北京城区地热田某地热井开发与利用方案探析

北京城区地热田某地热井开发与利用方案探析
鞠凤萍;赵肖冰;郭密文;林叶
【摘要】Geothermal resources,which have features such as clean and efficiency,are increasingly widely exploited and utilized. Through analyzing the survey and development of geothermal resources in Beijing area,the paper discussed on exploitation and utilization as well as supply and demand situation of a geothermal well in Beijing city geothermal field. On the basis of calculating water supply volume and economic evaluation,which also considering the relationship between geothermal resources exploitation and environmental protection,it put forward reasonable and orderly use of exploitation and utilization program of the geothermal well to ensure the sustainable utilization of geothermal resources in Beijing area.%地热资源因具有清洁、高效等特性而被日益广泛开发利用.通过分析北京地区地热资源概况及发展现状,对北京城区地热田某地热井开发利用与供需情况进行探讨,计算项目用水量并进行经济评价,同时考虑地热资源开发与环境保护的关系,提出科学合理、有序利用的地热井开发与利用方案,以确保北京地区地热资源实现可持续利用.
【期刊名称】《中国矿业》
【年(卷),期】2016(025)0z1
【总页数】7页(P259-264,267)
【关键词】地热田;地热井;开发与利用方案
【作者】鞠凤萍;赵肖冰;郭密文;林叶
【作者单位】中国地质大学 (北京)水资源与环境学院,北京 100083;北京航天勘察
设计研究院有限公司,北京 100070;北京航天勘察设计研究院有限公司,北京100070;北京航天勘察设计研究院有限公司,北京 100070;北京航天勘察设计研究
院有限公司,北京 100070
【正文语种】中文
【中图分类】TK529
地热是来自地球深部的一种能量资源。

在当前技术经济和地质环境条件下，能够科学合理地开发出来的地壳岩石和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分叫做地热资源[1]。

根据地热能的储存形式可将地热资源分为5大类，分别是蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型。

地热能是一种清洁能源，具有可再生性，开发前景十分广阔。

北京地区地热资源的勘探开发开始于20世纪50年代，70年代开始进入大规模的开发利用阶段，先后发现了四条地热带，即怀来-延庆地地热、温泉-沙河-小汤山
地热带、良乡-城区-天竺-李遂带和榆垡-凤河营地热带，按地质构造划分为延庆、沙河、小汤山、良乡、城区、天竺、后沙峪、李遂、双桥和凤河营十个地热田[2]。

勘查区在北京市丰台区卢沟桥乡小瓦窑村南，位于北京城区地热田内，地势西北高、东南低，呈阶梯下降，西部主要为山区，东部为平原。

冬季受高纬度内陆季风影响，寒冷干燥；夏季受海洋季风影响，高温多雨，是典型的暖温带半湿润季风型气候。

永定河自北而南由流经本区，地下水和地表水的可用量为1.07亿m3。

勘查区北
侧有吴家村路，东侧有玉泉路南延的小屯路，东距西四环中路约1.5km，南距G4京石高速公路约1.0km，北距西长安街延长线玉泉路约1.0km，西距五环路约
3.0km，交通十分方便。

