“雙碳”背景下河北省海島地熱綜合利用與關鍵技術研究

實現碳達峰和碳中和是黨中央、國務院統籌國際國內兩個大局做出的重大戰略決策。實現碳中和需要減排二氧化碳109億t,其中能源生產需減排80多億t,占總減排量的80%。地熱資源是指能夠為人類所利用的地球內部的熱能資源,作為傳統化石能源的替代能源之一,是一種儲量豐富、清潔高效、穩定可靠的可再生能源,利用率達73%,是太陽能發電的5.2倍,風力發電的3.5倍,能夠在踐行“雙碳”目標上發揮重大作用。隨著能源供需矛盾不斷加劇,地熱資源開發利用呈現快速增長態勢,并不斷用于地熱供暖、療養洗浴、種植養殖以及工業加工等。海島因其特殊的地理條件,生態系統集陸域、濕地和海域三類生態系統特征于一體,是海洋生命支持系統的重要組成部分,是經濟社會發展重要物質基礎、承載要素和空間載體,更是資源保護與科學利用的重點區域。

目前,海島地熱資源利用方面的相關研究工作的不足嚴重制約了區域地熱水資源的勘探和利用進程,部分學者的研究主要是通過分析研究區地熱資源的稟賦條件,提出相關的開發利用建議,并未全面分析海島深、淺層地熱資源量及水質等概況。如牛海瑞等基于黃河三角洲地區地熱資源的賦存特征,總結了高效開發與綜合利用該地區地熱資源技術及模式,提出了地熱資源可持續開發利用對策建議;田勇等針對京津冀地熱資源特點和主要問題,提出進行地下熱水進行科學合理的開發,將資源優勢轉化為經濟優勢和生態優勢;劉宏亮等基于黃河三角洲地區可再生能源組合特征,提出依托中深層水熱型地熱能,構建以多能協同供應和能源綜合梯級利用為基本特征的能源局域網;分析了唐山國際旅游島地熱資源開發利用現狀及開發利用前景;黃璜等提出資源循環效率、政府扶持力度和環境友好度等因素將成為未來地熱能開發利用過程的主要限制因素,強調了開展地熱利用全流程評估的重要作用。

河北省具備開發利用條件的石河南島、菩提島、 月島、龍島、祥云島這5個海島中,除石河南島外,均有豐富的地熱資源賦存,地熱資源已成為沿海地區能源結構調整、資源環境保護和生態旅游發展的重要能源支撐,在海域地熱綜合利用的示范效益和社會效益意義更重大,因此開展“雙碳”背景下海島地熱綜合利用與對策研究是一項現實意義較強的工作。

1 河北海島地熱資源概況

河北省管轄海域具備開發利用價值為石河南島、祥云島、月島、菩提島和龍島等5個海島(圖1), 均為泥沙島,分別位于秦皇島山海關區、唐山市唐山國際旅游島和曹妃甸區,海島總面積約34.91km2 ,可利用地熱資源主要為水熱型地熱、淺層地熱2種。渤海灣盆地處于中國東部地殼厚度較薄的上地幔隆起區,整體為一個復雜的大地熱田。

盡管新近紀末期熱活動結束,但仍保留前期存留下來的較高的熱背景。河北省海島地熱異常區主要位于唐山市南部沿海,分布于馬頭營凸起、石臼坨凹陷和南堡凹陷內,被柏各莊斷裂和紅房子斷裂切割,這些斷裂構造控制著地熱異常區的形態和分布特征。區域松散層厚度較大,利用熱儲層主要有新近系明化鎮組孔隙熱儲(Nm)和新近系館陶組孔隙熱儲 (Ng),具有埋藏淺、儲量大、水質優、開發利用價值高等特點,采用地溫梯度等值線來圈定地熱田。以地溫梯度大于3℃/hm圈定地熱異常區,共圈定菩提島、月島、祥云島、龍島東、龍島西5個地熱異常區 (圖2、表1)。地熱資源利用已成為協調海島資源承載與環境保護重要抓手,是發展海島生態旅游的重要品牌,走集約、高效、綠色綜合利用之路是海島地熱資源開發利用的必然選擇。

