中深层地热换热技术研究现状与进展

刘延强 谢宏皓

摘要：中深层地热换热技术研究的核心问题之一就是地热井开发模式选择的研究。取热方式的选择对热泵和埋管的设计影响重大。本文通过调研国内外地热利用现状，重点评述了中深层地热开采技术类型，综合分析国内外不同的地热开采模型及优缺点，并对今后中深层地热换热技术的研究方向进行展望。

1 中深层地热井开发技术概况

地热开发的研究经过近几十年的发展已经取得了显著的成果。中深层地热能，虽然已经在地热发电有所突破，但由于各种工程技术问题，现在还处于试验探索阶段。我国中深层地岩热能资源丰富，钻探技术也已经完备，利用中深层地岩热能取热供暖已成为目前地热供暖领域的一个新研究方向[1]。

随着研究的深入，目前的中深层取热井型存在换热面积小、热量采出较小、热量递减加快，无法长期稳定的提供地热，需要根据地热区块整体构造及热源分布情况，选择科学合理的开发井型。本文将主要对直接取热方式和间接取热方式进行综合叙述，重点叙述进入20世纪以来基于传统传热模型的地热开发方式的演变，同时对于目前地热井中仍需继续深入研究的内容进行论述，指出今后换热技术的重点研究方向。

2 中深层地热能利用现状

地热能根据其埋藏深度不同分为浅层地热、水热型地热和干热岩型地热3种主要类型。地热能源按照其采热方式的差异可分为直接利用方式和间接利用方式，直接利用即水热型地热井技术、增强地热开采系统（Enhanced Geothermal Systems：EGS）技术、尾水回灌地热，间接利用包括中深层无干扰清洁供热技术、U型对接地热井换热技术、二氧化碳热管开采技术等。

2.1直接利用方式

2.1.1 水热型地热

水热型地热是直接抽取地下热水的方式用热水来取暖或发电。1970 年以前，我国地热资源的勘察与开放仍限于地热的天然露头。在天津市近郊、北京城东南及西安沣西地区 1000m 深度内打出了温度在 40℃～90℃的地热水，随即在城市地区开始了地热供暖、医疗洗浴、水产养殖、工业洗涤等方面的应用。1987、1988 年，在西藏羊八井、羊易地热田勘探获得了200℃以上的高温地热资源，单井发电潜力达到了10000kW。直接利用地热的方法虽然成本较低，但是它对地下水资源的消耗速度太快。地下水的补给速度缓慢。

2.1.2 尾水回灌水热型

地热尾水对井回灌开采[2]，利用开采井的热水循环后，通过注水井回灌到地层，以弥补地下水位消耗量。此种方式存在回灌率较低，地下温度场影响较大等问题。地热井尾水回灌技术是延长生产井井寿命、保护地热资源、减少资源浪费的有效途径。

2.1.3 增强型地热系统[3]

增强地热开采系统（EGS），是采用人工形成地热储层的办法，从低渗透岩体中采出相当数量深层热能的人工系统，模仿天然发生的热水型地热循环系统，通过注入井注入水在地下实现循环，进入事先水力压裂产生的联通缝隙带，水与岩体接触加热，然后通过生产井返回地面，形成一个回路。

增强型地热系统可用于深层地热资源直接利用，这一研究热点发展已长达40余年，虽然研究取得了一定进展，但存在着以下重要问题：1）系统的建立会改变地下原有地质结构，可能引发微地震等不良后果;2）这种流体循环采热方式不仅需要消耗大量的泵功，在实际应用中还可能存在着严重的流体工质损失现象;3）热电效率低，如芬顿山高温岩体地热开发中热电转换率仅为17%。由于循环过程中流体工质与深层岩石直接接触，流体工质往往含有溶解氧和氯离子等易腐蚀成分，以及钙离子和硅酸等易结垢成分，在工质流入管道和换热设备后可能会引起腐蚀和结垢问题。

