本文是一篇职称论文,本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。
1 我国地热资源现状
地热资源根据地质构造特征、热流传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素可分为浅层地热能、水热型地热(地下热水)和干热岩三种类型。全国地热资源调查评价研究显示,我国地热资源禀赋良好,但受构造、岩浆活动、地层岩性、水文地质条件等因素的控制,分布不均。
1.1 浅层地热
能浅层地热能资源在全国范围内普遍分布。我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可采量折合标准煤7亿t(图1),可实现建筑物供暖制冷面积320亿m2[1-3]。
我国陆区浅层地温场恒温带埋深总体上呈东南低,西北、东北地区高的特征。陆地浅层地温场(200m深度内)地温梯度总体分布特征为北高南低,南方地温梯度平均值为2.45℃/100m,北方大部分地区地温梯度由西向东逐渐升高,平均值为3℃/100m。中温带(高寒区)气温低、恒温带深、深部温度高,供暖周期长,可施工地质条件用深孔;南方地区气温高,地层上部大部分城市岩土综合导热系数在1.89~2.55W/(m·K),地层结构特征和水文地质条件是影响岩土体的综合热导率的主要因素。采用层次分析法和指标法进行适宜性分区评价,地埋管热泵系统适宜区占评价面积的29%,较适宜区占53%,具有较好的适宜性,不适宜区主要是考虑建设成本和施工难度。地下水源热泵系统适宜区占总评价面积的11%,较适宜区占27%,主要分布于东部平原盆地及富水性较好的地区[4]。综合分析,我国浅层地热能资源适宜区主要分布在我国中东部京津冀、山东、江苏、安徽、河南、陕西和东北部分地区。温度低,以夏季排热利用为主,可施工浅孔[4]。
大部分城市岩土综合导热系数在1.89~2.55W/(m·K),地层结构特征和水文地质条件是影响岩土体的综合热导率的主要因素。采用层次分析法和指标法进行适宜性分区评价,地埋管热泵系统适宜区占评价面积的29%,较适宜区占53%,具有较好的适宜性,不适宜区主要是考虑建设成本和施工难度。地下水源热泵系统适宜区占总评价面积的11%,较适宜区占27%,主要分布于东部平原盆地及富水性较好的地区[4]。综合分析,我国浅层地热能资源适宜区主要分布在我国中东部京津冀、山东、江苏、安徽、河南、陕西和东北部分地区。
1.2 水热型地热资源
我国水热型地热资源总量折合标准煤1.25万亿t,水热型地热资源年可采量折合标准煤19亿t,相当于2015年全国能源消耗的44%[1]。我国水热型地热资源以中低温为主,高温为辅。受构造、岩浆活动、地层岩性、水文地质条件等因素的控制,水热型地热资源分布有明显的规律性和地带性[1,5-7],依据构造成因可分为沉积盆地型和隆起山地型地热资源。
隆起山地型中低温地热资源主要分布于东南沿海、胶东、辽东半岛等山地丘陵地区(图2)。隆起山地型高温地热资源主要分布在我国台湾和藏南、滇西、川西等地区。由于我国地处环太平洋板块地热带的西太平洋岛弧型板缘地热带以及地中海-喜马拉雅陆-陆碰撞型板缘地热带的交汇部位,受构造活动的控制,该区域孕育有大量的水热活动,是我国最主要的高温温泉密集带。西南地区水热型地热资源年可采量折合标准煤1 530万t,高温地热资源发电潜力712万kW。
沉积盆地型地热资源主要分布于我国东部中、新生代平原盆地,包括华北平原、江淮平原、松辽盆地等地区(图2)。这些大型沉积盆地热储多、厚度大且分布较广,随深度增加热储温度升高,赋存有大量的中低温热水资源,地热资源量折合标准煤1.06万亿t[1],是我国重要的地热开发潜力区。
1.3 干热岩资源
干热岩在地球内部普遍存在,但有开发潜力的干热岩资源分布在新火山活动区、地壳较薄地区等板块或构造体边缘[8]。我国陆区地下3~10km范围内干热岩资源量折合标准煤856万亿t。根据国际干热岩标准,以其2%作为可开采资源量计,约为2015年全国能源总消耗量的4 000倍[1]。
我国干热岩分4种类型。高热流花岗岩型(图3a)集中在我国东南沿海地区,以燕山期形成的大范围酸性岩体为赋存体,形成干热岩的有利目标区;沉积盆地型(图3b)主要分布在关中、咸阳、贵德、共和、东北等白垩系形成的盆地下部,上部为新生界盖层,下面有酸性岩体,其下深部的壳源有产热机制;近代火山型(图3c)分布在我国腾冲、长白山、五大连池等地区,热源特征与底部岩浆活动历史和特征密切相关;强烈构造活动型(图3d)主要分布在我国青藏高原地区,受欧亚板块和印度洋板块的挤压,新生代以来
2 我国地热发展存在的问题
2.1 对地热的成因模式认识不清
