劉延強(qiáng) 謝宏皓

摘要：中深層地?zé)釗Q熱技術(shù)研究的核心問(wèn)題之一就是地?zé)峋_(kāi)發(fā)模式選擇的研究。取熱方式的選擇對(duì)熱泵和埋管的設(shè)計(jì)影響重大。本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外地?zé)崂矛F(xiàn)狀，重點(diǎn)評(píng)述了中深層地?zé)衢_(kāi)采技術(shù)類型，綜合分析國(guó)內(nèi)外不同的地?zé)衢_(kāi)采模型及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)今后中深層地?zé)釗Q熱技術(shù)的研究方向進(jìn)行展望。

1 中深層地?zé)峋_(kāi)發(fā)技術(shù)概況

地?zé)衢_(kāi)發(fā)的研究經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成果。中深層地?zé)崮埽m然已經(jīng)在地?zé)岚l(fā)電有所突破，但由于各種工程技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)在還處于試驗(yàn)探索階段。我國(guó)中深層地巖熱能資源豐富，鉆探技術(shù)也已經(jīng)完備，利用中深層地巖熱能取熱供暖已成為目前地?zé)峁┡I(lǐng)域的一個(gè)新研究方向[1]。

隨著研究的深入，目前的中深層取熱井型存在換熱面積小、熱量采出較小、熱量遞減加快，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定的提供地?zé)幔枰鶕?jù)地?zé)釁^(qū)塊整體構(gòu)造及熱源分布情況，選擇科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)井型。本文將主要對(duì)直接取熱方式和間接取熱方式進(jìn)行綜合敘述，重點(diǎn)敘述進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)基于傳統(tǒng)傳熱模型的地?zé)衢_(kāi)發(fā)方式的演變，同時(shí)對(duì)于目前地?zé)峋腥孕枥^續(xù)深入研究的內(nèi)容進(jìn)行論述，指出今后換熱技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

2 中深層地?zé)崮芾矛F(xiàn)狀

地?zé)崮芨鶕?jù)其埋藏深度不同分為淺層地?zé)帷⑺疅嵝偷責(zé)岷透蔁釒r型地?zé)?種主要類型。地?zé)崮茉窗凑掌洳蔁岱绞降牟町惪煞譃橹苯永梅绞胶烷g接利用方式，直接利用即水熱型地?zé)峋夹g(shù)、增強(qiáng)地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)（Enhanced Geothermal Systems：EGS）技術(shù)、尾水回灌地?zé)?，間接利用包括中深層無(wú)干擾清潔供熱技術(shù)、U型對(duì)接地?zé)峋畵Q熱技術(shù)、二氧化碳熱管開(kāi)采技術(shù)等。

2.1直接利用方式

2.1.1 水熱型地?zé)?/p>

水熱型地?zé)崾侵苯映槿〉叵聼崴姆绞接脽崴畞?lái)取暖或發(fā)電。1970 年以前，我國(guó)地?zé)豳Y源的勘察與開(kāi)放仍限于地?zé)岬奶烊宦额^。在天津市近郊、北京城東南及西安灃西地區(qū) 1000m 深度內(nèi)打出了溫度在 40℃～90℃的地?zé)崴?，隨即在城市地區(qū)開(kāi)始了地?zé)峁┡?、醫(yī)療洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)洗滌等方面的應(yīng)用。1987、1988 年，在西藏羊八井、羊易地?zé)崽锟碧将@得了200℃以上的高溫地?zé)豳Y源，單井發(fā)電潛力達(dá)到了10000kW。直接利用地?zé)岬姆椒m然成本較低，但是它對(duì)地下水資源的消耗速度太快。地下水的補(bǔ)給速度緩慢。

