邱楠生&朱传庆等:中国地热资源分布及开发利用

地热能是一种来自地球内部的天然热能,其作为一种分布广泛、稳定可靠、绿色低碳的可再生能源,是国家能源安全保障体系的重要组成部分。根据国际能源署(IEA)等权威机构预测,到2050年,全球可再生能源发电占比将达到近90%,其中,风能和太阳能光伏合计占比接近70%,地热能占15%,中国的地热能发电将占国家发电量增长的20%,显示地热能与风能、太阳能等可再生能源共同主导着能源结构。在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下,对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。地热能通过地下热水或蒸汽等形式被抽取利用,可直接用于供暖、发电等,其资源类型包括水热型、干热岩型等。地热能的开发技术涵盖回灌、蒸汽发电、闪蒸发电、地源热泵以及增强型地热系统(通过人工压裂构建热储的干热岩开发技术,简称EGS)等。地热能具有环保低碳、可再生稳定和储量大的核心优势。中国的地热资源开发经过多年的技术积累,地热发电效益已显著提升。除地热发电外,直接利用地热水进行建筑供暖,发展温室农业和温泉旅游等也得到较快发展。

1 全球地热资源分布现状

目前,世界能源发展正在经历新能源和可持续发展阶段。如今,能源需求结构也在不断发生变化,化石燃料的主导性地位正在逐渐削弱,取而代之的是风能、太阳能等可再生能源^[1]。据2024年国际能源署统计结果,2023年在世界一次能源消耗中,可再生能源消耗占一次能源消耗总量的8.2%,而中国的可再生能源消耗占一次能源消耗总量的9.5% (图1)。

图1 2023年世界和中国一次能源消耗结构

Fig.1 Primary energy consumption structure of the world and China in 2023

地热作为一种可再生能源,尽管在全球分布广泛,但在空间分布上极不平衡。据2020年国际能源署、中国科学院和中国工程院等机构研究显示,世界地热能基础资源总量为1.25×10²⁴ kJ(折合4.27×10¹⁶ t标准煤),其中,埋藏深度在5 km以浅的地热能基础资源量为1.45×10²³ kJ,是当前全球一次能源年度消费总量的200万倍以上。根据热储温度的不同,将地热资源分为高温地热资源(≥150 ℃)和中—低温地热资源(<150 ℃)。图2是全球高温地热资源和中—低温地热资源的分布情况^[2-9]。从图中可以看出,高温地热资源主要分布于活动板块边缘,而中—低温地热资源则分布在靠近活动板块边缘的沉积盆地。虽然高温地热资源与中—低温地热资源的分布特点存在差异,但仍有大量中—低温地热资源与高温地热资源的分布存在一定重合,这一现象的主要原因是部分高温地热资源以干热岩的形式赋存于较深地层,其浅部若存在含水层,则浅部含水层受深部热源加热后即可在浅部形成中—低温地热资源,从而在地热资源分布中显示出重合的特点。

图2 全球高温地热资源及中—低温地热资源分布(据文献[2-9]修改)

Fig.2 Distribution of global high-temperature and medium-low temperature geothermal resources

1.1 高温地热资源

高温地热资源主要分布在离散板块边界和汇聚板块边界,其分布总体受地球的构造–热背景控制,空间上与全球板块边界、地震带、火山带具有相关性^[2]。高温地热资源在水热型地热系统与干热岩型地热系统中均有赋存,其最为显著的特征是热流高、高温水热活动强烈、活火山与地震活动频繁。高温地热主要用于发电和工业领域。全球高温地热主要集中在4个地热带:环太平洋带、大西洋中脊带、东非裂谷带、地中海—喜马拉雅带。

环太平洋地热带是全球分布范围最广的一个地热带,沿太平洋板块与美洲板块、欧亚板块的俯冲/碰撞边界展布,其地热资源量约占全球高温地热资源的40%,最为显著的特征是高热流、年轻造山活动和频繁活火山活动。该地热带的热储温度一般在250~300 ℃,全球多数高温地热田位于此带。代表性的地热田有:新西兰的怀拉基地热田(266 ℃)、俄罗斯堪察加半岛的波热特地热田(200 ℃)、日本的松川地热田(250 ℃)和大岳地热田(206 ℃)、中国台湾地区的大屯地热田(293 ℃)、印尼的卡瓦卡莫将地热田(245 ℃)、智利的埃尔塔蒂奥地热田(250 ℃)、墨西哥的塞罗普列托地热田(370 ℃)、美国加利福尼亚州的盖瑟尔斯地热田(315 ℃)和索尔顿湖地热田(370 ℃)以及新墨西哥州的瓦勒斯地热田(290 ℃)等。

地中海—喜马拉雅地热带由特提斯缝合带组成,位于欧亚板块与非洲板块及印度洋板块碰撞的接合地带,以地壳增厚、年轻造山运动、现代火山作用、岩浆侵入以及高热流等为特征。该地热带的热储温度一般介于150~300 ℃。代表性的地热田有:中国羊八井地热田(262 ℃)、羊易地热田(192 ℃)、腾冲地热田(250 ℃)、康定地热田(180 ℃),以及意大利拉德瑞罗地热田(245 ℃)和土耳其克泽尔代尔地热田(200 ℃)等。