勘查区内成功钻凿地热井1眼，成井深度3350.60m，标高为4
4.60m。

1.1 勘查区地热地质条件
1.1.1 地层情况
根据岩屑录井、岩矿鉴定、钻时录井和地球物理测井资料综合分析研究，本井自上而下钻遇地层如下所述。

第四系(Q)：0.00～47.00m，岩性主要为亚砂土、亚黏土夹砂砾石，厚度47m，与下伏地层不整合接触。

新近系(N)：47.00～618.00m，岩性主要为棕红色泥岩、砂质泥岩、含砾泥岩及砂岩，视厚度571m，与下伏地层不整合接触。

白垩系(K)：618.00～870.00m，岩性主要为粉砂质泥岩、含砾岩屑砂岩、泥质粉砂岩、安山质凝灰岩及火山角砾岩，视厚度252m，与下伏地层不整合接触。

侏罗系(J)：870.00～2424.00m，岩性主要为安山岩、岩屑砂岩、铁质粉砂岩、英安岩，视厚度1562m，与下伏地层不整合接触。

蓟县系(Jx)：2424.00～3350.60m，岩性主要为白云岩、沥青质白云岩、泥质白云岩、硅质岩。

1.1.2 储层特征
地热井储层为蓟县系雾迷山组白云岩。

根据测温曲线，蓟县系岩层顶板处温度48.18℃，3300m处温度60.55℃，地温梯度约为1.41℃/100m。

1.1.3 盖层特征
本地热井钻遇地层中：第四系的亚黏土层、新近系的泥岩、白垩系的泥岩、侏罗系的安山岩均属保温盖层，详见盖层地温变化表(表1)。

1.2 地热水水质评价
地热井用专用水样瓶取水样，由相关实验室对水中52项热矿泉水项目进行分析，
依据水质化验报告对地热水予以评价。

依照《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)中的理疗热矿泉水水质标准，对本井地热水水质进行评价，见表2。

从表2中可以看出矿化度及水温达到理疗热矿水命名标准，可命名为淡温泉水；
偏硅酸含量达到有医疗价值浓度和矿水浓度，属于弱碱性、微硬度的淡温泉水。

随着技术发展和需求的增加，以及勘探程度的提高，北京市浅层地温能技术日趋成熟，发展迅速[3]。

目前已开发的地热资源主要用于采暖、洗浴、医疗保健、休闲
娱乐、温室种植、水产养殖方面，并已形成一定的规模。

目前全市已建成数百万平方米用于供暖及制冷的地源热泵系统，达北京市建筑物面积的5%以上。

2000年
以后，随着全市地热开发程度不断提高，地热水位持续下降，回灌技术真正进入试验阶段，并逐渐成为地热资源保护的重要内容[4]。

2.1 地热资源直接利用
北京市对地热资源的开发利用正逐年增长，开发利用单位200余家，设备取水能
力已超过6000m3/h，年开采地热水总量已达1000万m3，换算成热能，可替代燃煤近9万t，相当于减少了因燃煤产生的CO2、SO2、粉尘等大气污染废气排
放量20余吨，相当于替代或减少锅炉100余台，环境效益十分显著。

2.2 利用热泵技术开发地热资源
按热源形式，可将热泵分为三种，分别是空气源热泵、水源热泵、地源热泵。

地源热泵是指利用土壤或地下水的低温位热能和它们的蓄热性能的一种热泵系统，最早于1912年由Zoelly提出这一概念[5]。

美国从1946年开始对地源热泵系统开展
研究，并在俄勒冈州成功运行了第一台地源热泵系统[6]。

地源热泵作为一种重要的清洁能源技术，对于“绿色北京”城市建设与生态环境改善紧密结合的发展战略，巩固扩大绿色奥运的成果，积极应对冬奥会绿色理念，把发展绿色经济和建设低碳城市作为首都未来发展方向有重要的指导意义。

北京市相
关部门都非常重视，在积极实践的基础上，完成了相关方面的资源调查评价、规划关键技术研究以及评估等科研工作，并取得良好效果。

例如典型性代表项目——用友软件园项目，利用热泵技术，以地埋管热泵及配套设备组成一个占地近50多万平方米的综合绿色能源系统，实现了资金和资源的同时节约，每年节约经费400万元，在当代万国城地埋管地热供暖项目中，实现了20余万平方米的能耗等同于普通建筑的10万m2的能耗，节约了近1倍的能源。

