孫藝偉

(中國石化華北石油局國際工程公司,河南鄭州 450006）

地熱資源的利用及其面臨的若干問題

孫藝偉

(中國石化華北石油局國際工程公司,河南鄭州 450006）

地熱資源是一種具有巨大開發(fā)前景和潛力的清潔替代再生資源,在當前我國乃至全球面臨能源短缺“瓶頸”時期,研究其分布、形成、儲藏、運移機理、開采模式,及其對生態(tài)環(huán)境的影響等,具有重要的意義。通過分析國內外地熱資源的分布、研究和開發(fā)利用現(xiàn)狀,初步探討了中國地熱資源開發(fā)與研究中面臨的若干問題,并對地熱資源的開發(fā)與研究前景等方面提出相應的建議。

地熱;熱泵;再生資源;環(huán)境

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,令人不容樂觀的高投入、高消耗、高污染、低產(chǎn)出和低效益的現(xiàn)狀,已日益引起人們的重視。全球變暖、溫室效應以及頻發(fā)的因氣候引發(fā)的災害性事件,喚醒了人們對低碳生活、清潔能源和可再生能源的需求。

地熱是指地下溫度在25°以上或高于當?shù)睾銣貛?0°的水流或巖土層所蘊藏的熱能,作為一種清潔的、可再生能源,是21世紀繼水能、太陽能、風能、核能等之外的另一種環(huán)保能源,具有巨大的市場潛力。據(jù)美國能源部估計,全球地熱能相當于煤和油氣資源能量的5萬倍左右。

我國擁有豐富的地熱資源,可供開發(fā)地熱資源約合30億t標準煤,具有較好的開發(fā)前景和潛力。目前開發(fā)水平和利用程度極低,僅相當于30萬t標準煤。在全球面臨能源危機時期,若能充分開發(fā)利用地熱資源,不僅可增加能源儲備,節(jié)約大量的標準煤,還可緩解煤礦開采、運輸、加工和燃燒等引發(fā)的一系列破壞耕地、水土流失、地面沉降地質災害和大氣污染等問題。研究地熱資源的分布、形成、儲運、運移機理和開采模式,以及地熱資源的開發(fā)利用中是否產(chǎn)生新的生態(tài)、環(huán)境破壞和相應的地質災害等不利效應,具有極為重要的現(xiàn)實意義。

1 地熱資源的分布與利用現(xiàn)狀

1.1 資源分布

地熱資源是地球內部的長壽命放射性同位素熱核反應產(chǎn)生的熱能。按儲存形式,可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和熔巖型5大類。據(jù)估計,地球內部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量,平均每年5.0×1017kcal。1981年8月,肯尼亞內羅畢聯(lián)合國新能源會議統(tǒng)計,全球低熱能的潛在資源相當于現(xiàn)在能源消耗總量的45萬倍,地下熱能資源約為煤碳的1.7億倍。

地熱資源可分為高溫對流、中低溫對流、低溫對流3種類型(如表1所示）,主要分布在環(huán)太平洋地熱帶、地中海、喜馬拉雅地熱帶、大西洋中脊地熱帶、紅海亞丁灣東非裂谷地熱帶、其他地熱地區(qū)5個地熱異常帶(如表2所示）,即構造板塊邊緣一帶的溫泉、火山和地震多發(fā)區(qū)。

據(jù)預測,在距地表2000 m以淺的范圍內,約有相當于137億t標準煤的地熱資源量。若開采1%,則相當于1.37億t標準煤。從板塊構造和地熱異常分布區(qū)域看,我國屬地熱資源豐富的國家,不僅有構造活動帶熱異常,而且有大中型沉積盆地熱異常,如云南、西藏、河北等地熱田。

表1 地熱資源類型及分布情況

表2 世界五大地熱異常帶分布

1.2 地熱利用的現(xiàn)狀

地熱的利用主要包括高溫熱發(fā)電和中低溫熱能的直接利用2種。近年來,隨著對地熱資源的利用研究和投入,荷蘭海爾倫地熱發(fā)電站利用煤礦廢棄礦井通道,從地下800 m深處取熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,同時將發(fā)電機排放的二氧化碳液化泵入其他廢舊礦井封存,以實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。德國15%的新修建筑物中,以地下水開采井、井下?lián)Q熱器以及換熱樁等技術獲取淺部約200 m以深的地熱資源,供房屋取暖以及制冷(降溫）,可節(jié)能75%減少二氧化碳排放20%～25%。美國谷歌公司給Alta Rock能源公司投資624萬美元,開發(fā)可降低“增強地熱系統(tǒng)”成本并能提高開采效率的新技術;給波特開采公司投資400萬美元,研發(fā)擴大地下熱巖開采范圍的新技術;給美國南方衛(wèi)理公會大學地熱試驗室提供近49萬美元,用于研究北美的地熱能源的規(guī)模和分布,甚至于研究美國境內的火山蘊含的熱能利用。澳大利亞已利用5700余個石油和礦藏鉆孔繪出全國地熱能分布圖。據(jù)美國地熱資源委員會(GRC）調查,全球18個國家開發(fā)地熱總裝機容量在5827155 MW以上,美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼等國家裝機容量已超過100 MW。