大西洋中脊地热带大部分在洋底,出露海面的部分呈SN向展布。该地热带的热储温度一般为200~300 ℃。代表性的地热田有:冰岛亨伊尔地热田(230 ℃)、雷克雅未克地热田(286 ℃)、纳马菲雅尔地热田(280 ℃)等。

东非裂谷地热带主体位于非洲板块内,沿大陆裂谷系展布,其北端为红海—亚丁湾洋中脊扩张带。以高热流、强烈现代火山作用以及广泛断裂活动为特征。该地热带的热储温度多高于200 ℃。代表性的地热田有:埃塞俄比亚达洛尔地热田(>200 ℃)和肯尼亚奥尔卡利亚地热田(287 ℃)。

1.2 中—低温地热资源

中—低温地热资源主要分布在板块内的沉积盆地及造山带中,其总体分布主要受地层岩性和断裂构造控制,空间分布则集中在地壳厚度较薄、花岗岩厚度较大以及深大断裂发育区域。地层岩性对区域热状态的影响主要表现在2个方面:由不同岩性地层叠置而形成的热流优势传递和不同地层自身生热量的差异,典型代表为沉积盆地内的基底起伏构造格局(地层热导率不均一导致的热流差异传递)和深部花岗岩体的放射性生热(放射性生热带来的额外热源)。断裂构造主要为区域提供深部热液及热能向上运移的通道,通过热传导或热对流的方式加速区域热量的传递^[10]。

中—低温地热资源在全球范围内有广泛分布,大多以水为载体赋存在于水热型地热系统中。根据前人研究,全球水热型地热系统的储层温度大多介于35~150 ℃,平均大地热流为(64±25) MW/m²,平均地温梯度为(32±14) ℃/ km,用于地热直接应用(如供暖、温泉、农业)的热储有效体积约为22.8×10⁶ km³,其地表面积占覆盖含水地层的大陆表面的35%,大陆表面总面积的16%^[11],分布范围极大,具有广袤的勘探开发潜力。代表性地热系统有中国松辽盆地(72~168 ℃)和美国威利斯顿盆地(79~141 ℃)。全球中—低温地热资源量约为1.45×10²³ kJ,中国的中—低温地热资源占全球的1/6。

2 中国地热资源的特征及成因

地热资源是指能够被人类以经济方式加以利用的地球内部热能、地热流体以及其中的有用组分。地热资源按热储介质、温度、构造成因、水热传输方式、分布位置和赋存状态等可以划分为不同的类型^[12](表1)。其中,中—深层与深层地热资源主要包括水热型地热资源(常规地热资源)和干热岩型地热资源(非常规地热资源)。中国地热资源丰富,根据埋深不同,各具不同的温度特征和分布特点。笔者以埋深为分类标准介绍各类地热资源特征^[13-17](表2)。

2.1 中国地热资源特征

2.1.1 浅层地热资源

浅层地热能是指地表以下一定深度范围内(0~200 m),赋存在岩土体、地下水和土壤中,温度一般低于25 ℃,在当前技术经济条件下具有开发利用价值的热能,主要用于供暖/制冷。浅层地热能主要来自太阳的辐射能和地球内热能。浅层地热能在全国336个城市均有分布,主要分布在北京、天津、河北、辽宁、山东、湖北、上海等人口密集城市区域,据估算资源量为2.78×10¹⁷ kJ(相当于95×10⁸ t标准煤)(表2),可实现建筑物供暖/制冷面积为320×10⁸ m²,其中,31个省会城市80%的土地面积适宜利用浅层地热能^[13-15],其开发利用方式包括地源热泵系统等。

浅层地热能具有如下优点^{[13-14,18-19]}:①储量巨大、分布广泛。浅层地热能在地球表层以下接近均匀分布,从地下水、地下土壤和江河湖海等地表水中都能采集到浅层地热能,其资源量巨大。②稳定持续。浅层地热能是一种温差势能,其温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源。③清洁环保。浅层地热能主要通过热泵技术进行采集利用,不会产生CO、硫氧化物、氮氧化物、粉尘等产物。因此,开发利用清洁环保的浅层地热资源已是社会发展的必然趋势。

浅层地热能也存在以下缺点^[14]:①品位低。浅层地热能不能作为独立的能源使用,必须借助热泵才能利用,运行时需要消耗一部分电能。②受水文地质条件影响大。尽管浅层地热能在理论上均匀分布于地球表层以下,存在于地下水、地下土壤和江河湖海等地表水中,但实际应用中,在不同的水文地质条件下利用浅层地热能的成本有差异。③受场地限制。采集浅层地热能最常用的方式是地下水井和地埋管方式,这两种方式都需要较大的场地。现代城市的建筑密度越来越大,周边空地越来越少,这使得利用地下水井或地埋管方式采集浅层地热能变得十分困难,尤其是地埋管方式,在城市中心地区已经很难实施。