截至2005年，北京市浅层低温能利用面积达到800万m2，有500万m2的建筑利用地源热泵系统进行供暖和制冷，并每年以15%～20%的速度增长。

2.3 地热回灌技术的应用
随着北京市地热资源开发规模逐渐增大，全市的地热水位呈现出逐年下降的趋势，地热资源面临枯竭。

为此，北京地区从20世纪70年代末开始进行地热回灌试验和研究，以期增加人工补给，缓解水位下降问题[7]。

从20世纪70年代末在天坛公园用自来水向地热井回灌、崇文门旅馆用冷水井抽出来的水向地热井回灌，年回灌量只占城区年开采量的1%的探索阶段。

到2000年以后的以小汤山热田、电信疗养院实施的供暖尾水同层对井回灌的试验阶段。

发展至今，地热回灌工作已在北京东南、西北、延庆、良乡、李遂、天竺等地热田得到广泛推广，地热田的灌、采率突破50%。

小汤山热田的示踪实验表明，在具有良好连通性的上下地层间，低温水在流动过程中被热储加热至其平衡温度，因此回灌水流向开采井后并不影响开采井的出水温度。

目前北京地区实施地热回灌单位达40余家，年回灌量突破300万m3，实现生产性回灌规模。

我国对地热资源的利用一直在稳步推进，“十二五”期间，为应对全球气候变化与资源环境约束的新挑战，全面建设“绿色北京”，提出了创新产业发展绿色组织模式，深入调整能源结构，加快推广应用可再生能源，重点推进地热能的开发，利用加大地热能等新能源产业关键技术研发及工程服务的发展力度等几大地热资源发展
方向。

“十三五”期间，我国预计新增完成地热供暖面积9.5亿m2，其中地源热泵新增7亿m2，常规地热供暖新增2.5亿m2，至2020年实现全国地热供暖面积14.5亿m2。

通过几十年的勘查工作，按照地热勘查规范评价计算，北京平原具有地热资源开发利用条件的范围内，3500m深度以内储存的资源总量约500.772×1015kJ；储存的地热水总量179.73亿m3，所含热量3772.49×1015kJ；按储存地热水总量的0.45%计，每年可开采的地热水总量约8087.85万m3，可利用热量
16.98×1015kJ。

有关数据显示，目前已开发利用不足储层中储存总热量的万分之一，表明了北京地区地热资源具有可持续利用的巨大潜力。

为科学合理地开发利用地热资源，实现经济社会可持续发展，特编制了地热资源开发与利用规划。

4.1 允许开采量
根据勘查报告，本项目勘探区热储层主要为蓟县系雾迷山组白云岩，日出水量达668.13m3/d，年出水量约24.4 万m3/a，出水温度为48℃。

依据《中华人民共和国矿产资源储量登记证》，本地热井允许开采量为400 m3/d。

由于本项目热水中矿化度及水温达到理疗热矿水标准，偏硅酸含量达到有医疗价值浓度和矿水浓度标准，因此，拟将本井地热水用于职工宿舍生活用水、温泉酒店洗浴及生活用水。

4.2 地热利用工艺流程
根据地热井地热水水质分析，水中含有多种人体必需的有益元素，但由于铁、锰等着色和有味成分的存在，需要对地热水进行水处理，除掉着色有味的成分，使得洁具不至于染色而影响美观，这样提供的地热水需通过水处理后再直接使用；使用过的尾水需经过水处理达到排放标准时供绿化、洗车、灌溉及冲洗厕所等使用，多余部分直接排入市政污水管道。

地热水由深井潜水泵提升，经井口装置后进入旋流除砂器，除去来自热储层中的岩粉、岩屑及砂粒等固体颗粒，避免堵塞损坏管道及设备。

除砂后的地热水进入曝气反应器，在这里气、水充分混合，空气中的氧气将地热水中易溶解的Fe2+氧化成难溶解的Fe3+，形成Fe(OH)3胶状悬浮物，同时通过喷淋传质，地热水中的
H2S气体在曝气反应器中析出，通过离心式风机排出室外，避免了H2S气体散发室内而对人体及设备造成危害。

氧化反应后的地热水经过提升泵加压进入水处理过滤器，将Fe(OH)3悬浮物及其他不溶性杂质过滤掉。

过滤后的地热水进入热水箱，经变频恒压输水泵供各用水点使用。

除砂器、曝气反应器及水处理设备进行防腐处理，管道和设备进行保温，最大限度地降低热量损失。

当过滤器进、出水管压差达到约4m水柱时进行冲洗。

地热水经过处理后，其中的Fe≤0.3mg/L，Mn≤0.1mg/L，无H2S气体，无臭无味，浊度、色度均达到洗浴等生活用水要求。

4.3 节能节水措施和装置
1)地热井水处理站房内采用辅助加热系统对生活热水蓄热箱进行加热。

当生活热水蓄热箱中的温度达不到使用要求时，运行辅助热源对生活热水蓄热箱进行加热，避免了采用“先排掉水箱内部分低温水，再补充地热水”的补热方式而造成的地热水浪费，因此达到了节约使用地热水、合理使用地热水的目的。

