在诸多可再生能源中，地热能就像一个能量充沛、续航稳定的超大“充电宝”，能全年无休地为人们提供能量。这个供暖季，通州区宋庄镇、潞城镇的3000户居民就在家中感受到了来自地下数千米的温暖。
2023年11月15日，中国石油北京城市副中心0701街区中深层地热供暖项目正式启用，这也是本市首个中深层地热供暖试点示范项目。从油气到地热，来自中国石油集团的地热能开发利用团队，将在油气生产中积累的先进勘探、钻井与工程建设技术惠及民生，将来自地下的清洁热能变为流淌在市政供暖管网中的融融暖意。丛式钻井方式与热源站结合集约布井，节约了土地资源；100%的地热尾水同层等量回灌，实现了“取热不耗水”，为首都冬季供暖增添了“绿色”力量。
0701项目钻井现场
油田“余热”
若是把地球的结构比作一枚鸡蛋，“鸡蛋黄”的位置便是高温的地核。虽然地表的温度在冬季会降至零下数十摄氏度，但地核依靠着地球原始形成过程中产生的热量和物质的放射性衰变，温度可以达到4000至6800摄氏度，几乎与太阳表面的温度相当。地球的地热能资源储量约为全球煤炭储量的1.7亿倍，且分布较广、稳定可靠，若对其进行有效利用，将极大助力“碳达峰”“碳中和”目标的实现。
根据储存位置的不同，地热能通常分为地表至地下200米左右的浅层地热能、地下200米至3000米左右的中深层地热能。从地表向下平均每深入100米，温度就会升高约3摄氏度，要利用地热能供暖，一般通过钻探数千米的深井即可实现。
“有些地区存在着天然温泉，人类很早就发现了它们并加以利用。我国是中低温地热资源十分丰富的国家，地热直接利用长期保持世界第一。”中国石油深圳新能源研究院教授王社教和地热打了大半辈子交道。1997年，在油田工作了10年的他，选定了自己的研究方向——地热学，博士毕业后他却再次做回了常规油气研究。
含有油气的盆地，正是我国中低温地热资源富集的主要场所。开采油气资源打下的钻井，在采油时往往伴随着地下水的涌出，经过油水分离技术处理，在地下已被加热的水资源就能用于采暖。这便是水热型地热资源，与岩热型相比，这类资源占比更高也更易获取。沉积盆地中蕴含的水资源，温度最高可以达到150摄氏度，既可用于居民供暖，也可进行地热发电和农业种植等。
早在上世纪90年代，中国石油华北油田就已经尝试利用油气生产的余热，为油田及周边地区提供采暖。地热供暖还能用于大棚种植，培育高端花卉，这些花朵装点着京津冀地区百姓的日常生活。“但严格来说，这些尝试只是油气开发的副产品，我们的主营业务还是油气，新能源研究尚处在萌芽阶段。” 2003年，王社教终于等来了发挥“热”爱的机会——中国石油在勘探院成立新能源项目组，他决定成为探路者，“我是学这个的，要学以致用。”特别是近年来“双碳”目标的提出，让绿色低碳能源的发展走上了快车道。
在长期的油气生产过程中，中国石油积累的大量地质、钻测井及地球物理资料，以及前期研发的勘探、钻井等技术，都可以直接运用到地热资源的开发利用上。经过三维重磁电地热勘探等资源勘查评价，深藏在地壳之下的地热资源变成了一张张清晰明了的图像。京津冀地区拥有得天独厚的地热资源，王社教介绍，由于我国东部地区地壳较薄，资源埋深较浅，地热水的开采相对更容易；而相较于松辽盆地，京津冀地区地下水资源则更丰富，地质结构也更利于地热水的取水和回灌。
工作人员巡视0701项目变电站（华北油田 杨凯摄）
唐山拓荒
“2018年，我们的第一批项目在集团的支持下落地，其中规模最大的项目落在了河北省唐山市曹妃甸新区。”直到现在，回忆起这个重大转折，王社教依然难掩激动之情。
作为国内单体地热供暖面积最大的集中供暖项目，曹妃甸新城地热供暖项目实现了当年开工、当年投产。“我们没有退路，只能成功，不许失败。”中国石油冀东油田曹妃甸新城地热供暖项目负责人吕博舜和5名同事一起立下了“军令状”，要实现曹妃甸新城当年冬季燃煤污染物二氧化碳和粉尘“零排放、零污染”，也就是“一粒煤也不许烧”。
