中深層地熱換熱技術研究現狀與進展

劉延強 謝宏皓

摘要：中深層地熱換熱技術研究的核心問題之一就是地熱井開發模式選擇的研究。取熱方式的選擇對熱泵和埋管的設計影響重大。本文通過調研國內外地熱利用現狀，重點評述了中深層地熱開采技術類型，綜合分析國內外不同的地熱開采模型及優缺點，并對今后中深層地熱換熱技術的研究方向進行展望。

1 中深層地熱井開發技術概況

地熱開發的研究經過近幾十年的發展已經取得了顯著的成果。中深層地熱能，雖然已經在地熱發電有所突破，但由于各種工程技術問題，現在還處于試驗探索階段。我國中深層地巖熱能資源豐富，鉆探技術也已經完備，利用中深層地巖熱能取熱供暖已成為目前地熱供暖領域的一個新研究方向[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，無法長期穩定的提供地熱，需要根據地熱區塊整體構造及熱源分布情況，選擇科學合理的開發井型。本文將主要對直接取熱方式和間接取熱方式進行綜合敘述，重點敘述進入20世紀以來基于傳統傳熱模型的地熱開發方式的演變，同時對于目前地熱井中仍需繼續深入研究的內容進行論述，指出今后換熱技術的重點研究方向。

2 中深層地熱能利用現狀

地熱能根據其埋藏深度不同分為淺層地熱、水熱型地熱和干熱巖型地熱3種主要類型。地熱能源按照其采熱方式的差異可分為直接利用方式和間接利用方式，直接利用即水熱型地熱井技術、增強地熱開采系統（Enhanced Geothermal Systems：EGS）技術、尾水回灌地熱，間接利用包括中深層無干擾清潔供熱技術、U型對接地熱井換熱技術、二氧化碳熱管開采技術等。

2.1直接利用方式

2.1.1 水熱型地熱

水熱型地熱是直接抽取地下熱水的方式用熱水來取暖或發電。1970 年以前，我國地熱資源的勘察與開放仍限于地熱的天然露頭。在天津市近郊、北京城東南及西安灃西地區 1000m 深度內打出了溫度在 40℃～90℃的地熱水，隨即在城市地區開始了地熱供暖、醫療洗浴、水產養殖、工業洗滌等方面的應用。1987、1988 年，在西藏羊八井、羊易地熱田勘探獲得了200℃以上的高溫地熱資源，單井發電潛力達到了10000kW。直接利用地熱的方法雖然成本較低，但是它對地下水資源的消耗速度太快。地下水的補給速度緩慢。

2.1.2 尾水回灌水熱型

地熱尾水對井回灌開采[2]，利用開采井的熱水循環后，通過注水井回灌到地層，以彌補地下水位消耗量。此種方式存在回灌率較低，地下溫度場影響較大等問題。地熱井尾水回灌技術是延長生產井井壽命、保護地熱資源、減少資源浪費的有效途徑。

2.1.3 增強型地熱系統[3]

增強地熱開采系統（EGS），是采用人工形成地熱儲層的辦法，從低滲透巖體中采出相當數量深層熱能的人工系統，模仿天然發生的熱水型地熱循環系統，通過注入井注入水在地下實現循環，進入事先水力壓裂產生的聯通縫隙帶，水與巖體接觸加熱，然后通過生產井返回地面，形成一個回路。

增強型地熱系統可用于深層地熱資源直接利用，這一研究熱點發展已長達40余年，雖然研究取得了一定進展，但存在著以下重要問題：1）系統的建立會改變地下原有地質結構，可能引發微地震等不良后果;2）這種流體循環采熱方式不僅需要消耗大量的泵功，在實際應用中還可能存在著嚴重的流體工質損失現象;3）熱電效率低，如芬頓山高溫巖體地熱開發中熱電轉換率僅為17%。由于循環過程中流體工質與深層巖石直接接觸，流體工質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垢成分，在工質流入管道和換熱設備后可能會引起腐蝕和結垢問題。

