中深層U型井供熱技術原理與實踐

羅娜寧，劉 林，申小龍，劉 軍，趙 真，原博晨

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.中石化綠源地熱能開發有限公司，河北 雄縣 071800)

0 引言

地熱能是蘊藏在地球內部的熱能，是一種清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全優質的可再生能源[1]。地熱能具有持續穩定、高效、可再生的特點，其開發利用可減少溫室氣體排放，改善生態環境，在未來清潔能源發展中占重要地位，有望成為能源結構轉型的關鍵能源之一[2-3]。

按照分布位置和賦存狀態，地熱資源通常分為淺層地熱資源、水熱型地熱資源、干熱巖地熱資源以及巖漿型地熱資源[4]。淺層地熱能適用性較廣，是我國目前地熱供暖制冷的主力[5]，但其缺點顯著，即占地面積大，尤其對老舊改造小區實施相對困難；水熱型地熱能供熱效率高，但是對資源條件依賴性強，而干熱巖地熱資源必須采用人工建造地熱儲和人工流體循環的方式加以開采，因開發技術及高額成本等因素，我國還處于科學研究及探索階段[6-8]；巖漿型地熱資源在目前經濟技術條件下尚無法開采。為有效利用地熱能，并克服以上資源類型的利用難點，近些年國內興起了中深層地埋管換熱技術(亦有部分學者和供熱企業稱作深井換熱、中深層地源熱泵、套管換熱、無干擾供熱等)，其特點以中深層熱儲為熱源，通過循環工質與周圍巖體/土體進行傳導換熱，從而實現“取熱不取水”清潔開發地熱能[9-11]。由于該技術無需考慮開采地下熱水、不存在腐蝕、結垢和不能回灌造成的不良后果，受到了業界的廣泛關注。但是，深井換熱技術的發展瓶頸極其顯著，因為它的供熱量有限[12-19]，亟需新的技術模式。

在此背景之下，中深層U型井供熱技術應運而生。國內已在陜西、河北等地實施了多項中深層U型井供熱實例，現階段均為科研測試階段，文獻中僅建有對地熱U型井水平段換熱能力及溫度分布規律的研究，如唐勝利等利用ANSYS FLUENT軟件對關中地區U型地熱井水平井段換熱過程進行數值模擬，研究了不同注水流量下水平井段換熱能力的規律[20]；張育平等根據關中盆地地溫和地溫梯度的變化規律，建議了鉆井深度[21]。但是，未見有對中深層U型井供熱技術的系統總結。本文將回顧U型井技術的發展歷程，重點評述中深層U型井供熱技術及其實踐經驗，以服務于地熱能的清潔開發利用。

1 U型井技術

1.1 技術定義

U型井技術又叫U型水平連通井技術，是長距離實現水平井與直井連通的鉆井技術，兩口不同位置的直井與水平井、定向井與水平井或定向井與定向井在同一目的層連通。此外，U型井組也可以由1口直井和1口或多口水平井組成[22-23]。U型井技術最早產生于開采食鹽及鹽鹵的生產實踐，由水平井段注入水溶解鹽類后由直井排出，后被引入石油、天然氣及煤層氣開采領域[24]。

1.2 技術現狀

U型井技術在煤層氣的開采過程中得到了大量改進和發展，通過對U型井技術在煤層氣開發過程中取得的進展和遇到的問題進行回顧，對U型井技術用于供熱具有顯著的借鑒意義。國內煤層氣儲層地質構造相對復雜,高陡構造煤層、高含水煤儲層的煤層氣資源豐富，但常規的直井不能滿足此類煤層氣高效勘探開發需求[25]。U型井鉆采技術充分結合直井和定向井的優勢，利用液體勢能原理對煤儲層進行排水降壓采氣，縮短富水煤層的排水周期，以便更快更多地解析出煤層氣，從而提高開發煤層氣的效率；此外，U型井可以最大限度地溝通割理[26]，在較長水平段鉆進過程中保持井壁穩定；水平井及直井同時開采也增加了采氣量。

U型井技術集成了地質導向技術、水平井技術、井眼連通以及欠平衡鉆井等技術。國外對我國煤層氣鉆采技術實行嚴格封鎖和保密，目前我國煤層氣U型井鉆完井及壓裂技術研究剛處于起步階段[27]，鉆井過程中井壁失穩、煤層損害，完井多為裸眼或篩管完井導致完井效果差等難題雖依然存在，但進展亦十分顯著：

