地 质 科 学 技 术 奖 一 等 奖 推 荐 书

公布名

天津东丽湖深部地热探测科技创新与找热突破

主要完成人

李胜涛，贾小丰，宋志彬，郝文杰，岳冬冬，吴海东，龙慧，冯波，张秋霞，冯昭龙，和国磊，程正璞，姚亚辉，宋健，潘建永

主要完成单位

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心

中国地质科学院勘探技术研究所

吉林大学

推荐单位

（盖章）

中国地质调查局

水文地质环境地质

调查中心

成果名称可否公布

可

密级

非密

定密日期

2021年09月16日

保密期限（年）

——

定密审查机构

中国地质调查局水文地质环境

地质调查中心

学科分类名称

1

地球科学

2

地质学

3

地质学其他学科

任务来源

科技部国家重点研发计划项目

自然资源部地质调查项目

项目名称、编号、基金名称：

国家重点研发计划“深部地热资源动态评价方法与储层改造增产关键技术”（2018YFC0604305）；

自然资源部地质调查项目“天津潘庄凸起构造区地热资源调查”（DD20179621，DD20179622）；

自然资源部地质调查项目“京津石地热资源调查”（DD20179032，DD20179033）；

授权发明专利（项）

13

授权的其他知识产权（项）

1

项目起止时间

起始：2017年1月1日

完成：2021年8月1日

项目立项背景：

党的十九大报告中明确提出，要推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。在保障能源资源安全、经济高质量发展和生态环境保护的三重压力下，寻找并开发利用新型清洁能源是关系国计民生和社会可持续发展的紧迫任务。地热资源作为清洁能源的重要组成部分被寄予厚望，特别是京津冀地区，地热资源开发利用被视为支撑清洁取暖、缓解大气污染的重要措施，已成为推进能源结构转型、实现碳达峰、碳中和的重要途径。

2016年以来，天津市对地热资源的勘查开发提出明确需求。《天津市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确提出“加快能源结构调整”，“不断提高清洁能源比重”，“加强太阳能、地热能、风能、生物质能开发利用”等要求。2017年，天津市发改委颁布了《天津市供热发展“十三五”规划》，对地热资源提出更加明确的要求：明确新建住宅优先采用地热供暖；要求采用改燃并网、改地热或改电锅炉等方式淘汰23座燃煤供热站；对主城区、滨海新区、远郊五区等新增深层地热供热面积进行了明确的要求；提出到2020年新投放120个深层地热矿业权的规划。

2017年以来，为贯彻落实习近平总书记关于“推进北方地区冬季清洁取暖”的重要指示和2017年政府工作报告“坚决打好蓝天保卫战”的要求，有效缓解京津冀地区雾霾严重局面，支撑服务京津冀协同发展国家战略，支持服务天津、雄安新区等地地热资源科学勘查开发。自然资源部中国地质调查局组织开展了京津冀地热调查科技攻坚战。主要目标是“围绕京津冀地区地热清洁能源勘查开发需求，通过科技攻关，为京津冀地区地热规模化、持续高效利用提供关键技术支撑，为节能减排、雾霾防治提供地热清洁能源保障，支撑打造采灌均衡、深浅联用、清洁高效、持续开发的地热资源利用全球样板”。

作为京津冀地热调查科技攻坚战的重要组成部分，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心牵头，联合中国地质科学院勘探技术研究所，吉林大学等单位，依托“深部地热资源动态评价方法与储层改造增产关键技术”（编号2018YFC0604305）；地质调查项目“天津潘庄凸起构造区地热资源调查”（编号DD20179621，DD20179622）和“京津石地热资源调查”（编号DD20179032，DD20179033）等项目，支撑中国地质调查局京津冀地热科技攻坚战“在3-6km深度范围内，开辟地热资源第二空间，新增地热可持续利用量折合标准煤每年1-2亿吨”预期成效的实现。

