砂岩热储工程技术与应用

地热能源作为一种绿色清洁环保的可再生能源,具有储量大、分布广、稳定可靠等特点,是当前极有前景的清洁能源。2017年12月,国家发展改革委、国家能源局等十部委共同发布《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》,对北方地区冬季清洁供暖方案做出了具体安排,将地热列为可再生能源清洁供暖热源的首位。2021年9月10日,国家发展改革委、国家能源局等八部委共同发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》提出:到2025年,地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%;到2035年,地热能供暖(制冷)面积及地热能发电装机容量力争比2025年翻一番。 
我国地热资源十分丰富,按热储类型可分为隆起山地对流型与沉积盆地传导型两大类,其中北方的大型沉积盆地如华北平原、汾渭盆地、松辽平原、河套平原及准噶尔盆地等地区蕴藏丰富的中低温地热资源已被广泛用于冬季供暖。据不完全统计,中国北方现有地热井约3000眼,采用地热水供暖的建筑面积约1.3×108m2,地热水资源开采量为4×108m3/a,替代燃煤3×106t/a,减排CO2 6.7×106 t/a、减排SO2 5×104 t/a,对减轻北方冬季雾霾发挥了积极作用。 
沉积盆地中的地热水具有补给条件极差、含盐量高等特点,目前各主要地热田均发生了显著的热储压力下降情况,如西安市地热水水位下降幅度一般为65~200m,降幅可达224.6m。天津市明化镇组热储水位埋深可达94m,馆陶组热储中心水位埋深为102~106m,每年下降3~4m。山东省德州市城区馆陶组热储水位埋深达93m,2010年3月至2017年3月下降速度达8.2m/a。为实现地热资源的绿色可持续开发利用,必须对地热供暖尾水进行回灌处理,从而避免因地热尾水直接排放引起的热污染和化学污染,并维持热储压力、缓解地热水水位的大幅持续下降,保证地热田的可持续开采。 
本书取名为《砂岩热储工程技术与应用》,总结了20余年来砂岩热储勘查研究和地热尾水回灌领域的创新成果,建立了地热尾水回灌和维护保养的关键技术体系,提出了地热水可持续开采量的概念、计算原则与计算步骤,并辅以若干回灌工程和地热田可持续开采量计算实例,对实现地热田“采灌均衡、可持续开发”具有较强的参考借鉴价值。 
本书为国家自然科学基金项目(编号42072331、U1906209)资助的成果。首章、第4章由周群道、康凤新编写,第2章、第3章由赵季初、康凤新、黄星编写,第5章由杨询昌、康凤新、周群道编写,第6章、第7章由冯守涛、康凤新、周群道、高宗军、夏璐、张平平编写,第8章由康凤新、郑婷婷编写,第9章由白通、黄星、刘帅、刘志涛、杨亚宾编写,结束语由康凤新、赵季初编写。全书由康凤新、赵季初统稿。在本书撰写过程中,得到了汪集暘院士、多吉院士及丛书总主编庞忠和研究员等地热专家学者的指导帮助,在此致以诚挚谢忱!限于笔者水平,加之技术的不断更新,书中难免存在疏漏和错误之处,恳请读者批评指正,意见建议请发至kangfengxin@126.com。 
康凤新 
2021年6月于济南

《砂岩热储工程技术与应用》是“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”的一个分册。本书系统总结了 20 余年来砂岩热储勘查研究和地热尾水回灌领域的创新成果,建立了地热尾水回灌和维护保养的关键技术体系,提出了地热水可持续开采量的概念、计算原则与计算步骤,并辅以若干回灌工程和地热田可持续开采量计算实例,对实现地热田“采灌均衡、可持续开发”具有较强的参考借鉴价值。《砂岩热储工程技术与应用》内容丰富、层次清晰、图文并茂、注重创新，可供地热能勘查、开发利用与回灌领域的科学研究人员和工程技术人员使用,也可作为高等院校相关专业的参考用书。