(1)現階段國內已開發出多種煤層專用鉆井液，現場應用表明其穩定井壁效果顯著；

(2)國內已開展鉆井篩管完井、充氣欠平衡鉆井、分段壓裂等U型井鉆完井新技術研究[27-28]；

(3)遠距離連通技術是U型井開發的核心技術，現階段已取得較好的成績。專有井眼連通技術可以實時檢測控制鉆進軌跡，為定向提供距離和方位參數，即時調整工具面，指導鉆頭向洞穴井鉆進，實現水平井與洞穴井較好連通[28]。

(4)組合U型井鉆采技術的優化設計，可實現多口U型井共用一口直井進行排采，從而節約地面資源，發揮一井多用的作用。

2 中深層U型井供熱技術原理與實踐

2.1 技術定義

U型井應用于中深層地熱供熱系統的技術原理是在U型對接井中泵入循環工質，經水平井段及直井從中深層巖土體中吸收熱量，后由直井出水供至熱泵供暖系統，降溫再返回U型井井下換熱系統，從而實現“取熱不取水”清潔供熱。

圖1 中深層U型井供熱技術概念圖

2.2 供熱實踐

我國自2016年起，陸續采用中深層U型井供熱技術[29]，目前共有3個供熱項目，其中兩個位于陜西西安、一個位于河北邯鄲(表1)。鑒于中深層U型井供熱項技術目前均處于起步階段，實際供暖效果仍有待于評價。

表1 中深層U型井供熱技術實例

表1中，我們總結對比了國內現有中深層U型井技術供熱項目實例，可以看出：

(1)已有案例多開展在回灌難度較大但井底溫度較高的砂巖或者泥巖儲層；

(2)鉆井實施深度均在2 000～3 000 m之間，水平井長度則在150～700 m之間；

(3)供熱能力與井底溫度以及水平井長度相關：在水平井長度相近時，井底溫度越高，供熱能力越強；在井底溫度接近時，水平井長度越長，供熱能力越高。

3 中深層U型井供熱技術優缺點分析

考慮中深層U型井技術的供熱屬性，本文將它與其他常見的供熱技術進行對比，重點比較其經濟性與適用性(表2)。根據國家能源局綜合司發布的《關于促進可再生能源供熱的意見》附件2中各類能源供暖技術經濟性比較表，燃煤鍋爐與燃氣鍋爐等常規供熱技術在初投資方面優勢較大，但運行費用過高[30]。土壤源熱泵、中深層水熱型和中深層同軸套管型地熱供熱成本數據為自有項目經濟測評結論。中深層U型井地熱供熱成本為國內工程實例調研計算得出。表中投資成本和運行成本按照我國北方地區居民住宅采暖用熱量、電價、燃料價格等測算。

表2 不同供熱技術的經濟性與適用性對比

(1)經濟性：地熱開發利用的投資成本顯然高于天然氣和燃煤鍋爐供熱技術，但是其運行成本明顯較低。在地熱開發技術之中，中深層U型井供熱技術的投資成本最高，其次為中深層地埋管，中深層水熱和土壤源熱泵則相對較低；而從運行成本來看，中深層U型井供熱技術則居于中深層水熱和其他地熱開發利用技術之間。

(2)適用性：中深層U型井的適用性可與傳統的燃煤與燃氣鍋爐供暖系統相媲美，幾乎不受氣候、地質條件限制，可用于分散式及集中供熱。相比之下，中深層水熱和土壤源熱泵技術所受限制則較多。

(3)推廣價值：綜合分析不同技術的經濟性與實用性，同時考慮各技術的優缺點，從環保以及管理角度，中深層U型井具備一定的推廣價值，尤其是在污染重且水熱與地源熱泵技術不適用的地區，環境友好，節能效果顯著，推廣價值大。

4 技術前瞻

綜上，將U型井技術應用于中深層地熱開發利用，其取熱原理為“熱傳導”，因此若要增加換熱量，主要措施為增加地熱井管長度和高溫熱儲層間的接觸面積[34-36]：一方面可以延長水平井長度，另一方面可以對地熱井井徑、循環介質的流速與溫度等進行優化。為推廣應用中深層U型井供熱技術，以下幾點是未來的突破瓶頸：

