淺談地?zé)豳Y源及儲量計算方法

任國澄

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州510663）

淺談地?zé)豳Y源及儲量計算方法

任國澄*

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州510663）

根據(jù)地?zé)崮芾媚Ｊ降奶攸c，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類，同時結(jié)合地?zé)豳Y源的特點，系統(tǒng)總結(jié)了我國地?zé)豳Y源及資源儲量計算方法，并對計算評價、參數(shù)選取以及淺層地?zé)崮茴I(lǐng)域存在的問題進行了討論。

水熱型；干熱巖；淺層地?zé)幔粺醿Ψǎ粩?shù)值法；熱均衡

隨著能源消費需求不斷增長、傳統(tǒng)能源供給逐步枯竭以及環(huán)境問題的日益突出，進行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和開發(fā)潔凈的可再生新能源已成為全球共識，而作為替代能源之一的地?zé)崮苋找媸艿饺藗兊闹匾暋?/p>

目前，國內(nèi)對地?zé)豳Y源分類、勘查和評價方法各不相同，對地?zé)豳Y源的認識缺乏全面的了解和掌握，因此科學(xué)分類、勘查與計算評價地?zé)豳Y源是合理規(guī)劃和開發(fā)地?zé)豳Y源的重要基礎(chǔ)。

1 地?zé)豳Y源的分類

在傳統(tǒng)地?zé)豳Y源分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)地?zé)豳Y源可利用模式的不同和現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)的可行性，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類。

（1）水熱型地?zé)豳Y源。賦存于高滲透型的孔隙或裂隙介質(zhì)中，與年輕火山活動或高熱流背景相伴生形成高溫水熱系統(tǒng)，而處于正常或偏低熱流背景下的地下水循環(huán)通常形成的是中低溫水熱系統(tǒng)，通過對水熱系統(tǒng)中流體的開采即可獲取其地?zé)崮堋?/p>

（2）干熱巖則是指地下高溫但由于低孔隙度和滲透性而缺少流體的巖石（體），儲存于干熱巖中的熱量需要通過人工壓裂形成增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）才能得以開采，賦存于干熱巖中可以開采的地?zé)崮芊Q之干熱巖型地?zé)豳Y源。

（3）淺層地?zé)崮埽址Q淺層地溫能，是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。一般是指通過地源熱泵換熱技術(shù)利用的蘊藏在地表以下200m以內(nèi)、溫度低于25℃的熱能。

2 我國地?zé)豳Y源概述

2.1 水熱型地?zé)豳Y源

中國水熱型地?zé)崮苜Y源主要分為3類：①高溫對流型地?zé)崮苜Y源，主要分布于滇藏及臺灣地區(qū)，如藏南、川西、滇西地區(qū)；②中低溫對流型地?zé)崮苜Y源，主要分布在東南沿海地區(qū)包括廣東、海南、廣西，以及江西、湖南和浙江等地；③中低溫傳導(dǎo)型地?zé)崮苜Y源，主要埋藏在華北、松遼、蘇北、四川、鄂爾多斯等地的大中型沉積盆地之中。

目前，地?zé)豳Y源開發(fā)利用的特點和優(yōu)勢使我國商業(yè)開發(fā)熱潮迅速提高，很多地區(qū)地?zé)豳Y料難以滿足地?zé)峥辈榈木纫螅绊懥藢Φ責(zé)峥辈閰^(qū)地?zé)豳Y源的認識和評價，使得我國地?zé)豳Y源的開發(fā)利用缺乏科學(xué)管理[1]。

2.2 干熱巖地?zé)豳Y源

根據(jù)2011年對中國大陸地區(qū)的干熱巖地?zé)崮苜Y源的評價結(jié)果，中國大陸地區(qū)3～10km深處干熱巖資源總計為21×106EJ，若按2%的可開采資源量計算，是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源量的16.8倍，約相當于中國大陸2010年能源消耗總量的4400倍。圖1為中國大陸地區(qū)干熱巖地?zé)崮苜Y源基數(shù)與可開采量示意圖[2]。

目前，我國干熱巖資源開發(fā)及其技術(shù)研究仍十分欠缺，干熱巖勘查開發(fā)依然受一些重大科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)問題制約，需要盡快建立干熱巖勘查開發(fā)試驗研究基地，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干熱巖探測技術(shù)、高溫深鉆技術(shù)、熱儲建造技術(shù)、熱能交換技術(shù)、高效發(fā)電技術(shù)、梯級利用技術(shù)、檢測監(jiān)測技術(shù)等勘查開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 中國大陸地區(qū)干熱巖地?zé)崮苜Y源基數(shù)與可開采量示意圖