2.2间接利用方式

在深层地热能间接利用方面，主要是使用深层地源热泵技术给建筑供暖，利用深层地埋管换热器将地下的热能提取出来，近年来也有较多的工程案例。

2.1.1无干扰地热井同轴换热技术

无干扰地热同轴换热系统是指钻井设备向地下一定深度处的干热岩岩层钻孔，通过在钻孔中安装密封的金属换热装置提取地热能，采用导热系数高的套管固井，下入保温层的内管，环空泵入冷水内管出热水的方式取热，这项技术代替了我们传统生活中的空调和锅炉，实现冬季制热和夏季制冷，是地热能利用的新技术，是改善大气环境和节约能源的有效措施。1991年，长度达1962m的同轴套管地埋管换热器在美国夏威夷进行换热试验，测试结果取热峰值达到390kW;1996年，在德国的普伦茨劳镇，深层地源热泵（换热器为同轴套管，埋深为2786m）为当地的居民提供采暖需求和生活热水。2004年，埋深2500m的地埋管换热器（同轴套管）在德国亚琛投入使用，为亚琛工业大学某建筑提供建筑供暖和供冷。

2.1.2  U型对接地热井换热技术

U型对接地热井系统[4]，与同轴套管取热方式类似，只取热不取水，采用水平井与直井对接的方式，冷水进水平井，热水从直井出，此种方式水平段有效增加换热面积，同时换热量较同轴套管大幅增加。陕西煤炭地质集团已经成功完成2组U型地热井的钻探工作，井下对接技术工艺在地热行业中尚属国内首创，但U型对接地热井系统缺乏相应的理论研究，换热效率及井筒温度场变化规律等有待进一步研究。此外，北京、上海、山东、黑龙江、河南等省市也积极开展深层地源热泵供热工程示范，截止2016年底，全国建成的示范工程面积已超过600万m2。可以看出，深层地源热泵在建筑供热方面的应用已受到国内外的广泛关注。

2.1.3 CO2热管开采技术[5]

热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温端传输到低温端。热管具有较高的传热性能和优良的等温性能等特点，该技术的突出特点是将 CO2地质封存与热管采热相结合，在压裂后的热储中注入CO2工质，继而利用热管内流体工质的蒸发–凝结相变过程将热储中的热能传输至地面。与较常规流体介质（如水）相比，CO2 具有更好的热膨胀性能，在相同的温度差下可以获得更大浮升力/沉降力;同时CO2的粘性系数也小于水，在相同的压力差下可以获得更大的渗流速度。在干热岩对应的环境条件下 CO2工 质处于超临界状态，采热过程中热管附近工质温度 的下降会在热储中形成较强的自然对流作用，从而达到提高热管采热率的目的。选择重力热管内流体工质时，工质的工作温度是最主要的考虑因素。当热管工质为蒸馏水时，工作温度区间为 30 ～ 250℃，十分符合干热岩地热资源的温度范围，因此可以采用蒸馏水作为管内流体工质。

3 中深层地热开发技术展望

（1）根据区块热源分布情况，科学合理选择取热井型，提高地热井单井取热能力，探索中深层地热井高效取热的可行性技术，以及地源侧新型换热装置的研发。

（2）开展长期、细致的热源井实验研究工作，对于中深层岩土层热物性的现场测试和计算方法进行研究，对中深层地热源热泵长期运行对土壤的影响进行研究，分析其对地温恢复的综合影响，揭示井筒周围地层温度变化规律。

（3）根据不同地层结构，考虑土壤各向异性以及不规则分层的热物性，应积极探索建立井筒与周围地层的热耦合模型数据库，优选适宜地热开发方式。

参考文献

[1] 汪集旸.一带一路，地热先行[J].科技导报，2016，34（21）

[2] 赵光耀，李文超等.2012.地热井尾水回灌技术及其应用进展[J]勘察测绘

[3] 许天福，张延军等.2012.增强型地热系统（干热岩开发）技术进展[J].科技導报，30（32）