我国地热的开发现状和前景探讨

doi ：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.206

我国地热的开发现状和前景探讨

王寿川 1，刘亚强1，张楷1，刘益才1，李万平2

（1-中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙 410083； 2-湖南省煤田地质局第六勘探队，湖南湘潭 411100）

[摘 要] 我国是地热资源相对丰富的国家，资源储量巨大。合理开发、利用地热能对缓解能源危机、保护环境具有重要促进作用。但受制于各种因素的限制，我国地热资源开发工作并未广泛展开。本文结合我国地热利用现状，对促进地热资源开发的思路和手段提出了建议，并对地热资源的开发前景提出了展望。 [关键词] 地热资源；勘探技术；回灌

Discussion on Status and Prospects of Geothermal Resource Development in China

WANG Shou-chuan *1, LIU Ya-qiang 1, ZHANG Kai 1, LIU Yi-cai 1, Li Wan-ping 2

(1-School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China; 2-The Sixth Exploration Team, Bureau of Coal Geology of Hunan Province, Xiangtan, Hunan 411100, China)

[Abstract] As a relatively rich-geothermal-resource country in the world, China has sufficient geothermal resources. Reasonable exploitation and utilization of the geothermal energy will greatly improve the current status of energy utilization and environmental protection. But due to some restrictions, the usage of geothermal resources has not been extensively promoted in our country. Based on current development status of geothermal resource in China, some advices on its exploitation and utilization methods were proposed, and the exploitation prospects are also presented.

[Keywords] Geothermal resource; Exploration technology; Recharging

*王寿川（1992-）男，研究生。研究方向：动力工程。联系地址：中南大学本部能源科学与工程学院。邮编：410083。联系

电话：186********。E-mail ：wangsc0731@https://www.wendangku.net/doc/af150248.html, 。 基金项目：2013年湖南省煤田地质局科学研究计划项目资助

0 引言

在能源危机日渐加剧和环境保护愈发紧迫的大背景下，提高能源利用效率，开发新能源以替代传统能源，减轻环境污染成了当务之急。

地热能是指地球内部蕴藏的巨大热能，地热能可通过火山爆发、温泉和岩石的热传导等形式带出地表。而地热资源是指在结合当前技术、经济和地质环境条件下，能够科学、合理地开发出来的地壳内的热能量和地热流体中热能量及伴生的有用组分。地热能是位于水力和生物质之后的第三大可再生资源。据相关数据统计，每年由地下传至地表的热量约相当于370亿吨标准煤的燃烧热，资源储量巨大。合理、有效地利用地热资源将对缓解能源危机，增进环境保护具有重要促进作用[1-4]。

1 地热资源利用现状

我国国幅员辽阔，地热资源丰富，环太平洋地热带、地中海-喜马拉雅地热带贯穿我国东南沿海和西南地区，据数据统计，我国地热资源潜力为11×106 EJ/a ，占全球的7.9%[1]。主要地热资源为中低温地热，高温地热资源仅2处（西藏羊八井、羊易地热田）。热储分为孔隙型和裂隙型热储，根据

温度由低到高，热储可分为温水型、热水型、两相流液体型和两相流气体型热储；按照地热资源储热层的深部情况可将地热资源分为浅层地热资源和深层地热资源。

1.1 浅层地热资源利用

我国对地热能浅层地热资源的研究起步较早，在某些领域，特别是发电利用方面处于国际领先水平。1976年，西藏羊八井第一台兆瓦级地热发电机组成功运行，标志着浅层地热能的利用进入工业化阶段。目前羊八井周边在地热发电的带动下，农副业、硼砂加工等企业也有了相当规模，年发电量占拉萨电网的45%左右，经济与环境效益显著。

目前，我国已初步形成了以低温地热直接利用为主，高温地热发电为辅的浅层地热利用格局。特别是近几年，在政策支持下，以浅层地热为热源的热泵系统在我国有了快速推广的势头。截止2011年底，我国地热供暖面积达到3,500×104 m2，年节约标煤50×104 t[5]。

