淺談地?zé)豳Y源及儲(chǔ)量計(jì)算方法

任國(guó)澄

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510663）

淺談地?zé)豳Y源及儲(chǔ)量計(jì)算方法

任國(guó)澄*

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510663）

根據(jù)地?zé)崮芾媚Ｊ降奶攸c(diǎn)，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類，同時(shí)結(jié)合地?zé)豳Y源的特點(diǎn)，系統(tǒng)總結(jié)了我國(guó)地?zé)豳Y源及資源儲(chǔ)量計(jì)算方法，并對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)、參數(shù)選取以及淺層地?zé)崮茴I(lǐng)域存在的問題進(jìn)行了討論。

水熱型；干熱巖；淺層地?zé)?；熱?chǔ)法；數(shù)值法；熱均衡

隨著能源消費(fèi)需求不斷增長(zhǎng)、傳統(tǒng)能源供給逐步枯竭以及環(huán)境問題的日益突出，進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和開發(fā)潔凈的可再生新能源已成為全球共識(shí)，而作為替代能源之一的地?zé)崮苋找媸艿饺藗兊闹匾暋?/p>

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地?zé)豳Y源分類、勘查和評(píng)價(jià)方法各不相同，對(duì)地?zé)豳Y源的認(rèn)識(shí)缺乏全面的了解和掌握，因此科學(xué)分類、勘查與計(jì)算評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源是合理規(guī)劃和開發(fā)地?zé)豳Y源的重要基礎(chǔ)。

1 地?zé)豳Y源的分類

在傳統(tǒng)地?zé)豳Y源分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)地?zé)豳Y源可利用模式的不同和現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)的可行性，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類。

（1）水熱型地?zé)豳Y源。賦存于高滲透型的孔隙或裂隙介質(zhì)中，與年輕火山活動(dòng)或高熱流背景相伴生形成高溫水熱系統(tǒng)，而處于正?；蚱蜔崃鞅尘跋碌牡叵滤h(huán)通常形成的是中低溫水熱系統(tǒng)，通過對(duì)水熱系統(tǒng)中流體的開采即可獲取其地?zé)崮堋?/p>

（2）干熱巖則是指地下高溫但由于低孔隙度和滲透性而缺少流體的巖石（體），儲(chǔ)存于干熱巖中的熱量需要通過人工壓裂形成增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）才能得以開采，賦存于干熱巖中可以開采的地?zé)崮芊Q之干熱巖型地?zé)豳Y源。

（3）淺層地?zé)崮埽址Q淺層地溫能，是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。一般是指通過地源熱泵換熱技術(shù)利用的蘊(yùn)藏在地表以下200m以內(nèi)、溫度低于25℃的熱能。

2 我國(guó)地?zé)豳Y源概述

2.1 水熱型地?zé)豳Y源

中國(guó)水熱型地?zé)崮苜Y源主要分為3類：①高溫對(duì)流型地?zé)崮苜Y源，主要分布于滇藏及臺(tái)灣地區(qū)，如藏南、川西、滇西地區(qū)；②中低溫對(duì)流型地?zé)崮苜Y源，主要分布在東南沿海地區(qū)包括廣東、海南、廣西，以及江西、湖南和浙江等地；③中低溫傳導(dǎo)型地?zé)崮苜Y源，主要埋藏在華北、松遼、蘇北、四川、鄂爾多斯等地的大中型沉積盆地之中。

目前，地?zé)豳Y源開發(fā)利用的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)使我國(guó)商業(yè)開發(fā)熱潮迅速提高，很多地區(qū)地?zé)豳Y料難以滿足地?zé)峥辈榈木纫?，影響了?duì)地?zé)峥辈閰^(qū)地?zé)豳Y源的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，使得我國(guó)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用缺乏科學(xué)管理[1]。

2.2 干熱巖地?zé)豳Y源

根據(jù)2011年對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)的干熱巖地?zé)崮苜Y源的評(píng)價(jià)結(jié)果，中國(guó)大陸地區(qū)3～10km深處干熱巖資源總計(jì)為21×106EJ，若按2%的可開采資源量計(jì)算，是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源量的16.8倍，約相當(dāng)于中國(guó)大陸2010年能源消耗總量的4400倍。圖1為中國(guó)大陸地區(qū)干熱巖地?zé)崮苜Y源基數(shù)與可開采量示意圖[2]。

目前，我國(guó)干熱巖資源開發(fā)及其技術(shù)研究仍十分欠缺，干熱巖勘查開發(fā)依然受一些重大科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)問題制約，需要盡快建立干熱巖勘查開發(fā)試驗(yàn)研究基地，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干熱巖探測(cè)技術(shù)、高溫深鉆技術(shù)、熱儲(chǔ)建造技術(shù)、熱能交換技術(shù)、高效發(fā)電技術(shù)、梯級(jí)利用技術(shù)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)等勘查開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 中國(guó)大陸地區(qū)干熱巖地?zé)崮苜Y源基數(shù)與可開采量示意圖

