中深层耦合浅层地热能高效开发利用关键技术研究

中深层耦合浅层地热能高效开发利用关键技术研究

宋毅恒

中国电建集团河南工程有限公司  河南郑州  450001

摘要：本文旨在探讨中深层耦合浅层地热能高效开发利用的关键技术。通过对地热资源的特性分析，结合当前地热开发利用的现状与问题，本文深入研究了中深层与浅层地热能的耦合机制，并提出了一系列高效开发利用的策略与技术手段，以期为我国地热能的可持续利用提供理论支撑和技术指导。

关键词：中深层地热能；浅层地热能；耦合机制；高效开发利用；可持续能源

一、引言

随着全球能源结构的转型和可再生能源的快速发展，地热能作为一种清洁、可再生的能源形式，越来越受到各国的重视。地热资源广泛分布于地球的各个层位，其中中深层地热能与浅层地热能因其不同的特点和应用领域，具有广阔的开发前景。然而，如何实现中深层与浅层地热能的高效耦合利用，提高地热能的利用效率和经济性，是当前地热研究领域亟待解决的问题。

二、地热资源概述

地热资源是指地球内部蕴藏的热量，通过地热热泵、地热发电厂等方式加以利用。根据地热资源的分布深度和温度，一般可分为浅层地热能（一般为恒温带至 200 m 埋深）和中深层地热能（埋深200-2000m，温度较高）。浅层地热能主要利用土壤、地下水或地表水中的热量，适用于建筑供暖、制冷等领域；中深层地热能则可用于发电、工业热利用等高温需求。

三、中深层与浅层地热能的耦合机制

中深层与浅层地热能的耦合利用是地热资源高效开发的关键所在。两者虽然在深度和温度上存在差异，但正是这种差异为它们的互补利用提供了可能。通过技术手段将中深层与浅层地热能有机结合，不仅可以提高地热资源的利用效率，还能实现能源的可持续利用。下面将详细阐述这种耦合机制的三个主要方面。

首先，热储层间的水力联系是实现中深层与浅层地热能耦合利用的基础。在地质结构中，不同深度的地热储层之间往往存在着一定的水力联系。通过建立这种联系，可以实现热量的有效传递和交换。例如，在冬季供暖时，可以通过抽取浅层地热储层中的热量来满足建筑的热需求；同时，利用中深层地热储层中的高温热量对浅层储层进行回灌加热，以保持其持续的热供应能力。这种水力联系不仅提高了地热资源的利用效率，还避免了单一储层过度开采而导致的资源枯竭问题。

其次，能量梯级利用是中深层与浅层地热能耦合利用的核心。中深层和浅层地热能在温度上存在差异，这种差异为能量的梯级利用提供了可能。根据不同温度的地热能设计合理的能量梯级利用系统，可以充分利用每一级能量的价值。例如，高温的中深层地热能可以用于发电或工业热利用等高温需求；而低温的浅层地热能则可以用于建筑供暖、制冷等低温需求。通过能量的梯级利用，不仅可以提高能源利用效率，还能降低能源成本，实现经济效益和环境效益的双赢。

最后，联合运行模式是中深层与浅层地热能耦合利用的重要保障。由于中深层和浅层地热能在不同季节、不同负荷下的能源需求存在差异，因此需要研究它们的联合运行模式以满足实际需求。通过优化联合运行策略，可以实现地热资源的高效调度和灵活利用。例如，在供暖季节，可以优先利用浅层地热能进行供暖；而在电力需求高峰时段，则可以调度中深层地热能进行发电。通过联合运行模式的应用，不仅可以提高地热资源的利用效率和经济性，还能增强能源系统的稳定性和可靠性。

四、高效开发利用关键技术

（一）地热资源勘探与评价技术

地热资源的勘探与评价是实现高效开发利用的首要环节。通过地质调查、地球物理勘探、地热钻井和地热储层测试等手段，可以查明地热资源的分布范围、储量规模以及开发条件等。据国际地热协会（IGA）统计，全球范围内已有超过100个国家和地区开展了地热资源勘探工作，其中探明的地热资源储量约为4.2×10^23焦耳，相当于全球一次能源消费量的数百倍。

