京津合作示范区地热资源评价与综合利用分析.pdf
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1、http:/京津合作示范区地热资源评价与综合利用分析赵艳婷1,沈 健1,徐欣欣2,闻 爽1,孙晓林1,董路飞1(1.天津地热勘查开发设计院,天津 300250;2.天津泰合热力有限公司,天津 300000)摘要:本文通过分析京津合作示范区的地质构造及地热地质条件,结合用地规划和地热资源规划,分别对该区浅层地热能、馆陶组热储、雾迷山组热储和深孔换热的开发潜力、经济性、适宜开采程度进行分析,提出了各类地热资源开发利用保护对策,以期实现资源的综合利用。分析认为区内浅层地热能资源潜力大,馆陶组和雾迷山组热储层可采资源量丰富,在研究区西北部施工深孔换热井具有较高经济性。关键词:地热资源;浅层地热能;水热
2、型地热资源;深孔换热;京津合作示范区中图分类号:P314文献标识码:A文章编号:20970188(2023)020024-07收稿日期:2023-03-01资助项目:天津市国土资源和房屋管理局项目“东丽湖地表水蓟县系雾迷山组热储回灌工程”(国土房任201425号)作者简介:赵艳婷(1988-),女,硕士,工程师,毕业于中南大学,现主要从事于水文地质(回灌)工作,E-mail:。第46卷 第2期vol.46 no.22023年06月northchinageologyjun.2023近年来,在全球能源革命和“双碳”目标的推动下,“清洁、低碳、高效、多元”已成为现代能源体系建设的目标1-2。地热资源
3、具有“清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全稳定”的优点,开发利用受到越来越多的关注3,在我国能源结构转型中发挥重要作用4-6,成为清洁可再生能源的重要组成。我国北方地区在冬季供暖时存在巨大能源需求,推进北方地区冬季清洁供暖,是从源头上治理雾霾的关键一环7。汪集暘等将地热资源按深度划分为浅层、中深层和超深层地热资源8。天津地区浅层地热资源分布广9-10,至2021年,利用面积达到1 297万m2,中深层水热型地热资源发育11-14,至2021年,利用规模达到5 287万m315,中深层深井换热系统也取得初步成果。三类地热资源的开发实现了资源的综合利用,弥补了能源供需在时间和空间上的不平衡,助力节能
4、减排和环境保护16。京津合作示范区位于天津市宁河区西南部,占地面积约38 km2,拟采用地热资源作为清洁供暖热源。周边开发利用的地热资源包括浅层地热能资源和明化镇组、馆陶组、奥陶系和雾迷山组4个热储的水热型地热资源。明化镇热储受回灌困难影响,十四五规划中不再部署新的勘查工作,奥陶系埋深接近4 000 m,且水温低于雾迷山组,开发利用经济性受限,本文主要针对区内浅层地热资源中深层地热资源(馆陶组和雾迷山组)开展分析研究,对中深层深井换热系统利用简要分析。1研究区概况地质构造上,研究区处于级构造单元沧县隆起和黄骅坳陷的交界处,F1断裂穿过研究区西北部,断裂以东为黄骅坳陷的次级构造单元北塘凹陷,以西
5、为沧县隆起的次级构造单元潘庄凸起17。1.1 地层特征北塘凹陷内4 000 m以浅地层由新至老为新生界(第四系、新近系、古近系)和中生界;潘庄凸起内4 000 m以浅由新至老发育有新生界(第四系、新近系)、中生界、古生界石炭-二叠系、奥陶系、寒武系、中新元古界(青白口系景儿峪组和龙山组和蓟县系雾迷山组)17-18。1.1.1 第四系(Q)全区普遍分布,厚度280320 m,以北西向为轴向两侧逐渐加厚19。从图1可以看出,北部第四系成因类型由西向东分别是冲海积砂质粘土、泻湖积砂质粘土和湖沼积砂质粘土,南部为湖沼积砂质粘土。岩性比较单一,主要由粘土、粉质粘土、粉砂、细砂组成20。第四系地质结构自上
