淺層地溫能和地熱資源評價方法對比

劉愛華，鄭 佳，李 娟，杜境然，李 富

（北京市地熱研究院淺層地溫能研究中心，北京 102218）

0 前言

地球內部的熱能統稱為地熱能。傳統地熱能多是賦存于地球深部熱儲中的高品位熱能，一般深度大于200m，溫度高于25℃（徐世光等，2009），“淺層地溫能”不等同于淺部的傳統地熱能，在資源分布規律及對應的勘探開發方法等方面存在較大差異（王貴玲，2008；衛萬順等，2010）。當前淺層地溫能勘查評價工作投入不足，如果盲目超前開發會導致資源的巨大浪費，甚至存在一定的風險。本文從地熱與淺層地溫能應用的角度出發，分析二者關系、對比資源賦存分布與勘查評價方法，討論淺層地溫能和地熱能的區別與聯系，科學指導淺層地溫能和地熱能勘查評價。

1 定義與范疇

淺層地溫能是蘊藏在巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的低品位熱能，一般開采深度小于200m，地溫低于25℃（衛萬順等，2010）。正常地溫場中不存在傳統地熱，傳統地熱能只存在于地熱異常區。淺層地溫能是存在于正常地溫場中的位能，也是氣溫場與地層淺表溫度場之間存在可正-負雙向變化的勢能。

對淺層地溫能是否具有自然資源屬性存在爭議（戴傳山，2008）。在天然環境中存在的，可用于生產的自然物質才是自然資源，自然資源可分為有形的自然資源和無形的自然資源，能源是提供人類所需能量的載能體資源（帕克，1992）。從能源和資源的定義來看，地熱資源為無形的自然資源；從“載能體”上來說，淺層地溫能和地熱能既有區別又有聯系。淺層地溫能應用的實質是相對恒定的地溫場能夠貢獻多少能量來實現人類適宜生產生活條件的需求，這是與其他以物質存在為特征的各種資源的本質區別。綜合以上，淺層地溫能是一種無形自然資源中的新能源，具有資源屬性，是“熱源”和“熱匯”，同時也是一種“物質運動形式”（衛萬順等，2010）。

地熱資源分為常規地熱和非常規地熱，從地熱的熱傳輸方式和開發利用角度來看，淺層地溫能是地熱資源的一種類型（周總瑛等，2015；國家質量監督檢驗檢疫總局等，2010）。從多數文獻來看，淺層地溫能具有資源屬性，是地熱資源的組成部分、是地熱的一分支（徐世光，2009；王貴玲等，2011；中華人民共和國國土資源部，2009）。由于淺層地溫能熱量的主要生成來源與地熱相同，因而歸為特殊的“地熱能”。

2 資源賦存與分布

地熱能的主要開發利用對象是地熱流體，屬于水熱型地熱資源，包括地下熱水和地熱蒸汽（田廷山等，2006）。人們可以鉆孔直接獲取，也可以驅動冷水循壞攜帶巖石熱能開發地熱。熱流體開采帶來儲層流體壓力降低，當與其聯結的補給源補給后，會以較快速度恢復平衡；熱流體溫度擴散速度較之壓力傳播速度要慢的多，需要較長的恢復時間，因此地熱資源的可再生性取決于地熱開采速度，只有熱量補充速度較快時，儲層壓力和溫度速度才能夠快速恢復平衡，地熱資源是一定條件的可再生資源。

淺層地溫能賦存主要受淺層地溫場控制，地層熱來源與地形地貌、氣候條件等自然因素有關，同時也受地層結構、構造、地下水分布、巖石熱物性等地質條件制約，這些因素是淺層地溫能形成的物質基礎，共同構成熱能存儲場所與運輸通道。

