地热能开发利用领域的佼佼者

　　——山东省地矿局水文二队发展纪实

　　◎  桑可 张晓燕 张静 王晓阳

　　2023年11月6日，位于山东省德州市德兴北路30号的山东省地矿局水文二队安居小区内，居民家中的暖气片温度达到22℃，小区供暖时间比国家规定的11月15日提前了10天。热源来自山东省地矿局水文二队（以下简称“水文二队”）1997年打出的山东省首眼供暖用地热井，着实让群众感受到这眼27年“长寿井”带来的热情，更充分体现了分布式地热供暖的独特优势。

　　据了解，1996年，水文二队开展了比例尺为1∶2.5万的“山东省德州市城区地热资源勘查”工作，这是山东省首次开展的孔隙型热储地热田勘查工作。该队通过地热地质调查、人工地震勘探等方法基本查明了区内地质、地热地质条件等特征，发现了鲁西北平原最具开发利用价值的馆陶组砂岩热储，1997年在德州城区完成“山东省首眼供暖地热井”（德热1井），拉开了山东省地热资源勘查与开发利用的序幕。该井开采层位为馆陶组，可获得水量113立方米/时，水温55.5℃，通过该井获取了热储埋藏性质、地热流体物理、化学特征等具体参数，并首次对馆陶组热储的地热资源量进行了计算。

　　这口“长寿井”不仅是水文二队在地热资源勘查评价领域“走在前”的标志，更是二水人推动地热资源可持续开发利用、服务山东省经济社会发展的见证。

　　创造纪录 成功钻探国内第一眼干热岩专门试验孔

　　山东省地热资源丰富，全省16市均发现了地热田，共计96个，且均打出了地热井。自1996年以来，水文二队在全国范围施工地热井500余眼，其中山东省390余眼，为全省地热资源勘查开发利用作出了突出贡献。

　　水文二队先后在德州市城区、临邑、平原等地和东营、聊城、滨州北海经济开发区等地，开展地热资源调查项目50余项，基本查明了鲁西北地区地热地质条件，计算评价地热资源量，为地热资源的勘查与合理开发利用提供科学依据。

　　其中，他们取得的德州市城区地热资源勘查成果，是山东省第一个地热资源调查成果。他们取得的德州市城区地热资源详查成果，也是山东省第一个地热资源详查成果。

　　从2001年开始，水文二队先后开展了鲁北地区地热资源远景预测、山东省地热资源调查评价（鲁西北平原）、山东省地热资源开发利用效应及模式调查、山东省深部岩溶热储研究等工作，首次圈定出全省3000米以浅深部岩溶热储的范围、埋深及厚度并进行了地热分区。

　　2002年，该队在商河县勘探一眼井深1363米、水温62℃、水量100立方米/小时的地热井，因埋藏浅、储量大、水质好、温度高，被誉为“山东地热第一井”。

　　2011年，原山东省国土资源厅出资1268万元，水文二队承担利津县干热岩调查项目，这是我国华北地区首个干热岩调查项目。

　　项目组在广泛收集区内资料的基础上，开展了地质调查、地震勘探等工作，优选了两个靶区，在利津县陈庄镇施工了国内第一眼干热岩专门试验孔，终孔深度2500米，孔底温度104.2℃。该孔终孔后进行了国内首个大深度花岗岩水力压裂试验，取得了很好的效果。

　　项目组提交的《山东省利津县干热岩调查报告》，首次查明了区内干热岩温度变化特征；首次进行了适合深部大口径机械岩心钻探的探矿工艺研究；首次建立起了区内干热岩地热地质模型，估算了资源量；首次在我国对深部花岗岩进行了压水、压裂试验，试验研究成果为我国干热岩勘探开发工作积累了丰富的经验。

　　2017年，由山东省地矿局牵头、以水文二队为主的局属5家单位联合开展了“山东省地热资源调查综合研究”项目，编制了《山东省地热图集》，基于地热资源形成的“储、盖、通、源（热和水）”5个主要因素，将山东省划分为鲁西北坳陷、鲁西隆起、沂沭断裂带及鲁东4个地热区96个地热田。在此基础上，水文二队2019年完成“山东省深部岩溶热储地热田调查评价”项目，将山东省全省深部岩溶热储划分为44个地热田，查明了各地热田热储的埋藏、分布、岩溶发育及富水性特征。

　　奋力攻坚 破解砂岩热储回灌世界级难题

　　为推动地热资源的可持续开发利用，水文二队自2006年起致力于砂岩热储地热尾水回灌研究，从科研性回灌研究、生产性回灌研究到推广应用，成功破解了砂岩热储回灌这一世界级难题。