浅层地热资源分布面较窄，高温地热资源尤其稀少，直接导致了我国地热发电发展缓慢，地热蒸汽不够导致机组停运的现象十分多见；同时，浅部地热开采在一些地区造成了地下水位大幅度下降、地面沉降等结果，引发了一系列环境问题；且地下水温度、水量、水化学特征等因素又难以满足高附加值的相关领域的利用，诸如发电、工业加工和农副业加工等，如1994年西藏那曲地热电厂奥玛特双工质机组就因进口结垢严重而停运。

1.2 深层地热资源的利用

深层地热资源多指开采深度、有效储热层在1,000 m以深的地热资源。深层地热的高温资源储量较为丰富，分布更为广泛，开采对地质影响小，且高温地热资源可利用范围广，因而深层地热梯级开发前景好。

据中南建筑设计院的姜毅[6]介绍，安阳法院集中空调系统项目中，利用井深为1,760 m的地热井开采地下热水，成功的为项目冬季空调供暖和全年生活热水提供了辅助热源，出水温度55 ℃，日出水量1,560 m3/d，取水量稳定，机房水系统中各级板式换热器和水源热泵运行良好，末端供回水温度稳定在45 /40

℃℃，满足设计需求，节能和经济效益显著。

目前，一系列有利条件都促进了我国深层地热的利用：勘探技术的不断进步，对深层地热的分布规律的认识也在不断深化；同时，石油、天然气等深层资源开采技术的进步以及回灌技术的日渐成熟都给深层地热的利用提供了可能性。然而，一些不利因素，如地质条件复杂、各地经济条件差异也决定了深层地热开采困难重重。我国地质情况复杂，地热田多伴有断陷区，可靠资料少，勘探难度大，又受制于地域经济条件的制约，地热田的开采并未广泛展开[7]。

2 加快地热资源开发对策

2.1 加快基础地质理论与综合物探技术研究

我国地热资源潜力虽然巨大，但受地质理论和勘探技术限制，勘探范围有限，登记在案的优质地热田少，能直接开发的地热田更是屈指可数；部分地区地温梯度低，有效储热层埋深大、盖层厚，勘探深度大，地表及浅层能收集到的信息弱，地球物理信息异常控制因素更为复杂，开发风险大。

地质理论是开发地热的理论基础，对地热资源勘探工作具有指导意义。目前我国尚未有全面而系统的地热地质基础理论，尤其在成盆理论、热储理论和地热田分布规律的上还需进一步研究工作[8]。

地热资源的勘探工作是开发的前提，对于评估开采效益、优选目标、减少开采风险、增进地热资源合理开发都有重要意义。目前，我国地热资源勘探技术与世界发达国家相比，还有相当差距。

用于地热勘探的物理勘探方法主要有测氡法、磁法、重力、电法（CSAMT法）和地震，物探手段虽多，但受到各种方法本身特性的限制，独立使用往往具有局限和单一性，具体表现在适用范围的局限性和测探物性的单一性，如开展重力勘探工作的前提是勘探区域存在岩石的密度差异，以及这种差异的横向变化，电法勘探前提是地层、岩石间存在明显电阻率差异等。

刘伟等[9]结合电法和地震，将二维地震勘探成果形成的地震地质剖面与CSAMT形成的反演拟断面图相叠合，结合地质分析，可以较准确地得出热储层埋深及厚度、盖层的性质及厚度和大型断裂的性质、规模及产状，以及热储层的富水性、断裂构

造的导水与富水性。实践证明，二者的结合是一种非常有效和成熟的深层地热的勘查手段，从而实现降低地热勘查的风险。

刘振华等[10]结合重力法、电法在邯郸地区勘查开发地热资源，实现对基底隆起局部构造和断裂破碎带的分布等地热存储条件和热储空间的分布情况的勘查，预测出三口有利的地热井区位置实现对地热异常体的三维显示与定位。研究思路见图1，地热有利位置分布见图2[10]。