地热的形成、机理、成因模式认识依然不清楚。浅层地热能开发中与传热有关的各因素的影响程度与相互作用有待研究[1,9-12];水热型地热中与大地热流、深部热结构与热状态、控热因素与地热成因机制、构造热活动与自然灾害关联性等之间的关系仍未查明;干热岩经过数十年的摸索仍处于探索研究阶段,成因机制及储层建造等开发利用方面仍亟待进一步研究。
2.2 勘查精度较低,资源家底不清
我国大部分地区地热资源调查精度仅为1∶1 000 000,只有天津、北京、鲁北平原、关中盆地、青藏铁路沿线和珠江三角洲等达到1∶250 000的精度;少数地热田,如羊八井、羊易、雄县等个别的地热勘查达到1∶50 000精度,重点地热开发区没有或很少开展正规的地热勘查工作。基础地热地质勘查工作薄弱,后备资源不足。经过资源储量管理部门审批可作为进一步勘查或开发利用规划的地热田不足100处。勘查评价滞后造成地热市场供需矛盾日益突出,严重影响了地热资源勘查开发规划的制定、资源的利用以及地热产业健康发展。
2.3 地热开发利用单一、粗放
我国地热能的开发利用以供暖和旅游疗养为主,除西藏羊八井、河北霸州等少数地区将地热资源进行梯级开发,分别用于发电、采暖和温室种植外,大多数地区地热资源利用比较单一[1,13]。这种粗放式的利用造成水位持续下降,例如西安某地区地热井水位已降到200m以下;冬季供暖尾水排放大于35℃,造成了化学和热污染,增加了城市污水处理的成本。应该发展为供发电、供暖、洗浴、农业和工业烘干等的地热资源梯级利用。
2.4 监测网络不健全
地热资源开发利用过程中的水位、水温等监测数据对地热资源利用效率、可持续性及科学研究都有重要意义。目前我国地热监测工作开展较少,除北京、天津、河北开展过相对较多的监测工作外,其他省份基本没有监测数据,且监测手段落后,监测项目单一,未形成科学的监测体系。
3 我国地热发展趋势
3.1 浅层地热能发展趋势
为建筑物提供供暖制冷是浅层地热能开发的主要作用。随着供暖面积的扩大,供暖需求耗能也将有望达到3亿~4亿t标准煤,提高新能源和可再生能源利用比例,浅层地热能成为建筑物供暖制冷的重要选择。
(1)我国浅层地热能年利用量逐年增高
我国浅层地热能开发利用近年来年均增长速度在28%以上,截至2017年底,我国年利用浅层地热能资源折合标准煤2 000万t,实现建筑物供暖制冷面积5.5亿m2(图5),主要分布在北京、天津、河北、辽宁、山东、湖北、江苏、上海等人口密集的城市区域,其中京津冀地区开发利用规模最大,约占全国的20%。
(2)城镇化快速发展带来巨大需求
随着城镇化进程的发展,浅层地热的利用空间还会进一步扩大,未来中小城镇可能是浅层地热利用的主战场。国务院发布《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》,预计2020年中国常住人口城镇化率将达到60%左右。新增建筑面积供暖利于浅层地热能发挥作用,同时能有效促进对浅层地热能的利用。根据浅层地热能供暖/制冷面积增长趋势预测,预计2020年将达到10.92亿m2。浅层地热能增加量的高峰期可能出现在“十四五”期间。
3.2 水热型地热发展趋势
水热型地热发展将从单一、粗放利用为主转变为持续发展、梯级开发,国家政策将起到积极引领的作用。供暖方面,国家“十三五”规划中指出,到2020年全国新增水热型地热供暖面积4亿m2,达到5.02亿m2;地热发电方面,“十三五”期间计划增长至530MW,我国高温地热发电潜力7 120MW,但目前开发不足50MW。
水热型地热勘查技术中,地球物理勘查与解译逐步向高精度、定量化、3D化方向发展,如利用3D地震解译地热区地质结构、利用MT和TEM方法刻画三维热结构、利用组合地球物理方法评价进行地热资源勘探等。在开发利用中,地热梯级利用和采灌均衡条件下开发利用逐渐受到重视,各种地热单项利用技术和设备的发展及创新也备受关注,包括中低温地热发电技术、换热器强化换热技术等。多储层、多种流体、多层次的地热系统综合、梯级开发利用技术和数值模拟技术成为前沿课题。对可持续发展的重视使回灌成为地热资源开发利用的重要环节,集中回灌区温度场、化学场动态监测与预测,尤其是砂岩储层回灌技术成为地热开发利用的关键技术之一。
4 亟须开展的工作
4.1 浅层地热
(1)开展农村地区浅层地热能分散式开发利用调查评价,重点进行京津冀及周边等北方采暖农村地区浅层地热能调查评价,推进区域节能减排。
(2)开展城市新区浅层地热能多方式经济高效利用调查评价,重点调查评价长江经济带地区,解决冬季供暖问题。
(3)开展特殊地区浅层地热能创新式利用模式研究,充分结合气候的特殊性,探讨特殊地区(极寒、极热等地区)浅层地热能利用的创新模式,结合示范工程,解决单一冷热源冷热堆积问题,服务于军民融合区等特色地区建设。
4.2 水热型地热
(1)“二区四带六点”发展规划。加强基础条件研究,布设两区四带六点重点工