天津地熱資源現狀與可持續性開發利用問題

  1  地熱資源概況

 

  在華北斷陷盆地, 地下蘊藏著豐富的地熱資源。通過普查, 在寧河—寶坻斷裂以南, 天津地區地熱資源分布面積達8 700 km2 , 據估算全區可采資源量85. 41 ×108 m3 , 按蓋層平均地溫梯度大于3. 5 ℃/100 m 劃分, 共圈定了10 個地熱異常區, 中低溫地熱資源十分可觀。

 

  天津地熱資源按其賦存特征劃分為孔隙型熱儲和基巖巖溶裂隙型熱儲, 二者頂板埋深多在1 000 ～ 2 000 m 和1 000 ～ 1 500 m 以下 。天津目前地熱探采深度已達4 041 m , 井口流體溫度最高達102 ℃。截至2005 年底, 已進行勘查評價并經國家儲量認定的有七大地熱田:王蘭莊、山嶺子、濱海地區、武清楊村、蘆臺潘莊、蘆臺含鈷和萬家碼頭地熱田。按《地熱資源地質勘查規范》規定, 25 ℃地下熱水為地熱資源的低溫下限[ 3] , 則上述七個地熱田地熱流體總可采量為7 245 ×104 m3 /a , 其中新近系孔隙型熱儲地熱水可采量5 231 ×104 m3 /a , 基巖巖溶裂隙型熱儲2 014 ×104 m3 /a 。

 

  2  開發利用現狀

 

  上個世紀七十年代, 天津開始了大規模開

 

  發利用地熱資源, 至今已形成了研究程度最深、開發利用規模最大的“地熱城” 。目前, 天津地熱開發利用主要集中在市區、塘沽、大港和武清城區。

 

  2. 1  地熱井概況

 

  據統計, 截止2005 年底, 天津市共有地熱井269 眼, 其中回灌井14 眼。地熱水年開采量達2 564 萬m3 , 回灌量為177. 6 萬m3 , 占開采總量的6. 93 %。各熱儲層地熱井分布情況如表2 。

 

  顯然:①天津市地熱開發目的層集中在明化鎮組、館陶組及霧迷山組三個熱儲層;②回灌井主要分布于奧陶系和霧迷山組, 且回灌井比例小;③回灌量偏小, 存在開采量與回灌量比例嚴重失調的現象。

 

  2. 2  地熱資源利用現狀

 

  天津市地熱水主要用于供暖、洗浴、生活用水、種植、養殖、礦泉水開發以及康樂旅游等領域。

 

  (1)供暖目前, 天津市有116 個單位利用地熱水進行居民采暖, 供暖總面積1 000 萬m2 , 是我國利用地熱采暖規模最大的城市。圖2 為各熱儲層供暖面積分布圖。

 

  (2)生活用水據2005 年統計, 全市有81. 92萬戶居民使用地熱水, 月平均85 萬人次利用地熱水洗浴。由于明化鎮組熱儲層地熱水溫度在42 ～ 72 ℃之間, 平均溫度52. 13 ℃, 加之水質良好, 被居民洗浴利用較廣泛。

 

  (3)其它方面

 

  ①21 家單位開發地熱水用于溫泉娛樂。

 

  ②3 個較大型利用地熱水進行農業種植的基地, 種植面積508. 9 畝。

 

  ③7 家單位利用地熱水進行水產養殖, 養殖面積243. 16 畝。

 

  ④6 家單位利用地熱水生產礦泉水。

 

  ⑤16 家單位將地熱水用于洗滌、印染、空調等工業生產上。

 

  3  地熱資源開發利用存在的問題

 

  3. 1  地熱利用率低

 

  由于各熱儲層的水溫、流量、水質的不同,其地熱利用率也存在差異。據統計, 2005 年各熱儲層地熱尾水排放普遍在40 ℃左右, 表3 列出了各熱儲層地熱尾水為40 ℃時的熱利用率。

 