《砂岩热储工程技术与应用》是“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”的一个分册。本书系统总结了 20 余年来砂岩热储勘查研究和地热尾水回灌领域的创新成果,建立了地热尾水回灌和维护保养的关键技术体系,提出了地热水可持续开采量的概念、计算原则与计算步骤,并辅以若干回灌工程和地热田可持续开采量计算实例,对实现地热田“采灌均衡、可持续开发”具有较强的参考借鉴价值。《砂岩热储工程技术与应用》内容丰富、层次清晰、图文并茂、注重创新，可供地热能勘查、开发利用与回灌领域的科学研究人员和工程技术人员使用,也可作为高等院校相关专业的参考用书。

1 绪论
1.1 地热资源开发利用 003 
1.1.1 地热资源及利用概况 003 
1.1.2 地热资源利用存在的主要问题 004 
1.2 研究现状与发展趋势 005 
1.2.1 地热尾水回灌研究现状 005 
1.2.2 地热尾水回灌研究发展趋势 009 
第2章 砂岩热储特征013 
2.1 砂岩热储分布 015 
2.1.1 华北平原 015 
2.1.2 关中平原 018 
2.1.3 松辽平原 019 
2.2 砂岩热储沉积环境 020 
2.2.1 层序体系域划分 020 
2.2.2 沉积环境沉积相 027 
2.3 砂岩热储岩性特征 034 
2.3.1 热储砂岩类型 035 
2.3.2 热储砂岩颗粒大小 036 
2.3.3 砂岩热储厚度特征 043 
2.3.4 热储砂岩渗透性能 045
第3章 砂岩热储回灌井布局 049 
3.1 回灌目的层可回灌性与目的层选择 051 
3.1.1 回灌目的层物性参数确定 051 
3.1.2 回灌目的层综合渗透性能确定 052 
3.1.3 回灌渗透性能影响因素 054 
3.2 采灌井距及影响因素 058 
3.2.1 合理采灌井距研究现状 058 
3.2.2 合理采灌井距影响因素 069 
3.3 合理采灌井距确定 072 
3.3.1 解析法 072 
3.3.2 数值法 074 
第4章 回灌井钻井技术及成井工艺097 
4.1 钻井技术与井身结构 099 
4.1.1 大口径填砾工艺井身结构 100 
4.1.2 固井射孔工艺井身结构 100 
4.2 地质条件与成井工艺选取 103 
4.2.1 地质条件 103 
4.2.2 成井工艺选取 103 
4.3 成井工艺与关键技术 104 
4.3.1 大口径填砾工艺与关键技术 104 
4.3.2 固井射孔工艺与关键技术 109 
4.4 成井工艺应用及回灌效果分析 111 
4.4.1 成井工艺对水文地质参数的影响 111 
4.4.2 大口径填砾与滤水管裸孔回灌井回灌效果 115 
4.4.3 固井射孔与大口径填砾成井工艺回灌效果 119 
第5章 回灌系统设计、工艺流程与动态监测 131 
5.1 回灌系统设计 133
5.1.1 管道设计 133 
5.1.2 换热器设计 137 
5.1.3 除砂器与过滤器设计 143 
5.1.4 排气设计 146 
5.1.5 加压泵与回扬泵设计 148 
5.1.6 井口设计 148 
5.2 回灌工艺流程 150 
5.2.1 回灌工艺 150 
5.2.2 回灌流程 154 
5.3 回灌动态监测 155 
5.3.1 水位监测 155 
5.3.2 水量监测 155 
5.3.3 水温监测 155 
5.3.4 水质监测 156 
第6章 回灌系统运行、维护与保养 157 
6.1 回灌前准备 159 
6.1.1 回灌操作人员准备 159 
6.1.2 回灌系统装置检查 159 
6.1.3 回灌水源检查 160 
6.1.4 回灌井中下入潜水泵及泵管 161 
6.1.5 回灌井回扬 161 