在我国，通过大规模的地质调查和地球物理勘探，已探明了一批大型地热田。例如，在西藏羊八井地热田，通过勘探发现，该区域地热资源储量丰富，温度高达200℃以上，具有巨大的发电潜力。目前，羊八井地热田已建成了我国最大的地热发电站，装机容量达到2.5万千瓦，年发电量可达1.5亿千瓦时。

此外，地热钻井和地热储层测试技术的不断进步也为地热资源的评价和开发利用提供了有力支持。通过精细化的钻井和储层测试，可以获取更准确地热流体的温度、压力、流量等参数，为地热资源的合理开发利用提供科学依据。

（二）地热钻井与成井技术

地热钻井与成井技术是获取地热资源的关键手段之一。针对不同类型和深度的地热资源，需要采用不同的钻井工艺和成井方法。据中国地质调查局数据显示，我国在地热钻井与成井技术方面已取得了显著进展，钻井成功率不断提高，钻井深度也不断刷新纪录。

例如，在天津地区的一口深层地热井中，采用了先进的旋转钻进技术和高温高压泥浆体系，成功钻穿了数千米厚的岩层，获取了高温高压的地热流体。该井的成功钻探不仅为当地提供了稳定可靠的能源供应，还为我国深层地热资源的开发利用积累了宝贵经验。

此外，在浅层地热能开发利用方面，我国也采用了常规钻井工艺和成井方法，取得了良好效果。通过合理布置井位和优化井身结构，可以最大限度地提取浅层地热能，为建筑物供暖、制冷等领域提供清洁能源。

（三）地热热泵技术

地热热泵技术是实现地热能与建筑供暖、制冷等领域耦合利用的有效途径之一。该技术通过热泵系统将地热能与建筑物的供暖和制冷需求连接起来，实现能量的高效转换和利用。据中国建筑科学研究院数据显示，采用地热热泵技术的建筑物供暖能耗可降低30%以上，制冷能耗可降低20%以上。

在北京某大型商业综合体项目中，就成功应用了地热热泵技术。通过在地下埋设换热器，提取浅层地热能作为热泵系统的热源和冷源，为商业综合体提供供暖和制冷服务。与传统的燃煤锅炉和空调制冷系统相比，该项目每年可节约标准煤约1000吨，减少二氧化碳排放约2500吨。

（四）地热发电技术

中深层地热能具有温度高、能量密度大的特点，适用于发电领域。地热发电技术主要包括干蒸汽发电、闪蒸发电和二元循环发电等多种形式。据国际能源署（IEA）报告显示，全球地热发电装机容量约为14吉瓦（GW），年发电量超过90太瓦时（TWh）。

在我国西藏地区，就拥有丰富的中深层地热资源。通过引进和消化吸收国外先进技术，我国已成功建成了多座干蒸汽发电站和闪蒸发电站。这些发电站利用高温高压的地热流体产生蒸汽推动汽轮机发电，具有效率高、环境污染小等优点。其中，羊八井地热发电站就是我国地热发电的典范之作。

（五）地热资源管理与保护技术

为实现地热资源的可持续利用，必须重视地热资源的管理与保护。通过建立地热资源数据库和开发利用监管制度，可以规范地热资源的开发利用行为，防止资源浪费和环境污染。同时，推广节能减排技术也是提高地热资源利用效率和经济性的重要手段。

在我国山东省某地区的地热资源开发利用过程中，就注重了资源管理与保护技术的应用。通过建立完善的地热资源数据库和动态监测系统，实现了对地热资源储量、分布和开发利用情况的实时掌握。同时，制定了严格的地热资源开发利用规划和监管制度，规范了地热资源的开发利用行为。

结论展望：综上所述，中深层耦合浅层地热能的高效开发利用对于推动可再生能源的利用和保护环境具有重要意义。通过深入研究地热资源的特性，突破关键技术难题，我们可以实现地热资源的高效、可持续利用，为我国的能源转型和绿色发展提供有力支撑。未来，我们应继续加强地热领域的研究与创新，推动地热能与其他能源的互补利用，构建清洁、低碳、安全的现代能源体系，为人类的可持续发展贡献智慧和力量。

参考文献

[1] 太阳能直驱直储耦合地源热泵系统运行分析研究[J]. 王恩宇;董淑锦;王予;张学友;沈海笑.建设科技,2023

[2] 宁晋县城区地热资源量计算方法研究[J]. 周莹.地下水,2022