研究目标：

1.以天津市东丽湖地区所在的潘庄凸起构造区为重点区，开展地热地质调查，提高研究程度，基本查明地热地质条件，提高资源保障程度和资源储备，圈定勘查开发有利靶区；

2.聚焦3-6km深部热储第二空间，实施地球物理探测和地热参数井钻探，攻关深部地热探测技术，实现找热突破；

3.开展深部热储探采试验，攻克深部岩溶热储改造增产关键技术，并在4000m深井试验验证，实现单井增产不低于20%；

4.开展地热资源动态评价方法研究，提升地热资源评价精度，构建非均质条件下热储—井筒全流程动态评价技术；

5. 创新浅、中、深层地热资源动态监测技术装备体系，获取长周期动态监测数据，分析热储温度、压力动态变化规律，研究地热规模化开发对地表形变的影响；

6.支持自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心和中国地质调查局华北地质科技创新基地建设；提出天津东丽区深部地热资源勘查开发规划建议；建成地热资源调查评价创新技术团队1支，培养地质人才。

主要创新成果：

1.建立京津冀深部地热成藏理论，在天津东丽湖探获高产能新储层，取得温度、出水量全新认识，开辟深部热储第二空间。

2.形成大深度、高精度、抗干扰深部热储地球物理探测技术，实现6km以浅深部热储精细刻画和储层预测。

3.研发深部破碎、漏失地层安全高效钻探技术工艺和复杂地层取心钻进工艺。

4.创新建立浅、中、深、多参数地热监测技术、装备、标准体系，有效提升我国地热资源动态监测技术水平。

5.创新形成深部地热资源动态评价技术方法，实现深部热储非均质条件下动态评价，有效提升评价精度。

6.突破形成深部岩溶热储改造增产关键技术，并在4km深井成功应用，实现单井增产超过50%，入选中国地质调查局十三五百项技术。

7.研究地热资源规模化开发对地面变形的响应机制，定性与定量相结合，分析地面变形对地热规模化开发的响应，建立地热资源规模化采灌对地质环境的影响机制和评价技术。

应用情况：

1.开展地热资源储量评价，摸清资源家底，提升地热清洁能源保障能力，深部地热成藏理论支撑深部找热实现突破，有效证实当前主力开采层位下部发育高产能新储层。

2.精准对接天津地热管理需求，深部地热勘查评价成果及时移交政府部门，有效服务天津地热精细化管理与科学开发利用，支撑地方绿色发展。

3.高效支撑服务中国地质调查局华北地质科技创新基地和地热能勘查开发工程中心建设。

4.撬动中央财政投入，成果申报自然资源部地质调查2项，落实中央财政资金8010万元。

5.加速五大平台立项，成功申报国家重点研发项目、课题、子课题各1项，落实研究经费1200余万元。

6.基于地热地质调查成果，对接服务社会需求，初步具备全产业链条成果转化服务能力，实现成果转化收入700余万元。

1.建立京津冀深部地热成藏理论，在天津东丽湖探获高产能新储层，取得温度、出水量全新认识，开辟深部热储第二空间。

总结了京津冀深部一元聚热、二元热结构和三元汇热的地热成因规律，一元聚热是指天津市属上地幔隆起区，地壳相对较薄；深部地慢热源相对较浅，深层热量易向上部热储传导。二元热结构是指天津市热源主要由两部分组成，一个是地幔热流，其热量来自深部地幔；另一个是地壳热流，其热量来自中-下地壳Ｕ、Th、Ｋ等放射性元素的衰变。三元汇热包括构造汇热、深大断裂导热和盖层保热。以此指导实现深部找热突破，在天津东丽湖施工CGSD-01井，终孔深度4051.68米，井底温度105℃，井口出水温度100℃，单井涌水量每天3120立方米，成为当时深度最大，产能最高的地热井，地热参数井的成功实施对蓟县系雾迷山组二段热储层的富水性和水温取得全新认识，显示出良好的资源前景，有力证实了天津地区主力开采层下存在高产能新储层，支撑京津冀地热开发实质性迈向新的深部空间。

