丰富地热资源助力雄安新区生态文明建设
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先进的地热开采关键技术及示范工程
地热资源开发利用技术经历了两代的演变。第一代技术的基本特征是直采、直供、直排，由于环保水准很低，现已放弃不用。第二代技术是采灌结合、用热不用水，环保水准很高，已经得到各地政府的重视和推广应用。在我国，浅层地热能的利用技术比较成熟。只要抓好严格监管等工程质量控制措施，大部分地方都可以使用。实践中，一般鼓励地埋管模式的土壤源热泵系统，限制需要抽水的地下水源热泵系统，以保护宝贵的地下水资源。对于中深层砂岩热储，在回灌条件好的地方，普遍采用第二代技术，回灌技术也在不断进步中。对于基岩中的岩溶热储，逐步形成了规模化、产业化的地热开发利用技术体系，并进行了应用实践。
2009 年起，中国石化集团绿源地热能开发有限责任公司开始投资建设雄县地热供暖项目。在此过程中，中科院地热团队受邀提供持续的地热储技术支持与技术服务。经过几年的努力，终于建成了中国第一个用地热供暖替代燃煤的“无烟城”。雄县地热供暖示范工程基于政产学研用相结合的方式，首次实现了地热利用高效率和接近零排放高水准的清洁能源利用双重目标，迄今已经平稳运行了 8 年。2014 年初，国家能源局开始把雄县地热供暖的示范项目向北方地区推广。2016 年，雄县县城地区的人口 9 万，拥有地热井 68 口，其中回灌井 24 口，形成供暖能力 450 万平方米，基本实现了地热集中供暖全覆盖。雄县采用的是第二代技术，实现了近 100% 回灌，做到了用热不用水。示范工程的亮点包括：地热供暖城区全覆盖，项目规模世界上最大（供暖能力 450 万平方米，现状运行 280 万平方米，惠及 9 万人口），单井平均供暖能力高达 10万—15 万平方米，尾水原水全额同层回灌。
在过去 20 年里，我国地热资源直接利用总量一直处于世界第一的位置，目前还比美国高 1 倍以上；同时，一般供热系统的主体设备都是国产化的，因而技术基础较好。在尾水回灌技术上，通过持续探索，形成了可支持规模化开发利用的热储回灌技术系列。雄县地热田回灌始于2010 年，截至 2016 年底，雄县地热田的累计回灌量已达到 2 383 万立方米。地热尾水的回灌避免了地表排放带来的污染，也有效地减缓了热储压力的下降（图 2）。
雄安新区岩溶热储层的非均质性强，采灌井之间的连通性不易确定。示踪技术可以将运移参数量化，有效刻画储层流体的特征，研究回灌井和开采井之间的水力联系，对长期回灌可能引起的开采井温度的冷却进行预测。笔者团队从2011年起，在雄县地热田进行了3次群井示踪试验，取得了试验区内岩溶储层采灌井之间连通性的有效参数，包括通道长度、渗透流速、纵向弥散度等，为后期采灌井距和采灌井布局的数值模拟研究提供了科学基础。试验结果揭示了回灌井不同方向的渗透流速（图 3）和采灌井之间连通性好的方向（图 4）。
采灌井的合理布局和最优井距是地热田优化开采极为关键的两方面内容，关系到企业的生产成本和热田的使用寿命。为此，笔者团队建立了一套用于评价热田合理布局和最优井距的方法，即在建立地热田地热地质模型的基础之上，采用数值模拟技术，模拟热储的温度和压力对不同采灌情景的响应（图 5 和 6），进而以经济学模型为依据，以回灌带来的开采水温下降与水位下降所产生的最小损失为目标函数，确定最优采灌井距和优化开采模式。通过该方法可知，雄县地热田在对井模式下，采灌井最优井距为 400 米（图 7）。