河北海島屬于低溫—中低溫熱儲。明化鎮組熱儲(Nm):在全區均勻分布,主要為棕紅色砂巖、泥巖,底界埋深為1 200~1 600 m,熱儲中部溫度50~55℃,熱儲厚度一般為700~1 100 m,砂厚比 24.39%。水化學類型均為HCO3-Na型水。館陶組熱儲(Ng):上部紫紅、棕紅、灰綠色泥巖與淺灰、灰白、淺棕紅色粉砂巖、細砂巖互層,中部灰白色含礫砂巖和淺灰、棕紅色粉砂巖為主,夾薄層紫紅、灰色泥巖。下部為灰黑色玄武巖,灰白色礫巖夾薄層暗紫、棕紅色泥巖。底界埋深為1 350~2 000 m,熱儲中部溫度60~75℃,熱儲厚度為150~400 m,砂厚比52.87%。水化學類型均為HCO3·Cl-Na型水,水的化學組分以低SO2 - 4、高Na+為特點。

2 地熱資源賦存條件

2.1 主要計算參數

2.1.1 熱儲厚度

河北省海島熱儲層厚度參考大地電磁測深明化鎮組底界和館陶組底界埋深等值線,有鉆孔地層資料以鉆孔地層資料為主,計算結果見表2.

其計算公式為:

熱儲厚度=孔隙熱儲地層平均厚度×砂厚比

2.1.2 熱儲溫度

河北省海島熱儲溫度以區域內熱儲平均地溫梯度和中部深度為基礎,計算熱儲中部溫度,作為熱儲層的溫度(表3)。

熱儲溫度計算公式為:

式中,T_Z為熱儲中部溫度;T ₀為當地年平均氣溫,取 12.5℃;ΔT為地溫梯度;H₀為恒溫帶深度,取25m;H₁為熱儲頂板埋深;H ₂為熱儲底板埋深。

2.1.3 巖石和水的比熱、密度

水的比熱、巖石比熱引用《地熱資源評價方法》 (DZ40—85)中的數據;根據華北和京津唐地區參數,確定出本區新近系砂巖熱儲層的密度為2 300 kg/m3,比熱取879.228 J/(kg·℃)。熱水的比熱取平均值4 186.80 J/(kg·℃),密度分別取不同溫度時的密度。

2.1.4 孔隙度

新近系明化鎮組熱儲孔隙度為30%左右,取 30%;館陶組熱儲孔隙度為29%左右,取29%。

2.2 地熱儲量計算

通過現場調查和實驗分析,利用地熱資源量計算公式：

式中,QR為地熱資源量;A為熱儲面積;d為熱儲厚度;tr為熱儲溫度;t 0為當地年平均氣溫,取12.5 ℃;C為熱儲巖石和水平均熱容量(表4);ρc為巖石的密度;ρw為水的密度;C c為巖石的比熱容;C w為水的比熱容;Φ為巖石的孔隙度。熱容量計算結果見表5。

經計算,新近系明化鎮熱儲地熱資源量:菩提島為0.32×1018J,月島為0.45×1018J,祥云島為0.99×1018J,龍島西為0.05×1018J,龍島東為0.01×1018J;新近系館陶組地熱資源量:菩提島為0.50×1018J,月島為0.62×1018J,祥云島為1.26×1018J,龍島西為 0.04×1018J,龍島東為0.01×1018J。工作區新近系總地熱資源量為4.26×1018J。

2.3 地下熱水儲存量

熱水儲存量計算公式為:

式中,W儲為熱水儲存量;W 容為熱水容積儲量;W 彈為熱水彈性儲量;H為從含水層頂板算起的水頭高度;μ*為彈性釋水系數。彈性釋水系數計算公式:

式中,ρw為熱水的密度;g為重力加速度;Φ為熱儲孔隙度;Ct為巖石和水的總壓縮系數;d為熱儲平均厚度。經計算,新近系明化鎮熱儲地熱資源儲存量為54.98×108m 3;新近系館陶組地熱儲存量為44.30× 108m3。工作區新近系地熱資源儲存量為99.27×108m 3。