　　2006年，在回灌试验初期，水文二队在德州市德城区开展了山东省内首次砂岩孔隙热储（馆陶组热储）地热原水同层对井环状间隙、加压回灌，揭开了山东省地热回灌研究序幕。

　　2010年，水文二队实施了“山东省德州市城区地热资源回灌勘查”项目，首次在回灌中采用加压、密封及除砂、除铁等简单的过滤工艺；2012年，首次使用大口径填砾成井工艺施工回灌井，并首次进行示踪试验，研究成果对此类项目具有重要的指导意义。

　　在生产性回灌研究阶段，水文二队先后开展了山东省地热尾水回灌试验研究、济南市孔隙热储地热尾水回灌试验、山东省砂岩热储地热尾水回灌试验、山东省地热试验研究基地孔隙热储回灌工艺研究、地热回灌与示踪试验等工作。2016年，水文二队在德州市建成我国北方首个砂岩热储地热采灌均衡、取热不耗水示范工程（山东省砂岩热储地热开发利用与回灌示范工程），经连续7个供暖季监测，地热尾水实现100%回灌，被能源行业地热能专业标准化技术委员会授予“地热能开发利用标准化示范项目”。

　　2018年，他们在德州市建立了国内首个地热回灌模拟试验场，大力开展砂岩热储地热尾水回灌堵塞机理、回灌技术及地热水水动力场、温度场试验研究，建立了回灌数值模型，研究确定了地热尾水回灌堵塞机理及防治回灌堵塞的方法。

　　在多年试验研究的基础上，水文二队2019年编制完成《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》。依托此研究成果，他们形成了砂岩热储地热采灌均衡、水热均衡的“德州模式”，被时任冰岛国家能源局局长约翰内松称为“砂岩热储地热水可持续开发的伟大贡献”。后来，该队先后在平原、禹城、莘县、东营等地建设多个地热开发利用示范工程。

　　2021年，水文二队在惠民淄角建成了山东省首例群井地热开发利用示范工程，为群井地热规范开发利用提供了经验模式，该工程入选国家地热能中心第一批地热能开发利用示范项目。

　　经过多年的探索实践和不懈努力，水文二队在砂岩热储地热回灌研究领域“走在前”，为山东省砂岩热储地热尾水回灌率和回灌规模均居全国领先水平作出了突出贡献。

　　硬核实力 攻克深部高温硬岩复合钻进技术和取心工艺

　　水文二队作为大口径深部能源资源勘探“王牌军”，多年来致力于大口径深部钻探关键技术研究，通过对多工艺钻进技术方法的探索实践，总结出深部硬岩高温高压复合钻进技术和取心工艺技术，其中包括适高温硬岩高效长寿命PDC钻头技术、高温硬岩孔底动力钻具技术、高温硬岩取心钻进技术、高温高压地层钻井液技术等，有效提高了深部高温硬岩全面钻进及取心钻进效率，提高了钻探质量，降低了钻探成本，实现了深部高温高压地层护壁堵漏，为深部能源资源钻探提供了保障，形成了一套可借鉴的深部能源资源大口径钻探技术体系。

　　在深部高温硬岩复合钻进技术和取心工艺领域，水文二队先后荣获国土资源科学技术二等奖、中国岩石力学与工程学会科学技术进步奖二等奖等奖项11项，并获得授权发明专利8项，主编地方标准2项。

　　该队运用深部高温硬岩复合钻进技术和取心工艺，在全国范围内完成勘探孔600余眼，其中超过4000米的7眼；

　　2016年，在福建漳州完成了我国东南沿海深部地热科学钻探HDR-ZK01井，终孔4000.86米，是我国首个超4000米干热岩科学勘探孔；

　　2017年，在青海省共和县恰卜恰镇完成干热岩勘探GR1孔，孔底温度236℃，是我国首次钻获埋藏最浅、温度最高的干热岩体，实现了我国干热岩勘查的重大突破，入选2017年全国探矿十大新闻；

　　2018年至2021年，先后在雄安新区承担了4眼超4000米的深部地热资源勘探工程；

　　2023年，完成山西大同盆地重点地区深部高温地热资源详查DR4孔钻探工程，终孔孔深4010.26米，最大取心深度达到4010.26米。

　　理论探索 助力山东建立地热能富集理论、成矿和找矿模型

　　水文二队自2006年起致力于地热资源勘查评价和可持续开发利用研究工作，经多年探索、实践，为建立山东省地热能富集理论、成矿模式和找矿模型作出了突出贡献。

　　2017年，该队在系统总结十余年工作成果的基础上，牵头编写了《山东省地热资源综合评价》，经院士等专家鉴定，创立的“地热成矿机制成矿模式、找矿模型和勘查、回灌技术”总体水平达到国际领先水平，形成的“地热资源探测理论技术突破与清洁供暖产业化应用”成果先后取得发明专利5项、行业标准1项，发表高水平核心论文25篇，获2019年山东省科学技术进步奖一等奖。