图1

邯郸地区地热综合物探思路

图地热有利位置分布分析结果

综上，单一测探方法很难解决地热勘探所面临的复杂地质问题，因此，在基础地质理论的指导下，对勘探区物性进行普查，合理选取多种物探方法，相互验证、综合分析，正成为地热勘探的主流。

2.2 推广回灌技术以增进可持续利用

在过去的几年里，我国大多数新兴地热田都面临着地热资源产热能力下降的现状，部分地区由于无序化开采导致了地质下陷、热储水位下降的现象，这些情况在浅层地热利用时显得尤为严重。回灌就是将地热废水或其它来源水如地表水、常温地下水甚至污水灌入地下热储的过程，目前该技术在美国、日本、法国和丹麦等世界各国都有广泛的应用。

国内外研究与实践表明，地热回灌是防止环境污染、缓解地热资源枯竭、增进地热资源的可持续利用的首要途径。

美国的Geysers 地热田是世界著名的高温汽热田，分别于1969年、1980年、1997年开展了发电后地热废水、地表水、污水的回灌项目，是世界上第一个开展回灌项目的地热田，也是第一个将污水利用于地热回灌的系统。目前，系统运行良好，热储压力稳定，发电能力逐年上升，同时也解决了周边污水的处理问题，堪称世界上回灌技术最成功的项目之一。而以供暖等直接利用方式为主的中低温地热，其回灌项目在法国开展较多也较为成功[11]。

低焓热流体完全回灌热储存在许多困难，生产井与回灌井间水力联系是热储恢复的重要因素。回

灌井布置、成井工艺，回灌水体、水量的选择，地面循环系统的设计与运行模式都需以热储周边地质状况以及热储的动力场、化学场等物性参数为依据。研究热储在回灌后的压力响应与热响应、化学场响应是回灌技术的主要问题[12]。

为了跟踪、检测回灌效果，同位素示踪法在研究回灌水迁移规律方面很有前景；同时，开采井和回灌井温度场分析的数学模型与模拟也是研究热点问题。

形成科学系统的回灌井设计、运行理论对回灌

技术的推广、应用都有重大意义。 2.3 油气田伴生地热利用

中国石油拥有的矿区都位于沉积盆地内，在油田开发过程中，往往伴生着地热资源，且开采深度大，地热资源量十分可观。另外，油气企业在钻井、流体矿产勘探、开发、集输方面具有集中优势，技术基础好，相关人才多，设备资源丰富，在地热资

源的勘探、开发及利用上可发挥重要作用。

油田可利用的地热资源主要包括原油脱油污水资源和地下热水资源。我国每年仅脱油污水总量大约5.6亿吨，水温在30 ℃~50 ℃，如果采用热泵技术供暖，每年大约可以替代标煤52万吨，可见利用潜力巨大[13]。此外，地热主要的利用方式还有原油伴输加热、油管热洗、稠油热采等。

魏伟等[14]在充分考虑现有技术、经济条件下，从我国油区地热主要为中低温地热的背景出发，提出了以综合直接利用（洗浴、供暖、种植养殖、原油伴输加热、油管热洗、稠油热采和热泵供暖）为主，同时积极探索中低温地热发电的利用思路。

2.4 探索中低温地热发电

如前所述，我国地热以中低温资源为主，探索中低温地热发电，在我国具有广阔的发展前景。法国、德国、日本、意大利、英国等国家已经掌握了中低温地热发电关键技术，进入实际开发利用阶段。目前，我国中低温发电已进入工程试验阶段，2011年，华北油田的留北油田建成了中国第一台400 kW油田中低温伴生地热发电站，但仍有一系列关键技术问题需要突破，一是可利用地热最低温度要求高，仍有75 ℃；二是对地质要求高，需要满足较大的采出流量和回灌流量。

