干热岩在辽沈地区冬季供暖技术分析_赵俭斌

干热岩在辽沈地区冬季供暖技术分析赵俭斌1，冯晓燕1，晏可奇2，闫燕燕1（1．沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168；2．辽宁地质工程勘察施工集团公司，沈阳110032）摘要：辽沈地区供暖是一个永恒的需求，以往的传统供暖方式不利于资源的可持续发展，本文立足于干热岩能源的优势初步研究设计出开发深层地热有利的采热系统，同时对干热岩利用过程中的关键技术进行分析，高温高压下岩石的导热性能及岩石和水的热交换能力、井管材料及保温技术是实现干热岩供暖的关键。

因此，如果干热岩供暖关键技术得以解决将对干热岩成功的用于寒区供暖带来技术上的突破。

关键词：岩土工程；干热岩；寒区供暖；关键技术；岩石导热性The Technical Analysis on the Hot Dry Rock in LiaoShen Area ZHAO Jianbin1,2, FENG Xiaoyan2, YAN Keqi 3, YAN Yanyan2（1.Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2.Geological Prospecting ConstructionProject Group of Liaoning, Shenyang 110032, China）Abstract: Based on its advantages the paper will design a heated system more effective than the technology of shallow ground source heat pump, meanwhile analysis the key technology during exploiting Hot Dry Rock progress, then the thermal conductivity of rock under high temperature and high pressure and the heat transfer ability between rock and water as well as pipe material and insulation technology, all of which will realize the key technology about Hot Dry Rock heating. In conclusion, if the key technology on heated system would be settled, it will bring breakthrough about using Hot Dry Rock on heated supply in cold areas.Keywords: Hot Dry Rock (HDR), heating in cold area, key technology, high temperature high pressure, rock thermal conductivity1 引言目前，我国北方地区冬季采暖主要有三种形式：第一是基于热电联产的热网；第二是独立的小区锅炉房供暖；第三是近年来兴起的地源热泵采暖。

而其它一些小的方式如燃油、电取暖等应用的不多。

但是，不管哪种方式都以消耗煤、电、油等资源为前提，特别是煤、油资源为化石能源，为不可再生资源，在燃烧这些化石资源的同时，排放的二氧化碳和粉尘将对大气造成污染。

这与国家倡导的建设“资源节约型、环境友好型”社会的方针格格不入，而寒区冬季供暖是必不可少的。

基金项目：2010沈阳市重大开发策划项目（SFGW10-5）建设部项目。

作者简介：赵俭斌，男，沈阳建筑大学土木工程学院教授，从事岩土工程研究；E-mail: cejbzhao@世界各地都在努力研究开发较为清洁的新能源。

作为新能源之一的地热资源，开发利用过程具有可持续和环保等其他能源不可比拟的独特优点。

近年来，开发利用无污染且少受诸如气候等外界条件变化干扰的新能源——干热岩资源，成为很多发达国家积极开展试验研究的新课题，干热岩资源的开发利用前景十分诱人。

我国对于干热岩的研究尚属起步阶段，据初步估算，我国干热岩在2000米至4000米范围内的产热量大于8×10 J/km2。

所以，我国主要高热流区的热储资源相当丰富，相当于标准煤51.6亿t。

近年来，干热岩的研究进入一个新的时期，它的探究与应用将会给我们带来更多意想不到的能量与利益，利用干热岩作为寒区或者其它地区大面积冬季取暖方式的内容还未见相关的报道。

国外一些国家研究干热岩热能主要利用其转化的能量进行发电，对与其交换热量后的水温要求很高，一般150～200℃，因此，对钻井深度要求高，一般在2 000～6 000 m则难度也就相应增加。

而利用干热岩资源进行供暖所需的水温只需在60～80℃，相比而言，干热岩供暖技术的难度降低，钻井深度降低，所以可实现性更强。

由此对于干热岩开发，只需利用现有成熟的钻探技术，在任何一个地方，钻到一定深度，就可以完成任意数量的井，干热岩就可以得到开发与利用。

2 沈北地区干热岩供暖系统可行性2.1 前期工作在沈阳地区，近年来施工了十余口超深井，最大深度达2 800 m，实测孔底最高温度达89℃。

地热增温梯度为3.023 8℃/100 m。

据此设想在相距250～500 m施工一对深度3 500 m左右的深井，孔底温度可达115～125℃，从一个孔中灌入凉水，经孔中深部循环，吸收地下的热能后，变成60～70℃的热水，用于冬季取暖。

沈阳及周边地区开展了大量的热资源调查工作，钻探了多个深井，掌握了重要资料，如表1是沈北新区勘探井的情况。

表1 部分沈北地热井调查表序号探井位置盖层条件井深/m 井底温度/℃水温/℃增温/℃成井情况1 孟家屯有 1 200 49 43 3.083 成2 治安村有 2 300 83 62 3.087 成3 郭三有 2 500 否4 倒树子有 2 500 89 62 3.080 成5 新城子有 2 800 83 2.5366 大转弯有 1 200 52 3.333注：由表统计得出沈北平均地热增温为3.023 8℃。

