浅层地温能和地热资源评价方法对比

2018-06-26刘爱华杜境然

城市地质 2018年2期

刘爱华，郑佳，李娟，杜境然，李富

（北京市地热研究院浅层地温能研究中心，北京 102218）

0 前言

地球内部的热能统称为地热能。传统地热能多是赋存于地球深部热储中的高品位热能，一般深度大于200m，温度高于25℃（徐世光等，2009），“浅层地温能”不等同于浅部的传统地热能，在资源分布规律及对应的勘探开发方法等方面存在较大差异（王贵玲，2008；卫万顺等，2010）。当前浅层地温能勘查评价工作投入不足，如果盲目超前开发会导致资源的巨大浪费，甚至存在一定的风险。本文从地热与浅层地温能应用的角度出发，分析二者关系、对比资源赋存分布与勘查评价方法，讨论浅层地温能和地热能的区别与联系，科学指导浅层地温能和地热能勘查评价。

1 定义与范畴

浅层地温能是蕴藏在岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的低品位热能，一般开采深度小于200m，地温低于25℃（卫万顺等，2010）。正常地温场中不存在传统地热，传统地热能只存在于地热异常区。浅层地温能是存在于正常地温场中的位能，也是气温场与地层浅表温度场之间存在可正-负双向变化的势能。

对浅层地温能是否具有自然资源属性存在争议（戴传山，2008）。在天然环境中存在的，可用于生产的自然物质才是自然资源，自然资源可分为有形的自然资源和无形的自然资源，能源是提供人类所需能量的载能体资源（帕克，1992）。从能源和资源的定义来看，地热资源为无形的自然资源；从“载能体”上来说，浅层地温能和地热能既有区别又有联系。浅层地温能应用的实质是相对恒定的地温场能够贡献多少能量来实现人类适宜生产生活条件的需求，这是与其他以物质存在为特征的各种资源的本质区别。综合以上，浅层地温能是一种无形自然资源中的新能源，具有资源属性，是“热源”和“热汇”，同时也是一种“物质运动形式”（卫万顺等，2010）。

地热资源分为常规地热和非常规地热，从地热的热传输方式和开发利用角度来看，浅层地温能是地热资源的一种类型（周总瑛等，2015；国家质量监督检验检疫总局等，2010）。从多数文献来看，浅层地温能具有资源属性，是地热资源的组成部分、是地热的一分支（徐世光，2009；王贵玲等，2011；中华人民共和国国土资源部，2009）。由于浅层地温能热量的主要生成来源与地热相同，因而归为特殊的“地热能”。

2 资源赋存与分布

地热能的主要开发利用对象是地热流体，属于水热型地热资源，包括地下热水和地热蒸汽（田廷山等，2006）。人们可以钻孔直接获取，也可以驱动冷水循坏携带岩石热能开发地热。热流体开采带来储层流体压力降低，当与其联结的补给源补给后，会以较快速度恢复平衡；热流体温度扩散速度较之压力传播速度要慢的多，需要较长的恢复时间，因此地热资源的可再生性取决于地热开采速度，只有热量补充速度较快时，储层压力和温度速度才能够快速恢复平衡，地热资源是一定条件的可再生资源。

浅层地温能赋存主要受浅层地温场控制，地层热来源与地形地貌、气候条件等自然因素有关，同时也受地层结构、构造、地下水分布、岩石热物性等地质条件制约，这些因素是浅层地温能形成的物质基础，共同构成热能存储场所与运输通道。

根据赋存地层深度可将浅层地温能划分为三类，第一种类型赋存于变温层中，第二种类型赋存于恒温层中，恒温层以下为第三种类型，属于增温带。变温层由于太阳光辐射影响地温呈周期性变化。至恒温层，太阳辐射减弱，地球内热增强，太阳辐射与地球内热之间达到平衡，地温年变幅接近于零。增温带中地温场由地球内热所控制，地温随深度增加而逐渐升高。浅层地温能较为经济的开采深度小于200m，一般可就地提取利用。浅层地温能在一定开采强度下可连续提供稳定的低温热源/热汇，在季节性利用后可通过冬、夏两季反向温度补给基本保持地温场动态平衡，从而长期循环利用，故在科学开采的情况下，浅层地温能具有可再生性。

我国以中低温地热资源为主，同时高温地热资源分布广泛（周总瑛等，2015）。热田边界主要由热储层温度与构造及埋藏深度、埋深与开发利用等多因素综合决定。浅层地温能资源分布边界依据地质条件、地理分布和应用目的而相应变化，具有不确定性。浅层地温能地质条件、气象气候、地形地貌决定了浅层地温能的分布，因而它具有显著的区域特征。地理纬度是浅层地温能能否开发利用的区域指征，一般浅层地温能的开发利用区集中在中纬度地带，在该区域，冬季采取地下热能，地层温度下降，夏季用户端将热量排入地下，地层温度升高，长期来看，由于存在反向温度补给，总热负荷和总冷负荷基本保持平衡。可以预见，随着浅层地温能开采技术手段的日益提升，难以通过自然恢复达到平衡的地区，如赤道和高纬度地区或许也会实现浅层地温能的开发利用。表1中总结了两类资源在清洁性、赋存分布特征及工程应用本质等方面的对比，可较为直观的发现两类资源的异同。

表1 浅层地温能和地热对比汇总Tab.1 Comparison of shallow geothermal energy and geothermal energy