2.4 地熱流體可開采量計算

地熱流體可開采量計算方法有多種,在地熱田前期勘查階段可采用熱儲法進行地熱資源量估算, 開采初期可采用解析法初步評價地熱流體可開采量,作為開采量控制的依據,防止地熱資源超采。

根據河北海島地熱資源的開發利用程度,本次計算主要采用解析法,利用區內的一些地熱井資料和大地電磁測深資料,部分參數應用區域值(表6)。解析法計算的地熱異常區可采量為儲存量的2.55% 左右,降深未超過100 m,通過比較,選用解析法計算的可采量作為地熱流體可開采量。

經初步計算,研究河北省海島區新近系明化鎮地下熱水可采熱資源量為21.15×1015J,相當于 0.72×106t標準煤;新近系館陶組地下熱水可采熱資源量為28.97×1015J,相當于0.99×106t標準煤。將各熱儲地熱流體可采熱資源量折合熱能,則區域內總地下熱水可采熱資源量為50.12×1015J, 可利用的熱量相當于1.7 1×106t標準煤,能夠實現減排二氧化碳434.34萬t,折合熱能15.89 MW, 相當于中型地熱田,未來減排效益顯著。

2.5 地熱水水質評價

按《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)對河北海島地熱水Na+、NH + 4、Cl-、F -、硼、超標嚴重, 嚴禁直接作為生活飲用水飲用;按《飲用天然礦泉水》(GB 8537—2008)規定的飲用天然礦泉水界限指標,地熱水中鍶、偏硅酸均達到飲用天然礦泉水界限指標,但F-、硼超出界限指標,不符合飲用天然礦泉水標準;按《地熱資源勘查規范》(GB/T 1 1615— 2010)中的理療熱礦水水質標準與相關地熱水分析結果對其進行評價,F-和偏硅酸達到命名礦泉水濃度標準,偏硼酸達到醫療價值的標準;按《漁業水質標準》(GB 1 1607—89)對海島地下熱水進行評價, F-含量普遍超標,研究區地下熱水必須經過處理, 水質達標后方可用于水產養殖業;區內地下熱水為非腐蝕性水,鍋垢很少,具有硬沉淀物,起泡的水,不適宜做鍋爐用水。

2.6 淺層地溫利用適宜性評價

淺層地熱能開采換熱方式主要有地埋管換熱、 地下水換熱和地表水換熱3種。通過收集海島水文地質及相關資料,根據《淺層地熱能勘查評價規范》 (DZ/T 0225—2009)規范對海島的地埋管換熱、地下水換熱和地表水換熱進行適宜性分析。

菩提島、月島、祥云島、龍島4個海島位于唐山南部沿海,第四系厚度300~500 m,不含卵礫石層, 200 m以淺含水層厚度約為80 m,巖性以中細砂為主,為適宜區,可采用地埋管換熱系統。石河南島第四系厚度20~30 m,卵礫石層后17.3~21.5 m,含水層厚度20 m左右,為較適宜區(表7)。采用體積法計算地熱容量,分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲存的熱量,然后合并計算評價范圍內地質體的熱儲性能。對工作區淺層熱容量進行初步計算,菩提島2.51×101 2kJ/℃,月島2.85×10 12kJ/℃,祥云島10.72×1012kJ/℃,龍島1.84×1012kJ/℃,石河南島4.84×109kJ/℃。

參考區域地下水埋深,單位回灌率在50%~ 80%。菩提島、月島、祥云島、龍島可采用地下水換熱系統。4個海島單位涌水量300~500 m3/(d·m), 回灌率50%~80%,地下水位年下降量<0.8 m,不屬于重要水源地保護區和地面沉降嚴重區,為較適宜區。石河南島第四系厚度20~30 m,單位涌水量< 300 m3/(d·m),為不適宜區(表8)。