2.3 淺層地?zé)豳Y源

近幾年地源熱泵技術(shù)建設(shè)發(fā)展迅速，已成為我國(guó)淺層地?zé)豳Y源利用的主要方式。但由于勘查工作不規(guī)范以及設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、測(cè)試方法、操作規(guī)程、物性測(cè)試儀器、軟件等，地?zé)豳Y源量計(jì)算不準(zhǔn)確、缺乏冷熱均衡評(píng)價(jià)和可靠性論證[3]，導(dǎo)致地源熱泵工程穩(wěn)定性受到影響，嚴(yán)重降低效率甚至無法正常運(yùn)行，同時(shí)冷熱失衡也會(huì)土壤、環(huán)境、生態(tài)環(huán)境造成不利影響[4]。

3 地?zé)豳Y源量計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)踐，目前地?zé)豳Y源量計(jì)算方法通?？煞譃闊醿?chǔ)法、數(shù)值法等幾種，現(xiàn)根據(jù)地?zé)豳Y源的類型分別進(jìn)行介紹。

3.1 水熱型地?zé)豳Y源

水熱型地?zé)豳Y源包括熱儲(chǔ)中的地?zé)醿?chǔ)量（J）、儲(chǔ)存的地?zé)崃黧w量（m3）、地?zé)崃黧w可開采量（m3/d或m3/a）及其可利用的熱能量（MWt）。通常采用熱儲(chǔ)法（體積法）計(jì)算地下熱能，按回采率計(jì)算可采資源量及地?zé)崴Y源量的確定，主要借用淺部地下水穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流計(jì)算方法[5]。

（1）地?zé)醿?chǔ)量和儲(chǔ)存的地?zé)崃黧w量（熱儲(chǔ)法）：

式中：Q——熱儲(chǔ)熱量，J；

Qr——巖石熱量，J；

Qw——水熱量，J；

其他參數(shù)略。

（2）地?zé)崃黧w可開采量及其可利用的熱能量。地?zé)崮芸刹少Y源量受控的因素很多，如熱儲(chǔ)類型、熱儲(chǔ)埋深、熱儲(chǔ)壓力、熱儲(chǔ)巖性特征等。另外，地?zé)崴刹少Y源量是可利用地?zé)崮艿闹饕d體，目前常用的地下水資源計(jì)算方法有解析解法、補(bǔ)給量計(jì)算法、類比法、統(tǒng)計(jì)分析法和數(shù)值解法。

3.2 干熱巖地?zé)豳Y源

干熱巖所蘊(yùn)含的地?zé)豳Y源量取決于干熱巖的溫度及干熱巖巖石的熱物性。目前，干熱巖地?zé)豳Y源主要采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的方法，從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出深層熱能，建立人工地下熱儲(chǔ)庫(kù)方法多樣，研究最多的是人工高壓裂隙模式，此處不予贅述。

干熱巖地?zé)豳Y源的計(jì)算主要針對(duì)干熱巖體中的熱量，可參考第3.1節(jié)的熱儲(chǔ)法，計(jì)算公式為：

Q=ρr·Cr·V·（Tr-T0）

式中：ρr——巖石密度；

Cr——巖石比熱；

V——巖石體體積；

Tr——特定深度上的巖石溫度；

T0——地表平均溫度或特定參考溫度。

3.3 淺層地?zé)豳Y源

鑒于淺層地?zé)豳Y源利用現(xiàn)狀及特點(diǎn)，在進(jìn)行場(chǎng)地淺層地?zé)崮苡?jì)算評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)將該熱容量視為“地下蓄熱層”的調(diào)蓄能力，需進(jìn)行采暖期取熱量和制冷期排熱量的冷熱均衡分析，論證采暖期取熱量和制冷期排熱量的保證程度，計(jì)算評(píng)價(jià)方法可選用熱儲(chǔ)法或數(shù)值法。

（1）淺層地?zé)崛萘亢涂衫脙?chǔ)存量。淺層地?zé)崛萘坑?jì)算深度根據(jù)當(dāng)?shù)販\層地?zé)崮芾蒙疃却_定，一般不宜超過200m，相關(guān)巖土熱物性可參考相關(guān)資料。在計(jì)算淺層地?zé)崛萘康幕A(chǔ)上，可根據(jù)大地可利用溫差，計(jì)算可利用的儲(chǔ)藏?zé)崃?。在中?guó)不同地區(qū)，可利用溫差也不相同。推薦采用值為：東北地區(qū)5℃～6℃，華北地區(qū)7℃～8℃，華東地區(qū)8℃～9℃，華南地區(qū)10℃～12℃[4]。

①熱儲(chǔ)法（體積法）。應(yīng)分別計(jì)算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，然后合并計(jì)算評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲(chǔ)熱性能。

