鉆探工程的目的和意義

  日前，從河南省地礦局傳來消息，河南省地熱勘察有了新突破——由該局第一地質環境調查院承擔的新鄉云龍山地熱井鉆探工程日前順利竣工，成井深度2251.8米，出水量每小時達到55噸。

  據介紹，云龍山地區屬于變質巖地層，地質條件極為復雜，省地礦局第一地質環境調查院大膽采取先進技術氣舉反循環工藝，精準定位，精密施工，不僅解決了鉆進過程中泥漿大量漏失的問題，且有效預防了深井卡鉆、埋鉆及粘鉆的事故發生，提高了施工效率，實現了變質巖地區地熱勘探新突破。

  “這打破了元古變質巖地層不含水或含水量少的傳統理念，實現了元古變質巖地區地熱勘探的新突破。”省地礦局第一地質環境調查院相關負責人說，面對元古變質巖地區成井需求，技術人員根據多年的勘察經驗和數據分析，突破傳統理念，認為變質巖地層裂隙少、存水量少是對變質巖中上層成水規律的預測，但變質巖底層會存在裂隙并和外界水域相通，當水井達到一定深度時，會有足量可利用水源。

   經測試，該井靜水位埋深(不抽水時水位離地面深度)為55.10米，動水位埋深(抽水后水位離地面深度)為180.60米，水溫52攝氏度，水質屬于具有較高醫療價值的熱礦水，驗證了變質巖底層存在裂隙并和外界水域相通的理論預測。與此同時，也將為當地帶來很好的經濟和社會效益。

隨著全球能源消費結構的調整，清潔能源和可再生能源開發和利用成為各個國家發展的重點。目前，已經有超過70個國家在開發地熱能，我國地熱能資源豐富，所以對這種清潔能源的開發和利用頗為關注，所以近年來的開發力度也在大幅提升。就目前的情況來看，地熱資源利用不斷取得喜人進展。雖然在發展道路上依舊障礙重重，但是逾2000億的地熱能市場前景依然值得期待。 

清潔供熱成為地熱能資源利用的主要發展方向，地熱能供暖體系的構建對北方地區來說尤為重要。更重要的是，在政策支持之下，我國地熱資源利用捷報頻傳，無疑是為產業發展增添了更多動力。

國土資源部規劃司司長莊少勤曾表示要積極推進地熱和淺層地溫能的規?；_發利用。據公開資料顯示，我國地熱資源開發利用平均每年以10%以上的速度增長，年均可開發利用的地下熱水資源就已經達到了近70億立方米。

中國工程院院士曹耀峰曾透露，我國地熱直接利用是位居全球第二的美國的2倍多。而按照“十三五”規劃，到2020年，我國地熱能年利用量將達到7000萬噸標準煤。京津冀地區是重點規劃區，另外，自設立以來就備受矚目的雄安新區的地質調查結果也已出爐，未來將重點開發淺層地熱能。 

日前，青海省國土資源廳表示，在青海共和盆地已鉆獲高溫優質干熱巖體。所謂干熱巖，就是埋藏在地下一定深度，沒有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體。據了解，這還是中國首次發現溫度達到200℃以上的大規?？衫酶蔁釒r資源。而且，據初步測定，新鉆獲的干熱巖體埋藏適中，易利用。 

不久之后，河南省云龍山地熱勘察取得新突破的消息傳出。據悉，新鄉云龍山地熱井鉆探工程順利竣工，運用先進“氣舉反循環工藝”，成功解決了鉆井過程中的一系列問題。該項工程還一舉打破了元古變質巖地層不含水或含水量少的傳統理念，驗證了變質巖底層存在裂隙并和外界水域相通的理論預測。 

不可否認，我國在地熱能開發上不斷取得驕人戰果，實現技術突破和理論革新。但是地熱資源利用過程中也遇到很多的的難題：例如本身勘探難度相較流于表面的風能、太陽能等清潔能源來說就較大。這些困難也并不是在一朝一夕之間就能全部解決的。

地熱能資源開發和利用也存在前期成本投入較高，回報周期較長的問題。雖然在技術研發方面獲得了長足進步，但是地熱開發的技術起點相對較高，這也是很多業內人士認為我國地熱能開發需要更加“精打細算”，確保節能、高效、穩定，讓收益看得見的原因。所以在提高淺層地熱資源利用率之類的命題上仍待繼續攻關。 

當然，盡管面臨一些困難，可我國地熱能產業發展前景廣闊是被普遍認可的結論。更有機構預測，到2020年，我國地熱能利用將帶動逾2000億的投資。

         “由于地熱熱水水位急劇下降，現在北京、天津都已經得到政府的明確指示，從現在到今年年底不再開展新的地熱項目。”北京市地質礦產勘查開發局能源處處長李寧波在近日于東營舉辦的海利豐·2017第九屆中國國際地源熱泵行業高層論壇上表示。