2.3 淺層地?zé)豳Y源

近幾年地源熱泵技術(shù)建設(shè)發(fā)展迅速，已成為我國淺層地?zé)豳Y源利用的主要方式。但由于勘查工作不規(guī)范以及設(shè)計與建設(shè)過程中缺乏統(tǒng)一的設(shè)計計算方法、測試方法、操作規(guī)程、物性測試儀器、軟件等，地?zé)豳Y源量計算不準確、缺乏冷熱均衡評價和可靠性論證[3]，導(dǎo)致地源熱泵工程穩(wěn)定性受到影響，嚴重降低效率甚至無法正常運行，同時冷熱失衡也會土壤、環(huán)境、生態(tài)環(huán)境造成不利影響[4]。

3 地?zé)豳Y源量計算方法

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標準及工程實踐，目前地?zé)豳Y源量計算方法通常可分為熱儲法、數(shù)值法等幾種，現(xiàn)根據(jù)地?zé)豳Y源的類型分別進行介紹。

3.1 水熱型地?zé)豳Y源

水熱型地?zé)豳Y源包括熱儲中的地?zé)醿α浚↗）、儲存的地?zé)崃黧w量（m3）、地?zé)崃黧w可開采量（m3/d或m3/a）及其可利用的熱能量（MWt）。通常采用熱儲法（體積法）計算地下熱能，按回采率計算可采資源量及地?zé)崴Y源量的確定，主要借用淺部地下水穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流計算方法[5]。

（1）地?zé)醿α亢蛢Υ娴牡責(zé)崃黧w量（熱儲法）：

式中：Q——熱儲熱量，J；

Qr——巖石熱量，J；

Qw——水熱量，J；

其他參數(shù)略。

（2）地?zé)崃黧w可開采量及其可利用的熱能量。地?zé)崮芸刹少Y源量受控的因素很多，如熱儲類型、熱儲埋深、熱儲壓力、熱儲巖性特征等。另外，地?zé)崴刹少Y源量是可利用地?zé)崮艿闹饕d體，目前常用的地下水資源計算方法有解析解法、補給量計算法、類比法、統(tǒng)計分析法和數(shù)值解法。

3.2 干熱巖地?zé)豳Y源

干熱巖所蘊含的地?zé)豳Y源量取決于干熱巖的溫度及干熱巖巖石的熱物性。目前，干熱巖地?zé)豳Y源主要采用人工形成地?zé)醿拥姆椒ǎ瑥牡蜐B透性巖體中經(jīng)濟地采出深層熱能，建立人工地下熱儲庫方法多樣，研究最多的是人工高壓裂隙模式，此處不予贅述。

干熱巖地?zé)豳Y源的計算主要針對干熱巖體中的熱量，可參考第3.1節(jié)的熱儲法，計算公式為：

Q=ρr·Cr·V·（Tr-T0）

式中：ρr——巖石密度；

Cr——巖石比熱；

V——巖石體體積；

Tr——特定深度上的巖石溫度；

T0——地表平均溫度或特定參考溫度。

3.3 淺層地?zé)豳Y源

鑒于淺層地?zé)豳Y源利用現(xiàn)狀及特點，在進行場地淺層地?zé)崮苡嬎阍u價時，應(yīng)將該熱容量視為“地下蓄熱層”的調(diào)蓄能力，需進行采暖期取熱量和制冷期排熱量的冷熱均衡分析，論證采暖期取熱量和制冷期排熱量的保證程度，計算評價方法可選用熱儲法或數(shù)值法。

（1）淺層地?zé)崛萘亢涂衫脙Υ媪俊\層地?zé)崛萘坑嬎闵疃雀鶕?jù)當?shù)販\層地?zé)崮芾蒙疃却_定，一般不宜超過200m，相關(guān)巖土熱物性可參考相關(guān)資料。在計算淺層地?zé)崛萘康幕A(chǔ)上，可根據(jù)大地可利用溫差，計算可利用的儲藏?zé)崃俊Ｔ谥袊煌貐^(qū)，可利用溫差也不相同。推薦采用值為：東北地區(qū)5℃～6℃，華北地區(qū)7℃～8℃，華東地區(qū)8℃～9℃，華南地區(qū)10℃～12℃[4]。

①熱儲法（體積法）。應(yīng)分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。

在包氣帶中，淺層地?zé)崛萘堪聪率接嬎悖?/p>

在飽水帶中，淺層地?zé)崛萘堪聪率接嬎悖?/p>

QR=QS+QW

QW=ρWCWφMd2

式中：QR——淺層地?zé)崛萘浚琸J/℃；

QS——巖土體中的熱容量，kJ/℃；

QW——巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃；

QA——巖土體中所含空氣的熱容量，kJ/℃；

其他參數(shù)略。

②數(shù)值法。在地質(zhì)、水文地質(zhì)和淺層地?zé)崮芸辈橘Y料具備的區(qū)域，可采用數(shù)值模型法進行淺層地?zé)崮艿臒峋庥嬎慵霸u價，確定淺層巖土體、地下水和地表水中熱的補、排狀況和儲存熱量的變化。以傳導(dǎo)模型公式為例：