6.1.6 回灌系统试运行 161 
6.2 回灌运行及注意事项 161 
6.2.1 回灌动态监测 162 
6.2.2 回灌系统装置维护 163 
6.2.3 回灌堵塞与处理 164 
6.3 回灌后维护与保养 189 
6.3.1 回灌井的维护与保养 189
6.3.2 回灌水源净化处理系统清洗 189 
6.3.3 动态监测系统养护 189 
6.3.4 回灌管网养护 190 
6.3.5 停灌后动态监测 190 
第7章 砂岩热储回灌工程评价 191 
7.1 回灌对热储层影响评价 193 
7.1.1 回灌水质对回灌热储层地热流体影响评价 193 
7.1.2 回灌对热储层涌水量影响评价 194 
7.1.3 回灌对热储层损害评价 198 
7.1.4 回灌堵塞评价 199 
7.1.5 回扬疏通评价 201 
7.1.6 回灌对热储温度影响评价 202 
7.2 回灌效果评价 206 
7.2.1 评价指标 206 
7.2.2 回灌效果评价 206 
7.2.3 回灌效果影响因素分析 207 
7.2.4 成井工艺影响 212 
7.2.5 热储岩性影响 217 
第8章 回灌条件下地热水可持续开采量计算 219 
8.1 地热水可持续开采量的概念 221 
8.2 可持续开采量的计算原则与计算步骤 222 
8.3 集中参数模型 223 
8.3.1 原理 223 
8.3.2 热储性质评估 225 
8.3.3 采灌均衡条件下地热水可持续开采量计算 227 
8.4 山东省德州市德城区馆陶组热储可持续开采量计算 227
第9章 典型案例 235 
9.1 禹城市回灌工程 237 
9.1.1 地热资源开发利用现状 237 
9.1.2 热储层特征 237 
9.1.3 回灌场地布局 238 
9.1.4 回灌井成井工艺 242 
9.1.5 回灌工艺流程 246 
9.1.6 回灌效果概述 249 
9.2 天津市回灌工程 261 
9.2.1 地热资源开发及回灌现状 261 
9.2.2 天津 DL 25H 和天津 TGR 26D 回灌井成井工艺 263
9.2.3 地面回灌系统建设 269 
9.2.4 回灌效果 272 
9.3 德州市回灌工程 280 
9.3.1 地热资源开发及回灌现状 280 
9.3.2 热储层特征 281 
9.3.3 回灌场地布局 284 
9.3.4 成井工艺 286 
9.3.5 回灌工艺流程 288 
9.3.6 回灌效果概述 288 
9.4 武城县回灌工程 298 
9.4.1 地热资源开发及回灌现状 298 
9.4.2 热储层特征 299 
9.4.3 回灌运行 301 
9.4.4 回灌对比分析 316 
9.4.5 回灌效果概述 320 
结束语 321 
参考文献 323
索引 326
1 绪论
1.1 地热资源开发利用 003 
1.1.1 地热资源及利用概况 003 
1.1.2 地热资源利用存在的主要问题 004 
1.2 研究现状与发展趋势 005 
1.2.1 地热尾水回灌研究现状 005 
1.2.2 地热尾水回灌研究发展趋势 009 
第2章 砂岩热储特征013 
2.1 砂岩热储分布 015 
2.1.1 华北平原 015 
2.1.2 关中平原 018 
2.1.3 松辽平原 019 
2.2 砂岩热储沉积环境 020 
2.2.1 层序体系域划分 020 
2.2.2 沉积环境沉积相 027 
2.3 砂岩热储岩性特征 034 
2.3.1 热储砂岩类型 035 
2.3.2 热储砂岩颗粒大小 036 
2.3.3 砂岩热储厚度特征 043 
2.3.4 热储砂岩渗透性能 045
第3章 砂岩热储回灌井布局 049 
3.1 回灌目的层可回灌性与目的层选择 051 
3.1.1 回灌目的层物性参数确定 051 
3.1.2 回灌目的层综合渗透性能确定 052 