  從表中可以看出, 盡管霧迷山組、寒武系及館陶組水溫較高, 相對利用溫差大, 地熱利用率也明顯高于明化鎮組與奧陶系, 但地熱利用率僅在50. 75 % ～ 62. 41 %之間, 顯然還十分低。

 

  地熱利用率低的主要原因是:①利用結構單一, 地熱資源消耗量大;②利用技術、工藝及配套設備尚需優化;③地熱尾水排放溫度過高。

 

  3. 2  回灌率低回灌是將地熱水中的熱利用后, 把原地熱水回注到熱儲層。地熱回灌的主要優點是將地熱資源儲量由靜態變為動態, 真正成為再生能源, 同時有效地延長地熱田生產壽命, 避免尾水排放造成熱污染及土壤污染[ 5] 。

 

  天津市2001 ～ 2004 年的地熱回灌率分別為6. 58 %、7. 94 %、5. 33 %和6 %。回灌率嚴重偏低, 采灌失衡, 導致熱儲層流體壓力大幅度下降, 形成區域性的降落漏斗。據監測[ 4] , 2002 年天津市新近系明化鎮組、館陶組、奧陶系、薊縣系霧迷山組的地熱水水位降幅分別為:2 ～ 2. 8m 、1. 6 ～ 10 m 、1. 6 ～ 3 m 、2. 6 ～ 13 m ;2003年降幅分別為:2 ～ 3 m 、2 ～ 10 m 、2 ～ 4 m 、3～ 13 m , 可見, 若不增加回灌井, 加大地熱尾水的回灌量, 各熱儲層將面臨水位下降速率更快。

 

  4  地熱資源可持續發展原則

 

  4. 1  分區管理

 

  針對每個熱儲層, 利用實際水位埋深等值線, 根據下列式子可計算分區界限指標:

 

  ΔH =H - H0

 

  L0 =ΔH /N

 

  L1 =1. 5L0

 

  式中:△H 為保護期末地熱水允許降幅,

 

  m ;H 為保護期末地熱水設計埋深, m ;H0 為保護期初地熱水埋深, m ;L0 為保護期內地熱水年允許降幅, m /a ;N 為保護期, 30 年。

 

  考慮當前地熱水開采的技術及經濟條件,并避免因地熱水位快速下降而產生環境水文地質問題, 同時也防止保護期結束后地熱井的報廢, 保護期末新近系水位設計埋深為150 m 、基巖水位設計埋深為200 m 。求得L0 及L1 后, 根據實際水位下降速率等值線, 劃定開采區類型:

 

  Lf ≥ L1 為限制開采區;L0 ≤ Lf ≤ L1 為控制開采區;Lf <L0 為鼓勵開采區;探采結合區為資源待勘區。其中的Lf 為實際水位下降速率,m /a 。

 

  按照該方法, 根據上一年度動態資料, 將每一熱儲層劃分成四個開采類型區, 作為本年度地熱水保護依據。不同類型區應采取不同的保護方案。

 

  4. 2  開采總量控制

 

  總量控制原則是指:同一熱儲層中, 待批的地熱井開采量與現有地熱井開采量之和不應超過該熱儲層審批的年可采資源量。若年擬開采總量大于年可采資源量, 原則上不予批準。戰略性項目、市重點項目需要經開采布局調整, 待具有儲量可采空間后再行審批。資源待勘區范圍內原則上允許新建項目, 以便于探(查)明新的地熱資源儲量。

 

  表4 是經國家礦產儲量委員會審批的分層年可采資源量, 是新項目審批的總量控制條件。各熱儲層的年開采總量, 不突破該層的年可采儲量;已經突破的, 即使局部開采強度不高也要控制審批,在保護期內達到總量控制不突破的要求。

 

  4. 3 開采強度控制

 

  強度控制就是根據各分區控制措施對該區域的水位下降速率進行調控。在滿足總量控制的前提下, 對照新項目所處的熱儲層分區類型,確定該項目的地熱利用是否符合所在區域開采強度的控制條件, 即“強度總量雙控”條件。

 

  4. 4 利用方式控制

 

