中國淺層和中深層地熱能的開發(fā)和利用

王文中，邵東云，程新科，關鵬飛，胡旭鵬，劉向宇

(中電建地熱開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著化石能源的日趨緊張，以及使用化石能源所帶來的環(huán)境問題，迫使人類做出能源變革，我國提出CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這需要水、風、光、地熱等清潔能源的大力發(fā)展。地熱能以其儲量大、分布范圍廣、穩(wěn)定性好的特點，在現(xiàn)今清潔能源供暖中脫穎而出。我國336個地級以上城市淺層地熱能資源年可開采量折合標準煤7億t；水熱型地熱資源年可開采量折合標準煤19億t；干熱巖遠景資源量折合標準煤856萬億t[1]。我國在“十三五”期間基本完成新增地熱能供暖(制冷)面積11億平方米的目標，在“十四五”上提出因地制宜推動北方地區(qū)清潔取暖，在未來5年間地熱能供暖(制冷)市場將會有很大空間。近年來地熱能開發(fā)利用發(fā)展迅速，研究方向主要為大地熱流測試和數(shù)據(jù)的積累統(tǒng)計分析、巖石生熱率的演繹推理、模型的建立和模擬計算技術的應用、深部熱問題等。在實際項目開發(fā)過程中，地熱回灌問題造成投資及運行成本增大，制約地熱能開發(fā)利用的發(fā)展。

1 中國地熱地質資源分類與特點

1.1 地熱能分類

地熱能作為一種可再生資源，賦存于地下巖土、水等物質中，不受地域、資源等限制。地熱能有多種分類方式，按埋藏深度可分為淺層地熱能、中深層地熱能；按賦存類型可分為孔隙型、裂隙型和巖溶型；按形成機制可分為沉積盆地型與隆起山地型；按熱量傳輸方式可分為傳導型、對流型。

1.2 中國地熱地質資源分布及其特點

地球內藏高溫，由內到外可分為地核、地幔、地殼三部分，目前世界上最深鉆井深度為12 262 m，未穿破地殼層，人類對地熱的研究將長期處于地殼層。

地球熱能來源于地球形成至今地球物質勢能的轉變、放射性元素的衰變、地月系統(tǒng)中潮汐能的轉化熱、硫化礦物與地下水的反應熱，按地球內部放射性生熱元素(U、Th、40K)的豐度、半衰期估算，地球熱能還能再延續(xù)近50億年[2]。此外地球熱能的構成還有太陽能，太陽能轉化而來的地球熱能包括太陽能的直接輻射和由太陽能轉化而來的動植物尸體發(fā)生化學反應產(chǎn)生的熱，在地球形成的46億年間，這部分能量對地球熱能的貢獻也是不容忽視的。中國陸地地熱資源分布見圖1。

圖1 中國陸地地熱資源分布圖

在地球表層熱傳導條件下地溫梯度在3℃/100 m左右，隨著深度的增加，溫度會越來越高，但在隨著深度的增加，地溫梯度呈遞減趨勢。在取用以水為載體的地熱能時，由于不同儲層的巖性、孔隙度、富水性、導熱系數(shù)、導水系數(shù)、水化學類型不同，要首先對設定區(qū)域進行資源儲量調查，確保所設計開采位置有足夠的水溫、水量。不同地層的水溫、含水量并不相同，如黃淮海平原新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組及古生界寒武——奧陶系熱儲資源具有較高的開發(fā)價值，古近系熱儲資源埋藏較深，單井熱水產(chǎn)量小，水質差，開發(fā)利用價值不大[3]。

2 淺層地熱能的開發(fā)和利用

2.1 地源熱泵分類及原理

淺層地熱能是指地表以下200 m埋深以內，溫度低于25℃的地熱資源，分布廣、易開采，能實現(xiàn)供暖制冷。地源熱泵是目前有效利用淺層地熱能的最佳工程系統(tǒng)，地源熱泵取用淺層地熱能需要采用地下?lián)Q熱系統(tǒng)，可分為三種，一是地埋管換熱系統(tǒng)(也叫土壤源)；二是地下水換熱系統(tǒng)；三是地表水換熱系統(tǒng)。