2.1.2 中—深层地热资源

中—深层地热能是指200~3 000 m深度范围内,赋存在沉积盆地的碎屑岩和碳酸盐岩中,以及隆起山区断裂带,温度一般介于25~90 ℃,在当前技术经济条件下具有开发利用价值的热能,主要用于建筑供暖和农业种养殖。中—深层地热能分布广泛,据估算资源量为2.5×10¹⁹ kJ(相当于8532×10⁸ t标准煤)^[20]。中—深层地热能按热传输方式又分为高温对流型、中—低温对流型和中—低温传导型地热资源。高温对流型地热资源主要分布在滇藏地区和台湾地区;中—低温对流型地热资源主要分布在中国东南沿海和胶辽地区;中—低温传导型地热资源主要分布在大—中型沉积盆地,如渤海湾盆地、关中盆地、松辽盆地、苏北盆地和四川盆地,其资源潜力巨大^[17,21](图3、图4)。中—深层地热能与中国东部人口密集、能源需求旺盛的地区高度吻合,可以满足中国北方地区冬季清洁取暖需求。深层地热能主要通过地埋管换热方式利用。

注:底图据国家标准地图服务系统,审图号为GS(2016)1 569号。

图3 中国常规地热资源分布(据文献[21]修改)

Fig.3 Distribution of conventional geothermal resources in China

注:底图据国家标准地图服务系统,审图号为GS(2016)1 569号。

图4 中国中—深层地热资源分布(据文献[17]修改)

Fig.4 Distribution of middle and deep geothermal resources in China

2.1.3 深层地热资源

深层地热能是指3 000 m以深,赋存在沉积盆地的碎屑岩、碳酸盐岩和花岗岩等致密岩石中,以及隆起山区断裂带中,温度在90~150 ℃以上,在当前技术经济条件下具有开发利用价值的热能,主要用于工业供热和发电。深层地热资源包括水热型和干热岩地热资源。全球高温地热资源集中在板块边缘(如环太平洋地热带、地中海—喜马拉雅地热带),深层地热资源量远超中—浅层,但其开发受限于地理环境和技术成本,因此深层地热资源的开发需解决深部勘探、人工热储建造等难题,利用地热井、EGS及梯级利用技术。中国的干热岩主要分布在西藏,其次为云南、广东、福建等东南沿海地区以及山东、陕西局部地区(图5)。汪集旸等^[17]采用体积法估算中国大陆3~10 km深度范围内的干热岩资源总量约为21.0×10⁶ EJ,相当于714.9×10¹² t标准煤,显示出巨大的开发潜力。

注:底图据国家标准地图服务系统,审图号为GS(2016)1 569号。

图5 中国干热岩地热资源的可能分布区(据文献[17]修改)

Fig.5 Potential distribution areas of hot dry rock geothermal resources in China

2.2 中国地热资源的成因与分布

中国地热资源的分布具有显著的地域特征,其形成与宏观分布受中国地质构造特点和地中海—喜马拉雅地热带、环太平洋地热带控制,主要集中于地质活动活跃的构造带、大型沉积盆地和东南沿海地区。

高温地热带分布主要集中在藏南—川西—滇西地区和台湾地区,适合发电等高效利用。藏南—川西—滇西地热带为全球性的地中海—喜马拉雅地热带的东支,其区域背景热流值在80~100 MW/m²,热储温度达170 ℃以上。台湾地热带为西太平洋岛弧型地热亚带的一部分,位于台湾东部和西部地震带,如大屯火山群的地下热水温度为150~300 ℃,岛上地壳活跃,第四纪火山活动强烈,地震频繁。

中—低温地热资源广泛分布于板块内部的大陆地壳隆起区和地壳沉降区。构造隆起区的水热活动与地质条件相关,低温温泉大多与碳酸盐岩的分布相关联。构造沉降区的地热资源与地下热水的赋存和分布有关,大型盆地有利于热水资源赋存,而地热背景决定了盆地一般只赋存低温热水,其热储的发育程度与沉积建造的岩相特征密切相关。

中国地热资源的分布具有明显的规律性和地带性。水热型地热资源主要分布于中国的东部、东南沿海、台湾、环鄂尔多斯断陷盆地、藏南、川西和滇西等地区,以直接利用为主(如供暖、疗养)。又分为沉积盆地传导型和隆起山地型。沉积盆地传导型地热资源主要分布于东部地区的华北盆地、河淮盆地、松辽平原、苏北盆地、江汉平原以及西部地区的环鄂尔多斯断陷盆地、西宁盆地等,均为中—低温地热资源,地热储量丰富,主要用于区域供暖和农业;隆起山地型地热资源主要分布于中国的东南沿海、台湾、藏南、川西、滇西和胶辽半岛等地区,其中的高温地热资源主要分布于藏南、滇西、川西和台湾等地区,其余地区为中—低温地热资源,如福建(福州地热田)、广东和海南地区温泉密集,水温为40~80 ℃,适合康养和旅游开发。中国西部的滇西地区和东部台湾中央山脉两侧是中国未来干热岩开发的主要靶区。根据现有的资料,高温地热资源主要分布在中国大陆西南部,东部地区目前主要开发利用中—低温地热资源。

