实地探访！山东首个砂岩热储完全回灌设计工艺

实地探访

由山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)打造的山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程，近年来得到了国内外地热专家的高度肯定，并被能源行业地热能标委会评定为“地热能开发利用标准化示范项目”。该项目实现供暖尾水100%回灌的奥秘是什么?示范工程在设计理念上具有怎样的特点?该工程同以往传统的地热回灌工艺设计相比有哪些不同?就此《地源热泵》记者带着诸多疑问，实地参观了山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程。

山东德州德城区水文家园小区外景

位于山东省德州市德城区的水文家园小区地热采灌工程是山东省鲁北地质工程勘察院2016年建成的山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程，集供暖和洗浴利用方式、换热、热泵应用技术、回灌技术、自动化监测展示及产学研教为一体。该小区建筑总面积约5.7万平方米，包括暖气片供暖和地板辐射供暖两种供暖方式。

砂岩热储地热回灌多功能展示厅

山东省鲁北地质工程勘察院地质研究中心主任刘志涛说，“这个工程已连续运行了三个供暖季，前三个供暖季回灌量已超过了50万立方米，实现了供暖尾水100%回灌，现在已经开始第四个供暖季采灌工作，并继续保持供暖尾水全部回灌。”

地热开采井和回灌井模型图

刘志涛告诉记者，该示范工程在设计理念上结合了德州市地热资源条件和小区的供暖需求进行了很好的设计，主要有几个特点：一是采用了热交换技术，利用板式换热器把软化的自来水加热供暖，有效避免高矿化度地热水对末端散热器的腐蚀;二是采用梯级综合利用方式，一级板换的热量用于效率较低的暖气片供暖，换热后的低温地热水用于地板辐射供暖和洗浴。三是同水源热泵结合起来，供调峰使用，提高热利用率。四是供暖尾水经过滤设备同层回灌到地下，实现地热的可持续开发利用。

山东省砂岩热储地热回灌示范工程供热站

“现在还是无压回灌，不需要添加任何压力，自然就能回灌到地下。”谈及这项工艺设计的奥秘时刘志涛介绍，回灌井采用了大口径填砾工艺，与传统工艺是有一定的区别。“传统工艺储层段井径大体是311mm左右，下入178mm的井管，间隙不填砾;现在的工艺就是大口径填砾工艺，井径比较大，可达450mm，下入178mm的井管后，井管和钻孔之间的间隙要填滤料，然后上面使用黏土球把它封住，这样的工艺更有利于回灌。”刘志涛说。

鲁北院大口径填砾工艺技术的成功应用得益于该院以往钻探工艺研究的技术成果。此项工艺最关键的是在填砾时需要高超的技术。比如在井深较大时，滤料很容易在中间的某个位置卡住而不能到达预期位置处，鲁北院科研人员进行了不懈的探索和尝试，精准填砾深度从1000米逐渐增加到2000米。

由传统的大罐过滤方式经创新研究后采用并联式的小罐过滤

在回灌工艺中，鲁北院还对回灌过滤作了创新研究。传统的过滤方式大多采用一个大罐进行过滤，鲁北院技术人员在设备运行中发现，这种方式不利于生产性回灌工作的持续进行。“我们进行了改进，采用并联式的小罐，如果其中的一个堵了，就把它的阀门单独关闭进行处理，不会影响回灌持续运行。”刘志涛说，在回灌具体规范操作方面还有一些技巧，这些看似简单的操作，如果不注意很容易出现问题，最终影响回灌效果。

鲁北院打造的山东省第一座砂岩热储地热尾水回灌示范工程得到了地方政府领导和国内地热专家的高度肯定，被能源行业地热能标委会评定为“地热能开发利用标准化示范项目”。该示范工程建成以来，每年接待全国各地甚至国外大学、科研院所、企事业单位数十批次考察团的参观交流学习，“实地参观后，他们很受启发，这为他们地热采灌工程的建设提供了很好的工程借鉴，也切实为地热资源的可持续开发利用起到了良好的示范和引领作用。”

砂岩热储地热回灌示范工程被授予“地热能开发利用标准化示范项目”铜牌

地热尾水回灌研究成果的背后得益于山东省地矿局和鲁北院各级领导对科研工作的重视以及科研人员多年来专心致志、潜心钻研的努力。地热尾水回灌研究历经试验性回灌阶段、生产性回灌阶段、标准化回灌阶段三大发展历程，针对砂岩热储地热尾水回灌关键技术难题，鲁北院从回灌井钻探成井工艺、回灌工艺、回灌技术三方面，对影响回灌效果的因素进行了深入的研究，为地热回灌的推广应用提供了有力的技术支撑。

刘志涛介绍，2019年鲁北院建成了全国第一个大型地热回灌模拟试验场。该试验场将针对回灌堵塞机理开展深入的模拟研究，探讨不同因素影响条件下的堵塞效应，另外也将开展人工回灌对储层水动力场、温度场、水化学场等各方面影响的监测试验与数值模拟研究，探讨回灌条件下的环境影响效应，同时也将深入研究回灌条件下地热资源可持续开采量计算评价的理论方法，该试验场研究成果将为区域地热能大规模开发利用提供指导。

地热回灌模拟试验场

十余年来，鲁北院开展了众多的地热回灌试验和研究项目，其中包括“山东省孔隙热储地热回灌堵塞机理研究”、“鲁北砂岩热储地热尾水回灌钻探及回灌工艺研究”等厅局级重要科研项目，提交研究成果20余项，并制定了自然资源部行业标准《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》和山东省地方标准《地热尾水回灌技术规程》。经过多年的努力，鲁北院在地热尾水回灌研究领域取得了骄人的成绩，“砂岩热储地热供暖尾水回灌技术”入选“山东省能源领域重点技术、产品和设备目录”“山东省鲁北地区地热回灌条件研究”、“鲁北砂岩热储地热尾水回灌钻探及回灌工艺研究”等多个项目成果获厅局级科技进步奖。