      “如果地熱水的水位逐年持續下降，將來就是無能可采、無能可用。但是這種情況現在仍然存在，而且還在發生。”李寧波說。

      2017年1月，我國發布的《地熱能開發利用“十三五”規劃》，給地熱和地源熱泵市場注入了一針強心劑。雖然機會已來，但地熱產業仍存在很多需要解決的問題:為什么我們在擁有大量成功地源熱泵項目案例的同時，不成功的案例同樣并不鮮見?地熱水如何全部回灌?新興行業如何抱團取暖?這也是與會專家與企業普遍關注的問題。

尾水回灌是手段而非目的

      位于北京的北苑家園，是北京最大的地熱供暖社區項目，截至目前運行已超過10年，依然穩定。“為什么這個社區的地熱項目可持續，就是把所有的水回灌了。”李寧波說，經過十多年的監測，該地區地下水的水位、水溫、水量均沒有變化，“這說明只要能夠保證回灌，地熱3.0模式是可持續的”。

      如何提高淺層低熱能開采效率，在資源可恢復的強度范圍內開發利用?這直接影響著行業的推廣應用。開采程度決定著資源的平衡問題，淺層地熱的成因機理、傳熱機理、模型模擬的研究對于地源熱泵系統的設計、運行非常重要。

      “地下的熱來源、熱交換、熱恢復是一個復雜的過程，地下看不見、摸不著，很多地方也還沒有研究透。”李寧波坦言。

      要做到地熱項目可持續，地熱尾水要100%回灌。中國能源研究會地熱專業委員會專家委員會主任、中國地源熱泵產業聯盟專家委員會主任鄭克棪對此并不完全同意。

      “各個地方的地質條件不一樣，砂巖回灌就是國際難題，有的地方有時候確實做不到100%回灌。”但鄭克棪認為這并沒有關系，“回灌是措施、手段，并不是目的。”

      鄭克棪表示，要將技術條件、經濟條件綜合考慮，如果需要多次過濾、加壓回灌，那么所用的設備、電力，這些成本開銷比抽出來熱水用的熱量花費還高，回灌要花更多的錢，顯然從經濟條件考慮是不合適的。

      究竟可以留多少熱水不回灌，就能保證地下水位平衡又能利用地熱水的價值?鄭克棪表示，這還需要更多的模擬。

“細節決定成敗”

      除了對資源本身的理論研究，單從地源熱泵這方面考慮，也有諸多問題待解。

      天津市建筑設計院暖通設計總工程師伍小亭認為，所謂“不成功”的地源熱泵項目主要體現在三個方面:一次能源效率接近甚至低于常規系統，沒能實現利用可再生能源，降低化石能源消耗的初衷;盡管一次能源效率高于常規系統，但增量成本過高，節能回報年限過長，甚至超過法定的財務測算年限，造成項目不具有財務生存力;系統性能穩定性不佳，表現為系統投入使用幾年后，其能力衰減明顯，甚至影響正常使用，需再次投資改造。

      同時，伍小亭也提出了對以上問題的解決方案:“細節決定成敗”，通過精細化設計，做到“確實節能、收益可期、穩定高效”。

      伍小亭認為，“精細化”主要體現在以下方面:

      設計模式由處方式轉變為性能化(變措施導向為目標導向);設計方法由“對標”轉變為優化分析下的“基本合標”(模擬分析貫穿始終);重視對末端需求的研究，比如負荷、二次能源品位、運行規律、保障率等;對“源”的勘察與分析，如能力(強度、分布、長期熱儲)、品位(設計取值的確定、運行周期內的變化規律);基于多方案比選的技術路線制定，采用單一熱泵系統還是復合型熱泵系統?需要蓄能還是非蓄能?這些都可在好好比較后選出最優方案。

      此外，還要開展作以系統能效為目標的設計參數研究，如綜合源側、輸配、用戶側末端等;基于增量投資回收年限系統配置，如優化調峰、蓄能的容量與參數;在設計階段即考慮運行調節策略，使其作為設計的導入條件，避免系統實施后不具備正確運行調節的硬件環境。

資源是硬道理

      “我們現在開采的多是常規地熱能，溫度高于25℃，以地熱流體(水+蒸汽)的形式出現，埋藏深度一般在3000米以內。”中國科學院地質與地球物理研究所地熱資源研究中心主任龐忠和說。

      由于很多地熱項目已經超過3000米，龐忠和建議，或許可以將“中深層”的深度定義從3000米調整到4000米，“4000以下干脆叫超深層，這個地熱能可以跟干熱巖的概念差不多”。

      資源是硬道理。然而，要高品位資源就要有深度，深度大面對的各種技術挑戰就更大。

      中國科學院院士汪集旸在《有關中深層地熱資源開發利用的若干問題》的報告中提出，若一個地區對開發利用地熱資源的要求很大，但又找不出能滿足能源需求的合適熱儲，那就必須考慮對天然熱儲進行人工改造，以滿足該地區的能源需求。但深鉆與水力壓裂技術也是解決這一問題面臨的兩大技術難點，同時成本極高、資金回收期長、投入產出比低等問題也需要提前考慮。目前比較成功的改造案例都是在現有水熱系統的深部或者外圍去做的改造。

