钻探工程的目的和意义

  日前，从河南省地矿局传来消息，河南省地热勘察有了新突破——由该局第一地质环境调查院承担的新乡云龙山地热井钻探工程日前顺利竣工，成井深度2251.8米，出水量每小时达到55吨。

  据介绍，云龙山地区属于变质岩地层，地质条件极为复杂，省地矿局第一地质环境调查院大胆采取先进技术气举反循环工艺，精准定位，精密施工，不仅解决了钻进过程中泥浆大量漏失的问题，且有效预防了深井卡钻、埋钻及粘钻的事故发生，提高了施工效率，实现了变质岩地区地热勘探新突破。

  “这打破了元古变质岩地层不含水或含水量少的传统理念，实现了元古变质岩地区地热勘探的新突破。”省地矿局第一地质环境调查院相关负责人说，面对元古变质岩地区成井需求，技术人员根据多年的勘察经验和数据分析，突破传统理念，认为变质岩地层裂隙少、存水量少是对变质岩中上层成水规律的预测，但变质岩底层会存在裂隙并和外界水域相通，当水井达到一定深度时，会有足量可利用水源。

   经测试，该井静水位埋深(不抽水时水位离地面深度)为55.10米，动水位埋深(抽水后水位离地面深度)为180.60米，水温52摄氏度，水质属于具有较高医疗价值的热矿水，验证了变质岩底层存在裂隙并和外界水域相通的理论预测。与此同时，也将为当地带来很好的经济和社会效益。

随着全球能源消费结构的调整，清洁能源和可再生能源开发和利用成为各个国家发展的重点。目前，已经有超过70个国家在开发地热能，我国地热能资源丰富，所以对这种清洁能源的开发和利用颇为关注，所以近年来的开发力度也在大幅提升。就目前的情况来看，地热资源利用不断取得喜人进展。虽然在发展道路上依旧障碍重重，但是逾2000亿的地热能市场前景依然值得期待。 

清洁供热成为地热能资源利用的主要发展方向，地热能供暖体系的构建对北方地区来说尤为重要。更重要的是，在政策支持之下，我国地热资源利用捷报频传，无疑是为产业发展增添了更多动力。

国土资源部规划司司长庄少勤曾表示要积极推进地热和浅层地温能的规模化开发利用。据公开资料显示，我国地热资源开发利用平均每年以10%以上的速度增长，年均可开发利用的地下热水资源就已经达到了近70亿立方米。

中国工程院院士曹耀峰曾透露，我国地热直接利用是位居全球第二的美国的2倍多。而按照“十三五”规划，到2020年，我国地热能年利用量将达到7000万吨标准煤。京津冀地区是重点规划区，另外，自设立以来就备受瞩目的雄安新区的地质调查结果也已出炉，未来将重点开发浅层地热能。 

日前，青海省国土资源厅表示，在青海共和盆地已钻获高温优质干热岩体。所谓干热岩，就是埋藏在地下一定深度，没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体。据了解，这还是中国首次发现温度达到200℃以上的大规模可利用干热岩资源。而且，据初步测定，新钻获的干热岩体埋藏适中，易利用。 

不久之后，河南省云龙山地热勘察取得新突破的消息传出。据悉，新乡云龙山地热井钻探工程顺利竣工，运用先进“气举反循环工艺”，成功解决了钻井过程中的一系列问题。该项工程还一举打破了元古变质岩地层不含水或含水量少的传统理念，验证了变质岩底层存在裂隙并和外界水域相通的理论预测。 

不可否认，我国在地热能开发上不断取得骄人战果，实现技术突破和理论革新。但是地热资源利用过程中也遇到很多的的难题：例如本身勘探难度相较流于表面的风能、太阳能等清洁能源来说就较大。这些困难也并不是在一朝一夕之间就能全部解决的。

地热能资源开发和利用也存在前期成本投入较高，回报周期较长的问题。虽然在技术研发方面获得了长足进步，但是地热开发的技术起点相对较高，这也是很多业内人士认为我国地热能开发需要更加“精打细算”，确保节能、高效、稳定，让收益看得见的原因。所以在提高浅层地热资源利用率之类的命题上仍待继续攻关。 

当然，尽管面临一些困难，可我国地热能产业发展前景广阔是被普遍认可的结论。更有机构预测，到2020年，我国地热能利用将带动逾2000亿的投资。

         “由于地热热水水位急剧下降，现在北京、天津都已经得到政府的明确指示，从现在到今年年底不再开展新的地热项目。”北京市地质矿产勘查开发局能源处处长李宁波在近日于东营举办的海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛上表示。