2.形成大深度、高精度、抗干扰深部热储地球物理探测技术，实现6km以浅深部热储精细刻画和储层预测。

在天津东丽湖地区，首次将大功率时频电磁法引入地热资源勘查领域，探索强干扰条件下，大深度、高精度地球物理探测方法。开展深部隆起区二维地震探测关键技术研究，优化激发参数和接收参数，改进数据采集方法，有效提高探测精度。形成震电结合的深部热储地球物理探测技术，经与钻探资料和测井数据的对比分析，实现6km以浅深部储层精细探测，初步实现储层预测，为京津冀深部地热探测提供技术支撑和经验等。

3.研发深部破碎、漏失地层安全高效钻探技术体系和复杂地层取心钻进工艺。

钻探技术体系为：①2000m以浅，螺杆马达加转盘复合钻进；②2000～3000m中硬地层，采用PDC钻头配合螺杆钻具；③2000～4000m破碎漏失的硬岩层，采用特殊保径的高速牙轮钻头，配合塔式钻具组合+低密度泥浆+与泵量匹配的优化钻进参数。CGSD-01和CGSD-02井获得多项地热钻探技术突破，实现多项天津地热钻探之最。如：天津地区钻探深度最大( 4103.48m ），取心最深（4103.28m）、取心量最大（140.78m），岩心采取率最高（85.4%）。其中，CGSD-01井实现了雾迷山组泥浆易漏失地层中大口径（Ф216mm）大深度（从2262.75m至4051.68m）穿越雾迷山组四段至二段长度达1786m的高效钻进。

针对雾迷山组地层破碎、坚硬、漏失的复杂情况，创新采用“井底动力取心钻具+可以快速稳定切削和带岩心保护结构的取心器+PDC或聚晶金刚石取心钻头”的深孔复杂地层取心技术，可有效提高破碎地层的岩心采取率。使三开前8回次的岩心采取率70%提高至后12回次的采取率91%，取心质量显著提高。攻克了大深度地热井复杂地层岩心采取率低的难题和技术瓶颈。

4.创新建立浅、中、深、多参数地热监测技术、装备、标准体系，有效提升我国地热资源动态监测技术水平。

突破深部地热动态监测技术，形成地热资源勘查技术、浅层地热能监测技术、地热资源开发利用动态监测技术和地热监测信息化技术等四类十余种监测装备，建成软硬件齐全、多参数传感、自动化采集与工程化小批量试产的地热监测技术装备体系，满足浅-中-深地热监测技术需求，推动地热监测技术自动化、智能化发展。

研发适应150℃、60Mpa温压条件的深井温度、压力、密度三参数传感器；集成研发开发井/站房流量、温度监测设备，初步小规模生产并在雄安新区实现应用；推动分布式光纤深井监测装备向工程化、小型化、高集成化发展，完成工程化样机。获批发明专利3项、实用新型专利3项。

5.创新形成深部地热资源动态评价技术方法，实现深部热储非均质条件下动态评价，有效提升评价精度。

结合东丽湖深部热储参数研究和试验数据，基于Tough2和T2Well程序，创新建立井储非均质流动耦合换热模拟方法，实现了井筒内非达西流动及储层内三维达西流动的耦合，预测了水热产出和热突破时间，为未来地热的可持续开发提供理论支撑，考虑了水文地质和传热参数非均质分布的模拟，更符合实际地质条件，形成的深部地热资源动态评价技术方法，实现深部热储非均质条件下动态评价，有效提升评价精度。

6.突破形成深部岩溶热储改造增产关键技术，并在4km深井成功应用，实现单井增产超过50%，入选中国地质调查局十三五百项技术。

研发岩热储改造增产室内实验装置，实现300℃、70MPa条件下水岩、酸岩、碱岩等作用过程的室内模拟实验，基于室内试验、理论研究、数值模拟、工程设计等方法，自主研发酸化改造缓释酸液体系，解决高温环境下酸岩反应剧烈、作用半径小等难题，具有低滤失、低反应速度、远作用距离和强非均匀刻蚀能力，清洁残留少对环境影响小，适用于中低温（小于150℃）碳酸盐岩溶热储改造增产。设计物理—化学联合强化增产改造工艺，通过酸液的化学溶蚀作用和压裂作用共同作用，酸液可同时发挥化学溶蚀和水力激发两项作用，达到扩大、压开、延伸、沟通孔隙和缝洞的目的，实现岩溶热储强化改造增产。改造增产技术在4km深井成功应用，增产效果明显，单井产能增加54%，单井涌水量从每天3120立方米提高到每天4800立方米，可为30万平方米建筑面积提供冬季供暖。开发岩溶热储改造效果评价软件，初步实现基于Windows界面的数据管理、图件绘制、参数计算、效果评价等功能。