式中：Kxx、Kyy、Kzz——x、y、z方向的熱導(dǎo)率；

T、t——溫度和時間；

ρS+W、CS+W——巖土體與水的聯(lián)合密度和聯(lián)合比熱；

Q——源匯項。

邊界條件：

T(t)｜x,y,z∈Γ1=T(x,y,z,t)

式中：T(x,y,z,t)——第一類邊界的溫度函數(shù)；

Q（x,y,z,t）——第二類邊界的熱流函數(shù)；

cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)——邊界外法線n方向與x、y、z方向的夾角余弦。

（2）淺層地?zé)崮芫夥治觥\層地?zé)崮芫夥治隹刹捎?種方法：①按照熱泵效率和運行狀況，進行采暖期和制冷期總耗能分析，分別計算換熱系統(tǒng)在一個周期內(nèi)的總?cè)岷团艧崃浚虎谶M行淺層地?zé)崮艿臒峋庠u價，確定淺層巖土體、地下水和地表水中熱的補、排狀況和儲存熱量的變化，也可以采用數(shù)值模型進行熱均衡評價。

需要說明的是，均衡計算需要有長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的支撐，適用于評價淺層地?zé)崮苋崃康谋ＷC程度。在調(diào)查中，須定量查明在天然狀態(tài)和開發(fā)狀況下淺層地?zé)崮芨骶忭椙闆r。

4 討論

（1）關(guān)于資源儲量計算方法的討論。3種地?zé)豳Y源均可使用熱儲法進行資源儲量計算，僅在資源量組成及相關(guān)參數(shù)選取存在差異。隨著勘查資料的逐步豐富和完善，可考慮使用數(shù)值法等更為準確地計算評價地?zé)醿α浚鶕?jù)地?zé)豳Y源開采量的需要和變化，預(yù)測變化趨勢，進而為地?zé)豳Y源的科學(xué)管理提供依據(jù)。

（2）關(guān)于干熱巖地?zé)豳Y源計算參數(shù)的獲取。由于無論從鉆井的深度，還是鉆井的密度而言，深部巖體溫度不能完全直接進行測量，而只能依據(jù)鉆井溫度測量和巖石熱物性測試結(jié)果，基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論進行深部溫度的計算[6]，從而獲得深部溫度及干熱巖熱儲量。大地?zé)崃髦凳潜碚鞯貧\部熱狀態(tài)的一個綜合參數(shù)，也是深部溫度計算的最重要參數(shù)，可參考中國大陸地區(qū)新版熱流圖選取。

（3）關(guān)于淺層地?zé)豳Y源的認識問題。從本質(zhì)上講，地源熱泵系統(tǒng)的能源利用是一種“冷疑熱”的“廢熱利用”[7]。在工程實踐中，很多單位或個人錯誤理解淺層地?zé)豳Y源容量的含義，機械地將其等同于其他類型的地?zé)豳Y源，忽視了“地下蓄熱層”進行冷熱均衡分析的重要性，缺乏對采暖期取熱量和制冷期排熱量保證程度的論證，造成很多低效或無效工程。

5 小結(jié)

本文根據(jù)地?zé)豳Y源利用模式的特點，將地?zé)豳Y源劃分為水熱型地?zé)豳Y源、淺層地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源3類，系統(tǒng)總結(jié)了我國地?zé)豳Y源及資源儲量計算方法，并對計算評價、參數(shù)選取以及淺層地?zé)崮茴I(lǐng)域存在的問題進行了討論。希望通過本文的總結(jié)分析，糾正淺層地?zé)豳Y源領(lǐng)域存在的誤區(qū)，推動我國地?zé)豳Y源勘查和計算評價方法的完善和提高。

[1]洪乃靜，張曉霞.關(guān)于地?zé)豳Y源勘查及評價方法的討論[J].地?zé)崮?2006(2):20-24.

[2]汪集旸，胡圣標，龐忠和，等.中國大陸干熱巖地?zé)豳Y源潛力評估[J].科技導(dǎo)報,2012,30(32):2012-31.

[3]汪訓(xùn)昌.關(guān)于發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的若干思考[J].暖通空調(diào), 2007,37(3):38-43.

[4]韓再生，冉偉彥，佟紅兵，等.淺層地?zé)崮芸辈樵u價[J].中國地質(zhì),2007,34(6):1115-1121.

[5]薛禹群，謝春紅.地下水數(shù)值模擬[M].科學(xué)出版社,2007.

[6]萬志軍，趙陽升，康建榮.高溫巖體地?zé)豳Y源模擬與預(yù)測方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(6):945-949.

[7]汪訓(xùn)昌.評“淺層地?zé)崮堋钡馁Y源觀點與評價方法[J].制冷與空調(diào),2008,8(1):119-124.

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1004-5716(2015)11-0108-03

2015-09-07

2015-09-08

任國澄（1985-），男（漢族），江蘇鹽城人，工程師，現(xiàn)從事電力行業(yè)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察工作。