根據賦存地層深度可將淺層地溫能劃分為三類，第一種類型賦存于變溫層中，第二種類型賦存于恒溫層中，恒溫層以下為第三種類型，屬于增溫帶。變溫層由于太陽光輻射影響地溫呈周期性變化。至恒溫層，太陽輻射減弱，地球內熱增強，太陽輻射與地球內熱之間達到平衡，地溫年變幅接近于零。增溫帶中地溫場由地球內熱所控制，地溫隨深度增加而逐漸升高。淺層地溫能較為經濟的開采深度小于200m，一般可就地提取利用。淺層地溫能在一定開采強度下可連續提供穩定的低溫熱源/熱匯，在季節性利用后可通過冬、夏兩季反向溫度補給基本保持地溫場動態平衡，從而長期循環利用，故在科學開采的情況下，淺層地溫能具有可再生性。

我國以中低溫地熱資源為主，同時高溫地熱資源分布廣泛（周總瑛等，2015）。熱田邊界主要由熱儲層溫度與構造及埋藏深度、埋深與開發利用等多因素綜合決定。淺層地溫能資源分布邊界依據地質條件、地理分布和應用目的而相應變化，具有不確定性。淺層地溫能地質條件、氣象氣候、地形地貌決定了淺層地溫能的分布，因而它具有顯著的區域特征。地理緯度是淺層地溫能能否開發利用的區域指征，一般淺層地溫能的開發利用區集中在中緯度地帶，在該區域，冬季采取地下熱能，地層溫度下降，夏季用戶端將熱量排入地下，地層溫度升高，長期來看，由于存在反向溫度補給，總熱負荷和總冷負荷基本保持平衡?？梢灶A見，隨著淺層地溫能開采技術手段的日益提升，難以通過自然恢復達到平衡的地區，如赤道和高緯度地區或許也會實現淺層地溫能的開發利用。表1中總結了兩類資源在清潔性、賦存分布特征及工程應用本質等方面的對比，可較為直觀的發現兩類資源的異同。

表1 淺層地溫能和地熱對比匯總Tab.1 Comparison of shallow geothermal energy and geothermal energy

3 資源賦存條件評價

地熱勘查的根本目的是圈定地熱異常區（朱家玲，2006）。淺層地溫能是低品位熱源，同時受到季節和可再生周期限制，開采強度有一定限制。因而為了確保淺層地溫能合理開發利用，必須開展資源勘查評價，它是資源合理和安全利用的關鍵環節，具有先決作用。淺層地溫能資源評價是新興資源的評價工作，目前還沒有勘查評價的通行做法和固定程式可以參考。

淺層地溫能資源賦存條件評價雖然沿用了部分傳統地熱地質調查方法，但資源賦存地質條件評價的目的和任務發生了根本變化，對不同因素的評價目的和方法也不盡相同。對基礎地質和水文地質條件中的巖石、構造、水文地質參數可采用多項地質調查研究方法開展實地調查評價，對淺層地溫場特征則需采用實地調查、鉆探、取樣并測試巖石熱導率、測定地層綜合傳熱系數等方法進行評價。

地溫場調查評價是對一個區域內地溫場特征的形象描述，其在淺部地溫資源和深部地熱資源評價與預測均有重要作用。資源評價工作的主要方法有實地調查、鉆探和室內外試驗測試等，雖然如此，地熱與淺層地溫能資源在具體評價工作中仍存在較多不同。第一，地熱鉆探手段是查明資源分布的最常用、最直接手段。地熱鉆井成功后進行產能測試以確定熱流體及熱儲的物理參數和產量等。而淺層地溫能鉆孔結束后需通過測試設備對地下巖土開展熱響應測試，獲得單孔換熱量、地層綜合傳熱系數、平均導熱系數等參數，確定地埋管換熱器延米換熱能力。地下水熱泵項目需在鉆完井后開展抽水回灌試驗，分析回灌井影響半徑，確定合理灌采比及回灌溫度。第二，在室內測試方面，地熱流體、巖土分析包括化學成分（含同位素）及物理性質分析。從水化學及巖石的細微差異變化中，確定地熱異常區，為地熱地質條件分析、資源評價與開發利用提供依據。淺層地溫能室內相關測試包括對巖土樣品開展熱物性測試和土工試驗，同時還需開展淺層地溫能開發利用中的水質變化分析，確定地層導熱和儲熱性能和開發利用中的地質環境影響，分析其可開采強度特征。

