浅谈地热资源及储量计算方法

任国澄

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州510663）

浅谈地热资源及储量计算方法

任国澄*

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州510663）

根据地热能利用模式的特点，将地热资源划分为水热型地热资源、浅层地热资源和干热岩地热资源3类，同时结合地热资源的特点，系统总结了我国地热资源及资源储量计算方法，并对计算评价、参数选取以及浅层地热能领域存在的问题进行了讨论。

水热型；干热岩；浅层地热；热储法；数值法；热均衡

随着能源消费需求不断增长、传统能源供给逐步枯竭以及环境问题的日益突出，进行能源结构调整和开发洁净的可再生新能源已成为全球共识，而作为替代能源之一的地热能日益受到人们的重视。

目前，国内对地热资源分类、勘查和评价方法各不相同，对地热资源的认识缺乏全面的了解和掌握，因此科学分类、勘查与计算评价地热资源是合理规划和开发地热资源的重要基础。

1 地热资源的分类

在传统地热资源分类的基础上，根据地热资源可利用模式的不同和现有开发技术的可行性，将地热资源划分为水热型地热资源、浅层地热资源和干热岩地热资源3类。

（1）水热型地热资源。赋存于高渗透型的孔隙或裂隙介质中，与年轻火山活动或高热流背景相伴生形成高温水热系统，而处于正常或偏低热流背景下的地下水循环通常形成的是中低温水热系统，通过对水热系统中流体的开采即可获取其地热能。

（2）干热岩则是指地下高温但由于低孔隙度和渗透性而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂形成增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中可以开采的地热能称之干热岩型地热资源。

（3）浅层地热能，又称浅层地温能，是指蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。一般是指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m以内、温度低于25℃的热能。

2 我国地热资源概述

2.1 水热型地热资源

中国水热型地热能资源主要分为3类：①高温对流型地热能资源，主要分布于滇藏及台湾地区，如藏南、川西、滇西地区；②中低温对流型地热能资源，主要分布在东南沿海地区包括广东、海南、广西，以及江西、湖南和浙江等地；③中低温传导型地热能资源，主要埋藏在华北、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯等地的大中型沉积盆地之中。

目前，地热资源开发利用的特点和优势使我国商业开发热潮迅速提高，很多地区地热资料难以满足地热勘查的精度要求，影响了对地热勘查区地热资源的认识和评价，使得我国地热资源的开发利用缺乏科学管理[1]。

2.2 干热岩地热资源

根据2011年对中国大陆地区的干热岩地热能资源的评价结果，中国大陆地区3～10km深处干热岩资源总计为21×106EJ，若按2%的可开采资源量计算，是传统水热型地热资源量的16.8倍，约相当于中国大陆2010年能源消耗总量的4400倍。图1为中国大陆地区干热岩地热能资源基数与可开采量示意图[2]。

目前，我国干热岩资源开发及其技术研究仍十分欠缺，干热岩勘查开发依然受一些重大科学与关键技术问题制约，需要尽快建立干热岩勘查开发试验研究基地，研发具有自主知识产权的干热岩探测技术、高温深钻技术、热储建造技术、热能交换技术、高效发电技术、梯级利用技术、检测监测技术等勘查开发关键技术。

图1 中国大陆地区干热岩地热能资源基数与可开采量示意图

2.3 浅层地热资源

近几年地源热泵技术建设发展迅速，已成为我国浅层地热资源利用的主要方式。但由于勘查工作不规范以及设计与建设过程中缺乏统一的设计计算方法、测试方法、操作规程、物性测试仪器、软件等，地热资源量计算不准确、缺乏冷热均衡评价和可靠性论证[3]，导致地源热泵工程稳定性受到影响，严重降低效率甚至无法正常运行，同时冷热失衡也会土壤、环境、生态环境造成不利影响[4]。

3 地热资源量计算方法

根据国内相关规范标准及工程实践，目前地热资源量计算方法通常可分为热储法、数值法等几种，现根据地热资源的类型分别进行介绍。

3.1 水热型地热资源

水热型地热资源包括热储中的地热储量（J）、储存的地热流体量（m3）、地热流体可开采量（m3/d或m3/a）及其可利用的热能量（MWt）。通常采用热储法（体积法）计算地下热能，按回采率计算可采资源量及地热水资源量的确定，主要借用浅部地下水稳定流和非稳定流计算方法[5]。

（1）地热储量和储存的地热流体量（热储法）：

式中：Q——热储热量，J；

Qr——岩石热量，J；

Qw——水热量，J；

其他参数略。

（2）地热流体可开采量及其可利用的热能量。地热能可采资源量受控的因素很多，如热储类型、热储埋深、热储压力、热储岩性特征等。另外，地热水可采资源量是可利用地热能的主要载体，目前常用的地下水资源计算方法有解析解法、补给量计算法、类比法、统计分析法和数值解法。

3.2 干热岩地热资源

干热岩所蕴含的地热资源量取决于干热岩的温度及干热岩岩石的热物性。目前，干热岩地热资源主要采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能，建立人工地下热储库方法多样，研究最多的是人工高压裂隙模式，此处不予赘述。