3 中国地热资源利用及开发技术现状

3.1 中国地热资源的利用现状

地热资源的资源量巨大(可再生),能源清洁环保。根据国际能源署统计报告,2023年全球地热发电效率平均超过75%,显著高于风能(约为30%)和太阳能光伏(约为15%)^[22]。地热发电厂可实现全年连续稳定运行,年发电时长超过8 000 h,对电网稳定性有重要支撑作用。中国地热资源的开发潜力巨大,具有丰富的地热资源量和多种利用方式,地热的直接利用规模连续多年居世界首位,浅层地热能的利用技术不断完善,中—深层地热的勘探开发利用场景不断拓宽。当前,地热供暖行业在国家政策支持和技术创新推动下正蓬勃发展,地热供暖技术领域取得了显著进步,特别是深井地热开采技术与智能化管理系统的创新应用,为行业的持续健康发展提供了坚实的技术支撑与保障。同时,国家积极推动双碳目标和节能减排,出台了一系列政策性引导与规范措施,推动了绿色建筑理念的普及和老旧供热系统的革新升级。这些政策和技术创新有力地支持了地热供暖行业的发展。

地热能的利用方式主要分为直接利用和间接利用两大类。直接利用主要面向中—低温地热资源,涵盖建筑供暖、制冷、生活热水供应、温室种植、水产养殖、温泉康养和部分工业用热等,具有能效高、运行稳定、环境影响小等优势。间接利用则以地热发电为核心,主要依托高温地热资源,通过热力循环将热能转化为电能。尽管中—低温地热资源的发电效率相对较低,但借助有机朗肯循环(ORC)、卡琳娜循环等技术,亦可实现有效发电,拓展了地热能的电力应用边界^[22-23]。总体上,中国的地热资源直接利用在世界上遥遥领先,而在地热发电方面却远远落后于世界。此外,地热能还具备广阔的发展潜力和新兴应用方向。例如,地热储能技术可通过将富余热能或可再生能源耦合热能,储存于地下介质中,在用能高峰时释放,显著提升地热系统的灵活性与能源利用效率,减少资源浪费,助力实现能源供需的动态平衡,并为可再生能源的规模化集成提供重要支撑^[24]。

3.1.1 地热能直接利用

进入21世纪以来,全球地热能的利用呈现出显著的增长态势。根据2023年世界地热大会统计数据显示,截至2023年底,全球地热能直接利用约为1.48×10¹⁵ kJ/a。近3年间的能源利用量年均增长率达44.7%。这一快速发展主要得益于地源热泵技术的规模化应用与技术创新突破。国际能源署的预测显示,全球地热能直接利用的装机容量将在2030年达到500 GW,在2040年进一步提升至650 GW。

地热能直接利用已广泛应用于多个领域(图6)。最新统计数据显示,截至2023年底,全球建筑供暖与制冷领域占据地热能直接利用的绝对主导地位,占87.7%,这充分体现了地源热泵在提升能源效率、降低用能成本方面的显著优势。休闲康养与旅游领域作为新兴应用场景占15.5%,主要服务于温泉度假村、医疗康养中心等设施,通过地热资源实现恒温泳池、理疗按摩等特色服务。农业及食品加工行业的应用占4.3%,主要用于农产品干燥、加热和保温等,为温室种植、食品脱水等领域提供了新的方向。工业领域的应用规模相对较小,占0.9%,但地热能仍为部分特定工业过程提供了必要的热能支持,例如化工生产、木材干燥等。

图6 全球与中国的地热能直接利用情况(截至2023年底)

Fig.6 Direct utilization of geothermal energy globally and in China

自20世纪70年代以来,中国地热能的直接利用经历了从起步探索到快速发展的深刻转型,逐步建立起较为完善的产业体系和应用基础。随着对地热资源禀赋的深入勘探与科学评估,以及对中国能源需求结构和区域气候特点的综合考量,地热产业逐步形成并快速发展,尤其以供暖与制冷为核心的利用方式成为主导方向,推动了地热技术在城乡建设中的广泛应用。自20世纪90年代以来,中国地热能直接利用的规模已连续多年位居世界首位,并保持持续增长态势,成为引领全球地热产业发展的关键力量^[3,24](图7)。尽管中国的地热能直接利用一直处于领先地位,但早期大部分地热能主要用于洗浴,其能源利用效率低于区域供暖和地源热泵等应用方式^[25]。直到2014年底,中国地热供暖与制冷领域的装机规模首次超越休闲、康养与旅游领域^[3]。根据世界地热大会(World Geothermal Congress)的统计数据,截至2023年底,中国的地热能直接利用占全球总量的56.1%,年热能利用量接近8.29×10¹⁴ kJ,有效替代了大量标准煤消耗,显著减少了CO₂排放,为实现“双碳”目标作出了积极贡献。在应用结构方面,中国地热能的利用格局与全球趋势高度一致。中国的地热能在建筑供暖与制冷领域的应用占据绝对主导地位,占全国总量的86.2%;在休闲、康养与旅游领域应用的占比达12.2%;在农业及食品加工行业应用的占比为1.5%;在工业领域应用的占比仅为0.1%(图6)。

图7 全球与中国地热能直接利用的变化(据文献[3,24]修改)

Fig.7 Changes in the direct utilization of geothermal energy globally and in China