4 資源潛力評價

資源潛力評價是對確定地區的資源量評估，它建立在資源賦存規律調查和一定模式下資源量的計算基礎之上（圖1）。地熱資源/儲量計算應以已有地熱地質勘查資料為依據，在綜合分析地質、地溫場、地熱流體和熱儲構造基礎上，建立地熱系統概念模型，計算地熱資源/儲量及可開采量。資源量/儲量計算方法依據不同地熱地質條件及地熱田勘查研究程度進行選擇。一般采用熱儲體積法開展地熱資源計算。熱儲體積法把地熱能和一般固體礦產資源相等同，基本上視為不可再生資源，是一種靜儲量計算方法。依據資源量計算結果，開展地熱開采適宜區劃分，根據資源分布及開采的經濟性，可分為地熱開采適宜區、地熱開采較適宜區和地熱開采不適宜區。

圖1 地熱資源勘查評價過程簡圖Fig.1 Geothermal resource exploration and evaluation process

淺層地溫能資源的計算實際是對地球淺表熱量調蓄能力的評價，資源潛力則是單位面積淺層地溫能可采取熱量的供暖/制冷面積（王貴玲，2006）。根據資源評價目的不同，淺層地溫能勘查分為淺層地溫能區域調查和場地勘查，其中區域淺層地溫能勘查評價簡要過程如圖2所示。對比圖1和圖2資源勘查評價過程可以發現，淺層地溫能資源評價與傳統地熱評價過程不一致，開發利用適宜區劃分的順序恰恰相反。資源賦存條件是分區的前提條件，在確定開發利用方式后才能進一步選擇合理的評價方法。需要注意的是在資源條件滿足時，某些區域可既適宜地下水地源熱泵又適宜地埋管地源熱泵的建設。近年來，研究中還加入了再生水熱泵系統，一般依再生水廠建設。

淺層地溫能資源熱容量是地表以下一定深度范圍內的巖土體和地下水中每度溫差所蘊藏的熱量，與傳統地熱資源量一樣，常用靜態方法如熱儲法開展計算。資源潛力計算方法是目前仍在探索和需要不斷創新和擴充的方法，已有計算方法和計算過程可參見相關文獻（衛萬順等，2010）。再生水熱泵系統適宜區可利用資源量則受可利用溫差、輸送能耗和輸送成本的影響，根據污水處理廠日最低流量的小時平均值確定資源量。

圖2 區域淺層地溫能資源調查評價過程簡圖Fig.2 Regional shallow geothermal resource exploration and evaluation process

淺層地溫能調查中第四系結構特征調查和恒溫帶深度和溫度的確定是區別于地熱勘查的兩項重要內容。具體表現在三個方面：第一，傳統地熱和淺層地溫能目的研究層不同，淺層地溫能關注第四系，而地熱關注儲層以及蓋層地層情況，不止包括第四系，研究深度和層位更廣。第二，地熱流體和熱儲賦存于恒溫層以下的變溫層中，恒溫層能夠預測深部地溫場，指導地熱資源勘探。恒溫層溫度是淺層地溫場的重要指標，基本表征淺層地溫能能夠開發利用的溫度范圍，恒溫層深度是淺層地溫能開采深度和經濟性的指標。第三，地熱和淺層地溫能的熱源不同，地熱較多關注地熱流體，熱流體不僅有地下熱水，還包括地熱氣體和載熱蒸汽等，淺層地溫能關注地層結構和含水層分布等靜態特征，也研究水質、水量及其開發利用動態變化。

5 結論

（1）淺層地溫能賦存條件不僅受地質條件影響，還受自然因素制約，其資源分布規律與地溫場密切相關，無固定形態。淺層地溫能形成因素具有特殊性，是一種特殊的“地熱”。

（2）淺層地溫能資源評價方法沿用了部分傳統地熱地質調查方法，但調查目的和調查任務發生了根本變化，仍需不斷創新、擴充新的方法，以完善淺層地溫能資源評價體系。