2)为了更加节约利用地热水资源，在室内泳池的池底设计采用埋设循环加热盘管的方式，盘管中的循环热水由辅助热源提供，从而最大程度的保持水温，因此大大减少地热原水的使用量。

3)站房设备选用先进的高效节能型设备，同时潜水泵采用变频控制，根据实际用水量调节出水量的大小，减少地热水的浪费。

4)热水输送管道为衬塑镀锌钢管，具有强度高、耐高温、无渗漏以及卫生无污染的特点。

机房内供热设备，热水管道使用NBR/PVC黑色发泡橡胶进行保温，外设镀
锌铁皮或铝箔进行保护。

4.4 项目用水量计算及经济评价
按照设计开发利用方案，本着尽量减少对本区域管网设施的影响及重复建设，现拟“就地开发、就地利用”，努力减少管线穿越道路及勘查区。

这样不仅能有效降低建设费用而且可有效降低能源输送成本和热量损失。

依据《中华人民共和国矿产资源储量登记证》，本地热井允许开采量为400m3/d。

拟将地热水资源用于以下项目：①职工宿舍；②温泉酒店。

根据设计估算，两个项目最大取用水量约392.15m3/d，小于允许开采量，因此本区地热年开采最大地
热量拟定为14.31万m3/a，平均日用水量按照最大取用水量的70%测算，用水
量约274.51m3/d，年总用水量为10.02万m3/a。

4.4.1 职工宿舍项目
4.4.1.1 热水用量计算
职工宿舍总建筑面积9000m2，地上五层。

根据职工宿舍设计规划，地热水拟用
于职工宿舍洗手池、洗浴等生活用水。

按照《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003 2009年版)中建筑热水用水定额计算(表3)，职工宿舍最高用水量
约288.75m3/d，平均日用水量按照70%测算，则实际日用水量约202.13m3/d，年总用水量为73777.45m3/a。

4.4.1.2 职工宿舍项目经济评价
1)投资费用测算见表4。

2)销售收入测算见表5。

3)运行成本见表6。

4)经济评价。

由上述计算分析所知，职工宿舍房租收入1825万元，年运行成本365.4万元，年税前利润为1825-365.4=1459.6万元。

本项目投资5946万元，
税前静态回收期为5946÷1459.6≈4.07年。

本项目虽然投资回收期较高，回报率
较高，并且能解决职工住宿生活问题，为职工提供有理疗作用的地热水做为生活用水，增强员工身体健康，为职工生活提供方便，提高职工对企业的认可度，从而增强企业凝聚力，因此项目可行。

4.4.2 温泉酒店项目
4.4.2.1 热水用量计算
拟建设温泉酒店总建筑面积9000m2，其中客房6000m2(约200套)、娱乐中心600m2、温泉泡池及游泳1200m2、餐厅800m2、办公用房及其它400m2。

根据酒店设计规划，地热水拟用于酒店生活热水、温泉洗浴及游泳三个方面。

按照《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003 2009年版)中建筑热水用水定额计算(表7)，温泉酒店最高用水量约103.4m3/d，平均日用水量按照70%测算，则实际日用水量72.38m3/d，年总用水量为26418.7m3/a。

4.4.2.2 温泉酒店项目经济评价
1)投资费用测算见表8。

2)销售收入测算见表9。

3)运行成本见表10。

4)经济评价。

由上述计算分析所知，温泉酒店项目年销售收入4270.5万元，年运行成本1857.83万元。

年税前利润为4270.5-1857.83=2412.67万元。

本项目投资7827万元，税前静态回收期为7827÷2412.67≈3.24年。

本项目投资回收期较短，回报率高，项目可行。

5.1 地热井保护区的划分
为确保本地热井的地热水资源能长期稳定开发利用，须建立以本地热井为中心的权益保护范围区。

利用开采影响半径公式计算其开采权益保护半径，见下式。

式中：Q为地热井产量(m3/d)，在此取允许开采量400m3/d；f为水比热/热储岩石比热的比值，取4.54；H为热储层的厚度(m)，926.60m；R为地热井开采100
年排出热量对热储的影响半径(m)。