  根據各熱儲層資源類型及特點, 確定相對適合的利用方式, 對新項目的利用方案經可行性論證后, 確定批準與否。

 

  ①明化鎮組及館陶組熱儲:適用于高級酒店、高檔商住區的生活用水, 溫泉療養、旅游度假, 礦泉水生產等。禁止大規模供熱, 小規模供熱(2 萬m2 以下)時必須利用熱泵技術和采取回灌開發模式。一般居民小區不宜用地熱集中供應生活用水。②奧陶系熱儲:適用于建筑物的采暖, 采用間接供熱工藝, 必須建設回灌式開發系統, 必要情況下利用熱泵技術, 增大系統負荷能力;利用高礦水的特點, 開發醫學理療項目。禁止該類高礦水直接排放, 禁止采用金屬管道輸送該類地熱水。③寒武系熱儲:適用于建筑物采暖, 采用間接供熱工藝, 必須建設回灌式開發系統, 采取回灌開發模式(回灌量不少于開采量的80 %), 必要情況下采用熱泵技術, 增大系統負荷能力和熱利用率。供熱規模不宜過大, 以免資源量不足造成工程風險。原則上不用于普通民宅供熱。一般居民小區不宜用該層地熱資源集中供應生活用水。④霧迷山組熱儲:適用于建筑物集中供熱, 必須建設回灌式開發系統, 采取回灌開發模式(回灌量不少于開采量的80 %);采取梯級綜合利用方式, 尾水可供生活用水與生產飲用礦泉水等。一般居民小區不宜用地熱集中供應生活用水。

 

  4. 5 優化配置

 

  地熱資源的優化配置應遵循如下原則, 通過科學配置地熱資源, 堅持科技創新, 提高地熱資源綜合利用水平。

 

  (1)戰略性項目優先配置 戰略性項目是指影響天津市社會經濟發展的戰略產業、城市發展新的空間和重大基礎設施項目。為了配合社會整體經濟發展要求, 地熱開發利用必須優先滿足上述項目的需求。

 

  (2)重要項目保證配置 重要項目是指在天津市社會經濟發展中具有龍頭作用的產業、影響城鎮發展定位的工程項目以及標志性工程項目。為促進經濟的快速發展, 地熱開發利用規劃必須保證重要項目的需求。

 

  (3)一般項目控制配置 為充分發揮地熱資源在天津市社會經濟發展中的效用, 從地熱資源的稀缺性方面考慮, 應控制地熱資源在一般項目中的應用, 一般項目應優先考慮利用常規能源。

 

  5  保護措施

 

  針對四種開采類型區, 分別實施如下保護措施。

 

  5. 1  限制開采區

 

  (1)總量控制措施 ①現有地熱井要限量開采, 嚴格控制開采指標, 執行超采加價收費制度, 推廣應用節能新技術;②禁止新增地熱開采井, 鼓勵增補地熱回灌井。

 

  (2)利用方式控制措施 ①不具備回灌條件的(原有地熱井), 采用梯級、綜合利用新技術、熱泵技術, 進行系統改造, 提高利用率, 減少開采量;②無法建成回灌系統的單井系統, 地熱尾水要充分利用, 提高尾水的重復利用率, 將排放量減到最低, 2010 年尾水直接排放量低于當年開采量的50 %, 2015 年尾水直接排放量低于當年開采量的30 %;③推進建筑節能措施的實施, 降低系統能耗, 節約資源, 減少開采量。

 

  (3)保護方式控制措施 ①具備回灌井施工條件的必須補建回灌井, 加大回灌量;②有城市熱網條件的, 將供熱負荷并入城市熱網, 地熱資源轉為其他用途, 以發揮其更大的價值。通過節能降耗和補建回灌井加大回灌量兩種途徑, 使水位下降速率過快情況得以緩解, 2010 年基本實現低于規劃年下降速率的目標。

 

  5. 2  控制開采區

 

  (1)總量及強度控制措施 ①嚴格控制新井審批, 原則上掌握在采灌平衡條件下審批, 即新增項目資源消耗量小于該區域內增加的回灌量;②優先考慮戰略性項目和市重點項目需求,控制一般項目審批;③新增項目的審批要滿足“強度總量雙控”條件。

