中国浅层和中深层地热能的开发和利用

王文中，邵东云，程新科，关鹏飞，胡旭鹏，刘向宇

(中电建地热开发有限公司，河南 郑州 450000)

随着化石能源的日趋紧张，以及使用化石能源所带来的环境问题，迫使人类做出能源变革，我国提出CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这需要水、风、光、地热等清洁能源的大力发展。地热能以其储量大、分布范围广、稳定性好的特点，在现今清洁能源供暖中脱颖而出。我国336个地级以上城市浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿t；水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿t；干热岩远景资源量折合标准煤856万亿t[1]。我国在“十三五”期间基本完成新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米的目标，在“十四五”上提出因地制宜推动北方地区清洁取暖，在未来5年间地热能供暖(制冷)市场将会有很大空间。近年来地热能开发利用发展迅速，研究方向主要为大地热流测试和数据的积累统计分析、岩石生热率的演绎推理、模型的建立和模拟计算技术的应用、深部热问题等。在实际项目开发过程中，地热回灌问题造成投资及运行成本增大，制约地热能开发利用的发展。

1 中国地热地质资源分类与特点

1.1 地热能分类

地热能作为一种可再生资源，赋存于地下岩土、水等物质中，不受地域、资源等限制。地热能有多种分类方式，按埋藏深度可分为浅层地热能、中深层地热能；按赋存类型可分为孔隙型、裂隙型和岩溶型；按形成机制可分为沉积盆地型与隆起山地型；按热量传输方式可分为传导型、对流型。

1.2 中国地热地质资源分布及其特点

地球内藏高温，由内到外可分为地核、地幔、地壳三部分，目前世界上最深钻井深度为12 262 m，未穿破地壳层，人类对地热的研究将长期处于地壳层。

地球热能来源于地球形成至今地球物质势能的转变、放射性元素的衰变、地月系统中潮汐能的转化热、硫化矿物与地下水的反应热，按地球内部放射性生热元素(U、Th、40K)的丰度、半衰期估算，地球热能还能再延续近50亿年[2]。此外地球热能的构成还有太阳能，太阳能转化而来的地球热能包括太阳能的直接辐射和由太阳能转化而来的动植物尸体发生化学反应产生的热，在地球形成的46亿年间，这部分能量对地球热能的贡献也是不容忽视的。中国陆地地热资源分布见图1。

图1 中国陆地地热资源分布图

在地球表层热传导条件下地温梯度在3℃/100 m左右，随着深度的增加，温度会越来越高，但在随着深度的增加，地温梯度呈递减趋势。在取用以水为载体的地热能时，由于不同储层的岩性、孔隙度、富水性、导热系数、导水系数、水化学类型不同，要首先对设定区域进行资源储量调查，确保所设计开采位置有足够的水温、水量。不同地层的水温、含水量并不相同，如黄淮海平原新近系明化镇组和馆陶组及古生界寒武——奥陶系热储资源具有较高的开发价值，古近系热储资源埋藏较深，单井热水产量小，水质差，开发利用价值不大[3]。

2 浅层地热能的开发和利用

2.1 地源热泵分类及原理

浅层地热能是指地表以下200 m埋深以内，温度低于25℃的地热资源，分布广、易开采，能实现供暖制冷。地源热泵是目前有效利用浅层地热能的最佳工程系统，地源热泵取用浅层地热能需要采用地下换热系统，可分为三种，一是地埋管换热系统(也叫土壤源)；二是地下水换热系统；三是地表水换热系统。

地埋管换热系统就是先在地下钻一个钻孔，在孔中下入单根(或双根)底端相连的U型管，管的上端通过水平集管与热泵机组相连接。不抽取地下水，只需传热介质(主要是水或乙二醇)在密闭的U型地埋管中循环，利用传热介质与地下岩土层、地下水之间的温差进行热交换，进而通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷，如图2。