各海島涉及的地表水中,菩提島位于登島的航道上不宜建設取水口,南側為保護區不能建設取水口, 菩提島北側為0~1 m的潮灘,可建設取水口,需輻射井的方式利用管道將遠處的海水輸送到岸邊設置表的集水井內,采用集水井取水。月島水深-5~-10 m區域主要集中在島體東側與南側,島體東側為航道不宜建設取水口,南側距離月島約1 500 m,且易受到風暴潮影響,南側淺層以粉細砂及粉土為主,滲透性較好建議采用集水井取水。祥云島水深-5~ -10 m區域主要集中在島體北側清淤區域與南側, 可在北側布岸邊直接取水,南側建議采用集水井取水。龍島以-5 m等深線為界,可劃分出近岸淺海區和近海淺海區,近岸淺海區深度多在-4 m左右, 海底相對平坦。近海淺海區,坡度變化較大,在水深 5~1 1 m等深線間,坡度較陡,形成海底陡坎,周圍有一定寬度的潮灘,能取到-5~-10 m水深的海水處約距離海島較遠,且在島體向海一側,取水構筑物容易遭到風暴潮等海洋災害的影響,濱海-10 m 以上地層以粉土和粉砂為主,透水性良好可采用集水井取水。石河南島向海一側東南和西南向約500 m處水深可達到5 m,石河南島濱海-10 m以上地層以軟礫石層為主,透水性良好可采用集水井取水。

綜上,菩提島為地埋管換熱適宜區、地下水換熱較適宜區、地表水換熱適宜區;月島為地埋管換熱適宜區、地下水換熱較適宜區、地表水換熱適宜區;祥云島為地埋管換熱適宜區、地下水換熱較適宜區、地表水換熱適宜區;龍島為地埋管換熱適宜區、地下水換熱較適宜區、地表水換熱適宜區;石河島為地埋管換熱較適宜區、地下水換熱不適宜區、地表水換熱較適宜區。

3 海島地熱綜合利用

河北省海島生態環境脆弱,熱資源利用應貫穿 “因地制宜、多能并舉”的理念,遵循“宜深則深,宜淺則淺,深淺組合,先淺后深”的原則。其中,依據 《唐山市礦產資源總體規劃(2021—2025年)》菩提島、月島級周海海域為自然保護區、限制勘查區,只能對已有礦權井進行開發利用,所賦存的地熱資源不再允許勘查,只可作為后備資源保留。祥云島、龍島處于擬設勘查規劃區塊,石河南島不存在地熱資源。因此僅對祥云島、龍島地熱綜合利用模式進行分析,石河南島針對海水源熱泵供暖進行分析。

3.1 海島開發策略

依據《唐山國際旅游島國土空間分區規劃 (2021—2035年)》,唐山國際旅游島作為“國家級海島開發利用示范基地”和“河北省旅以游綜合改革試驗區”,依托旅游島獨特的生態環境、區位客源、政策機遇、后發空間等優勢,確定發展目標2025 年發展為“國家級旅游度假區”,2035年發展為“國際知名海島旅游目的地”,以海島旅游為核心,帶動多產業融合發展,構建一島一特色、一島一主題的發展格局,構建陸海統籌的“三島一灣”國土空間格局,以全區域、全季候特征的旅游度假產業為主導產業。必須堅持多種方式、多種能源相結合的清潔供熱發展方向,優化城市供熱管網布局完善安全清潔城鄉供熱體系。石河南島位于秦皇島市山海關區石河入海口,現狀利用類型為農林牧漁業用島,龍島位于曹妃甸附近海域,現狀利用類型工業與交通用島, 兩島主導功能為旅游娛樂,發展方向為我國北方重要的海島休閑旅游目的地。

3.2 海島地熱綜合利用

3.2.1 祥云島地熱資源綜合利用模式

祥云島主要采用土壤源熱泵(地埋管換熱方式)、電廠廢熱循環利用、海水源熱泵及地熱梯級利用相結合的4種模式進行供冷與供熱,如圖3所示。

祥云島深層地熱井主要用于供暖、洗浴、海水養殖、溫室種植及植物園。地熱井部分地熱水用板式換熱器換熱用于育苗室海水升溫,尾水經簡單處理后回灌或壓鹽。50~72℃地熱水用于散熱器供暖, 40~50℃地熱水用于地板熱輻射盤管供暖,大于40 ℃地熱水部分用于洗浴,洗浴尾水通過處理后利用熱泵換熱用地板熱輻射盤管供暖,最后用于景觀用水。地熱井50~68℃地熱水用于散熱器供暖,40~ 50℃地熱水用于地板熱輻射盤管供暖,大于40℃ 地熱水部分用于洗浴,洗浴尾水通過處理后利用地源熱泵換熱用地板熱輻射盤管供暖。明化鎮組地熱井40~50℃地熱水用于地板熱輻射盤管供暖,大于 40℃地熱水部分用于洗浴,洗浴尾水及小于40℃ 地熱水利用熱泵換熱用地板熱輻射盤管供暖。換熱供暖的地熱尾水經簡單處理后回灌或壓鹽,洗浴尾水經污水處理廠處理后用于海島景觀用水。

