層改造段選定后，鉆孔設(shè)計、壓裂段的設(shè)計、取熱系統(tǒng)設(shè)計是人造溫泉關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計可以采用分段水平射孔壓裂法構(gòu)建，系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計如圖1，也可采用定向孔鉆進技術(shù)形成分支孔，采用底端壓裂構(gòu)建溫泉井系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計如圖2。

圖1 人造“溫泉井”井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計示意圖Figure 1.Schematic diagram of artificial "hot spring well"shaft structure design

圖2 定向鉆進成孔底端壓裂構(gòu)建溫泉井系統(tǒng)示意圖Figure 2.Schematic diagram of constructing hot spring well system by fracturing at the bottom of hole formed by directional drilling

上述的溫泉井系統(tǒng)中，注水循環(huán)系統(tǒng)的深井潛水泵，需下入地下水位20m 以下，潛水泵電機需采用特殊裝置，深井的井中隔斷也需采用特殊裝置，為此我們自己研究開發(fā)了相關(guān)技術(shù)，并申請了專利保護。

2.3 人造“溫泉井”孔建造施工及技術(shù)控制

人造溫泉井孔的施工順序：選址→地球物理勘測→鉆探成孔→測井→完成固井→射孔壓裂第一段→射孔壓裂第二段→射孔壓裂第三段→孔內(nèi)地層貫通試驗→取熱系統(tǒng)安裝→注取水取熱試驗→竣工驗收及總結(jié)報告。

人造溫泉井施工注意事項：

（1）選址：人造溫泉井選址既要考慮地質(zhì)條件，又要考慮經(jīng)濟條件，人造溫泉的基本地質(zhì)條件如下：儲層易改造、熱儲溫度、巖石的熱導性符合基本要求，最好能選在有熱蓋層、大地熱流值高和放射性生熱或構(gòu)造生熱地段；人造溫泉井造價較高，從經(jīng)濟效益角度來選，溫泉井建設(shè)宜選在人流量大、亟需地熱溫泉水提升旅游品質(zhì)的風景區(qū)或經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。

（2）地球物理勘測：地熱異常巖體地球物探主要適宜方法有：因熱巖體部位溫度不同及熱脹冷縮物理現(xiàn)象引起密度變化，重力物探可判斷地熱巖體深度及熱儲量等信息；高溫地熱巖體對地震波影響明顯，人工地震物探可很好地探知地熱巖體深度和規(guī)模等信息；地熱巖體處在高溫狀態(tài)，溫度對于磁性具有顯著作用，溫度越低，磁性強度衰減值越小，二者呈現(xiàn)正比例的相關(guān)關(guān)系，地熱巖體有顯著的相對低磁特征，磁法可發(fā)現(xiàn)地熱巖體；地熱異常體具有低阻高導的特性，電法數(shù)據(jù)是判別地熱巖體很好的依據(jù)；區(qū)域地溫測量和紅外線航測對區(qū)域地熱異常具有很好的判別作用；需要注意的是地熱巖體需綜合物探法進行判別，最后使用三種及以上物探方法進行勘測。

（3）鉆探成孔：注意記錄地層情況，做好巖芯巖性、節(jié)理等編錄工作，對儲層改造段進行分段取樣，注意鉆孔的水文地質(zhì)條件變化情況。

（4）測井：主要測量孔內(nèi)底層溫度、巖性、水文地質(zhì)條件等變化情況。

（5）完成固井：鉆進至設(shè)計深度時，根據(jù)地層和儲層改造段情況設(shè)計井孔加固，可以全孔固井，也可上部固井，其他段裸孔，以壓裂改造施工后，井孔需保證不坍塌，或者是有塌落但清孔后井孔較完整為原則。

（6）射孔壓裂：射孔壓裂技術(shù)原為石油開采技術(shù)，主要注意壓裂應(yīng)至下而上，從孔底向上分段壓裂，在接近孔內(nèi)分隔段時，射孔應(yīng)有一個向上的角度。

（7）孔內(nèi)地層貫通試驗：用臨時止水措施代替孔內(nèi)分隔器，下入“溫泉井”注水取水系統(tǒng)，進行注取水試驗，檢查射孔壓裂效果及連通性，如連通性效果不好，可減少分隔段長度，再次向上射孔壓裂。

（8）系統(tǒng)安裝：注意因取水管過長自重拉應(yīng)力問題。

（9）取熱試驗和調(diào)整：控制灌入水量，避免過度取熱問題。

3 結(jié)語

本文所探討的人造“溫泉井”系統(tǒng)是增強型地熱系統(tǒng)（EGS）的簡化版，從理論上探討儲層改造單井取熱的可行性，認為：只要相關(guān)條件許可，人造“溫泉井”系統(tǒng)可實現(xiàn)，其具有規(guī)模小、投資低、符合市場需求的特點，特別是為滿足風景旅游區(qū)深度開發(fā)的需求提供解決方案；人造“溫泉井”系統(tǒng)又為干熱巖開發(fā)所需的巖石壓裂參數(shù)、換熱率等提供試驗方案；同時人造溫泉井方案又為利用地熱能供暖提供解決思路。其注取水系統(tǒng)設(shè)計具有一定的創(chuàng)新性，對地熱能的開采提供一種新方向。特別是本方案能在降低地熱水井施工風險方面做出貢獻，當?shù)責峋┕o水時，只要孔底端有相對較高的溫度，即可利用本技術(shù)方案進行改造，避免減少投資完全失敗。