由此表可以看出，沈北地区部分存在着富含水的破碎带，有部分热水资源，部分探井没有充足的热水可供开发，但干热岩却一定存在。

沈北地区的资料表明：沈北钻孔每百米的增温为3.023 8℃，略大于已有统计资料的2.0～3.0℃，具备开发条件。

因此，这些资料的合理应用尤其是干热岩在寒区供暖中的应用，可先在沈北地区建立示范工程，这会给沈北新区带来发展的新机遇，也会给沈阳乃至全国发展低碳经济起到示范作用。

2.2 与其他供热系统比较利用干热岩进行供暖方面的研究也不同于现今应用较为广泛的地源热泵技术。

浅层地源热泵技术在东北地区已经应用的较为成熟并且成功，但另一个角度来讲这种浅层地源热泵技术对于地下水的开采回灌要求相对严格，在一定程度上会造成相应的水污染、地热场改变、水位下降、地面沉降等，同时地面上热泵机组耗能较高。

通过对浅层地源热泵技术的了解深入，优势弊端综合考虑后对深层干热岩供暖系统进行研究与设计。

同时干热岩的热能开采方法与流体型地热资源开采技术有本质不同，主要是通过热交换介质循环来实现热量的提取。

对于干热岩，在利用其热能时的整个过程中处于封闭循环系统。

其热能是通过人工注水的方式加以利用，通过合适的距离打两个井至干热岩地层，以U型管的形式连接，从注入管注入自然水，使之在封闭系统里循环，并充分与干热岩接触，交换热能使水温提高至供暖所需温度，由生产井产出，直接利用具有较高温度的热水进行循环供暖。

与地源热泵不同，此系统完全利用自然水与地下干热岩最大限度的进行热交换，使水温升高至供暖所需高温水进行供暖，而不需要如地源热泵技术中所需的地面热泵系统。

因此较之耗能少。

更为重要的是，干热岩这种热能普遍存在，而不像温泉水那样只有在富含水的破碎带中才能找到，正是干热岩这种普遍存在的特点可以使其不受地点的制约，可根据我们的需要进行钻井开采这种储量巨大的深层地热资源，从而使我国寒区利用干热岩供暖成为可能。

3 干热岩系统关键技术3.1 干热岩系统设计运行参数干热岩资源开发系统的设计与运行关键技术参数包括系统的出力（设计年限内允许提取的地热资源量）和寿命（可提取资源量的枯竭期限）、注水井与生产井的井1︰3压力、注水流量、生产井的温度等。

在资源开发过程中应充分了解人工储留层及其围岩在地热提取过程中温度场、应力场和人工储留层裂隙张开度的变化特点，了解在水、热、应力的复合作用下人工储留层的二次破裂特征，深入分析开发过程中热能迁移规律，如：注水井、生产井剖面上岩体温度变化规律，裂缝水压及裂缝宽度的变化规律，裂缝面温度、应力随开采时间的变化规律，裂缝宽度随开采时间的变化规律[1]。

3.2 沈阳地区干热岩利用关键技术对于沈阳目前所研究的的基础之上，在开发利用干热岩的关键技术主要包括以下两个方面。

（1）岩石的导热性、岩石和水的热交换研究。

在实验研究的基础上，建立干热岩热交换模型，它是确定井间距和水力裂井范围的依据；首先必须解决如何让灌入的凉水尽可能的与地下的干热岩发生热交换，远处岩石的热量如何尽快的传递给已与水交换完热量的岩石。

因此，关键是正确地确定和计算干热岩的导热性和热交换的评价指标。

（2）井管材料的选择及保温方法及工艺，包括井管材料的抗腐蚀性、强度、耐久性、隔热性等方面；井管材料上部必须是隔热的，因为上部地层的温度低，而下部作为热交换部分的井管导热性又要求特别好，这样才能既与地下热岩发生充分的热交换，又不会让热水的热量被无谓的浪费，这是减少热能耗损及保障供暖的又一关键。

只要很好地解决了岩石的导热性的计算及井管保温这两项内容，应用干热岩在东北寒区供暖就可以实现。

4 干热岩系统主要可研究内容4.1 研究的主要内容干热岩在沈阳供暖中的开发利用，其重点工作在于前期的基础性研究，这些是实现干热岩供暖这样一个绿色新能源开发工作（大工程）的基础，这些基础性工作主要包括以下几方面：第一、岩石的导热性、岩石和水的热交换能力研究，是干热岩用于供暖工程中确定井间距和水力裂井范围的依据；第二、井管材料的研究，包括抗腐蚀性、强度、耐久性、隔热性等方面的研究，这是减少能耗的保障；第三、高温高压下的岩石劈裂机理研究。

在岩石的导热性、岩石和水的热交换研究中，重点在于在实验研究的基础上，建立干热岩热交换理论与交换模型，它是确定井间距和水力裂井范围的依据；进行岩石物理力学性质试验研究，重点研究岩石高温、高压的导热性和岩石劈裂机理；进行高温、高压下岩体热交换时地热场的变化规律的室内模拟试验研究和计算机数值模拟研究；在井管材料的研究方面，主要是抗腐蚀性、强度、耐久性、隔热性等方面的研究，因此，重点是选择合适的井管材料，并做好保温，使之热能的耗损减到最低。