地热供暖与制冷是中国乃至全球地热能直接利用的主要方式。截至2024年底,中国地热供暖面积达18.69×10⁸ m^2[26-28](图8)。其中,浅层地热供暖为主要的供暖方式,主要分布于中国东部平原地区,以环渤海地区发展最为突出,其次为长江中下游平原。环渤海地区冬季供暖需求旺盛,河北省的利用规模位居全国首位。其“雄县模式”成功将雄县打造为中国首个“无烟城”地热供暖示范县,供暖面积超过400×10⁴ m²,成为地热供暖推广的典范,为区域地热能的开发利用提供了成功范例^[24,29]。在中—深层地热供暖面积中,70%以上集中在河北、河南、山东、天津、陕西、山西等省(市),这在中国北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用^[27]。受制于浅层地热能开发面临的地质环境问题(如地下水位下降、水质恶化等)以及热交换效率低、稳定性差、热失衡或冷堆等问题,近年来,浅层地热能发展趋于缓慢,而中—深层水热型地热产业则发展迅猛,地热供暖面积持续增长。其中,油田水热型地热开发利用规模占比超过70%,成为中国中—深层地热开发的主要贡献者^[26]。

图8 中国的地热供暖面积(据文献[26-28]修改)

Fig.8 Geothermal heating areas in China

3.1.2 地热发电

20世纪70年代,中国在推动地热能与化石燃料同等地位的倡导下,于广东省丰顺县建成了首座地热发电站——丰顺地热试验电站,其装机容量为86 kW,标志着中国成为全球第8个实现地热发电的国家^[30-31]。此后,中国东部地区陆续建成6座装机容量在100~300 kW的地热发电站^[24,32](表3),主要利用67~91 ℃的地下热水^[25,33]。但至20世纪70年代末期,因地热站运行成本过高,仅广东和湖南的发电站处于运行状态^[33]。

西藏地区由于长期面临严重的能源短缺问题,1977年在羊八井地区建成了中国首座水热型地热试验电站,配备了1 MW高温地热试验机组^[34-36],该电站的装机容量于2010年达到27.18 MW^[32]。此外,西藏地区约在1990年还建成了浪卡子和那曲两座兆瓦级地热发电站^[25]。然而,受地下热水温度偏低及设备结垢问题制约,两座电站相继停运^[25]。经过40余年的生产运行,羊八井电站积累了丰富的建设、运行及装备开发经验,对西藏乃至全国地热能开发具有重要示范意义^[37]。

2011年,华北油田建成了一套400 kW的地热双循环发电机组,作为新世纪中国唯一建成的中—低温地热发电项目,采用了“油–热–电”联产综合开发模式^[38]。2021年,中国在河北唐山马头营凸起区的干热岩开发示范项目中成功进行了干热岩发电实验^[39]。

总体上,自20世纪70年代以来,中国先后建成了19座地热发电站(表3),但目前仅有8座地热站仍在运行^[24,36]。根据国际地热协会的最新统计数据,全球地热发电的总装机容量达16 211 MW,但中国仅占0.3%(51.74 MW),装机容量的世界排名在第16位(图9)。相较于地热直接利用的快速发展,中国地热发电仍处于滞后阶段。

图9 截至2020年底全球地热电站的装机容量(据2023年世界地热大会统计)

Fig.9 Installed capacities of global geothermal power stations by the end of 2020

3.2 地热资源开发技术现状

3.2.1 地热发电技术

地热发电的关键影响因素涵盖地热资源的温度、流量、载体类型、水质类型,以及当地的气候环境、地质条件和政策因素等,这些因素对发电技术、地热电站设计、发电效率和经济效益等方面有着重要影响^[40]。鉴于地热资源种类多样、品质各异,地热发电方式呈现多元化特征,主流的地热发电技术主要包括水蒸气朗肯循环、闪蒸循环、有机朗肯循环和卡琳娜循环^[36,41-43]。

水蒸气朗肯循环是最早应用的技术,其通过高温蒸汽过滤后驱动汽轮机发电,乏汽冷凝回灌^[36,44]。该技术工艺简单、效率超20%,与火电设备兼容,是高温地热田主流,但仅适用于高温高干度蒸汽资源,杂质易腐蚀设备。

扩容式发电循环(闪蒸循环)适用于高压高温两相资源,通过降压闪蒸产汽发电,可多级扩容提效^[45-46]。该技术工艺简单,发电的一级效率为12%~15%,二级为15%~20%^[40],但汽轮机庞大,易结垢,仅用于中—高温地热田。

有机朗肯循环以低沸点有机工质为介质^[43,47-48],通过地热流体加热工质发电后循环。该技术在74 ℃即可发电,装机容量为1 kW~10 MW,无腐蚀问题^[49-50],但成本高、工质有安全风险^[51],是中—低温地热开发的理想选择,在国内外应用广泛。

卡琳娜循环以氨水为工质,借变温特性提效^[52-53],经换热、分离等完成循环^[54]。该技术的理论效率远超传统技术及有机朗肯循环^[54-57],但系统复杂、成本高,商业化应用少。

3.2.2 地热直接利用技术

(1)热泵类地热利用技术

热泵类地热利用技术包括浅层地源热泵技术和中—深层地埋管供热技术。

浅层地源热泵技术以埋深在200 m以浅、温度低于25 ℃的岩土体、地下水等浅层地热能为热源,通过地埋管换热器[常用耐热聚乙烯(PE-RT)等管材]与热泵机组耦合,冬季吸收地下热量供暖,夏季向地下排放热量制冷,核心为闭式取热,可避免地下水污染。浅层地热能的利用主要基于热交换原理,常见的利用方式是地源热泵系统和地下水源热泵系统^[58]。地源热泵系统主要由地埋管、热泵单元、热交换系统和控制系统组成。其能效比达3~6,节能高效且稳定性强^[59]。根据地热交换系统的形式,这些系统可以分为地下水热泵系统、地表水热泵系统和地埋管热泵系统^[60](图10)。