现按本地热井的允许开采量400m3/d，根据上式求得R=389.72m，考虑井间干扰，本地热井的单井开采权益保护半径取500m。

根据以上计算，划定保护区范围。

5.2 地热水排放对地质环境影响及控制措施
5.2.1 对地质环境的影响
1)参照《污水综合排放标准》(GB8978-1996)，低氟地区(水体含氟量<0.5mg/l)
氟化物排放应含量低于10mg/L，地热尾水温度应低于36℃。

本井地热井热矿水
中氟含量为0.82mg/L，远远低于10mg/L，且温泉、洗浴等生活用水废水降至30℃以下，符合污水综合排放标准。

参照《地热资源评价方法》(DZ40-85)，本项目采取的地热水中各有害物质浓度均远远小于地热水最高允许排放浓度(表11)，达到排放标准，允许直接排放，不会
对环境造成危害。

2)地热井地下热水允许开采资源量为400m3/d，规划生产能力日用水量约
274.51m3/d(年用水量约10.02万m3/a)，未出现超采现象，由地下热水过度开
采引发地质灾害危险性小。

3)地热井开采影响半径约为389.72m，且以本井为中心，2.5km半径范围以内无
其它地热井，对其他企业地热水开采影响很小。

4)地热井采取的为深度地热水资源，地热水开采不会造成水土流失、土壤污染等环境地质问题，且占地面积极小，地热水开发利用中对土地资源影响程度小。

5)地热井周边无地质遗迹、地质地貌景观保护区，除居民宿舍楼外，多为道路和社区绿化，地形平坦，地质地貌景观完好；日后的规划中无大规模的地面开挖活动，对地质遗迹及区内地质地貌景观影响程度小。

5.2.2 环境保护措施
1)地热井出水温度较低，其CO2、H2S非凝气体的含量较低。

2)由于职工宿舍和温泉酒店项目地热水利用后原水受到污染，本项目建设了配套中水处理及回用设施，所有使用后的污水均进行中水处理，处理后中水回用于冲厕、绿地灌溉、洗车等方面，剩余部分再排入市政污水管网。

地热资源因具有清洁、高效等特性而被日益广泛开发利用。

北京地区已探明的十个热田内贮藏着丰富的地热资源。

但是只有在科学合理开采的前提下，地热资源才能被称之为“可再生资源”。

在“绿色北京”建设背景下，根据北京地区地热资源开发利用现状，在鼓励地热资源开发，重视地热资源综合利用的同时，应提倡规模化开发，加强地热资源矿业管理，为开发与利用提供科学依据；注重环境保护，合理布局，统一规划，市场引导发展，充分发挥地热资源可持续发展的优势，为“绿色北京”城市建设发展做出贡献。

1)本地热井在北京市丰台区卢沟桥乡小瓦窑村南，位于北京城区地热田内，本井自上而下钻遇地第四系、新近系、白垩系、侏罗系、蓟县系地层，储层为蓟县系雾迷山组白云岩。

2)矿化度及水温达到理疗热矿水命名标准，可命名为淡温泉水。

偏硅酸含量达到有医疗价值浓度和矿水浓度；属于弱碱性、微硬度的淡温泉水。

因此，拟将本井地热水用于职工宿舍生活用水、温泉酒店洗浴及生活用水。

3)本地热井允许开采量为400m3/d，按照地热用水性质及地热水利用工艺流程，设计用水量为274.51m3/d，小于允许开采量。

4)为科学合理地开发利用地热资源，实现经济社会可持续发展，编制地热资源开发与利用方案。

按照开发与利用方案的经济评价，用于职工宿舍生活和温泉酒店洗浴的热水资源投资回收期分别为4.07年和3.24年，具有较高的经济效益，同时对企业自身和社会具有较高的社会效益。

5)为确保本地热井的地热水资源能长期稳定开发利用，建立以本地热井为中心的权益保护范围区，本地热井的单井开采权益保护半径取500m。

并
注重加强对地热井周边环境的保护措施，如建设配套中水处理及回用设施等。

【相关文献】
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