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中深层地热能取热技术研究进展

摘要：总结了国内外关键取热技术研究现状，包括对井循环取热技术、单井闭式循环取热技术、重力热管循环取热技术、单井开式循环取热技术、U型井闭式循环取热技术和多分支径向井循环取热技术，分析了关键取热技术的特点、适用条件和未来攻关方向，阐述了不同取热技术的发展阶段和应用场景，提出了面向中深层地热能高效开采的发展建议。

近年来，在“双碳”目标和能源革命推动下，实现绿色低碳转型逐渐成为世界各国发展战略。地热能作为一种重要的清洁可再生能源，具有分布广泛、储量丰富、安全优质和供能稳定等优势，大力推进地热能开发对推动绿色低碳发展具有重要意义。中国中深层地热资源丰富，每年可采量折合标煤18.65亿t[1]，约为中国2021年能源消费总量的35.59%，因此加快中深层地热能开发有望为调整中国能源结构，打造多元能源供给体系提供重要支撑。2022年国家发展改革委等九部门联合发布《“十四五”可再生能源发展规划》，进一步指出要在北方地区大力推进中深层地热能供暖，开展中深层地热能供暖利用模式和应用范围示范。近20年来，中国中深层地热供暖开发利用在深度与广度上发展迅速，规模已经达到世界首位[2]。2010年中国中深层地热供暖面积达到3500万m2。2020年底则增至5.8亿m2。考虑到中国中深层地热丰富的资源量，中深层地热供暖仍具有广阔的发展空间。此外，冰岛、德国和法国等国也在持续扩大中深层地热供暖规模。冰岛通过开发中深层地热可以为90%的家庭进行集中供暖[3]，国家每年能源进口费可以节省1000亿冰岛克朗。德国已经逐步将中深层地热储层作为开发重点对象[4]，旨在将每年地热产能扩大至300TW·h，从而满足全德国1/4的供热需求。中深层地热能取热技术是开发中深层热储的关键手段。本研究详细介绍国内外中深层地热能关键取热技术的研究现状，分析不同取热技术的特点、适用条件、应用场景和发展趋势，提出发展建议，以期为推进中深层地热能高效开发提供科学依据。

1、中深层地热能关键取热技术发展现状

为了实现区域供暖或发电，中深层地热能开采技术通常对取热量要求较高。此外，需要遵循“完全同层回灌”或“取热不取水”的原则，以推进中深层地热能可持续开发。目前国内外持续进行技术攻关，形成了对井循环取热技术、单井闭式循环取热技术、重力热管循环取热技术、单井开式循环取热技术、U型井闭式循环取热技术和多分支径向井循环取热技术等，为中深层地热能的有效开发提供了重要支撑。其中对井循环取热技术、单井开式循环取热技术和多分支径向井循环取热技术属于开式循环取热，应用中需注意“完全同层回灌”的原则。而单井闭式循环取热技术、重力热管循环取热技术和U型井闭式循环取热技术属于闭式循环“取热不取水”技术。

1.1对井循环取热技术

对井循环取热技术属于开式循环取热，即通过循环流体与高温储层直接接触进行充分换热[5]。图1展示了对井循环取热系统工作原理。该系统主要包括地面设施、注入井（直井或定向井）、生产井（直井或定向井），以及基质渗透率较大或/和富含裂隙的地下储层。在循环过程中，低温流体自注入井泵入到地下储层，与热储岩石充分换热后，高温流体自生产井产出用于地热供暖等，之后经换热器冷却后由注入井再次回灌至储层，往复循环开采地热能。该系统井型结构简单、易于操作，同时基于开式循环进行取热，换热充分、取热量高，因此在中深层地热能开发领域应用广泛[6,7]。

图1对井循环取热系统

目前对井循环取热技术在国内京津冀、陕西、山东等地得到了推广应用。2021年7月，中石化新星公司在河北雄县的地热开发项目被国际可再生能源机构列入全球推广项目名录，被业界称为“雄县模式”，标志着对井循环取热技术的商业化应用取得了重要突破。此外，法国、日本和英国的中深层地热开发项目均应用了对井循环取热技术[8]，旨在获取足够热量用于地热发电。此外，基于对井循环取热的油田地热开发逐渐引起重视。已在大港、辽河、华北等油田通过废弃井改造开展了应用研究[9]。2011年华北油田留北油藏发电机投入运行实现并网发电，产出水温度110～120℃，按照“油-热-电”地热综合利用方案，部署了10口产液井，平均单井日产液量600m3，同时部署了3口回注井，平均单井日回注量2000m3，截至2011年底，累计发电31×104kW·h[10]。大港油田3口井深超过3000m的废弃井被成功改造，采用“一采两灌”开发模式获取了回灌井瞬时回灌量最大64m3/h、稳定回灌井60m3/h的试验参数，水温62℃，取热功率超过1.50MW，满足供暖要求[11]。

围绕对井循环取热技术产能预测和参数优化，国内外学者开展了广泛研究。Cao等[12]基于单孔隙度理论建立了3D热-流-固耦合模型，研究发现当储层温度超过170℃，取热功率有望达到20MW。