我國的地熱資源豐富,對地熱的研究方面,羊八井熱田深部高溫資源形成機制研究,填補了我國高溫地熱成因機理的空白,建立了西藏羊八井高溫地熱系統(tǒng)模型,確定了大陸非火山型高溫熱田新類型,提交了西藏羊八井熱田深部高溫資源110 MW發(fā)電裝機容量成果。在淺層地熱利用研究中,探討了承壓含水層抽水、回灌、井筒壁降深及徑向滲流速度變化、徑向滲透系數(shù)的影響,探討了地熱資源的補給和內部循環(huán)以及對環(huán)境影響等。但地熱資源的開發(fā)利用程度很低,利用年均增長尚不足10%,與世界地熱能熱利用年均增長13%相比,還有一定差距。

我國高溫地熱資源主要用于發(fā)電,如西藏羊八井熱田1977～1991年的14年間建起裝機容量25118 MW的地熱站。另外在朗久、那曲、廣東豐順、湖南灰湯分別建有裝機容量1～2 MW的小規(guī)模的地熱電站。中地溫地熱資源主要用于非電直接利用,如云南騰沖等地的供暖、制冷、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游療養(yǎng)。截至1999年底,非電直接利用的熱水流量約644 m3/s,相當于每年提供1.6×105MJ的熱能。淺層低溫熱源的熱泵采能以年20%左右的增長速度,如陜西咸陽、中地公司與冰島合資的綠原能源地熱,已經(jīng)成功開鑿29口地熱井,年采地熱水3.0×106m3用于2.0×106m2供暖等,每年可節(jié)約燃煤2.0× 105t,減少工業(yè)垃圾3.0×104t,減少廢氣排放1.9 ×104t。

根據(jù)我國地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀、資源潛力評估,預測地熱產(chǎn)業(yè)規(guī)劃目標如表3所示。

1.3 熱泵應用現(xiàn)狀

熱泵是地熱資源的利用技術中重要的一環(huán),是利用少量電能、從低品位熱源(如空氣、土壤、自然水體、工業(yè)廢水等）中吸取熱量,從而達到節(jié)約部分高位能(煤、石油、燃氣、電能等）的一種熱力裝置。

表3 我國地熱產(chǎn)業(yè)規(guī)劃目標

地源熱泵技術起源于歐美等發(fā)達國家,經(jīng)過幾十年的發(fā)展已得到了廣泛的應用。1934年,美國通用公司就安裝地下水源熱泵采能系統(tǒng)。40～50年代,歐美等國興起第一次地源熱泵采能技術的研究和應用高潮。但由于技術、經(jīng)濟等原因直到70年代,隨著全球性能源危機的到來,地源熱泵再次受到廣泛的關注。瑞典1990年后地源熱泵以每年約1000套的速度增長。1995～2000年間,全球地源熱泵比1995年之前增長了327%,其中美國僅2000年就安裝了近4萬套。利用地源熱泵冬季供暖、夏季制冷及提供日常生活熱水,作為經(jīng)濟、高效、可持續(xù)的淺層地熱能開發(fā)手段,在歐美等發(fā)達國家得到了廣泛應用,并以較快速度保持穩(wěn)定增長的勢頭。

熱泵有空氣熱泵、土壤源熱泵和水源熱泵等。其中,地下水源熱泵主要開采淺層地熱能,需要地下水作為載體。為確保地熱系統(tǒng)長期、穩(wěn)定運行,必須具備充足的地下水資源條件。在保護地下水資源的同時,維持穩(wěn)定供水,通常需要將換熱后的地下水全部近距離回灌。主要有單井系統(tǒng)(同井抽灌）、對井系統(tǒng)(一抽一灌）和多井系統(tǒng)(一眼抽水井對應多眼回灌井）3種模式。具體抽灌模式的選取,視含水層的回灌率和單井設計抽灌量而定。通常,單井系統(tǒng)適用于含水層厚度較大、回灌率較高的地區(qū),如粗砂、卵礫石含水層。對井系統(tǒng)常用于回灌率適中的地區(qū)。