      “如果地热水的水位逐年持续下降，将来就是无能可采、无能可用。但是这种情况现在仍然存在，而且还在发生。”李宁波说。

      2017年1月，我国发布的《地热能开发利用“十三五”规划》，给地热和地源热泵市场注入了一针强心剂。虽然机会已来，但地热产业仍存在很多需要解决的问题:为什么我们在拥有大量成功地源热泵项目案例的同时，不成功的案例同样并不鲜见?地热水如何全部回灌?新兴行业如何抱团取暖?这也是与会专家与企业普遍关注的问题。

尾水回灌是手段而非目的

      位于北京的北苑家园，是北京最大的地热供暖社区项目，截至目前运行已超过10年，依然稳定。“为什么这个社区的地热项目可持续，就是把所有的水回灌了。”李宁波说，经过十多年的监测，该地区地下水的水位、水温、水量均没有变化，“这说明只要能够保证回灌，地热3.0模式是可持续的”。

      如何提高浅层低热能开采效率，在资源可恢复的强度范围内开发利用?这直接影响着行业的推广应用。开采程度决定着资源的平衡问题，浅层地热的成因机理、传热机理、模型模拟的研究对于地源热泵系统的设计、运行非常重要。

      “地下的热来源、热交换、热恢复是一个复杂的过程，地下看不见、摸不着，很多地方也还没有研究透。”李宁波坦言。

      要做到地热项目可持续，地热尾水要100%回灌。中国能源研究会地热专业委员会专家委员会主任、中国地源热泵产业联盟专家委员会主任郑克棪对此并不完全同意。

      “各个地方的地质条件不一样，砂岩回灌就是国际难题，有的地方有时候确实做不到100%回灌。”但郑克棪认为这并没有关系，“回灌是措施、手段，并不是目的。”

      郑克棪表示，要将技术条件、经济条件综合考虑，如果需要多次过滤、加压回灌，那么所用的设备、电力，这些成本开销比抽出来热水用的热量花费还高，回灌要花更多的钱，显然从经济条件考虑是不合适的。

      究竟可以留多少热水不回灌，就能保证地下水位平衡又能利用地热水的价值?郑克棪表示，这还需要更多的模拟。

“细节决定成败”

      除了对资源本身的理论研究，单从地源热泵这方面考虑，也有诸多问题待解。

      天津市建筑设计院暖通设计总工程师伍小亭认为，所谓“不成功”的地源热泵项目主要体现在三个方面:一次能源效率接近甚至低于常规系统，没能实现利用可再生能源，降低化石能源消耗的初衷;尽管一次能源效率高于常规系统，但增量成本过高，节能回报年限过长，甚至超过法定的财务测算年限，造成项目不具有财务生存力;系统性能稳定性不佳，表现为系统投入使用几年后，其能力衰减明显，甚至影响正常使用，需再次投资改造。

      同时，伍小亭也提出了对以上问题的解决方案:“细节决定成败”，通过精细化设计，做到“确实节能、收益可期、稳定高效”。

      伍小亭认为，“精细化”主要体现在以下方面:

      设计模式由处方式转变为性能化(变措施导向为目标导向);设计方法由“对标”转变为优化分析下的“基本合标”(模拟分析贯穿始终);重视对末端需求的研究，比如负荷、二次能源品位、运行规律、保障率等;对“源”的勘察与分析，如能力(强度、分布、长期热储)、品位(设计取值的确定、运行周期内的变化规律);基于多方案比选的技术路线制定，采用单一热泵系统还是复合型热泵系统?需要蓄能还是非蓄能?这些都可在好好比较后选出最优方案。

      此外，还要开展作以系统能效为目标的设计参数研究，如综合源侧、输配、用户侧末端等;基于增量投资回收年限系统配置，如优化调峰、蓄能的容量与参数;在设计阶段即考虑运行调节策略，使其作为设计的导入条件，避免系统实施后不具备正确运行调节的硬件环境。

资源是硬道理

      “我们现在开采的多是常规地热能，温度高于25℃，以地热流体(水+蒸汽)的形式出现，埋藏深度一般在3000米以内。”中国科学院地质与地球物理研究所地热资源研究中心主任庞忠和说。

      由于很多地热项目已经超过3000米，庞忠和建议，或许可以将“中深层”的深度定义从3000米调整到4000米，“4000以下干脆叫超深层，这个地热能可以跟干热岩的概念差不多”。

      资源是硬道理。然而，要高品位资源就要有深度，深度大面对的各种技术挑战就更大。

      中国科学院院士汪集旸在《有关中深层地热资源开发利用的若干问题》的报告中提出，若一个地区对开发利用地热资源的要求很大，但又找不出能满足能源需求的合适热储，那就必须考虑对天然热储进行人工改造，以满足该地区的能源需求。但深钻与水力压裂技术也是解决这一问题面临的两大技术难点，同时成本极高、资金回收期长、投入产出比低等问题也需要提前考虑。目前比较成功的改造案例都是在现有水热系统的深部或者外围去做的改造。