3.1.3 回灌渗透性能影响因素 054 
3.2 采灌井距及影响因素 058 
3.2.1 合理采灌井距研究现状 058 
3.2.2 合理采灌井距影响因素 069 
3.3 合理采灌井距确定 072 
3.3.1 解析法 072 
3.3.2 数值法 074 
第4章 回灌井钻井技术及成井工艺097 
4.1 钻井技术与井身结构 099 
4.1.1 大口径填砾工艺井身结构 100 
4.1.2 固井射孔工艺井身结构 100 
4.2 地质条件与成井工艺选取 103 
4.2.1 地质条件 103 
4.2.2 成井工艺选取 103 
4.3 成井工艺与关键技术 104 
4.3.1 大口径填砾工艺与关键技术 104 
4.3.2 固井射孔工艺与关键技术 109 
4.4 成井工艺应用及回灌效果分析 111 
4.4.1 成井工艺对水文地质参数的影响 111 
4.4.2 大口径填砾与滤水管裸孔回灌井回灌效果 115 
4.4.3 固井射孔与大口径填砾成井工艺回灌效果 119 
第5章 回灌系统设计、工艺流程与动态监测 131 
5.1 回灌系统设计 133
5.1.1 管道设计 133 
5.1.2 换热器设计 137 
5.1.3 除砂器与过滤器设计 143 
5.1.4 排气设计 146 
5.1.5 加压泵与回扬泵设计 148 
5.1.6 井口设计 148 
5.2 回灌工艺流程 150 
5.2.1 回灌工艺 150 
5.2.2 回灌流程 154 
5.3 回灌动态监测 155 
5.3.1 水位监测 155 
5.3.2 水量监测 155 
5.3.3 水温监测 155 
5.3.4 水质监测 156 
第6章 回灌系统运行、维护与保养 157 
6.1 回灌前准备 159 
6.1.1 回灌操作人员准备 159 
6.1.2 回灌系统装置检查 159 
6.1.3 回灌水源检查 160 
6.1.4 回灌井中下入潜水泵及泵管 161 
6.1.5 回灌井回扬 161 
6.1.6 回灌系统试运行 161 
6.2 回灌运行及注意事项 161 
6.2.1 回灌动态监测 162 
6.2.2 回灌系统装置维护 163 
6.2.3 回灌堵塞与处理 164 
6.3 回灌后维护与保养 189 
6.3.1 回灌井的维护与保养 189
6.3.2 回灌水源净化处理系统清洗 189 
6.3.3 动态监测系统养护 189 
6.3.4 回灌管网养护 190 
6.3.5 停灌后动态监测 190 
第7章 砂岩热储回灌工程评价 191 
7.1 回灌对热储层影响评价 193 
7.1.1 回灌水质对回灌热储层地热流体影响评价 193 
7.1.2 回灌对热储层涌水量影响评价 194 
7.1.3 回灌对热储层损害评价 198 
7.1.4 回灌堵塞评价 199 
7.1.5 回扬疏通评价 201 
7.1.6 回灌对热储温度影响评价 202 
7.2 回灌效果评价 206 
7.2.1 评价指标 206 
7.2.2 回灌效果评价 206 
7.2.3 回灌效果影响因素分析 207 
7.2.4 成井工艺影响 212 
7.2.5 热储岩性影响 217 
第8章 回灌条件下地热水可持续开采量计算 219 
8.1 地热水可持续开采量的概念 221 
8.2 可持续开采量的计算原则与计算步骤 222 
8.3 集中参数模型 223 
8.3.1 原理 223 
8.3.2 热储性质评估 225 
8.3.3 采灌均衡条件下地热水可持续开采量计算 227 
8.4 山东省德州市德城区馆陶组热储可持续开采量计算 227
第9章 典型案例 235 
9.1 禹城市回灌工程 237 
9.1.1 地热资源开发利用现状 237 
9.1.2 热储层特征 237 
9.1.3 回灌场地布局 238 
9.1.4 回灌井成井工艺 242 