3.2.2 龍島地熱資源綜合利用模式

龍島主要采土壤源熱泵方式進行供冷與供熱, 同時對于需采用地熱資源的溫泉區域,將采用地熱梯級利用的供熱方式,滿足溫泉及其周邊地塊的供冷供熱需要。

3.2.3 石河南島地熱資源綜合利用模式

石河南島以地表水換熱系統為主要供暖/制冷方式(圖4)。

結合已有調查資料,石河南島未發現深層地熱資源,淺層地溫能利用方式分區結果為僅適用于地表水換熱系統,建議以地表水換熱系統為主要供暖/ 制冷方式。

4 海島地熱利用關鍵技術

海島地熱綜合利用應遵循“梯級開發、綜合利用”的策略,實現合理布局、分步實施、科學開采、綜合利用,涉及的關鍵技術主要包括遠程自動化監控、淺層地熱能利用、地熱尾水壓鹽、取熱不取水 (回灌、井內換熱)和“地熱+”多種清潔能源集成利用技術等。

(1)遠程自動化監控包括淺層地溫能監測和深層地熱能監測。淺層地溫能監測以監測利用區域地溫場及設備運行狀態、效果、能耗為主,隨時掌握地下地溫場的變化,合理調節各種設備的運行,使系統真正做到安全、可靠、節能的運行。深層地熱能監測以監測地熱井水位、取水流量、取水溫度、回水流量、回水溫度等信息,可遠程控制地熱井允許取水和禁止取水,實現節水、節能、計量取費的目的。

(2)淺層地熱能推廣利用。主要應用于海島深層地熱不能滿足的供熱需求及不適合集中供熱的獨棟建筑。依據熱源分為土壤源熱泵和海水源熱泵。 土壤源熱泵技術以熱響應試驗為主,依據冬、夏季換熱能力數據,應下浮15%左右的安全系數,孔間距不應小于4 m,以5~6 m為宜。海水源熱泵應以解決海水的腐蝕問題為主,需根據應用條件綜合考慮系統的可行性。開式海水換熱系統要考慮與海水連通的所有設備、部件及管道必須具備過濾、清理的能力,能有效防堵防蝕;閉式海水換熱系統要考慮與海水接觸的所有設備、部件及管道必須具備防腐、防生物附著的能力。

(3)地熱尾水壓鹽。經利用后的地熱尾水經處理后,用于海島修復區原土綠化區降低土壤鹽度,經菩提島、祥云島海島回填修復區實地試驗,灌溉區域土壤含鹽量與未灌溉區的含鹽量有對比呈下降趨勢,且粉土和粉細砂效果明顯優于粘性土,在良好排水條件下利用地熱尾水開展回填區鹽堿土壤改良可作為地熱尾水利用的一個方式。

(4)取熱不取水主要涉及地熱同層回灌和井內換熱技術。采灌均衡的地熱資源開發利用技術將是河北海島地熱能開發利用攻關的重點目標,地熱尾水回灌主要受成井工藝、回灌方式的影響。河北海島主要熱儲層位為館陶組,含水層以砂巖為主,地熱尾水的回灌率很難保證,適宜采用射孔成井加壓回灌;地熱井內換熱供熱利用深井換熱器 (Deep Borehole Heat Exchanger,DBHE)技術,該技術利用井下換熱器與周圍土壤、巖石之間的傳熱,實現從地熱儲層提取熱量,采用套管式井內換熱器結構,保證地下各含水層不發生串通,井內安裝絕熱內管和井底裝置,井內管采用建立井內換熱結構,有效解決流體交換性地熱開發利用中遇到的問題。

