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沈健

天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院

天津市蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源，是我國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用較早的地區(qū)之一，地?zé)嵋殉蔀橹匾沫h(huán)保能源，地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)已形成穩(wěn)定的地?zé)岙a(chǎn)業(yè)。憑借豐富的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量、眾多的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)成果以及自然資源管理部門(mén)的創(chuàng)新管理，天津市成為了全國(guó)唯一的集“中國(guó)溫泉之都”“中國(guó)溫泉之城”和“中國(guó)溫泉之鄉(xiāng)”為一體的省級(jí)城市，多年來(lái)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模和水平均走在全國(guó)前列。

作為傳統(tǒng)化石能源的完美替代者，地?zé)豳Y源已成為應(yīng)對(duì)氣候變化、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要力量。天津市對(duì)地?zé)豳Y源的需求呈逐年上升的勢(shì)頭，但隨著需求的不斷增加，如何確保地?zé)豳Y源能夠可持續(xù)利用成為了擺在地?zé)峁芾碚吆图夹g(shù)工作者面前的重要問(wèn)題。地?zé)峄毓嗍菄?guó)際公認(rèn)的維持地?zé)釤醿?chǔ)壓力、保證地?zé)崽锟沙掷m(xù)開(kāi)采的重要技術(shù)手段，目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)數(shù)十個(gè)重要的地?zé)崽锷a(chǎn)運(yùn)行中的一項(xiàng)日常工作。通常情況下，地?zé)峄毓嗍窃诠┡趦?nèi)將利用后降溫的地?zé)嵛菜毓嗟綗醿?chǔ)層，屬于“原水回灌”。天津市從1996年開(kāi)始率先在地?zé)峁┡?xiàng)目上采用對(duì)井回灌開(kāi)發(fā)利用模式，已經(jīng)相繼建成了二百多處地?zé)釋?duì)井回灌開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，地?zé)峄毓嗦室延?000年時(shí)不足10%提高到了如今的80%。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，近年來(lái)天津市的地?zé)醿?chǔ)層壓力下降趨勢(shì)得到了明顯的緩解，大部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了回升，證明回灌取得了顯著的應(yīng)用效果。在此基礎(chǔ)上，一方面為了彌補(bǔ)由于以往常年采灌失衡造成的熱儲(chǔ)壓力虧空，另一方面為了能夠進(jìn)一步提高地?zé)豳Y源可開(kāi)采量，天津市又在全國(guó)率先開(kāi)展了“地表水回灌”研究。相對(duì)于“原水回灌”，地表水回灌屬于“外來(lái)水源回灌”，是為適應(yīng)對(duì)地?zé)豳Y源的需求量不斷增加而提出的一種對(duì)熱儲(chǔ)層進(jìn)行補(bǔ)給的新型技術(shù)，其有兩大優(yōu)勢(shì)：

一是可以在非供暖期對(duì)熱儲(chǔ)層進(jìn)行額外的流體補(bǔ)充，這些冷流體在地下儲(chǔ)層這個(gè)大熱庫(kù)中通過(guò)圍巖加熱和與深部高溫?zé)崃黧w的對(duì)流循環(huán)，最終會(huì)以熱流體的形式在未來(lái)的供暖期再次成為我們的優(yōu)質(zhì)熱源，從而增加了地?zé)豳Y源的可開(kāi)采量，起到了“夏儲(chǔ)冬用”的作用。

二是對(duì)于天津這樣的北方城市，非供暖期尤其是夏季同時(shí)也是豐水期，地表水受降水的補(bǔ)給量大，水位上漲迅速，此時(shí)開(kāi)展地表水回灌一方面解決了城市排澇方面的需求，另一方面也實(shí)現(xiàn)了使地表水資源就地蓄留、就地資源化的“海綿城市”效果。

為了使地表水回灌從構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，作為國(guó)內(nèi)地?zé)犷I(lǐng)域的龍頭技術(shù)單位，天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院在天津市地?zé)峁芾聿块T(mén)的支持下早在2009年就組建了專(zhuān)門(mén)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展相關(guān)研究。地表水回灌的成功需要有兩個(gè)前提條件，一是要避免冷流體集中回灌造成的熱突破問(wèn)題;二是要避免外來(lái)水源注入熱儲(chǔ)層后對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆的傷害。

針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究工作，在地表水回灌井的選址方面，不但要靠近回灌水源，降低管路鋪設(shè)的成本，更要考慮地質(zhì)方面的影響因素。為此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在充分分析天津市區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件、水文條件、地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用等情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合回灌目標(biāo)儲(chǔ)層的巖性特征、裂隙率、滲透率、裂隙分布特征及布井現(xiàn)狀，應(yīng)用地質(zhì)條件分析和數(shù)學(xué)模擬方法綜合優(yōu)選目標(biāo)靶區(qū)，并通過(guò)示蹤試驗(yàn)分析目標(biāo)區(qū)熱儲(chǔ)的裂隙連通特性和流場(chǎng)特征，確定優(yōu)勢(shì)滲流通道，再結(jié)合區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)確定地表水回灌井的成井工藝，以及與周邊開(kāi)采井的相對(duì)方位和井間距，從而避免地表水回灌對(duì)周邊地?zé)衢_(kāi)采井的溫度產(chǎn)生不利影響，保障供熱安全。