图10 地源热泵系统示意(据文献[60]修改)

Fig.10 Sketches of ground source heat pump systems

中—深层地埋管供热技术针对埋深在1 000~3 000 m的地热资源,以闭式取热为核心,通过U型井、同轴套管式地埋管换热器等设备提取热能^[59][图11(a)],耦合热泵机组为建筑供暖,具有“取热不取水”“占地面积小”“不受气候影响”等优势,适配无市政供暖、缺水热抽采回灌条件或浅层地埋管布设空间不足的场景^[57,59]。U型井闭式循环取热的应用较广,重力热管循环取热技术通过工质相变传热,无需循环泵。

图11 不同采热系统示意(据文献[59]修改)

Fig.11 Sketches of different heat collection systems

(2) 水热型地热能利用技术

近年来,国内外学者对水热型地热开采技术的研究主要围绕地层参数分析和开采方案优化。水热型地热能利用技术依赖地下天然热水或蒸汽资源,通过“生产井—回灌井—热储层—地面设施”系统实现热能开发,生产井抽取地热流体,经地面换热器提取热能后用于供暖或发电,尾水通过回灌井重返地层形成循环[图11(b)],其核心是保障采灌平衡与热储可持续利用^[59,61]。此外,油田废弃井改造是重要应用方向,如大港、辽河等油田通过改造废弃井已实现地热资源利用^[62]。

(3)干热岩型地热能利用技术

EGS利用工程技术人为地在地下高温岩体内建造裂隙网络或改造原有裂隙网络[图11(c)],是干热岩型地热能的主要开发途径,其核心流程为“注入井高压注水—储层水力压裂造缝—生产井采出换热工质”。英国在Rosemanowes干热岩地区开展了EGS项目,日本在2002年建成发电厂。目前,虽然研究进展显著,但干热岩的勘探开发还面临着一系列难题^[63-65]。EGS在中国青海共和盆地东北部展现出显著的潜力,该盆地目前已完钻5口干热岩井,通过水力压裂等构建人工热储,但仍面临着高温钻井技术难度大(需耐高温钻头)、压裂技术要求高(水力压裂和超临界CO₂压裂)、换热效率低、开发成本高、发电方式改造(采用中间介质法,如有机朗肯循环,利用低沸点工质驱动涡轮机)和经验积累不足、污染结垢等瓶颈^[64]。中国的干热岩开发仍处于起步阶段,缺乏类似传统油气勘探的成熟技术体系支撑。

4 中国地热资源评价及开发潜力

4.1 中国地热资源量评价

中国地热资源评价工作始于对沉积盆地的研究,不同学者和研究机构对地热资源量进行了计算,但结果有较大差异^{[13-14,16-17,20,66]}(表4)。陈墨香等^[66]估算中国东部—中部地区10个大—中型盆地2 000 m深度的积存热水量为628 500×10⁸ m³,热水含热量为0.736×10²²J,折合标准煤为2 515×10⁸ t,该结果估算了中国最主要的有开发前景的热水盆地,基本上反映了中国大陆地区沉积盆地地下热水资源的量级。李安宁等^[20]估算了包括松辽盆地、鄂尔多斯盆地、苏北盆地等在内的中国15个主要盆地的地热资源量,结果表明,在中国主要沉积盆地小于2 000 m的深度内储存的地热资源量总量约为4.02×10²² J,折合标准煤约为13 711×10⁸ t。蔺文静等^[16]对中国浅层地热、水热型地热和干热岩地热资源量进行了计算,结果显示,中国287个行政区划在地级以上重点城市的浅层地热能为2.78×10²⁰ J,中国主要平原(盆地)沉积的地热资源储量为2.5×10²² J,中国温泉区放热量共计1.32×10¹⁷ J,中国大陆3.0~5.0 km深处的干热岩资源总计为2.5×10²² kJ,是中国2013年度能源消耗总量的26万倍。王贵玲等^[13-14]统计了中国多种地热资源的资源储量,结果显示,中国有出露温泉2 334处,地热开采井眼5 818口,水热型地热资源量为3.6×10¹⁹ kJ(折合标准煤12 500×10⁸ t),336个行政区划在地级以上城市的浅层地热能资源的可开采量为2.05×10¹⁶ kJ/a(折合标准煤7×10⁸ t/a),可实现建筑物供暖/制冷面积为320×10⁸ m²,31个省会城市80%的土地面积适宜利用浅层地热能,干热岩的远景资源量为2.5×10²² kJ(折合标准煤856×10¹² t)。汪集旸等^[17]利用体积法计算中国大陆(3~10 km深度)干热岩地热资源量为2.09×10²² kJ。

