深層地熱能取熱技術研究現狀

張曦 李杰

摘 要：近年來，我國霧霾天氣越來越嚴重，受到國際社會的廣泛關注。為積極應對日益嚴重的霧霾問題，國家積極推廣使用清潔能源，提高清潔供暖的比重，減少霧霾，提高空氣質量。深層地熱能是一種分布廣泛、潔凈高效的可再生綠色新型能源，開發利用過程對環境影響較小。本文對深層地熱能的特性進行闡述，并分析了深層地熱能取熱技術，對深層地熱能干熱巖取熱技術進行具體分析，為后續干熱巖取熱技術在實際工程的應用提供支撐。

關鍵詞：清潔供熱；深層地熱能；取熱技術；干熱巖；潔凈高效

中圖分類號：P314；TU832 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0139-03

Research Status of Deep Geothermal Energy Extraction Technology

ZHANG Xi LI Jie

（Henan Provincial Academy of Building Research，Zhengzhou Henan 450053）

Abstract： In recent years， China's smog has become more and more serious， which has attracted extensive attention from the international community. To tackle the increasingly severe smog problem， the state has actively promoted the use of clean energy， increased the proportion of clean heating， reduced smog and improved air quality. Deep geothermal energy is a kind of renewable green energy with wide distribution， clean and efficient. This paper expounded the characteristic of deep geothermal energy， and analyzed the deep geothermal heat removal technology， and the heat taken from the deep hot dry rock geothermal energy technology analysis was introduced in detail， for subsequent heat taken from the hot dry rock technology in practical engineering application support.

Keywords： clean the heating；deep geothermal energy；heat removal technology；hot dry rock ；clean and efficient

1 研究背景

隨著我國經濟科技水平的不斷提高，各行業對能源的需求越來越強烈，資源的日益緊張成為我國政府急需解決的問題，尤其是近年來北方地區受到霧霾的持續侵擾，嚴重影響人們的正常生活起居。霧霾已成為影響人民生活水平和社會和諧發展的重要因素[1]。根據相關研究結果可知，形成霧霾天氣的三大主要污染源分別是燃煤、機動車尾氣和揚塵，其中冬季采暖燃煤是引起霧霾天氣的主要污染源之一。由此，實施清潔取暖成為各級政府未來工作的重要內容。冬季清潔取暖工作的開展是我國積極應對環境污染，努力改善人民生活水平，著力提升人民幸福感和獲得感的重大舉措。

深層地熱能作為新興的潔凈綠色能源，其取之不盡、用之不竭的特性被能源領域等行業越來越重視，且安全可靠、綠色節能，取熱技術相對較為簡單，對地域要求較低，可在北方地區大范圍推廣。利用深層地熱能具有節約能源、減少污染、有利生產、方便生活的綜合經濟效益、環境效益和社會效益。深層地熱開發利用的方針和原則是“堅持因地制宜，廣開熱源，技術先進，經濟合理”，逐步提高城市集中供熱的普及率。

2 深層地熱能的特點及優勢

深層地熱能主要分布在距地面2 000m以上的深處，且巖土平均溫度為150～350℃，垂直分布范圍廣泛。依據我國中深層地熱能利用率可知，我國2020年地熱能開發利用量將達到5 000萬t標準煤。依據我國地質構造，深層地熱流處于板塊構造的活躍帶，在云南、四川、西藏、京津冀和環渤海等地區分布有較高的大地熱流和范圍較大的侵入巖體，我國具有開發利用深層地熱能的地域優勢和基本條件。

2.1 儲量豐富、分布廣泛

深層地熱能在地殼內分布極為廣泛，初步估算，我國在2 000m深處得出地熱能相當于2 600億t的標準煤。深層地熱能一般不受場地條件制約，每個居民建筑區下都有地熱能，開發地熱能在地面上具有普遍性。綠色環保無廢氣、廢液和廢渣等任何排放，能量來自地熱，治污減霾成效顯著。