　　该成果提出了山东省四元聚热地热资源成矿理论，揭示了成矿机制与成矿规律；建立了开放-对流-腔管状型、弱开放-对流传导-带状层状型、封闭-传导-层状型3种地热田成矿模式，揭示了地热田水源富集、热源聚集及热储层空间赋存规律；创建了“V”型构造等不同类型地热田的找矿模型，建立了砂岩热储钻探-成井-回灌工艺等回灌技术体系；提出了“采灌均衡、取热不取水”可采资源量计算方法；创新了深部高温高压复合钻进等地热资源勘查技术方法。

　　科技引领 打造高层次科研平台和创新团队

　　水文二队坚持“科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”的发展理念，持续强化科技创新工作，打造院士工作站、山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心、地源热泵山东省工程研究中心（联建）3个省部级科研平台，获批建设中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心山东分中心、德州市深层地质能节能减碳重点实验室、德州市地热清洁能源开发利用中试基地、德州市地热+多能互补科普基地等。

　　该队大力推进产学研融合，加强科技创新团队建设，孵化高层次地质科技成果。2017年，该队获批成立山东省地矿局重点实验室——“山东省地矿局地热资源勘查与利用工程技术研究中心”；2018年，获批成立“山东省地矿局清洁能源勘查开发创新团队”，后由山东省地矿局牵头组建成立“深部地热能探测与清洁供暖创新团队”，并于2021年入选自然资源部科技创新团队。依托科研平台和创新团队，2018年以来，该队先后荣获省部级奖项3项、厅局级奖项22项，编制行业标准1部、地方标准8部、团体标准1部，出版专著2部，取得发明专利17项。

　　贡献智慧 地热领域标准制定的“高产户”

　　水文二队在地热资源勘查开发利用标准制定方面“走在前”，参与编写了全球地热领域首项国际行业标准——《中国地热供暖推荐做法》，参编国家能源行业标准《干热岩钻井技术规范》；主持编写了国家行业标准1部、山东省地方标准7部、德州市地方标准1部、团体标准1部，填补了地热行业标准体系空白，对促进地热资源的可持续开发利用、服务生态文明建设贡献了地矿二水智慧。

　　2015年，原国土资源部批准水文二队编制地质矿产行业标准《砂岩热储地热尾水回灌技术规程》，2020年3月由自然资源部发布实施。该规程是国内砂岩热储地热尾水回灌技术的首个行业标准。

　　近年来，水文二队主持编写了山东省地方标准，其中有《地热尾水回灌技术规程》《地热钻探规程》《单井地热资源评价技术规程》《地热资源勘查技术规程》《浅层地热能竖直地埋管施工技术规程》《干热岩钻探技术规程》《地热资源勘查与开发利用规划编制规程》等。

　　2023年5月，该队还主持编写了团体标准《地热回灌工程运行验收规程》并发布实施，2023年11月主持编写《地热绿色矿山建设评价规范》，并作为山东省首部地热绿色矿山建设评价方面的地方标准正式发布，已于2023年12月6日实施。

　　树立典范 打造山东省首个中深层地热井“取热不取水高效井下换热”示范项目

　　2023年10月6日，山东省政府办公厅《关于加快推进地热能开发利用的指导意见》提出，建设“无干扰井下换热、取热不取水”实验项目，推进成井工艺、井下高效换热等关键技术创新和成果转化，加快商业化开发利用进程”。

　　10月18日，山东省自然资源厅等7部门联合印发《关于做好地热能开发利用示范工程项目建设工作的通知》，在全省范围内选取8个地热能项目作为山东省地热能开发利用示范工程项目。“德州市天衢新区地矿局水文二队中深层地热能供暖改造项目”入选，该项目将在现有中深层地热能供暖区域实施“取热不取水”技术改造，这是山东省政府指导的省内首个中深层地热能“取热不取水高效井下换热”示范项目。

光 荣 墙

　　按照上级部署要求，水文二队自筹资金开展中深层地热井“取热不取水高效井下换热”示范项目，利用原供暖用的“一采一灌”双井，对“取热不耗水”地热供暖模式进行技术改造，推进“取热不取水井下高效换热”关键技术创新和成果转化。

　　前期，水文二队组织专家对项目设计进行评审，开展了井下换热器系统的设计研发、井下电视测量、试验井处理、洗井作业等工作。目前，他们正在进行能源站设备安装及管道改造，预计近期完成井下换热器安装、换热试验与运行监测等工作，研究换热系统的换热能力，评价系统运行经济性，初步预计该项目能效比在4.0以上、工程总节能率在25%左右，为井下换热技术的工程化推广提供应用示范。