不同研究所得出的地热资源量的差异与研究过程中所采用的地热资源评价参数,以及划定的评价区域范围直接相关。依据行业标准DZ/T 0331—2020^[67],地热资源评价方法主要包括热储体积法、地表热流量法、解析法、统计分析法、数值模型法、比拟法以及经验系数法。目前常用的是热储体积法。热资源评价参数主要分为热储层参数(温度、面积、厚度、渗透率等)、流体动态参数(可开采量、回灌效率)和经济性指标(如资源利用效率、地热田规模)。近年来,随着中国对清洁能源开发的战略重视程度不断提升,地热资源作为兼具经济性与环保性的可再生能源,其勘探开发工作得到了政策、资金与技术层面的多重支持。在此背景下,学界与产业界通过加大野外地质调查、深部钻探、地球物理探测等工作力度,对华北平原、松辽盆地、青藏高原等主要地热资源分布区的地质背景、热储特征有了更深入且精确的认知,这也使得核心评价参数的取值愈发贴合实际地质条件。

这种认知的深化,直接推动了中国地热资源评价体系的完善与升级。早期的评价工作多集中于传统的水热型地热资源(即含热水层所蕴含的热能),而如今已形成涵盖浅层、水热型、干热岩型地热资源的多维度、全谱系评价框架。评价维度的拓展与参数精度的提升共同促使中国地热资源量的估算结果从过去的宏观概略走向如今的精准细致,为后续地热资源开发规划的科学制定、开发方案的优化设计提供了更为可靠的数据支撑。

4.2 中国地热开发潜力

中国地热直接利用规模连续多年居世界首位,浅层地热能利用技术不断完善,中—深层地热勘探开发利用场景不断拓宽。地热供暖行业在国家政策支持和技术创新推动下蓬勃发展,2023年地热供暖行业市场规模达到1 060亿元,同比增长17.78%。地热供暖技术领域取得了显著进步,特别是深井地热开采技术与智能化管理系统的创新应用,为行业的持续健康发展提供了坚实的技术支撑与保障。根据国家能源局发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》^[68],截至2024年底,地热能供暖面积已累计达到约18.69×10⁸ m²。展望未来,到2035年,这一面积有望再翻一番。中国地热资源的多样分布和丰富储量为未来的持续发展奠定了坚实基础,中国地热开发的潜力体现在资源禀赋与分布、应用场景与优势、地热资源开发利用的宝贵经验、政策与市场驱动4方面。

(1)资源禀赋与分布。如前所述,中国地资源分布广泛,约占全球的1/6,直接利用规模连续多年位居世界第一。但目前中国地热资源的利用量仅为8.29×10¹⁷ J/a,其中,水热型地热资源的开采率仅为0.2%,浅层地热能的开采率仅为2.3%^[13],因此,地热资源的开发利用潜力巨大。同时,中国的资源类型多样,既有高温地热(集中于西藏、云南、四川和台湾地区),也有中—低温地热(广泛分布于华北盆地、松辽盆地等地区和东南沿海地区)。此外,中国的地热资源开发基础扎实。全国已形成西藏羊八井发电、雄安新区供暖等成熟模式。在现有技术条件下科学开发利用地热资源,每年可节煤10×10⁸ t,地热资源的节能减排效果显著,能有效缓解雾霾^[13]。

(2)应用场景与优势。清洁供暖方面,全国利用地热集中供暖的建筑面积在2024年未期为18.69×10⁸ m²。中国城镇建筑面积超过500×10⁸ m²,供暖/制冷需求超过100×10⁸ m²,有巨大的市场潜力。目前,中国北方地区的地热开发利用以供暖为主,如河北雄安新区的地热供暖面积超过1 200×10⁴ m²,替代燃煤减排的效果显著,浅层地热能覆盖的建筑供暖/制冷面积为16.5×10⁸ m²,而南方地区的地热开发模式以“制冷为主、供暖为辅”。2002年,由中国科学院广州能源研究所完成的中国第1套实用型两级吸收式地热制冷空调系统于当年投入运行,该系统建在广东省梅州市五华县汤湖热矿泥山庄中,利用约70 ℃的地热水为热源,制取9 ℃的冷冻水,用于热矿泥山庄咖啡厅和休息室的空调^[69]。此外,南方地区还积极实现地热产业融合发展旅游业等衍生行业,如湖北恩施绿葱坡地区结合滑雪与温泉项目,打造“冬滑雪、夏避暑、四季温泉”全季产业链。技术突破也促进了地热能的利用,如中—深层地热井下换热技术(通过同轴套管换热结构实现地层热量提取)助力华晨宝马汽车有限公司生产基地的供暖改造,每年可减碳1.8×10⁴ t。

(3)地热资源开发利用已积累了大量宝贵经验。近年来,中国石油化工集团有限公司、中国石油天然气集团有限公司等企业在直接开发利用地热资源以及采油污水循环利用等方面实现了跨越式发展。中国石油化工集团有限公司在河北雄县经过多年建设,城区基本实现了地热集中供热全覆盖,成为中国第一个无烟城,成功打造了技术可复制、经验可推广的“雄安模式”。