地埋管換熱系統(tǒng)就是先在地下鉆一個鉆孔，在孔中下入單根(或雙根)底端相連的U型管，管的上端通過水平集管與熱泵機組相連接。不抽取地下水，只需傳熱介質(主要是水或乙二醇)在密閉的U型地埋管中循環(huán)，利用傳熱介質與地下巖土層、地下水之間的溫差進行熱交換，進而通過熱泵技術實現(xiàn)對建筑物的供暖和制冷，如圖2。

圖2 地埋管換熱系統(tǒng)示意圖

2.2 淺層地熱能應用現(xiàn)狀與前景

文獻[4]以大同中院項目為例，分析了夏季在不考慮末端循環(huán)能耗的情況下，地源熱泵機組比空氣源熱泵機組節(jié)能27%，冬季按等效電核算方法計算，地源熱泵機組是市政供暖耗電量的1/3。大同地區(qū)屬于嚴寒地區(qū)B區(qū)，冬夏冷、熱需求極不平衡，地源熱泵在我國中部地區(qū)等冷熱平衡地區(qū)，節(jié)能效果會更好。文獻[5]以南開大學津南校區(qū)地源熱泵系統(tǒng)為例，對高校地源熱泵空調機組運行狀態(tài)和經(jīng)濟性進行分析，結果顯示，年平均制冷COP值為4.92，供暖COP為3.32，年平均單位建筑面積制冷能源費用為7.29元/m2，年平均單位建筑面積供暖能源費用為10.59元/m2，經(jīng)濟效益顯著。經(jīng)過分析南京某地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)和水冷機組+鍋爐系統(tǒng)的技術合理性與經(jīng)濟性，得出地埋管地源熱泵系統(tǒng)能源綜合利用率更高、經(jīng)濟性和運行費用更優(yōu)[6]。綜上所述，對比空氣源熱泵、傳統(tǒng)市政供暖，地源熱泵在經(jīng)濟、能效方面都有很大優(yōu)勢。

文獻[7]以華東地區(qū)為例，利用FLUENT模擬軟件研究了土壤有無地下水滲流、滲流速度對雙U型地埋管土壤溫度場和換熱量的影響，結果表明存在地下水滲流更有利于埋管與周圍土壤間換熱，且地下水滲流速度越大換熱量越大，在實際工程應用中，考慮有無地下水滲流，有助于更科學的優(yōu)化設計，減少項目初期投資。Cristina Sáez Bláquez[8]等人嘗試設計了淺層地熱的軟件——GES-CAL，用于淺層地熱系統(tǒng)設計，采用水平向和螺旋狀的地埋管，應用于西班牙ávila市的淺層地熱系統(tǒng)規(guī)劃設計中，降低了鉆井長度，增加了地埋管實際應用的類型，但缺乏豎直地埋管與水平或螺旋地埋管換熱效果的的對比，有待相關研究進一步深入。文獻[9]介紹了一種新型地熱井聚合物填充料，并進行了基于這種填充料的地埋管設計、施工，并進行了測試，仿真結果與地面真實相符，這種材料提取地熱能效率更高。

淺層地熱能的開發(fā)優(yōu)勢明顯，投資較低、技術成熟、應用范圍廣、審批手續(xù)少兼顧供冷與供熱，但也有占地面積大、運行費用較高的缺點，我國地源熱泵技術起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，在未來淺層地熱能的研究中應偏向于地下?lián)Q熱方式、效率、減小占地面積的方向。