 

  (2)利用方式控制措施 ①采用梯級、綜合、高效利用新技術, 提高資源利用率, 地熱供熱項目采用回灌開發模式;②原有地熱井不具備回灌條件的, 進行系統改造, 地熱尾水重復利用率達到80 %以上, 排放溫度達到規定標準;③生活用水限于公共建筑及高檔商品住宅小區,一般住宅小區禁止使用;④系統工藝技術要達到國內先進水平。

 

  (3)保護方式控制措施 ①新批地熱供熱項目必須采用回灌開發模式;②原有地熱單井系統具備回灌井施工條件的必須補建回灌井,加大本區回灌總量;③結合新項目需求, 采取組合方式, 建成采灌系統, 有條件情況下盡可能將新項目需求與原有單井系統組合成采灌系統,既滿足新需求又解決老問題。

 

  5. 3  鼓勵開采區

 

  (1)開采強度控制措施 ①考慮到熱儲層對開采強度反應的滯后現象, 遵循穩步推開的原則, 使地熱井布局科學合理。在建設規劃程度較高地區, 完成區域開發利用規劃, 不宜采取單一分散式開發模式。按照地熱井合理間距及強度控制原則, 審批項目布局的合理性;②優先考慮建設規劃程度高、集約化技術水平高、綜合效益高的項目。

 

  (2)利用方式控制措施 ①采用梯級、綜合、高效利用新技術, 提高資源利用率, 地熱采暖項目必須采用回灌開發模式;②新增項目要高起點、高水平、高效益, 鼓勵高附加值開發項目, 利用工藝技術應達到國內先進水平;③生活用水限于公共建筑及高檔商住小區, 一般住宅小區禁止使用。

 

  (3)保護方式控制措施 ①有尾水直接排放的利用項目, 必須采取回灌開發模式;②避免出現地熱井布局不合理現象。

 

  5. 4  探采結合區

 

  探采結合區是指資源勘查程度低, 有待于進一步探明與評價的區域。

 

  (1)開采方式控制措施 ①結合市場需求,鼓勵開發項目利用地熱資源;以“ 探采結合” 的方式, 促進該區域資源評價與開發利用的同步發展, 允許該區域內先布1 ～ 3 眼勘探單井, 分步實施回灌, 同時開展資源勘查和評價工作, 提交儲量批準后, 根據儲量情況將該區升級為其他類型區。②地熱勘探井施工前, 必須依法辦理打井審批手續, 勘探工作要按照有關國家規范實施。

 

  (2)利用方式控制措施 在勘探井成井后,根據資源實際情況確定, 利用方案與工藝符合綜合、高效、節能要求。

 

  (3)保護方式控制措施 單井系統在建成規范系統投入使用后, 限期補建回灌設施, 提高資源利用率和資源保護程度。

 

  6  保護目標

 

  (1)提高熱利用率 提高地熱利用率, 必須控制尾水排放溫度:至2010 年, 60 %地熱站排放溫度不高于25 ℃;至2015 年, 75 %地熱站實現排放溫度不高于25 ℃;有條件的地熱站, 排放溫度不高于15 ℃。該目標首先在限制開采區強制實行, 逐步向其他區域推廣。

 

  (2)提高回灌率 在全市整個區域通過積極推行地熱回灌開采模式來提高回灌率。

 

  至2010 年, 在所有對井回灌開采系統中,回灌率達到70 %;在地熱供熱系統中, 回灌開采系統占供熱系統總數的15 %, 新增地熱供熱項目采灌系統為100 %;在地熱資源開發總量方面, 回灌率達到25 %;至2015 年, 在對井回灌開采系統中, 回灌率達到80 %;在地熱供熱系統中, 回灌開采系統占供熱系統總數的20 %, 新增地熱供熱項目采灌系統為100 %;在地熱資源開發總量方面, 回灌率達到30 %。

 