但留给他们的时间只有短短3个月：当年9月，第一口先导实验井开钻，而供暖的节点是11月初。“就在一片滩涂地上，一间小房子，所有同事都住在这儿。最长的一次，我们连着奋战了19天，忙得胡子都顾不上刮，连坐下来安安静静吃一顿饭都是奢望。”吕博舜说，钻井一旦开始，就要24小时不停，团队成员之间的通话记录，常常是从凌晨4点持续到深夜。
然而，意外还是出现了。“井深倒是钻到位了，出水量却不达标，无法满足供水需求。”吕博舜带着技术团队反复复盘后发现，是钻井时经验不足，洗井工艺执行得不彻底，“钻头打下去之后要跟着下套管，然后把打井时打出的泥浆抽干净，当时没彻底清洗完就停了泵，残存的泥浆回流，堵住了出水口。”
从数千米的油气井，到两三千米的地热井，参与项目的技术人员都是老“石油人”，难道采油不比取水难得多吗？吕博舜解释，地热井比部分石油井的成井方式更复杂，在技术流程上也有着很大的差异，只能重新摸索。“发现问题、改进技术，这个过程是必然的。这些年我几乎跑遍了全国的地热项目现场，看到了大量成功或是失败的案例，这都是必经的学习过程。”
特别是中深层地热供暖技术，要实现“取热不耗水、等量同层回灌”，这与采油技术完全不同。这项技术是通过钻井开采地热水，取水后接入供暖管网，热能利用完毕后，再将水100%回灌至热储层。这样的循环，保证了项目在获取热能的同时，不破坏深层地热水的循环系统，不会因大量抽取地下水导致地层沉降，也不会对水体造成污染，从而实现资源的可再生利用。
然而在施工过程中，曹妃甸地区地下密布的砂岩层，给团队出了个大难题。砂岩的结构特殊，它是由各种岩石碎块或矿物小颗粒组成的，内部存在5%至30%的孔隙，可以储存水或油气资源。这些孔隙极为细小，尺寸往往在毫米级甚至更小，关键的喉道直径可能只有几微米。而将地下水抽出再回灌的过程中，水中难免混有岩石碎屑、微生物、气泡等物质，一旦它们堵塞了孔隙通道，部分已经抽出的水就无法再回灌到地下。
“砂岩热储地热尾水回灌技术，是地热领域的一个世界性难题。”王社教算了一笔经济账，行业内大多采用增压回灌的方式，需要对回灌水持续施加压力，但若是加压超过3至4个大气压，项目就要赔本运转。如果问题长期得不到解决，堵塞区域越来越多，可能需要施加大约10个大气压以上，才能将水压回地下。
为了打通水流回灌的“毛细血管”，科研团队必须让地热水变得更“干净”。“你别看这瓶水看着清亮亮的，里面杂质可不少，有些杂质接触到空气后还会氧化沉淀。”王社教说，中国石油此前拥有的无压回灌技术储备，已经能将回灌水的杂质尺寸控制在5微米以下，并已在辽河地区成功完成了回灌试验应用，但为了应对曹妃甸新城区域更细小的砂岩结构，科研团队此次将杂质尺寸控制在了1至3微米。
地热水全流程密封，解决生物化学堵塞；经过粗滤、精滤两级过滤，过滤精度达3微米以下；定时抽水回扬，冲开轻微堵塞的孔道……随着经验的积累，后续的施工过程也越来越顺利。“当年11月5日，我们准时启用了两口井，顺利开始供暖。”但这只是项目的开始，后续，吕博舜团队依然坚守在现场，将供暖井数量拓展到20口。根据设计指标，该项目可以实现连续开采100年以上，地热能基本保持不变，地热利用量每年折算标煤达18.69万吨，减排二氧化碳48.59万吨。
现在，项目已经顺利运行了5年多，供热始终保持稳定。不过，他们偶尔也会接到居民的“投诉”：“屋里太暖和了，晚上热得睡不着觉。”
工作人员检查0701项目设备运行状况
北京首创
2023年12月中旬，一股强烈的寒潮席卷了我国北方地区，北京也进入了“速冻”模式，气温跌破历史同期极值。而北京城市副中心0701街区的居民，正在家中享受着来自地下3000米的温暖。地热供暖作为更绿色、更稳定的供暖方式，让室内暖意融融。
日历翻回到1年前，2022年12月，0701项目中油热1井开钻。“和在油田开发地热资源不同，在北京地区打这么深的井，还是第一次。”中石油华北（北京）新能源有限公司经理、0701项目团队负责人卢威说，前期，项目团队利用重力磁法测量、二维地震勘探等手段进行了地热资源勘查，在0701区域要取到温度达标的地热水，井深必须达到3000米。如果是普通的地质勘查井，要打到这个深度周期需要1年左右，而0701项目的第一口井只用了70天就施工完毕。