3 中深層地熱能的開發(fā)和利用

中深層地熱能可分為水熱型與干熱巖型兩類。

3.1 水熱型地熱能的開發(fā)和利用

1)水熱型地熱能開發(fā)利用原理與分布特點。中深層地熱能埋深位于淺層地熱能以下，相比淺層地熱能，具有埋深大、開采技術要求高、焓值高的特點。采用一級板式換熱器對抽取的中深層地熱水換熱，吸取熱量的循環(huán)水直接供熱；采用二級板式換熱器繼續(xù)對地下熱水換熱，經(jīng)過熱泵加熱對循環(huán)水進行供熱。水熱型地熱能供熱原理見圖3。

圖3 水熱型地熱能供熱原理圖

中深層地熱能埋藏較深，其資源量需借助地球物理勘探結果及目標區(qū)域周圍鉆孔、測井數(shù)據(jù)做出資源量的評估，確定是否有開發(fā)價值。常見的地球物理勘探方法有電法、磁法、重力法、地震波法、放射性法5類，不同方法探測深度、適用范圍不同。文獻[10]采用高精度重力物探方法預測了北京“通熱-19”地熱井，成井深度2 370 m，日出水量為603 m3，出水溫度45℃，成井效果與預可研設計誤差較小，物探對地熱開發(fā)有一定指導作用。

王貴玲[11]等介紹了我國主要水熱型地熱系統(tǒng)形成機制與成因模式，進一步完善了我國地熱資源研究的基礎理論和方法，為區(qū)域地熱資源勘查開發(fā)提供了理論依據(jù)。黃光壽[12]等分析了河南省沉積盆地五大構造單元地熱地質特征，對沉積盆地型地熱資源評估、鉆井提供指導。文獻[13]總結了關中盆地南部山前區(qū)域地熱載體特征和構造單元特征，按賦存條件，將地熱流體分為四個地段，論述每段的地質特征和成因模式，為類似區(qū)域地熱資源的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2)水熱型地熱能應用現(xiàn)狀與前景。地熱水的回灌及運移是當前地熱研究的熱點。為保證等量同層回灌，當前常用泵是為加壓、真空無壓回灌，或采用“一采多灌”方式，這無形中增加了地熱投資及運營成本，制約著地熱能利用的發(fā)展。文獻[14]對豫北某城區(qū)地熱水人工加壓回灌進行了實驗研究，表明加壓回灌能提高回灌量，為保證地熱能可持續(xù)利用，加壓回灌是目前應用最廣泛的方法。文獻[15]通過新近系明化鎮(zhèn)組細砂熱儲層巖樣室內土柱模擬試驗，分別了Cl-、HCO3-、Ca2+、Na+在不同溫度下的運移特征及HCO3-水解產(chǎn)生的沉淀物質堵塞土柱，地下水的運移規(guī)律能為地熱井是否能長期利用提供設計參考，并可以作為地熱井井距的合理選擇的依據(jù)，在后期解決地熱井的結垢、堵塞及回灌等問題中也能提供思路及解決辦法。

另外，隨著石油、煤炭的開采程度加深，逐漸產(chǎn)生一些廢棄的礦井及高含水量的油井，若是能將這些礦井的直接進行供熱改造，能節(jié)省鉆井費用，減少地熱開發(fā)利用的初期投資。目前國內外廢棄井地熱能開發(fā)還處于理論研究和試驗性研究階段，與大規(guī)模工業(yè)應用還有較大差距，文獻[16]通過分析土耳其Dodan油田的地質孔隙度、面積、厚度、溫度和流體飽和度等各向異性儲層參數(shù)，提出了針對枯竭油田地熱供暖的開發(fā)利用模式，為廢棄礦井的再利用提供了思路。

近年來，為保證地熱的可持續(xù)開發(fā)利用以及防止地下水污染，水熱型地熱資源開發(fā)利用的審批程序越來越嚴格規(guī)范。鑒于此，有相關科研工作者提出中深層地埋管地熱能利用技術，此種方式工作原理與淺層地埋管相同，不同于U地埋管，采用同軸套管。文獻[17-18]研究了地下?lián)Q熱器的傳熱性能，分析了地埋管換熱器的熱影響半徑，并建議鉆孔間距應大于100 m，文獻[19]研究了傳熱過程對周圍巖土體的熱影響，并指出淺層埋管區(qū)循環(huán)液的的逆向傳熱現(xiàn)象，為保證換熱的高效，建議循環(huán)液進口溫度選為10℃，這類文獻對實際工程設計有重要價值，此種利用方式提高井下?lián)Q熱效率是永恒不變的話題。

