深井钻孔换热器在高盐度地热资源中的技术可行性论证：西宁盆地3000米现场案例

《Energies》：Demonstrating the Technical Feasibility of Deep Borehole Heat Exchange in High-Salinity Geothermal Resources: A 3000 m Field Case in the Xining Basin

　　

高盐度地热资源的开发受腐蚀、结垢及高水处理成本制约，对常规水热系统构成严峻挑战。深井钻孔换热器(DBHE)技术通过不采水取热、避免与高盐度流体接触，提供了一种可行替代方案。研究人员在西宁盆地SQ-1井（井深超3000米）开展同轴DBHE现场试验，靶向其“浅部高盐度含水层+深部高温低渗基底”双层结构。结果显示，深部元古界变质基底渗透率极低（10?8 cm/s），井底温度113 °C，平均地温梯度3.39 °C/100 m，确认为稳定固体热源。稳态运行下单位井深取热率平均150 W/m（144–155 W/m，不确定度约±3 W/m）。流量存在边际效应：40增至50 m3/h时取热仅增1.5%，表明存在阈值流量区间。13天试验中未见采水、腐蚀或结垢，确认了测试条件下系统的短期运行可靠性。本研究验证了将取热目标下移至深部低渗基底以规避高盐度问题的思路，为全球类似区域清洁地热利用提供科学依据。

研究背景方面，全球能源低碳转型背景下地热作为稳定清洁基荷可再生能源受关注，但高盐度地热流体引发设备腐蚀、结垢及尾水处理成本高，严重制约中低温水热项目商业化，中国西北西宁盆地即典型高盐度（TDS 1.85×10³–4.80×10⁴ mg/L，SO₄·Cl-Na型）难开发区。常规水热系统面临腐蚀结垢与回灌难题。DBHE以“无采水取热”通过井筒同轴套管内循环工质与岩体换热，隔离周边地热流体，规避水质问题。既有DBHE示范多集中于德国Prenzlau、瑞士Weggis、中国青岛等<2000 m或具渗透性储层，对>2500 m、>100 °C低渗结晶基底传热行为与短期运行特征现场证据有限，西宁盆地具“浅高盐含水层+深高温低渗变质基底”独特条件，遂选作研究区验证下移取热概念。论文发表于《Energies》。

关键技术方法上，研究人员依托西宁盆地中央隆起带SQ-1勘探生产井（总深3012 m，三开井身，?244.5 mm N80防腐套管+高导热水泥固井），构建井下同轴双管闭环换热器（中心真空钢管?137×101 mm，外套管至3000 m，中心管至2980 m）与地面变频泵—闭式冷却塔—储液罐闭环；布设分钟级高精度多点监测（流量±0.5%、温度±0.1 °C）；按Li等标准方法分四阶段：准备保压、平衡温度测井（40 m³/h低流态至24 h温变<0.1 °C）、多工况连续传热测试（40→50→45 m³/h三流量稳态各采末4 h均值）、收尾。性能以Q=cρQ_vΔT、q=Q/H核算，并做B类仪器不确定度（q约±3 W/m）与A类统计离散度评估，地表管损按圆柱导热模型估为0.76 kW（可忽略）。

研究结果部分，2 区域地质与SQ-1井特征表明，西宁盆地处中祁连岛弧隆起带，SQ-1井0–45 m第四系、45–810 m新近–古近系泥砂岩夹膏盐（盖层）、810–1610 m白垩–侏罗系含水层（62–77 °C，高盐）、1610–3012 m元古界千枚岩板岩（77–113 °C，渗系数2.07×10^?8–7.07×10^?8 cm/s，热导1.280–2.226 W/(m·K)），井底113 °C、地温梯度3.39 °C/100 m，确认深部为传导主导固体热源。3 材料与方法如上。4.1 初始地层温度：平衡测井出口稳于70.2 °C，反演等效换热深约1740 m，与变质基底顶界一致。4.2 动态响应与稳态性能：40 m³/h稳态Q=459±9 kW（ΔT 9.9 °C）、50 m³/h Q=466±9 kW（ΔT 8.0 °C）、45 m³/h Q=433±9 kW（受前序50工况热历史累积冷却偏低的433 kW非本征值），单位井深q=144–155 W/m；流量+25%取热仅+1.5%，因ΔT压缩抵消流量增益，热阻排序为围岩传导>井筒传热，受岩体热导限制而非井内对流；13天供温稳于48.3±0.3 °C，线源模型估热影响半径达10 m需4–5年，单采暖季无热突破。4.3 地质约束：深部低渗千枚岩板岩无地下水对流，纯传导规避高盐腐蚀结垢；浅储层模拟仅20–100 kW（25–125 W/m），深基底实测459–466 kW（330–335 W/m），证明下移取热增效主因更高温度与更大换热厚度；DBHE适用边界受地温梯度与有无对流控制，150 W/m为连续运行经验上限，本文144–155 W/m近限。

讨论部分指出，高盐度含水层TDS高达4.8×10⁴ mg/L使常规系统腐蚀结垢与回灌压力高，DBHE闭式循环不接触地层水从根源消除该风险；流量边际效应与冷却塔回水>40 °C共同表明瓶颈在地面冷源而非井下，后续应以水源热泵替代冷却塔将回水降至20–30 °C，模型预测井下可取650–750 kW、终端供热866–1000 kW（289–333 W/m）；45 m³/h异常值归因为顺序工况热历史而非本征流率响应；13天数据仅覆盖早期瞬态，长期热突破需全采暖季监测；未来可试间歇运行或水力压裂/酸化刺激基底引入强制对流。

结论翻译：本研究在青海西宁盆地超3000 m SQ-1井开展同轴套管DBHE现场试验，应对高盐度地热开发腐蚀结垢挑战。地层表征显示3000 m处113 °C、梯度3.39 °C/100 m、近线性增温，属传导主导；平衡测井出口稳70.2 °C，反演等效深约1740 m。40–50 m³/h内单位井深取热144–155 W/m（±3 W/m），启动72 h内由速冷转传导平衡；受冷却塔散热限回水>40 °C，流量+25%取热仅+1.5%，证实地面冷源为瓶颈。取热靶层由浅高盐含水层下移至深低渗变质基底，根本规避腐蚀结垢与尾水处置。13天无采水无结垢，为全球中深高盐低渗基底清洁地热提供首例3000 m闭环现场证据。后续建议全采暖季长监与以水源热泵替冷却塔量化极限能力。