  (3)改造地熱利用系統 一些傳統地熱站,某種程度上存在不合理、不規范的問題, 必須有計劃地進行改造, 特別是要對資源浪費嚴重、效益低下的地熱利用系統進行必要的強制性改造, 并予以政策和技術支持。首先對限制開采區中的地熱利用系統進行改造, 至2010 年100 %完成系統改造;控制開采區的改造工作要積極引導, 至2010 年50 %的地熱利用系統完成改造, 2015 年全部完成改造。鼓勵開采區中多數地熱項目為新建系統, 要本著高起點、高標準建站, 同時至2010 年完成對個別老系統改造工作。探采結合區在審批時, 要求按最新規范和技術標準建設。

 

  (4)改建動態監測網 目前, 天津市地熱井動態監測網在均衡、全面、穩定等方面存在問題。數據采集手段原始、效率低、受外界因素影響大、不能滿足資源評價和規劃編制的要求, 故動態監測網布局調整和建設要納入保護之中。

 

  ①采取動態監測“雙軌制” , 即傳統的人工方法和自動化監測同時使用, 避免由于自動監測技術方面的不穩定而丟失原始數據;②在自動化監測系統穩定性達到標準后, 全面建立網絡化、自動化監測系統, 人工方法的重點是檢查、補測、維護;③2006 年對動態監測布局進行調整,滿足平面均勻分布, 縱向兼顧各熱儲的實際需要;④二年內完成動態監測網的布局調整和建設工作。

 

  (5)建設示范工程 地熱資源的開發利用涉及眾多領域, 尤其是有些新技術、新工藝尚處于探索階段, 在發展中非常需要示范工程的帶動。選擇不同的熱儲類型擴大利用領域, 建立起集約化利用方式的旅游、農業及醫療礦泉等地熱示范工程2 ～ 3 個, 并在管理過程中以示范工程為樣板, 推廣應用示范工程技術, 起到以點帶面, 全面提高的作用。

 

  (6)加大地熱資源勘查力度 依據《天津市礦產資源總體規劃》的要求, 加大地熱資源的勘查力度。在探采結合區要進一步進行勘查工作, 力爭在探明2 ～ 3 處大型地熱田、2 ～ 3 處中型地熱田的基礎上, 2010 年實現地熱資源實際開采量3 300 萬m3 。在限制開采區、控制開采區和鼓勵開采區進一步加大科學研究工作。

 

  (7)落實生態環境保護 開發利用地熱水可能會引發土壤鹽堿化、熱污染和地面沉降等環境問題。

 

  ①土壤鹽堿化 天津除部分區域奧陶系地下熱水礦化度較高(4 ～ 5 g /L)外, 其它地區地熱水的礦化度均在2 g /L 左右。因此, 除部分區域奧陶系地熱水外, 天津市地熱資源開發利用一般不會引發土壤鹽堿化問題。對于礦化度較高的奧陶系地下熱水, 可采取回灌措施, 避免對周圍土壤環境的影響。

 

  ②熱污染 國家對熱污染的界定標準是35℃, 目前天津市地熱尾水排放溫度均高于35℃, 存在熱污染。解決辦法有兩種:一是采用地板輻射供熱、熱泵供熱等新技術和新工藝, 提高地熱資源利用技術水平, 降低地熱尾水排放溫度;二是采取回灌措施, 不向環境排放。

 

  ③地面沉降 已有研究成果表明, 埋深小于600 m 的地下水開采會引起地面沉降, 600 m以下新近系熱儲及基巖熱儲的開采一般不會造成地面沉降。一般可通過回灌維持熱儲壓力,以減緩地面沉降。

 

  7  結論

 

  天津地熱資源開發利用存在缺乏統一規劃、地熱利用率低和回灌量少等問題, 只有依據分區管理、總量控制、強度控制、利用方式控制和優化配置的保護原則, 針對不同的開采類型區制訂相應的保護措施及保護目標, 并且地熱資源必須走回灌開發道路, 增加回灌井, 提高回灌率才能實現地熱資源可持續開發利用。