2.2 安全可靠、利用率高

第一，深層地熱能不受天氣、季節的影響。取熱系統與地下水隔離，僅通過換熱器管壁與高溫巖層換熱，不抽取地下水，防止長時間熱交換出現巖土熱失衡。第二，安全可靠。孔徑小（200mm），深度在2 000m以下，地下部分無運動設備，對建筑地基的影響幾乎可忽略不計；利用地下高溫熱源供熱，系統穩定，系統壽命長。地下換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當。第三，高效節能。專用的吸熱導熱裝置與新材料的使用提高了地下吸熱導熱效率，一個換熱孔可以解決1～1.3萬m2建筑的供暖。

3 深層地熱泵取熱技術

深層地熱泵取熱技術依據取熱方式的不同可分為深層地熱流體取熱技術、深層地熱能埋管技術和干熱巖取熱技術等。

3.1 深層地熱流體取熱技術

深層地熱流體取熱技術是通過深層鉆井技術，將深層流體的熱量抽出，與地面的熱交換系統完成換熱，達到對建筑體供暖的目的。

3.2 深層地熱能埋管技術

深層地熱埋管技術向深層巖層中鉆井，將低溫流體介質注入鉆井或者埋管中，低溫流體與周圍高溫巖體換熱，將巖體的熱量提取出來，與地表的循環系統完成換熱后重新注入井內在此換熱，形成一個完整的閉合回路。

3.3 干熱巖取熱技術

開發干熱巖資源的原理是從地表往干熱巖中打一眼井（注入井），對井口封閉后，向井內注入高壓低溫水源，井底部出現較高的壓力。在巖體致密無裂隙的情況下，高壓水會使巖體大致垂直最小地應力的方向產生許多裂縫。巖體本身有天然不裂隙紋路，高壓水使裂縫擴展變得更大。裂縫的開裂方向由于受到垂直地應力的影響。隨著低溫水的不斷注入，裂縫的開裂程度不斷增加、擴大，最終裂隙并相互連通，形成的儲存熱量的構造大致呈面狀分布，且具有較好的換熱能力。然后，在距離注入井合適的位置通過鉆井將人工儲熱面的熱量提取出來的井稱為生產井。注入的水通過注入井沿著裂隙運動并與周邊的巖石發生熱量的交換，產生溫度高達200～300℃的高溫高壓水或水汽混合物。通過人工儲熱的構造提取的熱量用來居民供暖和能源階梯綜合利用。經過循環之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中，從而達到循環利用的目的。

4 干熱巖取熱壓裂技術探究

干熱巖能源是蘊藏在地球內部含量豐富的潔凈綠色能源，是一種不可或缺的可再生能源，極具開發利用前景。干熱巖（HDR），也稱增強型地熱系統（EGS），或稱工程型地熱系統，是一般溫度大于200℃，埋深地下數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。這種巖體的成分變化較大，絕大部分為中生代以來的中酸性侵入巖，但也可以是中新生代的變質巖，甚至是厚度巨大的塊狀沉積巖。干熱巖主要被用來提取其內部的熱量，因此其主要的工業指標是巖體內部的溫度。

干熱巖地熱資源不僅覆蓋范圍廣，且在開發利用過程中，既無CO2、SOx、NOx等氣體排放，也無其他固液廢棄物排放，對環境的影響幾乎為零。干熱巖地熱開發安全可靠，鉆井過程危險較小。干熱巖地熱開發利用的過程中，不受周圍自然環境的影響。歐美與日本實例數據表明，深層干熱巖極具開發前景，通過技術升級，比煤炭等石化能源具有更廣闊的應用前景。

4.1 干熱巖取熱技術分類

4.1.1 人工高壓裂隙模式。通過注入井將高壓注水到井底，即通過人工高壓注水到井底，高溫的巖體受到低溫水的冷縮裂變形成很多裂隙，低溫水通過這些裂隙將巖體中的熱量提取出來完成熱量交換。儲層的滲透率由壓裂裂隙的寬度和聯通程度決定。通過壓裂使裂隙聯通，隙寬變大，可以大幅度減少儲層水流阻力。壓裂方案的選取應根據儲層應力狀態確定壓力大小、深度和時間等。水利激發原理見圖1。