9.1.5 回灌工艺流程 246 
9.1.6 回灌效果概述 249 
9.2 天津市回灌工程 261 
9.2.1 地热资源开发及回灌现状 261 
9.2.2 天津 DL 25H 和天津 TGR 26D 回灌井成井工艺 263
9.2.3 地面回灌系统建设 269 
9.2.4 回灌效果 272 
9.3 德州市回灌工程 280 
9.3.1 地热资源开发及回灌现状 280 
9.3.2 热储层特征 281 
9.3.3 回灌场地布局 284 
9.3.4 成井工艺 286 
9.3.5 回灌工艺流程 288 
9.3.6 回灌效果概述 288 
9.4 武城县回灌工程 298 
9.4.1 地热资源开发及回灌现状 298 
9.4.2 热储层特征 299 
9.4.3 回灌运行 301 
9.4.4 回灌对比分析 316 
9.4.5 回灌效果概述 320 
结束语 321 
参考文献 323
索引 326

《砂岩热储工程技术与应用》是“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”的一个分册。本书系统总结了 20 余年来砂岩热储勘查研究和地热尾水回灌领域的创新成果,建立了地热尾水回灌和维护保养的关键技术体系,提出了地热水可持续开采量的概念、计算原则与计算步骤,并辅以若干回灌工程和地热田可持续开采量计算实例,对实现地热田“采灌均衡、可持续开发”具有较强的参考借鉴价值。《砂岩热储工程技术与应用》内容丰富、层次清晰、图文并茂、注重创新，可供地热能勘查、开发利用与回灌领域的科学研究人员和工程技术人员使用,也可作为高等院校相关专业的参考用书。

在“碳达峰 碳中和”目标背景下，中国地热能开发利用进入了一个高质量、规模化快速发展的新时代。“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”正是在这样的大背景下应时应需地出笼的。 
丛书由中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和教授担任总主编，由中国科学院汪集暘院士、贾承造院士，中国工程院马永生院士、多吉院士、武强院士担任学术顾问。各分册的主编来自吉林大学、天津大学等高校和北京市工程地质研究所、北京市地质矿产勘查院、天津地热勘查开发设计院等相关院所，都是地热能开发利用领域的领军人才。 
丛书的编写以能源领域国家重大战略规划为指引，以地热能开发利用产业高质量发展为目标，服务从事地热能勘查、开发和利用实际工作的工程技术人员和项目管理人员。丛书基于三横四纵的知识矩阵进行布局：在横向上包括了浅层地热能、中深层地热能和深层地热能；在纵向上，从地热勘查技术，到开采技术，再到利用技术，以及项目管理。 
当前，国家对“十四五”期间地热能的发展纲领已经明确，2023年第七届世界地热大会即将在北京召开，中国地热能产业正在大步迈向新的发展阶段，其必将推动中国从地热大国走向地热强国。本丛书的出版将为我国新时代的地热能产业高质量发展以及国家能源转型、应对气候变化和建设生态文明战略目标的实现做出贡献，为中国地热献礼。 
1.本书是国家出版基金、“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划、上海市促进文化创意产业发展财政扶持资金项目——“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”的分册之一。 
2.本书总结了作者团队多年来在砂岩热储勘查研究和地热尾水回灌领域创新成果，内容涵盖多项科技项目研究成果，原创性突出、实践效果好、指导性强。 
3.本书系统阐述地热尾水回灌的关键技术体系，分析地热水可持续开采量的计算步骤，覆盖全面、论述系统，既有理论分析，又辅以计算实例。 
图书装帧精美，全彩印刷，清晰展现砂岩热储工程技术成果，颇具收藏价值。