中國淺層和中深層地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用

王文中，邵東云，程新科，關(guān)鵬飛，胡旭鵬，劉向宇

(中電建地?zé)衢_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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這需要水、風(fēng)、光、地?zé)岬惹鍧嵞茉吹拇罅Πl(fā)展。地?zé)崮芤云鋬?chǔ)量大、分布范圍廣、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在現(xiàn)今清潔能源供暖中脫穎而出。我國336個(gè)地級以上城市淺層地?zé)崮苜Y源年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7億t；水熱型地?zé)豳Y源年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤19億t；干熱巖遠(yuǎn)景資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬億t[1]。我國在“十三五”期間基本完成新增地?zé)崮芄┡?制冷)面積11億平方米的目標(biāo)，在“十四五”上提出因地制宜推動(dòng)北方地區(qū)清潔取暖，在未來5年間地?zé)崮芄┡?制冷)市場將會(huì)有很大空間。近年來地?zé)崮荛_發(fā)利用發(fā)展迅速，研究方向主要為大地?zé)崃鳒y試和數(shù)據(jù)的積累統(tǒng)計(jì)分析、巖石生熱率的演繹推理、模型的建立和模擬計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用、深部熱問題等。在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中，地?zé)峄毓鄦栴}造成投資及運(yùn)行成本增大，制約地?zé)崮荛_發(fā)利用的發(fā)展。

1 中國地?zé)岬刭|(zhì)資源分類與特點(diǎn)

1.1 地?zé)崮芊诸?/h3>

地?zé)崮茏鳛橐环N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?zé)崮苡卸喾N分類方式，按埋藏深度可分為淺層地?zé)崮堋⒅猩顚拥責(zé)崮埽话促x存類型可分為孔隙型、裂隙型和巖溶型；按形成機(jī)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(dǎo)型、對流型。

1.2 中國地?zé)岬刭|(zhì)資源分布及其特點(diǎn)

地球內(nèi)藏高溫，由內(nèi)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?zé)岬难芯繉㈤L期處于地殼層。

地球熱能來源于地球形成至今地球物質(zhì)勢能的轉(zhuǎn)變、放射性元素的衰變、地月系統(tǒng)中潮汐能的轉(zhuǎn)化熱、硫化礦物與地下水的反應(yīng)熱，按地球內(nèi)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(gòu)成還有太陽能，太陽能轉(zhuǎn)化而來的地球熱能包括太陽能的直接輻射和由太陽能轉(zhuǎn)化而來的動(dòng)植物尸體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(xiàn)也是不容忽視的。中國陸地地?zé)豳Y源分布見圖1。

圖1 中國陸地地?zé)豳Y源分布圖

在地球表層熱傳導(dǎo)條件下地溫梯度在3℃/100 m左右，隨著深度的增加，溫度會(huì)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?zé)崮軙r(shí)，由于不同儲(chǔ)層的巖性、孔隙度、富水性、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、水化學(xué)類型不同，要首先對設(shè)定區(qū)域進(jìn)行資源儲(chǔ)量調(diào)查，確保所設(shè)計(jì)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(chǔ)資源具有較高的開發(fā)價(jià)值，古近系熱儲(chǔ)資源埋藏較深，單井熱水產(chǎn)量小，水質(zhì)差，開發(fā)利用價(jià)值不大[3]。

2 淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用

2.1 地源熱泵分類及原理

淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵?00 m埋深以內(nèi)，溫度低于25℃的地?zé)豳Y源，分布廣、易開采，能實(shí)現(xiàn)供暖制冷。地源熱泵是目前有效利用淺層地?zé)崮艿淖罴压こ滔到y(tǒng)，地源熱泵取用淺層地?zé)崮苄枰捎玫叵聯(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(gè)鉆孔，在孔中下入單根(或雙根)底端相連的U型管，管的上端通過水平集管與熱泵機(jī)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)而通過熱泵技術(shù)實(shí)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?zé)崮軕?yīng)用現(xiàn)狀與前景