新型中低温余热发电技术有TFC（Trilateral Flash Cycle）[15]、Kalina[16]和ORC（Organic Rankine Cycle）技术。其中ORC 是利用有机工质发电的郎肯循环，ORC 系统采用低沸点的有机工质，系统蒸发和冷凝温度较低，可有效回收中低温地热能，提高能源利用率，并且系统效率高，结构简单，而且技术要求相对较低，是一种可切实实行的发电技术。目前，我国学者围绕ORC工质选取、系统设计、系统性能评价做了丰富的研究工作，但配套设备的标准化，特别是有机工质膨胀机（透平）设计、制造成了ORC的发展瓶颈。

2.5 尝试开发干热岩EGS系统

EGS系统（增强型地热系统，Enhanced Geothermal System），亦可称为HDR（Hot Dry Rock），是一种利用地下高温岩体的地热资源发电的系统。基本原理是利用人工方法（如水压致裂、化学侵蚀等）在地下(3~10) km处高温岩体中建造裂隙，形成可渗透的人工热储，将低温水由注入井注入热储，水在热储层中渗透，并在生产井出口获得可利用的压力热水。系统工作原理如图3所示[17]。

图3 EGS系统原理图

我国地质条件优越，太平洋板块、印度板块的迁移活动使我国陆内构造变化剧烈，这意味着我国地热资源的丰富和多样化。相对于浅层热水地热资源，深层干热岩地热资源总量巨大，分布更加广泛，利用前景广阔。

1970年，美国Los Alamos国家实验室由Morton 领导的研究小组，最先提出了具有商业价值的HDR 开发的设想。此后的20年间，美国、日本、法国、德国都进行了HDR的实验，目前这些国家正走在研究前列，已经运行的项目见表1[18]。

我国EGS系统研究起步于上世纪90年代初，但多限于岩体裂隙规律的理论研究，系统的研究较少，实地的工程实验尚属空白。新世纪来，EGS系统的研究逐渐走热。郭进京等[19]对干热岩的温度场和空隙率关系进行了研究，基于多孔介质的裂隙模型和单相流动假设，给出生产井出水温度与时间的关系曲线，并得出了拟合公式。对进一步工程实验提供了理论指导。目前，我国干热岩的热能潜力已经初步查明，已有战略框架，但是，下一步勘探方向不清，亟待优选靶区，现在干热岩地热开发还面临着三个主要问题：深部高温岩体的钻进技术；人工热储的建造技术；地热开采检测技术等[17]。

开发EGS将是地热能利用的另一个春天。

表1 各国EGS系统项目一览

项目名类型国家容量/MW 深度/km

Soultz 研究与开发法国 1.5 4.2 Desert Peak 研究与开发美国11~50 — Landau 商用德国 3 3.3 Paralana 商用澳大利亚7~30 4.1 Cooper Basin 商用澳大利亚250~500 4.3 The Geysers 工程实验美国— 3.5~3.8 Ogachi 研究与开发日本— 1.0~1.1 United Downs, Redruth 商用英国10 4.5

3 结论

地热资源是继水力、生物质之后的第三大可再生能源，科学、合理地开采地热资源对缓解我国能源危机、增进环境保护都有重要意义。目前，我国地热开发存在着开发区域范围窄、开发深度低等情况，急需优选开发靶区；利用方面存在梯级利用不到位、系统长期运行效益低、可持续性差等不足，应加强现有地热系统回灌及防腐除垢工作。

根据我国地热资源开发利用现状，应加大地热资源勘查力度，开展地热资源的综合利用及梯级利用：对于高温地热，应加大发电利用，争取周边环境、经济综合效益最大化；对于中低温地热，在推广地源热泵技术等综合直接利用手段的同时，积极开发中低温地热发电技术，争取技术成熟化；另外，应重视和加快油气区地热资源的利用，充分发掘利用油气废弃井和油气田产出水；对于EGS系统（增强型地热系统)，应优选靶区，开展试采工程实验，解决关键问题，为商业化运行做好基础研究。

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