(5)“地熱+”多種清潔能源集成利用技術。實施“地熱+”利用是河北海島地區由傳統能源向新

型能源跨越轉型發展的重要舉措,可因島制宜實施“地熱+太陽能”、“地熱+風能”和“淺層地熱+ 太陽能”等多種能源能源供給組合,將新能源利用技術與建筑節能技術相結合,從而實現生態脆弱區, 構建建筑物供熱、空調和生活熱水三聯供的節能環保系統。

5 結論與建議

5.1 結論

地熱資源是在開采時間上可人為調控的寶貴資源,一次投資長期受益。為合理開發利用和保護地熱資源,保證其可持續發展,應堅持以資源為基礎、經濟為導向、環境效益優先、開發與保護并重的基本原則。

(1)本文依據河北海島地區地質條件,分層分區計算了地熱資源賦存情況,河北海島地下熱水可

采熱資源量為50.12×1015J,可利用的熱量相當于1.71×106t標準煤,能夠實現減排二氧化碳434.34萬t,折合熱能15.89 MW,相當于中型地熱田。按照生活飲用水、飲用天然礦泉水、理療熱礦水和水產養殖業方面對地熱水進行了水質評價。

(2)根據《淺層地熱能勘查評價規范》(DZ/T 0225—2009),對河北海島淺層地熱能地埋管換熱、 地下水換熱和地表水換熱3種換熱方式,進行了進行了適宜性評價和分區。

(3)依據國土空間和礦產資源相關規劃,按照 “一島一策”,對處于允許勘查區內的祥云島、龍島提出了海島地熱綜合利用模式。

(4)為海島地熱綜合利用,探究了遠程自動化監控、淺層地熱能利用、地熱尾水壓鹽、取熱不取水 (回灌、井內換熱)和“地熱+”多種清潔能源集成利用技術等關鍵技術。

5.2 建議

結合河北海島地熱資源稟賦和海島保護現實需求,主要有以下討論:

(1)參考本次探索出的地熱資源綜合利用模式,結合實際建設需求,對各海島地熱資源利用進行詳細規劃,嚴格按照礦產資源管理法律法規執行。 實現“科學管理、一水多用、綜合利用”的目標,結合各海島地熱資源利用進行詳細規劃對現有地熱井進行整改,加裝地熱井動態監測系統,動態評價地熱資源利用情況。

(2)地熱井內換熱工藝是實現地熱資源利用 “取熱不取水”的有效手段之一,目前尚未大面積推廣,為保護海島地熱水資源,應在新施工地熱井工藝設計上加強技術研究,全面推廣采用此種方式。

(3)在回灌過程中,確定合理的采灌井間距是關鍵。采灌井布局不合理,回灌過程中可能會發生

熱突破,致開采井溫度降低。先期建立海島地熱尾水回灌示范工程,通過開展回灌試驗,求取回灌試驗中各項水文地質參數,研究回灌過程中出現各種技術問題,如井堵、回灌水流失、腐蝕、結垢等。水熱數值模擬是地熱資源管理的有效手段,能夠確定開采量、回灌量、回灌溫度、采灌井距等地熱開發利用工程的關鍵參數,對優化地熱采灌井合理布局、實現地熱資源可持續開發利用具有指導意義。

(4)針對工作區淺層地溫能開發利用方式建設推廣示范工程,便于各海島開發利用淺層地溫能中推廣應用。

(5)完善建設智能供熱系統,結合變頻供水系統保證地熱資源使用的高效率。

(6)應對地熱水開采易引起的地面沉降等環境地質問題進行監測。

海島地熱是一種寶貴的自然資源,在強化海島資源環境保護基礎之上,依托地熱資源可建立起具有海島特色的綠色旅游休閑體系,為海島保護及生態利用發揮長期的支撐作用,是海島生態型開發利用模式的必由之路。制定資源開發利用與保護規劃,依法、依規管理,實現海島地熱資源科學高效利用,是沿海地區實現碳達峰碳中和的一項必然舉措, 對加快促進生態文明建設、保障能源安全高效、推動經濟轉型升級、引領應對氣候變化、實現“兩個一百年”奮斗目標具有重大意義。