不同地區(qū)有不同的地質結構，相應的會有不同的運移規(guī)律，需針對具體地區(qū)地下水的運移深入研究。地熱井是中深層地熱開發(fā)利用的關鍵，在鉆井、成井、井下?lián)Q熱等方面對技術要求高。

3.2 中深層干熱巖型地熱能的開發(fā)和利用

1)干熱巖利用原理。干熱巖是指一般溫度大于200℃，埋深數(shù)千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體(致密不透水)的高溫巖體。隨著干熱巖開發(fā)利用技術的進步，干熱巖資源溫度的定義在逐漸模糊[20]。干熱巖型地熱能的供熱原理類似于中深層地埋管地熱能利用技術，通過介質在同軸套管中流動與地下干熱巖體換熱，不抽取地下水。干熱巖型地熱能供熱原理見圖4。

圖4 干熱巖型地熱能供熱原理圖

2)干熱巖應用現(xiàn)狀與前景。文獻[21]對目前學術界公認的4種干熱巖資源成因模式提出了不同看法和認識，研究認為干熱巖形成條件主要是來自地球深部高溫高壓熔巖向低溫低壓區(qū)域的熱能交換。巖體必須具備致密、穩(wěn)定、高導熱系數(shù)和熱擴散率，蓋層應具備較大厚度、低導熱率，有熱源保溫才能形成干熱巖。

由于干熱巖中流體很少，埋藏較深，需進行用超長地埋管將熱量換取出來，這個過程依賴于水平鉆井、壓裂技術，新型高效換熱材料，另外還要考慮到地下超長距離傳輸所造成的熱量損失，隨著技術的發(fā)展進步，干熱巖的供暖很快能大范圍利用，但干熱巖的發(fā)電之路依然會很漫長，限制在特定地區(qū)應用的現(xiàn)狀將會持續(xù)很久。

中深層地熱能溫度高，中高溫部分經(jīng)過換熱能直接進行供熱利用，其運行成本低，未來有很大發(fā)展空間，但資源量具有明顯地域性。目前中深層地熱開發(fā)利用研究上主要集中在成藏原理、勘查開發(fā)、尾水回灌、地熱發(fā)電及管理利用、干熱巖等幾個方向。

4 結 語

地熱能作為一種清潔能源，具有儲量大、分布范圍廣、穩(wěn)定性好的特點，優(yōu)勢顯著，其大規(guī)模的開發(fā)利用是趨勢。淺層地熱能的開發(fā)能兼顧供冷與供熱，夏季將熱能儲存至地下，冬天取出，對地熱能的可持續(xù)利用有重要意義；相比其他形式地熱能開發(fā)利用，淺層地熱能投資成本較小，更有開發(fā)優(yōu)勢。中深層地熱能品位隨著深度的增加而增加，其運行成本較低，但對地域要求較高，有賴于開采技術的進步及回灌成本的降低，總體地熱能開發(fā)向著更深方向、更高溫度發(fā)展也不能避免。此外，地熱資源作為一種礦產(chǎn)資源，受地礦部門管轄，理應收取地熱資源礦產(chǎn)稅，但是要考慮到不同溫度、深度、是否抽取地下水、是否等量同層回灌情況下資源稅定價的差異，確保合理規(guī)范開發(fā)及地下水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在認識到地熱能優(yōu)點的同時，也要客觀的認識到近期可開發(fā)的地熱能品位低、遠期干熱巖的開采急需技術的進步、地熱相關概念的模糊、地熱能開發(fā)易受政策、資源稅的影響的現(xiàn)狀，應結合我國地熱資源特點，合理開發(fā)利用現(xiàn)有地熱資源。