中國淺層和中深層地熱能的開(kāi)發(fā)和利用

中國淺層和中深層地熱能的開(kāi)發(fā)和利用

中國地熱地質(zhì)資源分類(lèi)與特點(diǎn)

地熱能分類(lèi)

地熱能作為一種可再生資源，賦存于地下巖土、水等物質(zhì)中，不受地域、資源等限制。地熱能有多種分類(lèi)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(lèi)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。

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(lèi)對地熱的研究將長(cháng)期處于地殼層。

地球熱能來(lái)源于地球形成至今地球物質(zhì)勢能的轉變、放射性元素的衰變、地月系統中潮汐能的轉化熱、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近50億年。此外地球熱能的構成還有太陽(yáng)能，太陽(yáng)能轉化而來(lái)的地球熱能包括太陽(yáng)能的直接輻射和由太陽(yáng)能轉化而來(lái)的動(dòng)植物尸體發(fā)生化學(xué)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(jiàn)圖1。

在地球表層熱傳導條件下地溫梯度在3℃/100 m左右，隨著(zhù)深度的增加，溫度會(huì )越來(lái)越高，但在隨著(zhù)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(shí)，由于不同儲層的巖性、孔隙度、富水性、導熱系數、導水系數、水化學(xué)類(lèi)型不同，要首先對設定區域進(jìn)行資源儲量調查，確保所設計開(kāi)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組和館陶組及古生界寒武——奧陶系熱儲資源具有較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值，古近系熱儲資源埋藏較深，單井熱水產(chǎn)量小，水質(zhì)差，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值不大。

淺層地熱能的開(kāi)發(fā)和利用

地源熱泵分類(lèi)及原理

淺層地熱能是指地表以下200 m埋深以?xún)?，溫度低?5℃的地熱資源，分布廣、易開(kāi)采，能實(shí)現供暖制冷。地源熱泵是目前有效利用淺層地熱能的最佳工程系統，地源熱泵取用淺層地熱能需要采用地下?lián)Q熱系統，可分為三種，一是地埋管換熱系統(也叫土壤源);二是地下水換熱系統；三是地表水換熱系統。

地埋管換熱系統就是先在地下鉆一個(gè)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(guò)水平集管與熱泵機組相連接。不抽取地下水，只需傳熱介質(zhì)(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(zhì)與地下巖土層、地下水之間的溫差進(jìn)行熱交換，進(jìn)而通過(guò)熱泵技術(shù)實(shí)現對建筑物的供暖和制冷，如圖2。

中深層地熱能的開(kāi)發(fā)和利用

中深層地熱能可分為水熱型與干熱巖型兩類(lèi)。

水熱型地熱能的開(kāi)發(fā)和利用

1)水熱型地熱能開(kāi)發(fā)利用原理與分布特點(diǎn)。

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(kāi)采技術(shù)要求高、焓值高的特點(diǎn)。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對地下熱水換熱，經(jīng)過(guò)熱泵加熱對循環(huán)水進(jìn)行供熱。水熱型地熱能供熱原理見(jiàn)圖3。

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域周?chē)?a href="http://keyinmall.com/t/鉆孔.html" >鉆孔、測井數據做出資源量的評估，確定是否有開(kāi)發(fā)價(jià)值。常見(jiàn)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(lèi)，不同方法探測深度、適用范圍不同。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(kāi)發(fā)有一定指導作用。

王貴玲等介紹了我國主要水熱型地熱系統形成機制與成因模式，進(jìn)一步完善了我國地熱資源研究的基礎理論和方法，為區域地熱資源勘查開(kāi)發(fā)提供了理論依據。黃光壽等分析了河南省沉積盆地五大構造單元地熱地質(zhì)特征，對沉積盆地型地熱資源評估、鉆井提供指導?？偨Y了關(guān)中盆地南部山前區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(gè)地段，論述每段的地質(zhì)特征和成因模式，為類(lèi)似區域地熱資源的開(kāi)發(fā)提供理論依據。

2)水熱型地熱能應用現狀與前景。

地熱水的回灌及運移是當前地熱研究的熱點(diǎn)。為保證等量同層回灌，當前常用泵是為加壓、真空無(wú)壓回灌，或采用“一采多灌”方式，這無(wú)形中增加了地熱投資及運營(yíng)成本，制約著(zhù)地熱能利用的發(fā)展。對豫北某城區地熱水人工加壓回灌進(jìn)行了實(shí)驗研究，表明加壓回灌能提高回灌量，為保證地熱能可持續利用，加壓回灌是目前應用最廣泛的方法。通過(guò)新近系明化鎮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(zhì)堵塞土柱，地下水的運移規律能為地熱井是否能長(cháng)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，在后期解決地熱井的結垢、堵塞及回灌等問(wèn)題中也能提供思路及解決辦法。