2.2間接利用方式

在深層地熱能間接利用方面，主要是使用深層地源熱泵技術給建筑供暖，利用深層地埋管換熱器將地下的熱能提取出來，近年來也有較多的工程案例。

2.1.1無干擾地熱井同軸換熱技術

無干擾地熱同軸換熱系統是指鉆井設備向地下一定深度處的干熱巖巖層鉆孔，通過在鉆孔中安裝密封的金屬換熱裝置提取地熱能，采用導熱系數高的套管固井，下入保溫層的內管，環空泵入冷水內管出熱水的方式取熱，這項技術代替了我們傳統生活中的空調和鍋爐，實現冬季制熱和夏季制冷，是地熱能利用的新技術，是改善大氣環境和節約能源的有效措施。1991年，長度達1962m的同軸套管地埋管換熱器在美國夏威夷進行換熱試驗，測試結果取熱峰值達到390kW;1996年，在德國的普倫茨勞鎮，深層地源熱泵（換熱器為同軸套管，埋深為2786m）為當地的居民提供采暖需求和生活熱水。2004年，埋深2500m的地埋管換熱器（同軸套管）在德國亞琛投入使用，為亞琛工業大學某建筑提供建筑供暖和供冷。

2.1.2? U型對接地熱井換熱技術

U型對接地熱井系統[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接的方式，冷水進水平井，熱水從直井出，此種方式水平段有效增加換熱面積，同時換熱量較同軸套管大幅增加。陜西煤炭地質集團已經成功完成2組U型地熱井的鉆探工作，井下對接技術工藝在地熱行業中尚屬國內首創，但U型對接地熱井系統缺乏相應的理論研究，換熱效率及井筒溫度場變化規律等有待進一步研究。此外，北京、上海、山東、黑龍江、河南等省市也積極開展深層地源熱泵供熱工程示范，截止2016年底，全國建成的示范工程面積已超過600萬m2。可以看出，深層地源熱泵在建筑供熱方面的應用已受到國內外的廣泛關注。

2.1.3 CO2熱管開采技術[5]

熱管利用管內工質的相變，可以將熱量迅速地從高溫端傳輸到低溫端。熱管具有較高的傳熱性能和優良的等溫性能等特點，該技術的突出特點是將 CO2地質封存與熱管采熱相結合，在壓裂后的熱儲中注入CO2工質，繼而利用熱管內流體工質的蒸發–凝結相變過程將熱儲中的熱能傳輸至地面。與較常規流體介質（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CO2的粘性系數也小于水，在相同的壓力差下可以獲得更大的滲流速度。在干熱巖對應的環境條件下 CO2工 質處于超臨界狀態，采熱過程中熱管附近工質溫度 的下降會在熱儲中形成較強的自然對流作用，從而達到提高熱管采熱率的目的。選擇重力熱管內流體工質時，工質的工作溫度是最主要的考慮因素。當熱管工質為蒸餾水時，工作溫度區間為 30 ～ 250℃，十分符合干熱巖地熱資源的溫度范圍，因此可以采用蒸餾水作為管內流體工質。

3 中深層地熱開發技術展望

（1）根據區塊熱源分布情況，科學合理選擇取熱井型，提高地熱井單井取熱能力，探索中深層地熱井高效取熱的可行性技術，以及地源側新型換熱裝置的研發。

（2）開展長期、細致的熱源井實驗研究工作，對于中深層巖土層熱物性的現場測試和計算方法進行研究，對中深層地熱源熱泵長期運行對土壤的影響進行研究，分析其對地溫恢復的綜合影響，揭示井筒周圍地層溫度變化規律。

（3）根據不同地層結構，考慮土壤各向異性以及不規則分層的熱物性，應積極探索建立井筒與周圍地層的熱耦合模型數據庫，優選適宜地熱開發方式。

參考文獻

[1] 汪集旸.一帶一路，地熱先行[J].科技導報，2016，34（21）

[2] 趙光耀，李文超等.2012.地熱井尾水回灌技術及其應用進展[J]勘察測繪

[3] 許天福，張延軍等.2012.增強型地熱系統（干熱巖開發）技術進展[J].科技導報，30（32）