為了避免對(duì)熱儲(chǔ)層造成污染，回灌水必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到地表水的補(bǔ)給來(lái)源主要是上游河道和天然降水，其水質(zhì)和水量存在較大的時(shí)空變化。為此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)搭建了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地表水室內(nèi)水處理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)不同水源水質(zhì)特點(diǎn)及回灌水質(zhì)要求，選擇不同的模塊，自由組合，以地表水為水源，進(jìn)行不同工藝流程的水質(zhì)處理試驗(yàn)，并通過(guò)高溫高壓水巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估對(duì)儲(chǔ)層的影響，最終優(yōu)選出符合回灌水水質(zhì)要求、處理成本低、運(yùn)行穩(wěn)定的工藝路線(xiàn)。這樣就可以在地表水回灌站工程建設(shè)前優(yōu)選工藝流程，從而避免地表水回灌站建成后，因水質(zhì)變化原因?qū)е赂鼡Q設(shè)備帶來(lái)的較大花費(fèi)，確保地表水長(zhǎng)期回灌不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生不利影響。

憑借著技術(shù)團(tuán)隊(duì)敢為人先的創(chuàng)新精神和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和精益求精的不斷改進(jìn)，從2013年在東麗湖地區(qū)率先建立了地表水回灌實(shí)驗(yàn)站起，至2021年又分別在東麗區(qū)和津南區(qū)以地?zé)衢_(kāi)采主力熱儲(chǔ)層薊縣系霧迷山組為回灌目的層，建成兩處生產(chǎn)性地表水回灌工程，地表水回灌終于從理論變成了現(xiàn)實(shí)。

依據(jù)天津市規(guī)劃和自然資源局關(guān)于印發(fā)《天津市地?zé)豳Y源管理實(shí)施辦法》的通知：“鼓勵(lì)有條件的單位，通過(guò)建設(shè)利用地表水的熱儲(chǔ)回灌工程，在非供暖期進(jìn)行地?zé)峄毓?。利用地表水進(jìn)行回灌的，可按照增加回灌量的50%申請(qǐng)?jiān)黾幽甓乳_(kāi)采指標(biāo)。”

位于東麗湖旅游度假區(qū)的東麗湖能源科技有限公司地表水回灌站擁有3眼地表水回灌井，每年可增加霧迷山組熱儲(chǔ)層回灌補(bǔ)給量約120萬(wàn)方/年，可增加60萬(wàn)方/年的霧迷山組熱儲(chǔ)層開(kāi)采指標(biāo)，可在該區(qū)域增加地?zé)峁┡娣e約60萬(wàn)平米，產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.1萬(wàn)噸，可降低向大氣中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及懸浮質(zhì)粉塵等各類(lèi)污染物約2.8萬(wàn)噸。

位于津南區(qū)北閘口鎮(zhèn)的國(guó)新供熱公司地表水回灌站擁有1眼地表水回灌井，每年可增加霧迷山組熱儲(chǔ)層回灌補(bǔ)給量約24萬(wàn)方/年，可增加12萬(wàn)方/年的霧迷山組熱儲(chǔ)層開(kāi)采指標(biāo)，可在該區(qū)域增加地?zé)峁┡娣e約9萬(wàn)平米，產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.26萬(wàn)噸，可降低向大氣中排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及懸浮質(zhì)粉塵等各類(lèi)污染物約0.66萬(wàn)噸。

根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，地表水回灌區(qū)域的熱儲(chǔ)壓力出現(xiàn)了明顯的回升，而周邊開(kāi)采井溫度、水質(zhì)保持穩(wěn)定，證明了利用豐水期的地表水對(duì)地?zé)豳Y源開(kāi)采集中的熱儲(chǔ)層進(jìn)行回灌，是緩解地?zé)豳Y源供需矛盾、消除因地?zé)崃黧w過(guò)度開(kāi)采出現(xiàn)的漏斗現(xiàn)象、避免地?zé)豳Y源過(guò)快枯竭，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的有效手段。工程的建成應(yīng)用，形成了保護(hù)環(huán)境、補(bǔ)給地?zé)豳Y源的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，開(kāi)創(chuàng)了全國(guó)采用地表水集中回灌補(bǔ)給深部地?zé)醿?chǔ)層的先例，開(kāi)辟了地?zé)豳Y源保護(hù)的新道路。

我國(guó)地?zé)峒虚_(kāi)發(fā)的地區(qū)，多數(shù)具有豐富的地表水資源，尤其是對(duì)于開(kāi)發(fā)以碳酸鹽巖為主的大型盆地型熱儲(chǔ)地區(qū)，具有回灌能力好，底部熱源豐富的特點(diǎn)，配合技術(shù)合理的水處理工藝，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以為國(guó)家開(kāi)發(fā)利用地?zé)徇@種新型、綠色、高效、清潔能源提供戰(zhàn)略保障，為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和地?zé)岣哔|(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持。

注：原文刊登于2022年7月刊《中國(guó)地?zé)帷冯s志 原標(biāo)題：天津市探索地?zé)崮芟膬?chǔ)冬用新技術(shù)方法，服務(wù)地?zé)岣哔|(zhì)量發(fā)展

原標(biāo)題：夏儲(chǔ)冬用！天津探索地?zé)崮苓\(yùn)用新技術(shù)