6、而下划分为全新统(Qh)、上更新统(Qp3)、中更新统(Qp2)和下更新统(Qp1)。1.1.2新近系(N)馆陶组(Ng)馆陶组(Ng)分为上、中、下三段。上段岩性为砂岩夹泥岩、砂岩含砾,岩性较粗;中段岩性以泥岩为DOI:10.19948/j.12-1471/P.2023.02.04http:/主,夹薄层砂岩;下段岩性以砂岩、砂砾岩为主,夹有薄层泥岩,形成粗-细-粗完整沉积旋回,底板埋深15001 950 m19-20,厚度104400 m。1.1.3蓟县系(Jx)从图2和图3可以看出,蓟县系地层在F1断裂两侧埋深差异较大,断裂东侧顶板埋深大于4 000 m,断裂西侧埋藏较浅,顶板埋深为1 8
7、002 600 m,岩性上部以白云岩为主,中下部为厚层-巨厚层状白云岩,夹灰黑色燧石条带。岩溶、裂隙较为发育21-22。1.2 地质构造特征发育的断裂主要有沧东断裂、茶淀断裂、F1和F2。沧东断裂由数条倾向SE、规模不等的断裂组成,总体走向NNE,断面倾向SE,倾角3550。茶淀断裂的走向NE,倾向SE,表现为一条正断层,断层落差北大南小。F1为张性正断层,走向NNE,倾向SEE,倾角50 左右,垂直断距达2 900 m。F2为正断层,走向NNW,倾向NE。2浅层地热能资源评价浅层地热能的储集、运移、开发利用受区域地质、水文地质及工程地质条件的制约23。目前天津市以地埋管地源热泵系统为主要的开
8、发利用方式24。2.1 评价方法及参数选用由于天津市潜水位过浅(一般12 m),储存在包气带中的浅层地温能没有开发利用价值,因此本文计算时只考虑了浅层含水层中的地热容量。依据浅层地热能勘查评价规范25,将研究进行1 km1km正方形剖分,采用体积法计算研究区第四系(200m以内)浅层地热容量。岩土体平面综合热导率值和平均体积比热容值分别取1.54 W/(m)和2030 kJ/(m3)26。采用公式(13)进行计算。QR=iQSi+iQWi(1)QSi=SiCSi(1-i)M0di(2)QWi=WCWiM0di(3)式中,QR为浅层地热容量,kJ/;QSi为第i个正方形岩土体骨架的热容量,kJ/
9、;QWi为第i个正方形岩土体所含水中的热容量,kJ/;Si为第i个正方形岩土体密度,g/m3;CSi为第i个正方形岩土体骨架的比热容,kJ/(kg);i为第i个正方形岩土体的孔隙图1 第四系厚度等值线图Fig.1 Quaternary thickness contour map图2 研究区基岩地质图Fig.2 Geological map of bedrock in the research area图3 剖面地质解释图Fig.3 Sectional geological interpretation map第2期赵艳婷等:京津合作示范区地热资源评价与综合利用分析25http:/率,%;M0为
10、正方形的面积,km2;di为第i个正方形计算厚度,m;W为水密度,kg/m3;CW为水比热容,kJ/(kg)。换热功率采用公式(4)计算。根据研究区规划和浅层地热能研究成果,夏季单井延米换热量取54.17 W/m,冬季取36.67 W/m;每1 km2有2.51%面积可布孔,布井间距取5 m,计算出每km2可钻换热孔数为1 278个,适宜开发利用面积约25.14 km2,共可钻换热孔数为32 153个;城镇村建设用地占总面积的13.94%,新建绿地应不低于30%,另考虑部分绿化不能施工地埋管,该比例参考经验值取60%,得出地埋管土地利用系数为2.51%。Qq=Qh n 200(4)式中,Qq为
11、地埋管地源热泵系统换热功率,kW;Qh为地埋管地源热泵系统单井换热功率,kW;n为计算面积内可钻孔数量;为土地利用率。2.2热容量及换热功率计算计算结果表明研究区内200 m以浅浅层地热容量为13.771012kJ/,其中浅层岩土体的地热容量为6.571012kJ/,浅层水体的地热容量为7.211012kJ/,夏季换热功率为20.90104kW,冬季换热功率为14.15104kW,考虑系统长期运行换热能力衰减的问题,群孔的总换热能力=单孔换热能力换热孔数量0.85系数,研究区以地埋管换热方式开发利用浅层地热能,夏季换热功率为17.77104kW,冬季换热功率为12.03104kW(表1)。2.