图2 地埋管换热系统示意图

2.2 浅层地热能应用现状与前景

文献[4]以大同中院项目为例，分析了夏季在不考虑末端循环能耗的情况下，地源热泵机组比空气源热泵机组节能27%，冬季按等效电核算方法计算，地源热泵机组是市政供暖耗电量的1/3。大同地区属于严寒地区B区，冬夏冷、热需求极不平衡，地源热泵在我国中部地区等冷热平衡地区，节能效果会更好。文献[5]以南开大学津南校区地源热泵系统为例，对高校地源热泵空调机组运行状态和经济性进行分析，结果显示，年平均制冷COP值为4.92，供暖COP为3.32，年平均单位建筑面积制冷能源费用为7.29元/m2，年平均单位建筑面积供暖能源费用为10.59元/m2，经济效益显著。经过分析南京某地区地埋管地源热泵系统和水冷机组+锅炉系统的技术合理性与经济性，得出地埋管地源热泵系统能源综合利用率更高、经济性和运行费用更优[6]。综上所述，对比空气源热泵、传统市政供暖，地源热泵在经济、能效方面都有很大优势。

文献[7]以华东地区为例，利用FLUENT模拟软件研究了土壤有无地下水渗流、渗流速度对双U型地埋管土壤温度场和换热量的影响，结果表明存在地下水渗流更有利于埋管与周围土壤间换热，且地下水渗流速度越大换热量越大，在实际工程应用中，考虑有无地下水渗流，有助于更科学的优化设计，减少项目初期投资。Cristina Sáez Bláquez[8]等人尝试设计了浅层地热的软件——GES-CAL，用于浅层地热系统设计，采用水平向和螺旋状的地埋管，应用于西班牙ávila市的浅层地热系统规划设计中，降低了钻井长度，增加了地埋管实际应用的类型，但缺乏竖直地埋管与水平或螺旋地埋管换热效果的的对比，有待相关研究进一步深入。文献[9]介绍了一种新型地热井聚合物填充料，并进行了基于这种填充料的地埋管设计、施工，并进行了测试，仿真结果与地面真实相符，这种材料提取地热能效率更高。

浅层地热能的开发优势明显，投资较低、技术成熟、应用范围广、审批手续少兼顾供冷与供热，但也有占地面积大、运行费用较高的缺点，我国地源热泵技术起步较晚，但近年来发展迅速，在未来浅层地热能的研究中应偏向于地下换热方式、效率、减小占地面积的方向。

3 中深层地热能的开发和利用

中深层地热能可分为水热型与干热岩型两类。

3.1 水热型地热能的开发和利用

1)水热型地热能开发利用原理与分布特点。中深层地热能埋深位于浅层地热能以下，相比浅层地热能，具有埋深大、开采技术要求高、焓值高的特点。采用一级板式换热器对抽取的中深层地热水换热，吸取热量的循环水直接供热；采用二级板式换热器继续对地下热水换热，经过热泵加热对循环水进行供热。水热型地热能供热原理见图3。

图3 水热型地热能供热原理图

中深层地热能埋藏较深，其资源量需借助地球物理勘探结果及目标区域周围钻孔、测井数据做出资源量的评估，确定是否有开发价值。常见的地球物理勘探方法有电法、磁法、重力法、地震波法、放射性法5类，不同方法探测深度、适用范围不同。文献[10]采用高精度重力物探方法预测了北京“通热-19”地热井，成井深度2 370 m，日出水量为603 m3，出水温度45℃，成井效果与预可研设计误差较小，物探对地热开发有一定指导作用。

王贵玲[11]等介绍了我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式，进一步完善了我国地热资源研究的基础理论和方法，为区域地热资源勘查开发提供了理论依据。黄光寿[12]等分析了河南省沉积盆地五大构造单元地热地质特征，对沉积盆地型地热资源评估、钻井提供指导。文献[13]总结了关中盆地南部山前区域地热载体特征和构造单元特征，按赋存条件，将地热流体分为四个地段，论述每段的地质特征和成因模式，为类似区域地热资源的开发提供理论依据。

2)水热型地热能应用现状与前景。地热水的回灌及运移是当前地热研究的热点。为保证等量同层回灌，当前常用泵是为加压、真空无压回灌，或采用“一采多灌”方式，这无形中增加了地热投资及运营成本，制约着地热能利用的发展。文献[14]对豫北某城区地热水人工加压回灌进行了实验研究，表明加压回灌能提高回灌量，为保证地热能可持续利用，加压回灌是目前应用最广泛的方法。文献[15]通过新近系明化镇组细砂热储层岩样室内土柱模拟试验，分别了Cl-、HCO3-、Ca2+、Na+在不同温度下的运移特征及HCO3-水解产生的沉淀物质堵塞土柱，地下水的运移规律能为地热井是否能长期利用提供设计参考，并可以作为地热井井距的合理选择的依据，在后期解决地热井的结垢、堵塞及回灌等问题中也能提供思路及解决办法。