國內地源熱泵技術研究起步相對較晚,目前已有北京、天津、河北、內蒙古、河南及山東等20多個省(市、自治區(qū)）在推廣應用地源熱泵空調技術,主要用于政府辦公樓、住宅和醫(yī)院等建筑,作為清潔能源具有美好的市場前景。

2 地熱資源利用中面臨的若干問題

隨著地熱資源應用的迅速發(fā)展,全球對此提出了更新、更高的要求。目前,國內地熱資源利用仍處于初級階段,對地熱資源的認識、勘探和規(guī)劃利用等方面均處于探索階段,使得資源應用、研究和環(huán)境之間出現(xiàn)了一些未知的、急需解決的問題。

2.1 對地熱資源認識不足

2.1.1 地熱資源是否可以再生

通常人們認為地熱資源是可再生的能源,地熱資源能否再生?這與資源補給和消耗有關。地熱來源于地球內部的放射性元素衰變釋放的能量。由于地質構造不均性,地熱多沿板塊構造帶、火山、地震等的活動帶循環(huán),即地熱有一熱能通道。因板塊、火山、地震等活動的周期性特性,在運動停止或很緩慢時,熱能通道將會關閉或形成大幅度的縮徑,從而可能導致地熱的補給不足。另外,淺部地層中蘊藏著少量放射性物質,其衰變能也是淺層地熱能的補給之一。由此推測,地熱資源能否再生,主要取決于熱儲層的補給量是否大于等于人工抽取和自然消散的熱能,不一定是取之不竭的。

2.1.2 現(xiàn)今利用的部分低溫地源熱泵系統(tǒng)是否在“利用地熱”

低溫地熱能在世界很多地區(qū)應用相當廣泛,國內正處于一個興起階段。有人認為地下只要存在5℃的溫差,就有較大利用價值,淺層低溫空調就是以此為基礎設計的。這種小溫差熱能采暖,有多大經(jīng)濟效益?較多提及的是這種運行成本較原來的燃煤取暖要低多少?對大氣的污染排放減少了多少?據(jù)地源熱泵與其他能源供暖方式的運行費用對比(以2008年7月的價格為基礎）,煤、天然氣、輕柴油、電、地源熱泵的費用比例分別為1∶2.65∶8.48∶5.93∶1.63。地源熱泵運行成本高于用煤,如果考慮設備的安裝成本、運行年限和運行過程中可能對地下水等造成的不利影響,這種對比優(yōu)勢將不復存在。

2.2 勘探與規(guī)劃不足

我國正處于地熱開發(fā)的初級階段,國內的地熱資源分布和規(guī)劃尚有待于進一步的工作,具體的全國性地熱勘探與規(guī)劃仍停留于計劃上。實際的勘探和利用主要由少數(shù)國有企業(yè)和大量的小規(guī)模民營模式,作為全國性的勘探與規(guī)劃仍然欠缺,導致前期不合理開采形成大量的浪費和資源性破壞。

地熱資源要開發(fā)就必須對地熱資源進行勘查弄清其分布。從某種意義上講屬于地勘單位“自己的那份蛋糕”,雖沒有絕對優(yōu)勢但仍處于較大的優(yōu)勢地位,在開發(fā)上應有絕對的主動權、占有舉足輕重的地位。

1968年,地質部華北石油局第三普查勘探大隊(簡稱三普）奉令承擔天津市原河北省地質局大院、紅旗養(yǎng)鴨場和抗大十一中三口防震水文觀測井施工,其中紅旗養(yǎng)鴨水文觀測井自噴70℃熱水,成為當時全國第一口較深地熱井,從而推動津京地區(qū)乃至全國的地熱開發(fā)利用。在其后的油氣普查中不斷發(fā)現(xiàn)和利用地熱,1970年在甘肅涇川施工的“涇參1井”涌出熱水,平?jīng)龅貐^(qū)就此修建了溫泉療養(yǎng)院。1973年與陜西第一水文隊合作在西安電影制片廠完成的“西熱6井”,成井測試水量32 m3/h,水溫63.9℃,創(chuàng)全國地熱鉆井(2000.41 m）、人工投礫(1600 m）最深等多項記錄。1977年在內蒙古伊盟施工的“伊深2井”,完井后自溢熱水,無償交給地方開發(fā)利用。1978年以后我國地熱開發(fā)逐漸形成規(guī)模,中國石化華北石油局所屬的三普、五普、九普分別在渭河盆地、北京及山西晉南等地區(qū)完成多口地熱鉆井。創(chuàng)建了“山西最深自流地熱井”、“陜西地熱第一井”等一批地熱鉆井樣板工程。將常規(guī)石油鉆井中先進和成熟的工藝技術與相關的水文及地熱鉆井工藝技術有機結合,在地熱鉆井中引入鉆井液工藝技術,摒棄水井鉆井通行的土般+堿的原始分散型鉆井液,針對不同地層采用不同鉆井液體系和配方確保施工順利,保護水層。完井從沿用水井過濾管投礫止水,到針對不同水層采用包網(wǎng)纏絲濾水管、纏絲濾水管、裸眼完井、濾水管+射孔等完井工藝方法。止水方法采用海帶加傘狀橡膠金屬托盤混合止水器等,確保了每個水層的暢通和壽命。洗井作業(yè)從原始的反復抽吸,引入高壓噴射沖洗、活塞抽吸、壓風機氣舉洗井、二氧化碳氣舉酸化、高能氣體壓裂等洗井工藝方法。充分利用現(xiàn)有石油鉆井裝備,結合優(yōu)選鉆頭、鉆井參數(shù),推廣噴射鉆井、優(yōu)質鉆井液等工藝技術,形成了局部地區(qū)地熱鉆井施工的配套工藝技術。