4.1.2 自然裂隙模式。該模式主要以巖體本身的構造為依據。巖體本身具有天然裂隙，會阻止人工高壓注水引起的裂隙，進一步縱深發展開裂，但同時會使裂隙在橫向進一步發育擴大，增加注入水與巖體的換熱面積，同時增加裂隙的透水性能。在這種模式下，注入水的換熱性能大幅度增加，熱量的交換也更加充分。

4.1.3 自然裂隙-斷層模式。巖層本身具有斷裂層并利用巖石的天然裂隙，通過將斷裂層與裂隙兩者相互融合，使換熱系統滲透性更好。該技術方案的優勢是利用巖石的天然斷裂層，即不需通過人工高壓裂隙的方式連接進水井和出水井，而是通過已經存在的斷層來連接位于進水井和出水井之間的裂隙系統。通過鉆井注入的水順著裂隙運動并與周邊的巖石進行熱量交換，注入的低溫水與高溫巖體接觸后變為高溫水和水汽混合物。生產井的高溫蒸汽到達地面，通過熱交換及地面循環裝置用于居民供暖和多階梯綜合利用。通過熱交換后的溫水又通過回灌井注入到地下干熱巖體中，可以循環利用，達到節能環保的目的。其中，裂縫長度、寬度和間距是影響熱儲層有效換熱面積的主要因素，同時其也與儲層阻力和儲層的低滲透率密切相關。

4.2 深層地熱能應用實例

4.2.1 實例一。陜西某縣住宅樓，建筑面積約為2.5萬㎡，建筑熱負荷約5 802kW，對一個采暖季深層地熱能系統進行監測，監測結果見表1。深層地熱能現場圖片見圖2。

運行費用：供暖季為4個月，平均電價為0.52kW·h。負荷運行依據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2005）。不同負荷區間機組+水泵耗電量見表2。

上述表格中可得到：一個采暖季節約運行費用101萬元，對深層地熱能進行折算以100萬m2建筑為例，與常規燃煤鍋爐相比，深層地熱能可替代燃煤1.6萬t，減少CO2排放量約為4.3萬t，減少SO2排放量為136t。

4.2.2 實例二：西藏羊八井深層地熱能應用。羊八井地熱田地溫梯度在2 300m以上逐漸增大，超過2 300m后地溫梯度逐漸減小；從大地熱流來看，幔源熱流所占比例為53.7%。用PTS測井儀進行全孔溫度、壓力測定，顯示地下溫度呈兩段結構，淺部熱儲約150℃，深部達260℃，最高270℃。羊八井深部結構見圖3。

5 結論

我國正處于高速發展的時期，北方地區霧霾問題與能源危機引起各方重視，國家為治理霧霾天氣制定了一系列的激勵補貼政策，推廣使用新型節約能源是能源改革的重要舉措。集中供暖得到了大力推廣，深層地熱能開發利用必將迎來發展的高峰期。深層地熱能的發展利用主要以供暖和供電為主，供暖為重中之重，深層地熱供暖從單一單體規模較小建筑體逐漸向大規模群體發展，開發深度也逐漸增加，隨著技術的進步，深層地熱能朝著多級階梯高效利用發展。

綜上所述，地熱能因其潔凈、無污染被能源行業所重視，對深層地熱能的開發利用，要因地制宜，高效地利用能源。隨著我國科技的進步，深層地熱能的開發利用技術水平也逐步提高，深層地熱能將會在我國新能源領域中占據越來越重要的位置，我國北方地區的霧霾天氣也將得到極大的改善和提高。

參考文獻：

[1]張越，孫潔，孫靜.河南省淺層地熱能的開發利用[J].河南科技，2011（5）：73.