2.1.2 尾水回灌水熱型

地?zé)嵛菜畬?duì)井回灌開(kāi)采[2]，利用開(kāi)采井的熱水循環(huán)后，通過(guò)注水井回灌到地層，以彌補(bǔ)地下水位消耗量。此種方式存在回灌率較低，地下溫度場(chǎng)影響較大等問(wèn)題。地?zé)峋菜毓嗉夹g(shù)是延長(zhǎng)生產(chǎn)井井壽命、保護(hù)地?zé)豳Y源、減少資源浪費(fèi)的有效途徑。

2.1.3 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)[3]

增強(qiáng)地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)（EGS），是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的辦法，從低滲透巖體中采出相當(dāng)數(shù)量深層熱能的人工系統(tǒng)，模仿天然發(fā)生的熱水型地?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，通過(guò)注入井注入水在地下實(shí)現(xiàn)循環(huán)，進(jìn)入事先水力壓裂產(chǎn)生的聯(lián)通縫隙帶，水與巖體接觸加熱，然后通過(guò)生產(chǎn)井返回地面，形成一個(gè)回路。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)可用于深層地?zé)豳Y源直接利用，這一研究熱點(diǎn)發(fā)展已長(zhǎng)達(dá)40余年，雖然研究取得了一定進(jìn)展，但存在著以下重要問(wèn)題：1）系統(tǒng)的建立會(huì)改變地下原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能引發(fā)微地震等不良后果;2）這種流體循環(huán)采熱方式不僅需要消耗大量的泵功，在實(shí)際應(yīng)用中還可能存在著嚴(yán)重的流體工質(zhì)損失現(xiàn)象;3）熱電效率低，如芬頓山高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)中熱電轉(zhuǎn)換率僅為17%。由于循環(huán)過(guò)程中流體工質(zhì)與深層巖石直接接觸，流體工質(zhì)往往含有溶解氧和氯離子等易腐蝕成分，以及鈣離子和硅酸等易結(jié)垢成分，在工質(zhì)流入管道和換熱設(shè)備后可能會(huì)引起腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題。

2.2間接利用方式

在深層地?zé)崮荛g接利用方面，主要是使用深層地源熱泵技術(shù)給建筑供暖，利用深層地埋管換熱器將地下的熱能提取出來(lái)，近年來(lái)也有較多的工程案例。

2.1.1無(wú)干擾地?zé)峋S換熱技術(shù)

無(wú)干擾地?zé)嵬S換熱系統(tǒng)是指鉆井設(shè)備向地下一定深度處的干熱巖巖層鉆孔，通過(guò)在鉆孔中安裝密封的金屬換熱裝置提取地?zé)崮?，采用?dǎo)熱系數(shù)高的套管固井，下入保溫層的內(nèi)管，環(huán)空泵入冷水內(nèi)管出熱水的方式取熱，這項(xiàng)技術(shù)代替了我們傳統(tǒng)生活中的空調(diào)和鍋爐，實(shí)現(xiàn)冬季制熱和夏季制冷，是地?zé)崮芾玫男录夹g(shù)，是改善大氣環(huán)境和節(jié)約能源的有效措施。1991年，長(zhǎng)度達(dá)1962m的同軸套管地埋管換熱器在美國(guó)夏威夷進(jìn)行換熱試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果取熱峰值達(dá)到390kW;1996年，在德國(guó)的普倫茨勞鎮(zhèn)，深層地源熱泵（換熱器為同軸套管，埋深為2786m）為當(dāng)?shù)氐木用裉峁┎膳枨蠛蜕顭崴?004年，埋深2500m的地埋管換熱器（同軸套管）在德國(guó)亞琛投入使用，為亞琛工業(yè)大學(xué)某建筑提供建筑供暖和供冷。

2.1.2? U型對(duì)接地?zé)峋畵Q熱技術(shù)