另外，隨著(zhù)石油、煤炭的開(kāi)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(jìn)行供熱改造，能節省鉆井費用，減少地熱開(kāi)發(fā)利用的初期投資。目前國內外廢棄井地熱能開(kāi)發(fā)還處于理論研究和試驗性研究階段，與大規模工業(yè)應用還有較大差距，通過(guò)分析土耳其Dodan油田的地質(zhì)孔隙度、面積、厚度、溫度和流體飽和度等各向異性?xún)訁?，提出了針對枯?a href="http://keyinmall.com/t/油田.html" >油田地熱供暖的開(kāi)發(fā)利用模式，為廢棄礦井的再利用提供了思路。

近年來(lái)，為保證地熱的可持續開(kāi)發(fā)利用以及防止地下水污染，水熱型地熱資源開(kāi)發(fā)利用的審批程序越來(lái)越嚴格規范。鑒于此，有相關(guān)科研工作者提出中深層地埋管地熱能利用技術(shù)，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。研究了地下換熱器的傳熱性能，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, 研究了傳熱過(guò)程對周?chē)鷰r土體的熱影響，并指出淺層埋管區循環(huán)液的的逆向傳熱現象，為保證換熱的高效，建議循環(huán)液進(jìn)口溫度選為10℃,這類(lèi)文獻對實(shí)際工程設計有重要價(jià)值，此種利用方式提高井下?lián)Q熱效率是永恒不變的話(huà)題。

不同地區有不同的地質(zhì)結構，相應的會(huì )有不同的運移規律，需針對具體地區地下水的運移深入研究。地熱井是中深層地熱開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵，在鉆井、成井、井下?lián)Q熱等方面對技術(shù)要求高。

中深層干熱巖型地熱能的開(kāi)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(zhù)干熱巖開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)步，干熱巖資源溫度的定義在逐漸模糊。干熱巖型地熱能的供熱原理類(lèi)似于中深層地埋管地熱能利用技術(shù)，通過(guò)介質(zhì)在同軸套管中流動(dòng)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(jiàn)圖4。

2)干熱巖應用現狀與前景。

目前學(xué)術(shù)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(lái)自地球深部高溫高壓熔巖向低溫低壓區域的熱能交換。巖體必須具備致密、穩定、高導熱系數和熱擴散率，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(jìn)行用超長(cháng)地埋管將熱量換取出來(lái)，這個(gè)過(guò)程依賴(lài)于水平鉆井、壓裂技術(shù)，新型高效換熱材料，另外還要考慮到地下超長(cháng)距離傳輸所造成的熱量損失，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(huì )很漫長(cháng)，限制在特定地區應用的現狀將會(huì )持續很久。

中深層地熱能溫度高，中高溫部分經(jīng)過(guò)換熱能直接進(jìn)行供熱利用，其運行成本低，未來(lái)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(kāi)發(fā)利用研究上主要集中在成藏原理、勘查開(kāi)發(fā)、尾水回灌、地熱發(fā)電及管理利用、干熱巖等幾個(gè)方向。

地熱能作為一種清潔能源，具有儲量大、分布范圍廣、穩定性好的特點(diǎn)，優(yōu)勢顯著(zhù)，其大規模的開(kāi)發(fā)利用是趨勢。淺層地熱能的開(kāi)發(fā)能兼顧供冷與供熱，夏季將熱能儲存至地下，冬天取出，對地熱能的可持續利用有重要意義；相比其他形式地熱能開(kāi)發(fā)利用，淺層地熱能投資成本較小，更有開(kāi)發(fā)優(yōu)勢。中深層地熱能品位隨著(zhù)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(lài)于開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步及回灌成本的降低，總體地熱能開(kāi)發(fā)向著(zhù)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(mén)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(jià)的差異，確保合理規范開(kāi)發(fā)及地下水生態(tài)系統的穩定。

在認識到地熱能優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也要客觀(guān)的認識到近期可開(kāi)發(fā)的地熱能品位低、遠期干熱巖的開(kāi)采急需技術(shù)的進(jìn)步、地熱相關(guān)概念的模糊、地熱能開(kāi)發(fā)易受政策、資源稅的影響的現狀，應結合我國地熱資源特點(diǎn)，合理開(kāi)發(fā)利用現有地熱資源。