      龐忠和指出，地熱利用項目能不能做，需要靠資源說話，做得好與壞，由管理和技術決定。地熱系統的品質分析可以采用五要素法:熱源，維持地熱系統的熱量補給源;水源，維持流體循環的水源;通道，地熱流體循環的高滲透性構造;儲層，地熱流體儲集層;蓋層，減緩地熱系統熱量散失的隔熱層。

      干熱巖開發技術仍然屬于世界性的難題，國際上通用的干熱巖開發技術是增強型地熱系統。中國工程院院士曹耀峰指出，該系統關鍵技術有選區選址、系統描述和設計、高效成井、人工熱儲、系統運行等。“現在我們并沒有多少成功的經驗，要開發利用干熱巖，挑戰仍然很大。”

       盡管困難重重，曹耀峰仍然對干熱巖利用充滿信心，“2016年8月份，國務院印發了《“十三五”國家科技創新規劃》，比較系統地在深海、深藍、深空、深地等能夠拓展國家戰略利益、保證國家戰略優勢的領域做出了部署，這對干熱巖的勘探開發有極大推動作用。”

     “將來不管是國土資源部還是科技部，不論以國家重點實驗室、重大研發項目還是重大工程的形式，一些資金和扶持政策一定會陸續出臺，我們也要做好方方面面的準備。”曹耀峰說。

           8月18日下午，由中國能源研究會地熱專業委員會和國際地源熱泵協會中國區委員會主辦，山東海利豐清潔能源股份有限公司獨家冠名，永高股份有限公司、挪寶新能源集團協辦及《地源熱泵》雜志、地源熱泵網、地熱能網承辦的"海利豐·2017第九屆中國國際地源熱泵行業高層論壇"期間還成功召開了"陸特能源•第二屆中國中深層地熱能可持續開發專題研討會"。據了解本屆專題研討會由浙江陸特能源科技股份有限公司獨家冠名。
          中國科學院地質與地球物理研究所地熱資源研究中心主任龐忠和教授受邀出席并發表了題為《地熱系統動力學分析及地熱資源潛力預測》。龐忠和介紹，地熱資源深度可分類為淺層地熱能、中深層地熱能、超深層地熱能。
        淺層地熱能一般是指溫度一般低于25℃，深度小于200米;廣義可指各類土壤源和水源熱泵系統，也叫"淺層地溫能";中深層地熱能一般是指溫度高于25℃，地熱流體,埋深一般3000米以淺;及所謂"水熱"，也叫"常規地熱能";超深層地熱能一般是指一般沒有或者很少流體，溫度高于150℃，埋深一般大于3000米，即所謂"干熱巖"，也叫"非常規地熱能"。
        龐忠和強調，地熱系統可用五要素法分析。一是熱源。維持地熱系統的熱量補給源;二是水源。維持流體循環的水源;三是通道。地熱流體循環的高滲透性構造;四是儲層。地熱流體儲集層;五是蓋層。減緩地熱系統熱量散失的隔熱層。
        龐忠和還對新疆塔縣地熱田作了介紹，他指出塔縣地熱田位于新疆西部的塔什庫爾干盆地內，區內發育曲曼和辛滾溝兩個沖洪積扇，主要河流為塔河;年均氣溫3.3℃;地熱田西邊是元古代片麻巖，東邊是喜山期和印支期的花崗巖;辛滾溝處塔河沿岸分布一系列溫泉，溫度為9-15℃，且越往北，溫度越高。
        塔縣地熱田構造上屬于帕米爾高原構造結東部，受印度和亞歐板塊強烈擠壓，在昆侖，塔里木盆地和西天山構造帶綜合作用下形成;區內發育的主要斷裂系統如下圖右圖所示，其中NWW向的F2控制著塔河上游河盆的發展，是一條隱伏型斷裂;這些斷裂直接影響水和熱的分布。
        龐忠和就地熱熱儲溫度預測說:"利用各種溫標計算儲層溫度的前提是深部熱水自儲層到井口這個過程沒有發生其他地球化學過程，否則結果將偏大或偏小;由于多個鉆孔地熱水溫度差異大，推測可能存在混合過程。同時，河岸帶溫泉和鉆孔地熱水確實是冷水和深部熱水混合形成的，熱儲溫度約為255℃;此外，塔合曼溫泉與塔縣地熱田屬于不同的地熱系統;SiO2-焓值混合模型圖也表明，熱儲溫度為250℃。"
        最后，龐忠和教授總結說:"中深層地熱資源在西部除了西藏地區原來找到的地塹-拉分盆地型高溫地熱系統之外，在川西，新疆西部也有高溫地熱系統，包括青海共和盆地的高地溫。喜馬拉雅帶上的熱源可能是共性的-地殼變性轉化熱。東部超深層巖溶熱儲具有潛力，有待進一步勘探查明。"