U型對(duì)接地?zé)峋到y(tǒng)[4]，與同軸套管取熱方式類似，只取熱不取水，采用水平井與直井對(duì)接的方式，冷水進(jìn)水平井，熱水從直井出，此種方式水平段有效增加換熱面積，同時(shí)換熱量較同軸套管大幅增加。陜西煤炭地質(zhì)集團(tuán)已經(jīng)成功完成2組U型地?zé)峋你@探工作，井下對(duì)接技術(shù)工藝在地?zé)嵝袠I(yè)中尚屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，但U型對(duì)接地?zé)峋到y(tǒng)缺乏相應(yīng)的理論研究，換熱效率及井筒溫度場(chǎng)變化規(guī)律等有待進(jìn)一步研究。此外，北京、上海、山東、黑龍江、河南等省市也積極開(kāi)展深層地源熱泵供熱工程示范，截止2016年底，全國(guó)建成的示范工程面積已超過(guò)600萬(wàn)m2?？梢钥闯?，深層地源熱泵在建筑供熱方面的應(yīng)用已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2.1.3 CO2熱管開(kāi)采技術(shù)[5]

熱管利用管內(nèi)工質(zhì)的相變，可以將熱量迅速地從高溫端傳輸?shù)降蜏囟?。熱管具有較高的傳熱性能和優(yōu)良的等溫性能等特點(diǎn)，該技術(shù)的突出特點(diǎn)是將 CO2地質(zhì)封存與熱管采熱相結(jié)合，在壓裂后的熱儲(chǔ)中注入CO2工質(zhì)，繼而利用熱管內(nèi)流體工質(zhì)的蒸發(fā)–凝結(jié)相變過(guò)程將熱儲(chǔ)中的熱能傳輸至地面。與較常規(guī)流體介質(zhì)（如水）相比，CO2 具有更好的熱膨脹性能，在相同的溫度差下可以獲得更大浮升力/沉降力;同時(shí)CO2的粘性系數(shù)也小于水，在相同的壓力差下可以獲得更大的滲流速度。在干熱巖對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件下 CO2工 質(zhì)處于超臨界狀態(tài)，采熱過(guò)程中熱管附近工質(zhì)溫度 的下降會(huì)在熱儲(chǔ)中形成較強(qiáng)的自然對(duì)流作用，從而達(dá)到提高熱管采熱率的目的。選擇重力熱管內(nèi)流體工質(zhì)時(shí)，工質(zhì)的工作溫度是最主要的考慮因素。當(dāng)熱管工質(zhì)為蒸餾水時(shí)，工作溫度區(qū)間為 30 ～ 250℃，十分符合干熱巖地?zé)豳Y源的溫度范圍，因此可以采用蒸餾水作為管內(nèi)流體工質(zhì)。

3 中深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)技術(shù)展望

（1）根據(jù)區(qū)塊熱源分布情況，科學(xué)合理選擇取熱井型，提高地?zé)峋畣尉崮芰?，探索中深層地?zé)峋咝岬目尚行约夹g(shù)，以及地源側(cè)新型換熱裝置的研發(fā)。

（2）開(kāi)展長(zhǎng)期、細(xì)致的熱源井實(shí)驗(yàn)研究工作，對(duì)于中深層巖土層熱物性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和計(jì)算方法進(jìn)行研究，對(duì)中深層地?zé)嵩礋岜瞄L(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)土壤的影響進(jìn)行研究，分析其對(duì)地溫恢復(fù)的綜合影響，揭示井筒周圍地層溫度變化規(guī)律。

（3）根據(jù)不同地層結(jié)構(gòu)，考慮土壤各向異性以及不規(guī)則分層的熱物性，應(yīng)積極探索建立井筒與周圍地層的熱耦合模型數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)選適宜地?zé)衢_(kāi)發(fā)方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪集旸.一帶一路，地?zé)嵯刃衃J].科技導(dǎo)報(bào)，2016，34（21）

[2] 趙光耀，李文超等.2012.地?zé)峋菜毓嗉夹g(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]勘察測(cè)繪

[3] 許天福，張延軍等.2012.增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（干熱巖開(kāi)發(fā)）技術(shù)進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，30（32）