7.研究地热资源规模化开发对地面变形的响应机制，定性与定量相结合，分析地面变形对地热规模化开发的响应，建立地热资源规模化采灌对地质环境的影响机制和评价技术。

综合理论研究、储层特征分析、岩石力学测试、InSAR监测和流体-温度-力学耦合数值模拟，定性与定量相结合，分析地面变形对地热规模化开发的响应，建立地热资源规模化采灌对地质环境的影响机制和评价技术。理论研究表明，储层地质构造和岩性特征是决定地质体能否受水位下降产生形变的关键因素，通过开展储盖层岩石水力与力学特性实验研究，筛选能够有效表征碳酸盐岩热储刚度特性的物理力学参数，为热储产生地面沉降的物质基础及力学性质分析提供研究方法；应用地热井动态监测技术获得热储的水位、温度动态监测数据，综合分析热储规模化采灌条件下的地热井动态变化规律及径流条件特征，为THM耦合数值模拟提供基础数据；采用InSAR技术开展研究区地表形变监测，分析地热开采区的地面变形特征以及相关性，可用于监测综合因素影响下的地表形变特征和趋势，为地热开采区地质环境变化提供数据支撑；基于以上数据，建立地热地质模型和数值模型，开展热储的流体-温度-力学耦合数值模拟（THM耦合模拟），预测在不同水位降深和温度条件引起的地表变形，构建基于THM耦合模拟的地热采-灌对地面变形的影响预测技术。

“天津深部地热探测科技创新与找热突破”成果是在国家重点研发计划“深部地热资源动态评价方法与储层改造增产关键技术”（编号2018YFC0604305）、自然资源部地质调查项目“天津潘庄凸起构造区地热资源调查”（编号DD20179621，DD20179622）和自然资源部地质调查项目“京津石地热资源调查”（编号DD20179032，DD20179033）等支持下完成的。以上各项目均通过科技部或中国地质调查局组织的评审验收，验收结论均为优良。基于验收结论等客观依据对成果做评价如下：

1.项目在天津东丽湖地区探获高产能新储层，是京津冀地热调查科技攻坚战标志性成果，验证了深部地热成藏理论，指导京津冀深部找热突破。

项目在天津东丽湖地区探获雾迷山组二段高产能新储层，作为京津冀地热调查科技攻坚战的标志性成果，不仅对天津、雄安等地深部找热工作具有指导意义，也为全国深部地热探测指明方向。作为成果后续项目实施的天津东丽湖CGSD-02井，雄安新区D01~D06等多口地热参数井同样获得深部找热突破，验证了深部地热成藏理论。成果在京津冀乃至全国深部地热勘查方面产生重要影响，北京、天津等地都将深部地热探测作为矿产资源规划内容。《北京地热资源规划2021-2025》中明确提出“重点勘查开采地热资源，鼓励深层地热资源供暖，推进浅层地热能资源规模化利用”、《天津市矿产资源规划2021-2025》明确提出“加强勘查空白区和深部地热资源勘查工作”、“加强地下4000~6000米深度地热勘探与开发技术攻关，探寻深部热储”。中国东部其他部分省份的地热资源规划中也提出深部地热勘查方面的相关规划。

2.首次将时频电磁法勘查引入深部地热探测工作，取得显著成效，在天津、雄安、青海等地有效应用并进一步发展。

成果首次将时频电磁法引入深部地热资源勘查工作中，取得良好的应用效果，并在天津双窑凸起构造区热储探测、雄安新区牛驼镇地热田热储结构探测、青海共和干热岩探测等方面开展有效应用并进一步发展。依托项目在地热资源探测领域应用时频电磁法的经验编写的《地热时频电磁法勘查技术规程》已经在新一轮自然资源行业标准立项。