2.3 監(jiān)督和管理欠缺

長期以來,一些地方簡單地將地熱混同于地下水,形成了地熱管理部門、水資源管理部門等多頭審批、監(jiān)管的局面,引發(fā)“九龍治水”亂象,給地熱開發(fā)、資源保護、企業(yè)經(jīng)營等帶來諸多不利影響。對地熱勘探、規(guī)劃和認識不足,直接導致監(jiān)督和管理滯后。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.3.1 沒有一套完整的監(jiān)督和管理體系

目前,國內沒有形成一套完整的監(jiān)督和管理體系。在項目的研發(fā)、施工、投產(chǎn)、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方面,如果沒有監(jiān)管,必然導致地熱資源的不當浪費,甚至破壞。

對地熱資源的管理,國內相關的法律法規(guī)已出臺不少。但淺層地熱缺乏有針對性的技術規(guī)范,深層地熱資源管理尚無相關的技術規(guī)范。

2.3.2 地下水水質保護不足

地熱利用以地下熱蒸汽和地熱水為主,干熱巖應用甚少。都需要進行地下水循環(huán)或回灌,一定程度上會改變地下水水質。一些不規(guī)范開采對地下水水質和水量補給平衡影響更大。

2.3.3 水溫的回歸

對儲層的熱承載能力研究不清,過量開采,地熱補給不平衡,導致水溫無法回歸至原來的恒溫特征,致使局部地段出現(xiàn)熱污染或冷窊,從而影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展。

2.4 地熱利用對環(huán)境的副作用

在利用地熱資源的過程中,水溫度的改變、水質的變化、水循環(huán)的不平衡等因素,很可能會對生態(tài)環(huán)境、淺層地下水資源、地下水質、地溫場等產(chǎn)生破壞和熱污染,甚至會出現(xiàn)地面沉降、巖溶塌陷和地裂縫等地質災害。

3 結論與建議

地熱資源是非常有前途的一種清潔替代能源,具有廣闊的應用前景,為此,宜就地熱資源的開發(fā)利用與內在機理等方面盡快開展更深層次和更大領域的研究。需要盡快加強以下幾個方面的工作:

(1）提高地熱資源在國內的應用程度和分布認識,強化對地熱資源的來源、儲藏、循環(huán)以及再生機理方面的研究,強化地熱開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境、地質災害的關系、以及變害為利的研究。

(2）探索地熱開采的勘探、規(guī)劃、利用與監(jiān)督管理等配套機制,削減地熱資源災難,提高地熱資源的開發(fā)和再利用。

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[5] GB 50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].

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[7] 王芳,范曉偉,周光輝,等.我國水源熱泵研究現(xiàn)狀[J].流體機械,2003,31(4）:57-59.

Geothermal Resources Utilization and the Relative Issues

SUN Yi-wei(North China Petroleum Bureau,Sinopec, Zhengzhou Henan 450006,China）

Geothermal resources are clean substitute renewable resource with great developing prospect and potential,the study on the distribution,formation,reserves,migration mechanis m,mining pattern and the influence on ecological envi-ronment has great significance.By the analysison the distribution,study and the current situation of development and utili-zation,primary discussion wasmade on the issues in geothermal resources development and relative suggestions were put for ward.

geothermal resources;heat pump;renewable resources;environment

TK529;TE249

:A

:1672-7428(2010）10-0044-04

2010-09-10

孫藝偉(1966-）,男(漢族）,山東煙臺人,中國石化華北石油局工程師,物理化學專業(yè),從事石油工程管理工作,河南省鄭州市隴海路199號,hbjhwxm@126.com。