文獻(xiàn)[4]以大同中院項(xiàng)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(jī)組比空氣源熱泵機(jī)組節(jié)能27%，冬季按等效電核算方法計(jì)算，地源熱泵機(jī)組是市政供暖耗電量的1/3。大同地區(qū)屬于嚴(yán)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(huì)更好。文獻(xiàn)[5]以南開大學(xué)津南校區(qū)地源熱泵系統(tǒng)為例，對高校地源熱泵空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)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(fèi)用為7.29元/m2，年平均單位建筑面積供暖能源費(fèi)用為10.59元/m2，經(jīng)濟(jì)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(jī)組+鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)合理性與經(jīng)濟(jì)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(jì)性和運(yùn)行費(fèi)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(jì)、能效方面都有很大優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[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(jié)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(shí)際工程應(yīng)用中，考慮有無地下水滲流，有助于更科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少項(xiàng)目初期投資。Cristina Sáez Bláquez[8]等人嘗試設(shè)計(jì)了淺層地?zé)岬能浖狦ES-CAL，用于淺層地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)，采用水平向和螺旋狀的地埋管，應(yīng)用于西班牙ávila市的淺層地?zé)嵯到y(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，降低了鉆井長度，增加了地埋管實(shí)際應(yīng)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(guān)研究進(jìn)一步深入。文獻(xiàn)[9]介紹了一種新型地?zé)峋酆衔锾畛淞希⑦M(jìn)行了基于這種填充料的地埋管設(shè)計(jì)、施工，并進(jìn)行了測試，仿真結(jié)果與地面真實(shí)相符，這種材料提取地?zé)崮苄矢摺?/p>

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)優(yōu)勢明顯，投資較低、技術(shù)成熟、應(yīng)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(yùn)行費(fèi)用較高的缺點(diǎn)，我國地源熱泵技術(shù)起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，在未來淺層地?zé)崮艿难芯恐袘?yīng)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?zé)崮艿拈_發(fā)和利用

中深層地?zé)崮芸煞譃樗疅嵝团c干熱巖型兩類。

3.1 水熱型地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用

1)水熱型地?zé)崮荛_發(fā)利用原理與分布特點(diǎn)。中深層地?zé)崮苈裆钗挥跍\層地?zé)崮芤韵拢啾葴\層地?zé)崮埽哂新裆畲蟆㈤_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?zé)崴畵Q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(jìn)行供熱。水熱型地?zé)崮芄嵩硪妶D3。

圖3 水熱型地?zé)崮芄嵩韴D

中深層地?zé)崮苈癫剌^深，其資源量需借助地球物理勘探結(jié)果及目標(biāo)區(qū)域周圍鉆孔、測井?dāng)?shù)據(jù)做出資源量的評估，確定是否有開發(fā)價(jià)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(xiàn)[10]采用高精度重力物探方法預(yù)測了北京“通熱-19”地?zé)峋删疃? 370 m，日出水量為603 m3，出水溫度45℃，成井效果與預(yù)可研設(shè)計(jì)誤差較小，物探對地?zé)衢_發(fā)有一定指導(dǎo)作用。

王貴玲[11]等介紹了我國主要水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)形成機(jī)制與成因模式，進(jìn)一步完善了我國地?zé)豳Y源研究的基礎(chǔ)理論和方法，為區(qū)域地?zé)豳Y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(gòu)造單元地?zé)岬刭|(zhì)特征，對沉積盆地型地?zé)豳Y源評估、鉆井提供指導(dǎo)。文獻(xiàn)[13]總結(jié)了關(guān)中盆地南部山前區(qū)域地?zé)彷d體特征和構(gòu)造單元特征，按賦存條件，將地?zé)崃黧w分為四個(gè)地段，論述每段的地質(zhì)特征和成因模式，為類似區(qū)域地?zé)豳Y源的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2)水熱型地?zé)崮軕?yīng)用現(xiàn)狀與前景。地?zé)崴幕毓嗉斑\(yùn)移是當(dāng)前地?zé)嵫芯康臒狳c(diǎn)。為保證等量同層回灌，當(dāng)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?zé)嵬顿Y及運(yùn)營成本，制約著地?zé)崮芾玫陌l(fā)展。文獻(xiàn)[14]對豫北某城區(qū)地?zé)崴斯ぜ訅夯毓噙M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明加壓回灌能提高回灌量，為保證地?zé)崮芸沙掷m(xù)利用，加壓回灌是目前應(yīng)用最廣泛的方法。文獻(xiàn)[15]通過新近系明化鎮(zhèn)組細(xì)砂熱儲(chǔ)層巖樣室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，分別了Cl-、HCO3-、Ca2+、Na+在不同溫度下的運(yùn)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(yùn)移規(guī)律能為地?zé)峋欠衲荛L期利用提供設(shè)計(jì)參考，并可以作為地?zé)峋嗟暮侠磉x擇的依據(jù)，在后期解決地?zé)峋慕Y(jié)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(jìn)行供熱改造，能節(jié)省鉆井費(fèi)用，減少地?zé)衢_發(fā)利用的初期投資。目前國內(nèi)外廢棄井地?zé)崮荛_發(fā)還處于理論研究和試驗(yàn)性研究階段，與大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還有較大差距，文獻(xiàn)[16]通過分析土耳其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儲(chǔ)層參數(shù)，提出了針對枯竭油田地?zé)峁┡拈_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?zé)岬目沙掷m(xù)開發(fā)利用以及防止地下水污染，水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)利用的審批程序越來越嚴(yán)格規(guī)范。鑒于此，有相關(guān)科研工作者提出中深層地埋管地?zé)崮芾眉夹g(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。文獻(xiàn)[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(yīng)大于100 m，文獻(xiàn)[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(jìn)口溫度選為10℃，這類文獻(xiàn)對實(shí)際工程設(shè)計(jì)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題。