从选择钻机、钻头，到适应区域地层特点，每个项目的第一口井都是在摸索中挺进地层深处。相较于曹妃甸新区的砂岩层，通州地区地下大面积的碳酸岩地层结构致密，不会出现回灌孔隙堵塞的问题。然而在实际钻井时，难题又出在了泥浆上。
“钻头破碎岩层会产生岩屑，钻杆向下打，泥浆就会从四周的空隙上涌，把岩屑带出来。”0701项目副经理雷创回忆，井刚打了几天，地下约280米处的岩层就开始出现风化壳。风化壳在地质历史时期曾露出地表，经历过风化剥蚀，因此呈现蜂窝状结构，而泥浆遇到大的空洞就会跑走。“我们常说泥浆是钻井的‘血液’，它在携带岩屑的同时，还能保护井壁，起到润滑、冷却等作用。留不住它们，井筒内部的压力会迅速下降，对钻井工作影响很大。”
既然有漏洞，堵上便是。然而雷创带领团队尝试了大量方法，从树脂、水泥等常规材料，到环保的青储饲料等，都没能成功堵漏，“在这段区域，我们前后耽误了十多天。”最终经过摸索，技术团队找到了最经济实用的办法——由于蜂窝状区域的厚度有限，大量注水快速掘进后再在井壁安装套管，这个方案简单却有效。
“当时我们能大概确认风化壳的埋深，但套管的位置必须安放准确。如果下得太早，后续大管套小管，深部井眼直径就会越来越小，影响取水量；要是打过了，泥浆漏得一塌糊涂，这口井就废了。”风化壳的岩性不同于碳酸岩，为此，雷创和同事紧盯在现场，每打下去一两米，就要取样判断岩石性质，一旦出现变化便立刻采取措施。
“过了这一段，后面就很顺利了。到大约3000米的深度，各项测试指标都满足设计要求，真的特别自豪。”雷创说，第一口井顺利完成后，技术团队对这片区域的地质条件已经了如指掌，施工各环节的衔接也更加流畅，钻井工期压缩至60天左右。后续的4口井不再是直上直下，而是保持着约500米的井距，在地下倾斜掘进。“井口区域集中方便后期运维，井下控制面积变大，就能更好地利用这一片区域的地热资源。”
目前，0701项目5口地热井的井口出水温度达52摄氏度，搭配1座地下热源站，能提供35.3万平方米的地热供暖，服务居民超过3000户，每年可为北京减少二氧化碳排放7650吨，相当于植树27万株。
项目还实现了智能化运行。“站点是可以实现无人值守的，每天需要开几口井、取多少水，系统都能根据天气预报的数据，自动计算并调节。”雷创说，通常系统可以提前2天预测外界气温变化的趋势，并根据实际情况自主调控采水量、回灌量，还能及时诊断运行故障。
从地质构造上看，北京的深层地热资源与华北油田广泛分布的潜山地热资源相似，前期的勘探结果显示，北京昌平、延庆、大兴等多地都拥有丰富的地热资源。目前，仅华北油田在京津冀地区开发应用的中深层地热供暖面积，就已达800万平方米以上。后续，0701项目还将与风光发电、氢能等新型能源协同，助力打造中国石油北京城市副中心新能源示范基地。
中国石油油气和新能源分公司党委委员、新能源事业部总经理苏春梅介绍，除北京外，中国石油地热清洁供暖项目已覆盖河北、河南、山东、陕西等10余个省份。2023年，中国石油在全国范围内共有11个地热项目“入列”冬供方阵，累计建成投运地热供暖面积超4000万平方米。地热发电、地热养殖等技术也在同步发展，实现地热资源的梯级利用、用足用好。
地热能会不会有被开采完的一天？“地球和太阳一样，无时无刻不在向外散发着能量。地球已存在了46亿年，现在正是它的壮年期，还远没有进入衰退的阶段。”王社教说，人类在地壳浅层开发地热资源所取得的热能，仅仅是地球散热量的九牛一毛。只要通过科学的计算，合理地设计出钻井距离与采热量，做到采出水的完全回灌，实现“采灌均衡”，避免水资源的浪费，地球这个天然的暖炉，便会持续提供源源不断的热能。
此外，地热能还能变身“充电宝”。目前常见的风电、光电等可再生发电技术，由于其能量来源本身具有不稳定性，部分能量无法得到有效利用。若将这些不稳定的能量转换成热量储存到地下，在夜间或冬季有用热需求时采出，就有望实现热能的循环，让更多的居民实现温暖过冬、清洁过冬。