      庞忠和指出，地热利用项目能不能做，需要靠资源说话，做得好与坏，由管理和技术决定。地热系统的品质分析可以采用五要素法:热源，维持地热系统的热量补给源;水源，维持流体循环的水源;通道，地热流体循环的高渗透性构造;储层，地热流体储集层;盖层，减缓地热系统热量散失的隔热层。

      干热岩开发技术仍然属于世界性的难题，国际上通用的干热岩开发技术是增强型地热系统。中国工程院院士曹耀峰指出，该系统关键技术有选区选址、系统描述和设计、高效成井、人工热储、系统运行等。“现在我们并没有多少成功的经验，要开发利用干热岩，挑战仍然很大。”

       尽管困难重重，曹耀峰仍然对干热岩利用充满信心，“2016年8月份，国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》，比较系统地在深海、深蓝、深空、深地等能够拓展国家战略利益、保证国家战略优势的领域做出了部署，这对干热岩的勘探开发有极大推动作用。”

     “将来不管是国土资源部还是科技部，不论以国家重点实验室、重大研发项目还是重大工程的形式，一些资金和扶持政策一定会陆续出台，我们也要做好方方面面的准备。”曹耀峰说。

           8月18日下午，由中国能源研究会地热专业委员会和国际地源热泵协会中国区委员会主办，山东海利丰清洁能源股份有限公司独家冠名，永高股份有限公司、挪宝新能源集团协办及《地源热泵》杂志、地源热泵网、地热能网承办的"海利丰·2017第九届中国国际地源热泵行业高层论坛"期间还成功召开了"陆特能源•第二届中国中深层地热能可持续开发专题研讨会"。据了解本届专题研讨会由浙江陆特能源科技股份有限公司独家冠名。
          中国科学院地质与地球物理研究所地热资源研究中心主任庞忠和教授受邀出席并发表了题为《地热系统动力学分析及地热资源潜力预测》。庞忠和介绍，地热资源深度可分类为浅层地热能、中深层地热能、超深层地热能。
        浅层地热能一般是指温度一般低于25℃，深度小于200米;广义可指各类土壤源和水源热泵系统，也叫"浅层地温能";中深层地热能一般是指温度高于25℃，地热流体,埋深一般3000米以浅;及所谓"水热"，也叫"常规地热能";超深层地热能一般是指一般没有或者很少流体，温度高于150℃，埋深一般大于3000米，即所谓"干热岩"，也叫"非常规地热能"。
        庞忠和强调，地热系统可用五要素法分析。一是热源。维持地热系统的热量补给源;二是水源。维持流体循环的水源;三是通道。地热流体循环的高渗透性构造;四是储层。地热流体储集层;五是盖层。减缓地热系统热量散失的隔热层。
        庞忠和还对新疆塔县地热田作了介绍，他指出塔县地热田位于新疆西部的塔什库尔干盆地内，区内发育曲曼和辛滚沟两个冲洪积扇，主要河流为塔河;年均气温3.3℃;地热田西边是元古代片麻岩，东边是喜山期和印支期的花岗岩;辛滚沟处塔河沿岸分布一系列温泉，温度为9-15℃，且越往北，温度越高。
        塔县地热田构造上属于帕米尔高原构造结东部，受印度和亚欧板块强烈挤压，在昆仑，塔里木盆地和西天山构造带综合作用下形成;区内发育的主要断裂系统如下图右图所示，其中NWW向的F2控制着塔河上游河盆的发展，是一条隐伏型断裂;这些断裂直接影响水和热的分布。
        庞忠和就地热热储温度预测说:"利用各种温标计算储层温度的前提是深部热水自储层到井口这个过程没有发生其他地球化学过程，否则结果将偏大或偏小;由于多个钻孔地热水温度差异大，推测可能存在混合过程。同时，河岸带温泉和钻孔地热水确实是冷水和深部热水混合形成的，热储温度约为255℃;此外，塔合曼温泉与塔县地热田属于不同的地热系统;SiO2-焓值混合模型图也表明，热储温度为250℃。"
        最后，庞忠和教授总结说:"中深层地热资源在西部除了西藏地区原来找到的地堑-拉分盆地型高温地热系统之外，在川西，新疆西部也有高温地热系统，包括青海共和盆地的高地温。喜马拉雅带上的热源可能是共性的-地壳变性转化热。东部超深层岩溶热储具有潜力，有待进一步勘探查明。"