(1)水平井段極限長度

一般而言，給定巖土體熱物性參數，如巖土體熱導率、地溫梯度等、以及工程參數如地熱井深度、井徑、注入介質比熱容、密度、溫度、流量等條件，若增長水平段長度，則可提高換熱量，且在一定范圍內提高幅度較大；水平井達到一定長度后，繼續增加長度對換熱量影響幅度會變小。這是由于在水平段長度較短時，巖土體還沒有對井筒內流體充分加熱就從水平段流出導致溫度較低，且溫差越大導致換熱效率更高。而在水平段較長時，注入流體在水平段加熱時間較長且已基本達到巖土體所能加熱的最高溫度，這時再增加水平井長度并不能有效提高溫度達到增加換熱量的目的。因此，理論上存在水平井段極限長度。工程應用中應考慮施工難度、經濟成本及項目整體效益選取最為科學經濟的水平井長度。

(2)經濟評估

表2中的中深層U型井供熱技術經濟成本分析僅為初步概算，而具體的成本分析有待于充分考慮地質條件、市場需求以及施工工藝本身的綜合演算。地熱開發利用項目建設投資包含工程費用、工程建設其他費用、預備費、資金籌措費及鋪底流動資金。其中工程費用占比最大，包含鉆井費用、能源站內各設備材料購置費、建筑安裝費用等。U型井深井換熱地熱供暖項目可行性分析中，影響各主要技術經濟指標的最大的影響因素為單位熱量鉆井成本，U型井鉆孔越深，水平井段越長，鉆井難度及成本相應增加。單井采熱功率小，可利用單位熱量成本高昂，應進一步優化鉆井設計提高換熱量，降低鉆井成本，使中深層U型井供熱技術更具備市場競爭性。

(3)施工工藝

如前文所述，U型井鉆井技術在煤層氣領域已有較大進展，但在中深層地熱開發領域則未嶄露頭角。地熱鉆井施工有其特殊性，比如對保溫要求十分高。在采用中深層U型井供熱技術時，通常采用水平對接井工藝，分為直井、對接井和水平井段三部分，其埋管均為石油鋼管。在直井段要做好保溫工作，而在水平井段則要做好傳熱工作。此外，施工過程務必采用全井段固井并試壓，以阻隔深層地熱承壓水的串層上涌或管內循環水泄露，防止有害組分污染淺部含水層。

(4)適宜區評價

為有效推廣中深層U型井供熱技術，應嚴格做好中深層地熱能供暖項目的前期地質勘查工作，對不同地區的地下基巖的可鉆性、地溫梯度的大小、最佳深度溫度組合、是否有合適的水平段選取等綜合考慮，結合市場需求與技術經濟性，開展我國北方不同地區的適宜性評價，以有效指導生產。

(5)標準建設

深井換熱供暖系統包含U型井、一二次管網、熱泵機房三部分建設。項目建設重點及難點在于U型井及井下換熱器的設計施工。目前還未出臺相應的標準及規范。筆者認為應采用石油鉆探工藝技術，嚴格進行鉆井標準化施工，同時可以借鑒住房和城鄉建設部正在征求意見的《地源熱泵系統工程技術規范》。此外，陜西省工程建設標準《中深層無干擾地熱供熱系統應用技術規程》的編制正在進行中。未來還應繼續開展長期、細致的地熱深井換熱實驗研究工作，并針對深井換熱裝置、深井換熱巖土層熱物性的現場測試和計算方法等編制中深層地熱能深井換熱應用標準。建立完善資源勘查與評價、項目開發與評估、加強項目全過程管理、環境監測與保護等各環節有效銜接的監管機制，規范市場主體行為。

5 結論

(1)中深層U型井供熱技術作為地熱清潔供暖新技術，與本文中列舉的其他清潔能源技術相比，普適性強，在清潔能源需求迫切區域應用潛力較大，尤其是在水熱型地熱資源條件較差的區域，具有顯著的推廣價值。

(2)U型井水平井段存在極限長度，工程應用中應考慮施工難度、經濟成本及項目整體效益，選取最為科學經濟的水平井長度。

(3)中深層U型井供熱技術未來發展可期，在優化利用、經濟評估、施工工藝、適宜區評價和標準建設方面，具備較大工作空間，應加強研究。