浅层地热能潜力巨大,其合理利用可极大促进城市节能减排和绿色发展。城市尺度浅层地热能利用除与地质条件密切相关外,还受城市规划影响。本文以雄安新区起步区控制性规划为基础,通过综述城市尺度浅层地热能开发利用的主要控制因素,制定空间适宜性评价和指引导则的工作流程。充分考虑地质因素、资源因素和社会生态因素对浅层地热能开发的制约,结合地温测量、热物性测试、现场热响应试验等室内和现场测试数据,对雄安新区起步区已规划的30个的管控单元进行单要素分析,开展浅层地热能开发综合评价并制定开发指引导则。结果显示,地温场条件、水文地质条件、热传导性能、热容量、供暖制冷面积、城市规划和地面沉降是影响雄安新区浅层地热能利用的直接因素。研究区浅层地热能开发适宜性好的单元占43%,主要分布在北部A、B、C和D单元,以可利用区为主,综合导热能力高,单位供暖制冷面积大,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要分布在E单元和其他单元的零星区域,其特点为综合导热能力中等,单位供暖制冷面积和热容量偏小;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域水系丰富,受空间规划的影响,开发利用受到制约。研究成果为雄安新区起步区的浅层地热能资源利用和开发提供了支撑,也为城市尺度下浅层地热能资源的规范性评价提供参考依据。

青藏高原是我国地热活动最强烈的地区,传统观点认为其东北部地区处于相对稳定的地块,地热赋存条件一般。青海省位于青藏高原东北部,地热资源种类齐全,以往研究主要集中在勘查程度较高或单个温泉温度较高的区域,而区内大部分地区研究程度较低,地热资源整体分布特征和热源机制不清。本文依据主要控热活动断裂和温泉集中区将温泉自东北向西南划分为11个区,利用水文地球化学和同位素分析手段对温泉的分布特征和成因进行了综合研究。结果表明,温泉补给来源均为其附近大气降水和冰雪融水。温泉水化学特征与热储的地层岩性相关,花岗岩热储中地热水阳离子以Na⁺为主,阴离子以 {\mathrm{SO}}_4^{2-}和Cl^-为主;灰岩热储中地热水阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主,阴离子以 {\mathrm{HCO}}_3^{-}为主;砂岩热储中地热水主要阳离子有Ca²⁺、Na⁺和Mg²⁺,主要阴离子有Cl^-、 {\mathrm{SO}}_4^{2-}和 {\mathrm{HCO}}_3^{-}。温泉主要沿活动断裂展布方向呈串珠状分布,且主要密集在不同构造体系的交接复合部位和同一构造体系的转折部位;分布于一、二级断裂结合部位的热储循环深度最大,径流路径最长、水岩反应较充分;而分布于被少量小规模断裂切割的三级断裂沿线的温泉循环深度相对较小,径流路径较短,水岩反应程度较低。热储温度从东北向西南整体呈现出中部和西南部高、南部和东北部低,中高温热储主要分布于共和、贵德、乌兰和唐古拉山一带,温度在89.0~139.0 ℃,平均117.7 ℃。温泉热源主要来自大地热流传导增热、放射性元素衰变生热、岩浆余热和活动断层摩擦生热,以及低速—高导熔融体和地幔通道流传热等。此次主要聚焦于青海省水热型地热资源的分布规律和地热成因等方面的研究,可为后期青海省地热资源开发利用提供参考依据。

砂岩热储在我国分布面积广,热储厚度大,资源储量丰富,是我国北方和西部地区地热供暖的主力热储。但砂岩热储回灌量偏小,回灌过程易衰减,难以规模化开发,这些都是现实存在的难题。已有研究成果主要集中在钻井液污染、物理堵塞和化学堵塞方面,这些都是造成砂岩热储回灌困难的常见原因。本文在充分研究油田注水技术、收集砂岩岩心实验测试和野外回灌试验资料的基础上,分析总结了天津、山东、陕西等地砂岩热储生产性回灌实际案例,认为砂岩热储孔隙直径小、孔隙喉道迂曲度大和回灌流体渗流沿程摩阻力(压耗)大是造成回灌量偏小和衰减的根本原因。主要应对措施是精确识别砂岩热储特征,扩大回灌井井径,改造热储以减小近井地带的回灌流速,抑制以速敏为主的水岩作用发生,这是今后解决砂岩热储回灌困难的关键。

地热能是一种资源分布广泛,稳定可持续,清洁低碳,且唯一以热能形式存在的可再生能源,地热能的高效开发利用不仅可以满足我国北方地区的建筑供热需求,也可缓解我国电力短缺,对实现我国“双碳”战略目标有重要意义。地热能“宜热用热”,较其他可再生能源在建筑供热方面具有天然优势,但目前我国地热能利用仅占我国能耗的1.5%左右,远低于我国建筑能耗的1/3能源消耗占比。我国地热直接利用规模多年来居世界首位,但浅层地源热泵供热形式占60%左右,传统地热能利用相对占比较低,主要原因在于传统的地热抽灌模式依赖于当地水文地质条件,某些砂岩地层回灌困难或不经济,为此管理部门加强了地热井管理以避免地下水位下降较快的现象。近年来,“取热不取水”的地热单井取热技术受到广泛关注,此技术无回灌问题,适应我国当今的能源开发利用形势,有很好的应用前景。本文对地热单井换热取热技术的研究与应用现状进行简要综述,重点总结了国内外有关中深层“取热不取水”地热单井换热取热技术的研究现状,分析了不同单井强化取热技术的基本原理与不足,强调“因地制宜”实现单井原位取热技术的重要性,提出中深层地热单井循环取热技术是一种环境友好、可持续稳定的供热模式,可有效解决我国北方地区建筑的冬季供热问题。随着打井技术的不断进步,此技术有一定的市场竞争力;建议出台针对“取热不取水”或“取热不耗水”单井取热技术的管理政策,这对进一步提高我国的地热能利用规模,实现“双碳”目标有重要意义。