在包氣帶中，淺層地?zé)崛萘堪聪率接?jì)算：

在飽水帶中，淺層地?zé)崛萘堪聪率接?jì)算：

QR=QS+QW

QW=ρWCWφMd2

式中：QR——淺層地?zé)崛萘?，kJ/℃；

QS——巖土體中的熱容量，kJ/℃；

QW——巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃；

QA——巖土體中所含空氣的熱容量，kJ/℃；

其他參數(shù)略。

②數(shù)值法。在地質(zhì)、水文地質(zhì)和淺層地?zé)崮芸辈橘Y料具備的區(qū)域，可采用數(shù)值模型法進(jìn)行淺層地?zé)崮艿臒峋庥?jì)算及評(píng)價(jià)，確定淺層巖土體、地下水和地表水中熱的補(bǔ)、排狀況和儲(chǔ)存熱量的變化。以傳導(dǎo)模型公式為例：

式中：Kxx、Kyy、Kzz——x、y、z方向的熱導(dǎo)率；

T、t——溫度和時(shí)間；

ρS+W、CS+W——巖土體與水的聯(lián)合密度和聯(lián)合比熱；

Q——源匯項(xiàng)。

邊界條件：

T(t)｜x,y,z∈Γ1=T(x,y,z,t)

式中：T(x,y,z,t)——第一類邊界的溫度函數(shù)；

Q（x,y,z,t）——第二類邊界的熱流函數(shù)；

cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)——邊界外法線n方向與x、y、z方向的夾角余弦。

（2）淺層地?zé)崮芫夥治?。淺層地?zé)崮芫夥治隹刹捎?種方法：①按照熱泵效率和運(yùn)行狀況，進(jìn)行采暖期和制冷期總耗能分析，分別計(jì)算換熱系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)的總?cè)岷团艧崃?；②進(jìn)行淺層地?zé)崮艿臒峋庠u(píng)價(jià)，確定淺層巖土體、地下水和地表水中熱的補(bǔ)、排狀況和儲(chǔ)存熱量的變化，也可以采用數(shù)值模型進(jìn)行熱均衡評(píng)價(jià)。

需要說明的是，均衡計(jì)算需要有長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，適用于評(píng)價(jià)淺層地?zé)崮苋崃康谋ＷC程度。在調(diào)查中，須定量查明在天然狀態(tài)和開發(fā)狀況下淺層地?zé)崮芨骶忭?xiàng)情況。

4 討論

（1）關(guān)于資源儲(chǔ)量計(jì)算方法的討論。3種地?zé)豳Y源均可使用熱儲(chǔ)法進(jìn)行資源儲(chǔ)量計(jì)算，僅在資源量組成及相關(guān)參數(shù)選取存在差異。隨著勘查資料的逐步豐富和完善，可考慮使用數(shù)值法等更為準(zhǔn)確地計(jì)算評(píng)價(jià)地?zé)醿?chǔ)量，根據(jù)地?zé)豳Y源開采量的需要和變化，預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，進(jìn)而為地?zé)豳Y源的科學(xué)管理提供依據(jù)。

（2）關(guān)于干熱巖地?zé)豳Y源計(jì)算參數(shù)的獲取。由于無論從鉆井的深度，還是鉆井的密度而言，深部巖體溫度不能完全直接進(jìn)行測(cè)量，而只能依據(jù)鉆井溫度測(cè)量和巖石熱物性測(cè)試結(jié)果，基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論進(jìn)行深部溫度的計(jì)算[6]，從而獲得深部溫度及干熱巖熱儲(chǔ)量。大地?zé)崃髦凳潜碚鞯貧\部熱狀態(tài)的一個(gè)綜合參數(shù)，也是深部溫度計(jì)算的最重要參數(shù)，可參考中國(guó)大陸地區(qū)新版熱流圖選取。

（3）關(guān)于淺層地?zé)豳Y源的認(rèn)識(shí)問題。從本質(zhì)上講，地源熱泵系統(tǒng)的能源利用是一種“冷疑熱”的“廢熱利用”[7]。在工程實(shí)踐中，很多單位或個(gè)人錯(cuò)誤理解淺層地?zé)豳Y源容量的含義，機(jī)械地將其等同于其他類型的地?zé)豳Y源，忽視了“地下蓄熱層”進(jìn)行冷熱均衡分析的重要性，缺乏對(duì)采暖期取熱量和制冷期排熱量保證程度的論證，造成很多低效或無效工程。

5 小結(jié)

本文根據(jù)地?zé)豳Y源利用模式的特點(diǎn)，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類，系統(tǒng)總結(jié)了我國(guó)地?zé)豳Y源及資源儲(chǔ)量計(jì)算方法，并對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)、參數(shù)選取以及淺層地?zé)崮茴I(lǐng)域存在的問題進(jìn)行了討論。希望通過本文的總結(jié)分析，糾正淺層地?zé)豳Y源領(lǐng)域存在的誤區(qū)，推動(dòng)我國(guó)地?zé)豳Y源勘查和計(jì)算評(píng)價(jià)方法的完善和提高。

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2015-09-08

任國(guó)澄（1985-），男（漢族），江蘇鹽城人，工程師，現(xiàn)從事電力行業(yè)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察工作。