3.项目实施的CGSD-01井打响了京津冀地热调查科技攻坚战的第一枪，创造多项天津记录，形成首批技术经验，指导京津冀多口地热深井成功实施。

项目组织实施的CGSD-01井打响了京津冀地热科调查技攻坚战的第一枪，承担了深部找热、攻关深部地热钻探关键技术等多项任务。完钻深度4051.68米，创造当时天津地区最深地热井、天津地区地热井雾迷山组获取岩心最多、地层编录最完整详实、天津地区穿越雾迷山组最长等多项记录。攻克了雾迷山组漏失地层中大口径（Φ216mm)、大深度钻完井，严重漏失地层钻进等多项技术，为京津冀深部地热钻探提供第一批技术经验，有效指导天津东丽湖CGSD-02井、雄安新区D01~D06等多口地热深井的实施钻成。

4. 创新建立浅、中、深、多参数地热监测技术、装备、标准体系，编制系列动态监测标准，有效提升我国地热资源动态监测技术和标准化水平。

创新建立浅、中、深、多参数地热监测技术、装备、标准体系，突破深部地热动态监测技术，集成研发开发井/站房流量、温度监测设备，推动分布式光纤深井监测装备向工程化、小型化、高集成化发展，有效提升我国地热资源动态监测技术水平。依托项目成果编写能源行业标准《地热资源动态监测规程》、雄安新区地方标准《雄安新区地热开采井和回灌井监测技术规程》、《雄安新区地热动态监测系统和专用监测井技术规程》有力提升我国地热资源动态监测标准化水平。依托项目成果建成的雄安新区地热动态监测网（一期）持续运行，为雄安新区地热资源可持续开发利用提供技术支撑。

5.创新形成深部地热资源动态评价技术方法，实现深部热储非均质条件下动态评价，有效提升评价精度。

结合东丽湖深部热储参数研究和试验数据，基于Tough2和T2Well程序，创新建立井储非均质流动耦合换热模拟方法，提高动态评价精度。相关评价方法被广泛应用到双窑凸起构造区，雄安新区牛驼镇地热田等地区地热资源评价工作中，显著提高评价精度。依托项目成果撰写的博士论文受到审稿专家一致好评，培养博士生一名。

6.形成的深层碳酸盐岩地热储层改造增产技术方法，入选地调局“十三五”百项技术，为同类型热储改造增产提供了全套技术流程并在多地成功应用。

通过自主研发酸化改造缓释酸液体系，解决高温环境下酸岩反应剧烈、作用半径小等难题。设计的物理—化学联合强化增产改造工艺，通过酸液的化学溶蚀作用和压裂作用共同作用，酸液可同时发挥化学溶蚀和水力激发两项作用，达到扩大、压开、延伸、沟通孔隙和缝洞的目的。相关技术在CGSD-01井成功应用，实现单井增产超过50%，入选中国地质调查局十三五百项技术。成果为碳酸盐岩岩溶热储改造增产提供了全套解决方案，指导浙江省第一地质大队“杭州市余杭区鸬鸟镇DR3地热井水力压裂”项目应用，增产效果明显。

7. 建立地热规模化开发对地面变形影响评价技术方法，为地热安全开发提供技术支撑。回应政府、社会关切，促进华北各地地热资源规模化利用。

研究地热资源规模化开发对地面变形的响应机制，从理论研究、储层特征调查和岩石力学测试、InSAR监测、典型地区流体-温度-力学耦合数值模拟等多个角度开展研究，得出雾迷山组岩溶热储对地面沉降的贡献处于极低水平。研究成果回答了政府、社会关切，一定程度上打消了地热资源开发利用引发地面沉降的顾虑，促使华北各地将大力开发利用地热资源列入矿产资源规划。

8. 人才培养与平台建设取得显著成效

项目负责人依托成果获得中国地质调查局“优秀地质人才”称号，多名项目组成员晋升高级和中级职称；项目承担单位依托项目取得系列成果申请获批天津市地热资源勘查开发工程研究中心平台。