12、3资源潜力及效益评价浅层地热能依靠热泵机组提取冷热量后进行开200 m以浅热容量/(kJ/)浅层岩土体6.571012浅层水体7.211012换热功率/kW夏季20.90104冬季14.15104换热功率/kW考虑衰减夏季17.77104冬季12.03104可服务面积/m2制冷189.40104供暖313.39104表1 浅层地热能资源潜力计算汇总表Table 1 Calculation of resource potential of shallow geothermal resources注:考虑土地利用系数。发利用,地埋管换热器和热泵机组组成地源热泵系统,可用公式(5)、(6)计算空调末
13、端负荷23。其中,COP1为水源热泵机组的制冷性能系数,取5.8;COP2为水源热泵机组的供热性能系数,取4.3。Q1=Q1()1+1COP1(5)Q2=Q2()1-1COP2(6)式中,Q1为夏季向土壤排放的换热功率;Q1为夏季空调末端能提供的总冷负荷kW;Q2为冬季从土壤吸收的换热功率;Q2为冬季空调末端能提供的总热负荷,kW;COP1为设计工况下水源热泵机组的制冷性能系数;COP2为设计工况下水源热泵机组的供热性能系数。计算结果表明夏季能提供的建筑总冷负荷为15.15104kW,冬季能提供的总热负荷为15.67104kW。城市公共建筑冬季供暖负荷一般为50 W/m2,夏季制冷负荷为80
14、W/m2,进一步计算出冬季可供暖面积为313.39104m2,夏季可制冷面积189.40104m2,年可利用热能(Wt)为2.10109MJ,折合标准煤(M=Wt/4.1868/7)为7.16104t/a,减排二氧化碳(C=2.386 M)为1.71105t/a。3水热型地热资源评价3.1热储层特征研究区内发育的水热型地热资源具有较高利用价值的是馆陶组和蓟县系雾迷山组27-28。其中馆陶组热储单井出水量为69112.78 m3/h,出水温度为5563。蓟县系雾迷山组热储单井出水量为70175 m3/h,井口稳定流温为80102。3.2温度场特征区内地热盖层平均地温梯度为2.55.5/100m(
15、图4)。地温场受沧东断裂影响较大,盖层平均地温梯度在沧东断裂带附近较高且变化较大,远离断裂带,梯度变化较小。3.3资源潜力评价3.3.1研究区馆陶组热储层热量计算本次研究应用热储法对馆陶组热储层地热资源量进行计算29,计算公式如下:Qr=A H C(Tr-T0)(7)其中,C=r Cr(1-)+W CW(8)式中,Qr为热储中储存的热量,J;A 为研究面积,m2;H为热储层厚度,m;C为热储岩石和地热流体的平均体积比热容,J/m3;Tr为热储层温度,;T0为基准温度,13.5;r为热储岩石密度,26华 北 地 质第46卷http:/kg/m3;Cr为热储岩石比热,J/kg;为热储岩石的孔隙度;
16、W为地热流体密度,kg/m3;CW为地热流体比热,J/kg。根据馆陶组热储层的空间分布形态、各项地质参数及现有的钻孔资料等因素,将热储层在平面上进行三角形剖分(图5)。计算参数见表2,结果见表3、表4。3.3.2研究区馆陶组热储层潜力及效益评价馆陶组热储布井时综合考虑采、灌对井合理井距(公式9)和开采权益保护半径(公式10),认为采灌对井之间的合理井底距离应大于694 m,同层开采井之间合理井距应大于1 228 m,区内可每1.251.25km布置一对地热井,共计6对馆陶组地热采灌对井,地热流体可采量为105104m3/a,约21 093.72 kW,年开采累计可利用的热能量为3.68108M
17、J,按照 地热资源地质勘查规范31计算,折合标准煤1.25104t,减排二氧化碳2.99104t/a。D=3Q回tbn12(9)式中,D为对井井底距离,m;Q回为总回灌量,m3/a;b为热储层有效厚度,m;n为热储层孔隙度,%;t为冷热水混和锋面到达开采井的时间,按100年。R热=tQ采fbw12(10)式中,R热为开采100年地热井权益保护半径,m;Q采为地热井开采量,m3/a;f为流体比热/热储岩石比热的比值;w为地热回收率。3.3.3研究区雾迷山组热储层潜力及效益评价研究区雾迷山组热储(4 000 m以浅)分布在西北部,面积较小,本文对雾迷山组热储进行潜力分析图5 水热型地热资源评价剖分
18、图Fig.5 Dissection map of hydrothermalgeothermal resources表2 馆陶组热储参数表30Table 2 Thermal storage parameters of Guantao Formation热储层馆陶组热储平均温度Tr/66.67孔隙度/%34.5岩石密度r/(kg/m3)2103岩石比热容Cr/(J/kg)910地热流体密度W/(kg/m3)980.76地热流体比热CW/(J/kg)4180表3 馆陶组资源量计算结果一览表Table 3 Ccalculation results of Guantao Formation resour
19、ces热资源量类型热资源总量地热流体富集段资源量可回收热资源量热储层馆陶组热资源量/(1018J)0.800.430.11热资源量换算折合标准煤/(107t)27.3014.673.67折合原油/(107t)19.0910.262.57折合发电量/(1011kWh)2.221.190.30注:基准温度为13.5。表4 馆陶组地热流体静储量计算结果一览表Table 4 Calculation results of geothermal fluid static reserves of Guantao Formation热储层Ng弹性储量/(108m3)0.02容积储量/(108m3)20.31静
20、储量/(108m3)20.33图4 研究区盖层平均地温梯度等值线图Fig.4 Contour map of the average geothermalgradient of the caprock in the study area第2期赵艳婷等:京津合作示范区地热资源评价与综合利用分析27http:/时,综合考虑采、灌对井合理井距(公式11)及开采权益保护半径(公式10),认为采灌对井之间的合理井底距离应大于667 m,同层开采井之间合理井距应大于1 986 m,研究区内共可布置3对雾迷山组地热采灌对井,地热流体可采量为70104m3/a,约18562.55 kW,年开采累计可利用的热能量
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