地热能具有绿色清洁、稳定可靠的优势,具备大比例接替传统化石能源的潜力。我国地热资源储量丰富,分布广泛,但地热发电利用远落后于世界先进水平。热伏发电技术在中低温地热开发与利用方面具有较高的应用潜能和价值,但其规模化应用仍极具挑战。采用模块化设计提升热伏发电机装机容量是切实可行的。本文提出了一种镜像布置的模块化热伏发电机设计方案,可依据不同的热源形式,灵活调整发电单元数量;换热器采用紧凑式设计,有助于提升系统的体积功率密度。团队据此设计研制了热伏发电样机,并在深圳大学中低温地热热伏发电系统测试平台上对其性能进行了综合测试。结果表明,在冷却水流量3.3 m³/h、温度20 ℃和加热功率9 kW运行条件下,热伏发电机最大输出功率达到了136.5 W,体积功率密度可达26.9 kW/m³,系统发电效率能够达到理论最大热电转换效率的82.5%。鉴于目前热电模块的热电优值(ZT)仅约为0.5,若ZT值达到1~2,在同等条件下,热伏发电机最大输出功率可达1.69~2.63 kW,体积功率密度可达338.3~518.8 kW/m³,最大热电转换效率为10.5%,可达理论最大转换效率的92.8%。此时,本文提出的热伏发电机模块化设计方案将更具推广应用价值。

干热岩具有清洁、稳定、可再生的资源优势和发电潜力,通过水力压裂构建裂缝网络,形成高导流能力人工热储是其高效开发的技术关键。深层干热岩往往是脆、硬,且岩石力学强度高的基底花岗岩,水力压裂破岩能量是传统沉积岩的数倍,难以从传统压裂力学机制上实现张性起裂,裂缝网络扩展是人工造储的核心,主要包括井筒附近的张性起裂、人工裂缝的扩展与岩体失稳和天然裂缝的滑移剪胀。本文以马头营深层干热岩水力压裂人工造储为例,结合岩体地质特征和缝网扩展机理,完成耐温抗剪和破胶性能评价,优选降阻率达到74%的耐高温低黏滑溜水作为主压裂液,剪切稳定后黏度为40 mPa·s的变黏滑溜水作为支撑剂和暂堵转向剂的携砂液;优化15 000 m³压裂液为5个泵注阶段和15个泵注单元,以交替注酸、变黏度剪切造缝和近井筒携砂3种工艺强化缝网扩展;优选200目、2和5 mm不同尺寸可降解暂堵剂促使裂缝均匀扩展;泵注40/70目中密高强度支撑陶粒,在剪切自支撑基础上强化支撑导流。压后评价与微震监测证实,马头营干热岩试验井组水力压裂构建了1 004.03×10⁴ m³的人工热储,包含18条典型相互沟通的裂缝面,裂缝类型为“张—剪”混合裂缝;高黏滑溜水低排量携带的暂堵转向剂,促使远端新裂缝不断开启,增加了纵向的改造程度,且无诱发地震。该水力压裂工程案例的成功实践,证明了多体系小型压裂测试工艺、多阶段逐级提排量主压裂工艺和多方案转向压裂工艺的正确性,为我国干热岩水力压裂人工造储提供了宝贵经验。

干热岩资源分布广泛、储量巨大,被认为是具有广阔发展前景的绿色能源之一,而增强型地热系统(EGS)是开采干热岩资源的主要技术方法。在CO₂-EGS中,超临界CO₂(ScCO₂)作为取热工质可以减少水资源浪费、降低泵送能量消耗,比H₂O具有更高的传热效率,并且可以实现部分CO₂的地质封存,具有较大的发展前景。本文从EGS裂隙储层模型、CO₂的物理性质,以及CO₂在储层裂隙中的流动与传热特性3个方面,总结了CO₂-EGS储层换热技术的研究进展,并针对我国典型地热场地的实际应用提出了建议。结果表明,裂隙性多孔介质模型更为实用和高效,而局部非热平衡模型更符合实际情况。CO₂具有较高质量流率和较轻微的矿物溶解能力,其矿化封存可降低地震风险,但会使储层的渗透率下降,建议调整主裂缝的非接触面积或CO₂的注入参数以减少渗透率的降低。未来应深入研究CO₂的非达西流动特性,并探究CO₂在共和与松辽盆地储层中的损失问题以及福建漳州凝灰岩盖层对CO₂的封存能力。

诱发地震是干热岩大规模开发面临的主要问题之一,断层滑动和流体超压是较大地震的两大主要诱因,同时每个场地的诱发地震情况受具体的地质条件控制。本文选取马头营干热岩场地为研究区,在地震地质、构造地质、地热地质条件分析基础上,建立水热力多场耦合数值模型,综合考虑地应力场和多条断裂的影响,通过计算断层滑动趋势评估干热岩开发过程中的断层稳定性,并依据注入扰动体积估算长期注入可能诱发的最大震级。结果显示,10年干热岩开发过程中,马头营干热岩场地断层的孔隙压力变化不超过0.8 MPa,不会引起断层上有效应力的明显变化;注采期间断层滑动趋势均远低于滑动预警线,注采过程安全。优选出两种适用于马头营场地的地震矩计算模型,10年开采过程中可能诱发的最大震级为2.0级至2.1级。研究成果不仅能够为马头营场地干热岩安全规模化开发提供支撑,而且有助于深入理解工程活动影响下的地球动力学过程。