3 资源赋存条件评价

地热勘查的根本目的是圈定地热异常区（朱家玲，2006）。浅层地温能是低品位热源，同时受到季节和可再生周期限制，开采强度有一定限制。因而为了确保浅层地温能合理开发利用，必须开展资源勘查评价，它是资源合理和安全利用的关键环节，具有先决作用。浅层地温能资源评价是新兴资源的评价工作，目前还没有勘查评价的通行做法和固定程式可以参考。

浅层地温能资源赋存条件评价虽然沿用了部分传统地热地质调查方法，但资源赋存地质条件评价的目的和任务发生了根本变化，对不同因素的评价目的和方法也不尽相同。对基础地质和水文地质条件中的岩石、构造、水文地质参数可采用多项地质调查研究方法开展实地调查评价，对浅层地温场特征则需采用实地调查、钻探、取样并测试岩石热导率、测定地层综合传热系数等方法进行评价。

地温场调查评价是对一个区域内地温场特征的形象描述，其在浅部地温资源和深部地热资源评价与预测均有重要作用。资源评价工作的主要方法有实地调查、钻探和室内外试验测试等，虽然如此，地热与浅层地温能资源在具体评价工作中仍存在较多不同。第一，地热钻探手段是查明资源分布的最常用、最直接手段。地热钻井成功后进行产能测试以确定热流体及热储的物理参数和产量等。而浅层地温能钻孔结束后需通过测试设备对地下岩土开展热响应测试，获得单孔换热量、地层综合传热系数、平均导热系数等参数，确定地埋管换热器延米换热能力。地下水热泵项目需在钻完井后开展抽水回灌试验，分析回灌井影响半径，确定合理灌采比及回灌温度。第二，在室内测试方面，地热流体、岩土分析包括化学成分（含同位素）及物理性质分析。从水化学及岩石的细微差异变化中，确定地热异常区，为地热地质条件分析、资源评价与开发利用提供依据。浅层地温能室内相关测试包括对岩土样品开展热物性测试和土工试验，同时还需开展浅层地温能开发利用中的水质变化分析，确定地层导热和储热性能和开发利用中的地质环境影响，分析其可开采强度特征。

4 资源潜力评价

资源潜力评价是对确定地区的资源量评估，它建立在资源赋存规律调查和一定模式下资源量的计算基础之上（图1）。地热资源/储量计算应以已有地热地质勘查资料为依据，在综合分析地质、地温场、地热流体和热储构造基础上，建立地热系统概念模型，计算地热资源/储量及可开采量。资源量/储量计算方法依据不同地热地质条件及地热田勘查研究程度进行选择。一般采用热储体积法开展地热资源计算。热储体积法把地热能和一般固体矿产资源相等同，基本上视为不可再生资源，是一种静储量计算方法。依据资源量计算结果，开展地热开采适宜区划分，根据资源分布及开采的经济性，可分为地热开采适宜区、地热开采较适宜区和地热开采不适宜区。

图1 地热资源勘查评价过程简图Fig.1 Geothermal resource exploration and evaluation process

浅层地温能资源的计算实际是对地球浅表热量调蓄能力的评价，资源潜力则是单位面积浅层地温能可采取热量的供暖/制冷面积（王贵玲，2006）。根据资源评价目的不同，浅层地温能勘查分为浅层地温能区域调查和场地勘查，其中区域浅层地温能勘查评价简要过程如图2所示。对比图1和图2资源勘查评价过程可以发现，浅层地温能资源评价与传统地热评价过程不一致，开发利用适宜区划分的顺序恰恰相反。资源赋存条件是分区的前提条件，在确定开发利用方式后才能进一步选择合理的评价方法。需要注意的是在资源条件满足时，某些区域可既适宜地下水地源热泵又适宜地埋管地源热泵的建设。近年来，研究中还加入了再生水热泵系统，一般依再生水厂建设。

浅层地温能资源热容量是地表以下一定深度范围内的岩土体和地下水中每度温差所蕴藏的热量，与传统地热资源量一样，常用静态方法如热储法开展计算。资源潜力计算方法是目前仍在探索和需要不断创新和扩充的方法，已有计算方法和计算过程可参见相关文献（卫万顺等，2010）。再生水热泵系统适宜区可利用资源量则受可利用温差、输送能耗和输送成本的影响，根据污水处理厂日最低流量的小时平均值确定资源量。

图2 区域浅层地温能资源调查评价过程简图Fig.2 Regional shallow geothermal resource exploration and evaluation process

浅层地温能调查中第四系结构特征调查和恒温带深度和温度的确定是区别于地热勘查的两项重要内容。具体表现在三个方面：第一，传统地热和浅层地温能目的研究层不同，浅层地温能关注第四系，而地热关注储层以及盖层地层情况，不止包括第四系，研究深度和层位更广。第二，地热流体和热储赋存于恒温层以下的变温层中，恒温层能够预测深部地温场，指导地热资源勘探。恒温层温度是浅层地温场的重要指标，基本表征浅层地温能能够开发利用的温度范围，恒温层深度是浅层地温能开采深度和经济性的指标。第三，地热和浅层地温能的热源不同，地热较多关注地热流体，热流体不仅有地下热水，还包括地热气体和载热蒸汽等，浅层地温能关注地层结构和含水层分布等静态特征，也研究水质、水量及其开发利用动态变化。