干热岩地热资源的计算主要针对干热岩体中的热量，可参考第3.1节的热储法，计算公式为：

Q=ρr·Cr·V·（Tr-T0）

式中：ρr——岩石密度；

Cr——岩石比热；

V——岩石体体积；

Tr——特定深度上的岩石温度；

T0——地表平均温度或特定参考温度。

3.3 浅层地热资源

鉴于浅层地热资源利用现状及特点，在进行场地浅层地热能计算评价时，应将该热容量视为“地下蓄热层”的调蓄能力，需进行采暖期取热量和制冷期排热量的冷热均衡分析，论证采暖期取热量和制冷期排热量的保证程度，计算评价方法可选用热储法或数值法。

（1）浅层地热容量和可利用储存量。浅层地热容量计算深度根据当地浅层地热能利用深度确定，一般不宜超过200m，相关岩土热物性可参考相关资料。在计算浅层地热容量的基础上，可根据大地可利用温差，计算可利用的储藏热量。在中国不同地区，可利用温差也不相同。推荐采用值为：东北地区5℃～6℃，华北地区7℃～8℃，华东地区8℃～9℃，华南地区10℃～12℃[4]。

①热储法（体积法）。应分别计算包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量，然后合并计算评价范围内地质体的储热性能。

在包气带中，浅层地热容量按下式计算：

在饱水带中，浅层地热容量按下式计算：

QR=QS+QW

QW=ρWCWφMd2

式中：QR——浅层地热容量，kJ/℃；

QS——岩土体中的热容量，kJ/℃；

QW——岩土体所含水中的热容量，kJ/℃；

QA——岩土体中所含空气的热容量，kJ/℃；

其他参数略。

②数值法。在地质、水文地质和浅层地热能勘查资料具备的区域，可采用数值模型法进行浅层地热能的热均衡计算及评价，确定浅层岩土体、地下水和地表水中热的补、排状况和储存热量的变化。以传导模型公式为例：

式中：Kxx、Kyy、Kzz——x、y、z方向的热导率；

T、t——温度和时间；

ρS+W、CS+W——岩土体与水的联合密度和联合比热；

Q——源汇项。

边界条件：

T(t)｜x,y,z∈Γ1=T(x,y,z,t)

式中：T(x,y,z,t)——第一类边界的温度函数；

Q（x,y,z,t）——第二类边界的热流函数；

cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)——边界外法线n方向与x、y、z方向的夹角余弦。

（2）浅层地热能均衡分析。浅层地热能均衡分析可采用2种方法：①按照热泵效率和运行状况，进行采暖期和制冷期总耗能分析，分别计算换热系统在一个周期内的总取热和排热量；②进行浅层地热能的热均衡评价，确定浅层岩土体、地下水和地表水中热的补、排状况和储存热量的变化，也可以采用数值模型进行热均衡评价。

需要说明的是，均衡计算需要有长期动态监测数据的支撑，适用于评价浅层地热能取热量的保证程度。在调查中，须定量查明在天然状态和开发状况下浅层地热能各均衡项情况。

4 讨论

（1）关于资源储量计算方法的讨论。3种地热资源均可使用热储法进行资源储量计算，仅在资源量组成及相关参数选取存在差异。随着勘查资料的逐步丰富和完善，可考虑使用数值法等更为准确地计算评价地热储量，根据地热资源开采量的需要和变化，预测变化趋势，进而为地热资源的科学管理提供依据。

（2）关于干热岩地热资源计算参数的获取。由于无论从钻井的深度，还是钻井的密度而言，深部岩体温度不能完全直接进行测量，而只能依据钻井温度测量和岩石热物性测试结果，基于稳态热传导理论进行深部温度的计算[6]，从而获得深部温度及干热岩热储量。大地热流值是表征地壳浅部热状态的一个综合参数，也是深部温度计算的最重要参数，可参考中国大陆地区新版热流图选取。

（3）关于浅层地热资源的认识问题。从本质上讲，地源热泵系统的能源利用是一种“冷疑热”的“废热利用”[7]。在工程实践中，很多单位或个人错误理解浅层地热资源容量的含义，机械地将其等同于其他类型的地热资源，忽视了“地下蓄热层”进行冷热均衡分析的重要性，缺乏对采暖期取热量和制冷期排热量保证程度的论证，造成很多低效或无效工程。

5 小结

本文根据地热资源利用模式的特点，将地热资源划分为水热型地热资源、浅层地热资源和干热岩地热资源3类，系统总结了我国地热资源及资源储量计算方法，并对计算评价、参数选取以及浅层地热能领域存在的问题进行了讨论。希望通过本文的总结分析，纠正浅层地热资源领域存在的误区，推动我国地热资源勘查和计算评价方法的完善和提高。

[1]洪乃静，张晓霞.关于地热资源勘查及评价方法的讨论[J].地热能,2006(2):20-24.

[2]汪集旸，胡圣标，庞忠和，等.中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J].科技导报,2012,30(32):2012-31.

[3]汪训昌.关于发展地源热泵系统的若干思考[J].暖通空调, 2007,37(3):38-43.

[4]韩再生，冉伟彦，佟红兵，等.浅层地热能勘查评价[J].中国地质,2007,34(6):1115-1121.

[5]薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].科学出版社,2007.

[6]万志军，赵阳升，康建荣.高温岩体地热资源模拟与预测方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(6):945-949.

[7]汪训昌.评“浅层地热能”的资源观点与评价方法[J].制冷与空调,2008,8(1):119-124.

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A

1004-5716(2015)11-0108-03

2015-09-07

2015-09-08

任国澄（1985-），男（汉族），江苏盐城人，工程师，现从事电力行业工程地质及水文地质勘察工作。