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    中科院龐忠和:地熱開發利用新時代,從雄安起航

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    地球的地熱總能量雖然巨大,但其分布很不均勻,要想加以經濟合理的有效利用,需要找到資源聚集地,進行清晰的地熱資源成因模式研究、準確的地熱資源儲量評價研究,不斷開辟新的資源儲備。這是地熱資源規?;沙掷m利用的基礎。

     

    冬季是華北地區霧霾頻發的時期,清潔取暖是從源頭上治理霧霾的關鍵一環。華北地區地熱資源豐富,其中京津冀地區最為豐富。“大華北要看京津冀,京津冀要看雄安新區”,雄安新區的地熱是如何形成的?資源量多大?能滿足多大規模供暖需求?是不是可再生的?如何可持續?會不會污染環境?

     

    21世紀以來,我國集中開展了大型巖溶熱儲評價與開發關鍵技術研究。理論模型和現場實踐結果均表明,華北地區廣泛分布的碳酸鹽巖儲層中發育的大型巖溶熱儲,規模大,地熱資源品質優,可以實施采灌平衡的大規模開發利用,屬世界罕見,可以支撐地熱供暖形成產業,替代燃煤,緩解該地區霧霾。

     

    圖為中國科學院地熱資源研究中心主任龐忠和

     

    中科院的地熱團隊在華北地區開展了長期的地熱研究。“六五”計劃期間(1981年—1985 年),開展了系統的地溫測量和大地熱流測試,收集整理了石油勘探的地熱資料,圈劃出相對高溫區域,開展地溫場的數學模擬,探討了該地區的構造—熱演化特點。20 世紀90 年代,開展了冀東油田地熱資源研究。“十一五”期間(2006年—2010 年),開展了華北地區深部煤礦山熱害防治研究,針對煤層與碳酸鹽巖熱儲組合結構,研究熱量聚集與熱害形成機理與分布特點。“十二五”期間(2011年—2015 年),開展了渤海灣盆地二氧化碳地質封存中的地熱問題研究、典型熱儲成因分析與開發利用技術研究、大型巖溶熱儲對規?;_采的響應研究。此外,還有“華北克拉通破壞的地熱模型制約”等基礎性研究工作。

     

    基于長期的研究,發現雄安新區地下蘊藏著極其豐富的地熱資源。僅就地下3000米以淺的經濟深度而論,就有三類地熱資源和熱儲層可供利用。第一類是淺層地熱能(位于地下200米以淺),可與地源熱泵技術相結合,達到節能目的。地源熱泵供暖效率通常比普通空調高4倍,比空氣源熱泵高2倍。此類地熱資源的利用,采用地埋管換熱方式,不破壞環境,節電、節煤效果顯著。雄安新區淺層地熱能在地下空間合理調配的基礎上比較適合利用。第二類是砂巖熱儲(位于地下200米至3000米深度范圍內),可以采用抽水加回灌的方式利用,可用于供暖或供熱,替代燃煤,減緩霧霾。

     

    不過,此類熱儲層有一定局限性,主要缺點是有一些地區回灌比較難,平均只有30%回灌率,即每開采100立方米熱水,只有30立方米左右可以順利回灌到地下。剩下的部分,若排放到地表水體,則會帶來污染,達不到清潔能源的要求。因此,此類資源應該慎用,可以實行以灌定產的政策加以調控。第三類是碳酸鹽巖熱儲(位于地下1000米至3000米深度范圍內),其中的中、晚元古界巖溶(喀斯特)特別發育,形成大型巖溶熱儲,可用于供暖或供熱。在雄安新區,廣泛分布著元古界霧迷山組白云巖熱儲,總厚度可達數千米,千米深處的溫度在60攝氏度以上。其最大優點是出水量大,尾水可以100%回灌到地下,實現循環利用。

     

    圖為雄安市民服務中心項目

     

    雄安新區以上三種類型地熱資源都很豐富,如何持續開發利用呢?需要依靠先進的地熱開采關鍵技術及示范工程。

     

    地熱資源開發利用技術經歷了兩代演變。第一代技術的基本特征是直采、直供、直排,但由于環保水準很低,現已放棄不用。第二代技術是采灌結合、用熱不用水,環保水準很高,已經得到各地政府的重視和推廣應用。在我國,淺層地熱能的利用技術比較成熟。只要抓好嚴格監管等工程質量控制措施,大部分地方可以使用。實踐中,一般鼓勵地埋管模式的土壤源熱泵系統,限制需要抽水的地下水源熱泵系統,以保護珍貴的地下水資源。對于中深層砂巖熱儲,在回灌條件好的地方,普遍采用第二代技術,回灌技術也在不斷進步中。對于基巖中的巖溶熱儲,逐步形成了規?;?、產業化的地熱開發利用技術體系,并進行了應用實踐。

     

    雄縣地熱供暖示范工程基于政產學研用相結合的方式,首次實現了地熱利用高效率和接近零排放高水準的清潔能源利用雙重目標,迄今已經平穩運行了8年。2014年年初,國家能源局開始把雄縣地熱供暖的示范項目向北方地區推廣。

     

    在過去20年里,我國地熱資源直接利用總量一直處于世界第一的位置,目前還比美國高1倍以上。同時,一般供熱系統的主體設備都是國產化的,因而技術基礎較好。在尾水回灌技術上,通過持續探索,形成了可支持規?;_發利用的熱儲回灌技術系列。雄縣地熱田回灌始于2010年,地熱尾水的回灌避免了地表排放帶來的污染,也有效地減緩了熱儲壓力的下降。

     

    雄安新區地熱開發如何可持續?采灌井的合理布局和最優井距是地熱田優化開采極為關鍵的兩方面內容,關系到企業的生產成本和熱田的使用壽命。為此,研究團隊建立了一套用于評價熱田合理布局和最優井距的方法,雄縣地熱田在對井模式下,采灌井最優井距為400米。

     

     

    為實現更快的技術進步和更大范圍的推廣應用,建議將地熱資源利用納入大氣污染防治的總體規劃之中。采取必要政策措施與資金扶持,引導地方加大推廣力度,出臺優惠政策,鼓勵各類企業積極參與,提升開發效率和水平,逐步形成和發展綠色地熱能源產業。

     

    同時,進一步加強地熱資源勘查,查清更深層地熱儲層發育狀況和地熱資源開發利用條件。在雄縣模式的基礎上,雄安新區應該立足于高起點、高標準、高水平的地熱資源開發利用;在容積率比較低的住宅區,可采用淺層地熱能供暖,地源熱泵是新型節能技術,在地下空間合理協調的前提下,應該充分加以利用;在集中辦公區域宜采用中深層地熱能供暖。

     

    依托地熱,多能互補。一方面,加強地熱系統運行的長期動態監測和定量化熱儲模擬;另一方面,對于砂巖熱儲和巖溶熱儲開發利用條件稍差的地方,開展儲層改造技術研發和試驗。同時,鼓勵探索以地熱能為主體,多種清潔能源融合的“地熱+”第三代技術的研發與應用示范。

     

    (作者為中國科學院地熱資源研究中心主任龐忠和。中國石油報記者根據其在2018第三屆中國地熱產業發展與地源熱泵創新技術大會上的發言整理。本文有刪減。)

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