不同地區(qū)有不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的會(huì)有不同的運(yùn)移規(guī)律，需針對具體地區(qū)地下水的運(yùn)移深入研究。地?zé)峋侵猩顚拥責(zé)衢_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。

3.2 中深層干熱巖型地?zé)崮艿拈_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(nèi)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(shù)的進(jìn)步，干熱巖資源溫度的定義在逐漸模糊[20]。干熱巖型地?zé)崮艿墓嵩眍愃朴谥猩顚拥芈窆艿責(zé)崮芾眉夹g(shù)，通過介質(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?zé)崮芄嵩硪妶D4。

圖4 干熱巖型地?zé)崮芄嵩韴D

2)干熱巖應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。文獻(xiàn)[21]對目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的4種干熱巖資源成因模式提出了不同看法和認(rèn)識(shí)，研究認(rèn)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(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率，蓋層應(yīng)具備較大厚度、低導(dǎo)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)行用超長地埋管將熱量換取出來，這個(gè)過程依賴于水平鉆井、壓裂技術(shù)，新型高效換熱材料，另外還要考慮到地下超長距離傳輸所造成的熱量損失，隨著技術(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，限制在特定地區(qū)應(yīng)用的現(xiàn)狀將會(huì)持續(xù)很久。

中深層地?zé)崮軠囟雀撸懈邷夭糠纸?jīng)過換熱能直接進(jìn)行供熱利用，其運(yùn)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?zé)衢_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?zé)岚l(fā)電及管理利用、干熱巖等幾個(gè)方向。

4 結(jié) 語

地?zé)崮茏鳛橐环N清潔能源，具有儲(chǔ)量大、分布范圍廣、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，優(yōu)勢顯著，其大規(guī)模的開發(fā)利用是趨勢。淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)能兼顧供冷與供熱，夏季將熱能儲(chǔ)存至地下，冬天取出，對地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用有重要意義；相比其他形式地?zé)崮荛_發(fā)利用，淺層地?zé)崮芡顿Y成本較小，更有開發(fā)優(yōu)勢。中深層地?zé)崮芷肺浑S著深度的增加而增加，其運(yùn)行成本較低，但對地域要求較高，有賴于開采技術(shù)的進(jìn)步及回灌成本的降低，總體地?zé)崮荛_發(fā)向著更深方向、更高溫度發(fā)展也不能避免。此外，地?zé)豳Y源作為一種礦產(chǎn)資源，受地礦部門管轄，理應(yīng)收取地?zé)豳Y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(guī)范開發(fā)及地下水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在認(rèn)識(shí)到地?zé)崮軆?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也要客觀的認(rèn)識(shí)到近期可開發(fā)的地?zé)崮芷肺坏汀⑦h(yuǎn)期干熱巖的開采急需技術(shù)的進(jìn)步、地?zé)嵯嚓P(guān)概念的模糊、地?zé)崮荛_發(fā)易受政策、資源稅的影響的現(xiàn)狀，應(yīng)結(jié)合我國地?zé)豳Y源特點(diǎn)，合理開發(fā)利用現(xiàn)有地?zé)豳Y源。