综上，项目在深部找热，地热资源探测、深部地热钻探、地热动态监测、地热资源评价、热储改造增产、地热开发的地质环境响应机理、人才培养与平台建设等方面取得多项进步。2018年召开的地热国际研讨会上，来自美国地质调查局地热首席科学家Glen Jonathan、美国地热能前沿瞭望台（FORGE）计划首席科学家JosephMoore教授、法国苏尔茨干热岩商业化发电项目首席科学家AlbertGenter、美国地质调查局地质矿产能源与地球物理科学中心ColinWilliams主任等23位国内专家对成果表示赞许和高度评价，认为该成果在全球中低温地热资源勘查领域处于领先水平。

1.开展地热资源储量评价，摸清资源家底，提升地热清洁能源保障能力，深部地热成藏理论支撑深部找热实现突破，有效证实当前主力开采层位下部发育高产能新储层

应用采灌均衡法评价计算得到东丽湖地区所在的构造单元地热流体可开采量为2.37亿立方米/年，可开采热量折合标准煤为235.05万吨/年，经济价值超过35亿元，可支撑清洁供暖面积1.81亿平方米。天津东丽湖探获雾迷山组二段高产能新储层，开辟深部热储第二空间，估算东丽湖地区所属东丽区新储层年可开采热量折合标煤约为125万吨，经济价值约19亿元，经济效益显著。

2.精准对接天津地热管理需求，深部地热勘查评价成果及时移交政府部门，有效服务地热精细化管理与科学开发利用，支撑天津绿色发展。

项目在深部地热资源调查方面取得成果及时移交天津市规划和自然资源局、东丽区人民政府，为政府决策和地热开发利用规划编制提供依据。“加强深部地热资源勘查”写入《天津市矿产资源规划（2021～2025年）》。

3. 有力支撑中国地质调查局华北地质科技创新基地和地热能勘查开发工程中心建设。

项目成果支撑天津市与中国地质调查局建成深浅联用、采灌均衡、多能互补、智慧高效地热科学开发示范基地，实施深部高产能地热井和浅层地热能探采结合井，建成首座能源站，取得温度、富水性全新认识，开辟深部热储第二空间。

4.撬动中央财政投入，成功申报自然资源部地质调查2项，落实中央财政资金8010万元。

项目在深部地热探测方面的成果显示良好前景，得到自然资源部中国地质调查局大力支持，相继下达“天津东丽区—河北牛驼镇地热资源调查与试验”（2019-2021）、“东部地区干热岩资源调查评价”（2022-2025）等地质调查项目，在成果基础上继续开展天津等地深部地热地质调查工作，落实中央财政资金8010万元，并取得深部地热资源探测系列新进展。

5.加速五大平台立项，成功申报国家重点研发项目、课题、子课题各1项，落实研究经费1200余万元。

依托项目在深部地热资源评价、储层改造、地球物理探测和动态监测等方面研究基础，凝练关键科技问题，成功申报国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项项目“深部热储地球物理探测技术联合研究”、深地资源勘查开采专项课题“深部地热资源动态评价方法与储层改造增产关键技术”、可再生能源与氢能技术专项子课题“深部碳酸盐岩热储层人工裂隙网络演化监测技术与解译方法”等项目，落实研究经费1200余万元。

6.基于地热地质调查成果，对接服务社会需求，初步具备全产业链条成果转化服务能力，实现成果转化收入700余万元。

2020年，依托项目研究成果，承担并完成雄安新区部分区块地热资源预可行性勘查项目，基于采灌均衡方法完成区块地热资源评价，为服务雄安新区地热矿权出让和科学开发提供了支撑。

2020~2021年，完成中国海洋石油集团有限公司“华北地区中深层水热型地热资源分布及其可利用性研究”项目，聚焦华北地区水热型地热资源，完成中深层地热资源资源潜力评价和可行性研究，为中海油绿色低碳发展战略提供技术支撑。

2020年，依托项目形成的适用于深层碳酸盐岩地热储层的改造增产技术方法，承担并完成浙江省第一地质大队“杭州市余杭区鸬鸟镇DR3地热井水力压裂”项目，增产效果明显。

2021年，作为技术支撑单位协助中石化绿源地热能开发公司完成雄安新区容城区域两个地热采矿权变更延续工作。