另外，随着石油、煤炭的开采程度加深，逐渐产生一些废弃的矿井及高含水量的油井，若是能将这些矿井的直接进行供热改造，能节省钻井费用，减少地热开发利用的初期投资。目前国内外废弃井地热能开发还处于理论研究和试验性研究阶段，与大规模工业应用还有较大差距，文献[16]通过分析土耳其Dodan油田的地质孔隙度、面积、厚度、温度和流体饱和度等各向异性储层参数，提出了针对枯竭油田地热供暖的开发利用模式，为废弃矿井的再利用提供了思路。

近年来，为保证地热的可持续开发利用以及防止地下水污染，水热型地热资源开发利用的审批程序越来越严格规范。鉴于此，有相关科研工作者提出中深层地埋管地热能利用技术，此种方式工作原理与浅层地埋管相同，不同于U地埋管，采用同轴套管。文献[17-18]研究了地下换热器的传热性能，分析了地埋管换热器的热影响半径，并建议钻孔间距应大于100 m，文献[19]研究了传热过程对周围岩土体的热影响，并指出浅层埋管区循环液的的逆向传热现象，为保证换热的高效，建议循环液进口温度选为10℃，这类文献对实际工程设计有重要价值，此种利用方式提高井下换热效率是永恒不变的话题。

不同地区有不同的地质结构，相应的会有不同的运移规律，需针对具体地区地下水的运移深入研究。地热井是中深层地热开发利用的关键，在钻井、成井、井下换热等方面对技术要求高。

3.2 中深层干热岩型地热能的开发和利用

1)干热岩利用原理。干热岩是指一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。随着干热岩开发利用技术的进步，干热岩资源温度的定义在逐渐模糊[20]。干热岩型地热能的供热原理类似于中深层地埋管地热能利用技术，通过介质在同轴套管中流动与地下干热岩体换热，不抽取地下水。干热岩型地热能供热原理见图4。

图4 干热岩型地热能供热原理图

2)干热岩应用现状与前景。文献[21]对目前学术界公认的4种干热岩资源成因模式提出了不同看法和认识，研究认为干热岩形成条件主要是来自地球深部高温高压熔岩向低温低压区域的热能交换。岩体必须具备致密、稳定、高导热系数和热扩散率，盖层应具备较大厚度、低导热率，有热源保温才能形成干热岩。

由于干热岩中流体很少，埋藏较深，需进行用超长地埋管将热量换取出来，这个过程依赖于水平钻井、压裂技术，新型高效换热材料，另外还要考虑到地下超长距离传输所造成的热量损失，随着技术的发展进步，干热岩的供暖很快能大范围利用，但干热岩的发电之路依然会很漫长，限制在特定地区应用的现状将会持续很久。

中深层地热能温度高，中高温部分经过换热能直接进行供热利用，其运行成本低，未来有很大发展空间，但资源量具有明显地域性。目前中深层地热开发利用研究上主要集中在成藏原理、勘查开发、尾水回灌、地热发电及管理利用、干热岩等几个方向。

4 结 语

地热能作为一种清洁能源，具有储量大、分布范围广、稳定性好的特点，优势显著，其大规模的开发利用是趋势。浅层地热能的开发能兼顾供冷与供热，夏季将热能储存至地下，冬天取出，对地热能的可持续利用有重要意义；相比其他形式地热能开发利用，浅层地热能投资成本较小，更有开发优势。中深层地热能品位随着深度的增加而增加，其运行成本较低，但对地域要求较高，有赖于开采技术的进步及回灌成本的降低，总体地热能开发向着更深方向、更高温度发展也不能避免。此外，地热资源作为一种矿产资源，受地矿部门管辖，理应收取地热资源矿产税，但是要考虑到不同温度、深度、是否抽取地下水、是否等量同层回灌情况下资源税定价的差异，确保合理规范开发及地下水生态系统的稳定。

在认识到地热能优点的同时，也要客观的认识到近期可开发的地热能品位低、远期干热岩的开采急需技术的进步、地热相关概念的模糊、地热能开发易受政策、资源税的影响的现状，应结合我国地热资源特点，合理开发利用现有地热资源。