(4)政策与市场驱动。中国政府高度重视地热资源的开发利用,积极推进相关技术研发与应用工作。通过产教融合、协同创新的机制,加速推进深部地热产业的关键技术突破,并培育顶尖创新团队和孵化行业领军企业^[70]。此外,地热能的开发利用不仅有助于优化能源结构、推动节能减排、改善环境质量,还能为新兴产业的培育、新型城镇化建设以及就业增长注入强劲动力。国家积极响应双碳目标和节能减排号召,出台了一系列政策性引导与规范措施,推动了绿色建筑理念的普及和老旧供热系统的革新升级。这些政策和技术创新有力地支持了地热供暖行业的发展。

2025年2月27日,国家能源局印发了《2025年能源工作指导意见》^[71],提出中国将持续深化地热能与可再生能源发展,推动能源结构调整与绿色低碳转型。此外,规模化开发也将推动地热供暖成本逐步降低。最后,区域协同也将促进地热能的利用,如西藏地区聚焦高温发电(羊易地热电站年减排CO₂量达42×10⁴ t),而山东地区则以低温集中供暖为核心,配套政策创新。

中国幅员辽阔,南北方气候差异显著,能源需求呈现鲜明分化:北方冬季供暖需求旺盛,部分地区传统燃煤供暖污染严重,中—低温地热资源可通过地源热泵、地热供暖管网等技术直接替代化石能源,但若开发规模与供暖需求不匹配,易出现冬季供能不足或夏季资源闲置的问题;南方地区夏季高温时间长,制冷能耗占比高,中—低温地热可通过吸收式制冷技术为商业建筑、住宅小区供冷,然而当前部分南方地区仍侧重地热发电开发,忽视本地制冷需求,导致资源利用效率低下。此外,部分偏远地区虽拥有中—低温地热资源,但因缺乏与农业种植、畜牧养殖等本地产业的结合规划,资源开发与区域经济发展脱节,未能充分发挥地热资源的综合效益。

5 展望和建议

目前,学术界对新能源和可再生能源的前景持谨慎乐观、期待突破的态度。认为可再生能源在2030年前主要作为补充能源,在2030—2050年作为替代能源和主流能源,在2050年前后作为主导能源。2022年,教育部印发了《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》^[72],要求将绿色低碳理念纳入教育教学体系。推动高校组建一批重点攻关团队,围绕化石能源绿色开发、低碳利用、减污降碳等碳减排关键技术,新型太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、核能和储能技术等碳零排放关键技术,CO₂捕集、利用、封存等碳负排放关键技术攻关,加快先进适用技术研发和推广应用。地热能作为一种清洁的可再生能源,在使用过程只是利用热能或将热能转变为机械能,可最大程度地降低温室气体的产生。推动地热能开发利用将有助于尽早实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的宏伟目标,是未来能源转型的新方向,是建筑能源低碳高效利用的优化选择,是完成非化石能源利用目标,建设清洁低碳社会,实现能源可持续发展的优化选择。

首先,中国和世界迫切需要一场新的能源革命。能源结构将由目前的以化石能源为主,逐步转为以水电、太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能等非化石能源(可再生能源)为主。欧洲联盟提出,2030年可再生能源在终端消费中的占比将达到30%。在中国的能源发展战略和能源规划中,到2025年中国非化石能源的消费比重将提高到约20%(2020年末期为15.9%,2021年为16.6%),非化石能源的发电量比重达到约39%。

其次,地热能将成为未来地球的支柱能源之一。地热资源是一种可再生的清洁能源,储量大、分布广,具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点,与风能、太阳能等相比,其不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,是一种现实并具有竞争力的新能源。在加快调整能源结构、强化雾霾治理、积极应对气候变化挑战的大格局中,地热资源的地位及其利用价值需要学术界和社会各界给予进一步的认识和评价。汪集暘^[73]曾提出地热理应在雾霾治理和南方供暖/制冷中发挥更大的作用。

第三,油区开发和利用地热资源有巨大的优势。这表现在:①油区有需求,包括高负荷用电需求、油气集输过程中热能需求、油区建筑的取暖制冷需求、稠油开采对热能的需求等;②油区地热资源量巨大,哪怕按2%的可开采储量计算,也相当于中国2010年能源消费总量的100倍;③工程技术装备齐全;④专业齐全,油田公司具备地热勘探开发的各种专业。

第四,加强地热专业教育和科普活动。地热能的开发利用在“双碳”目标推动下备受关注。从地热学的角度看,不同构造单元的热流量差异巨大,其聚热机制各异,因此地热能并不是随处分布。一方面,地热开发利用的科普活动应呈现多元化,让更多的人了解地热;另一方面,要完善专业教育体系。教育部已明确将绿色低碳理念纳入教学体系,并加强地热相关专业人才培养,推动高等教育与“双碳”目标衔接。目前,已有相当一部分高等院校开设新能源地热能专业,为行业输送技术人才。将来,应有更多的高等院校开设地热相关课程,培养更多的专业人才。

第五,加强多技术融合应用,提升热储层参数评估的准确性。尽管中国地热资源开发潜力巨大,地热资源直接利用一直处于国际领先地位,但在地热资源勘探开发过程中仍面临着诸多关键挑战。当前,地球物理勘探常用的地震勘探、大地电磁勘探等方法在复杂地质条件下易出现分辨率不足的问题,如沉积盆地内的断裂带与热储层边界识别模糊,难以精准定位高温流体通道,而在地球化学勘探中,地下水同位素分析、热流体化学成分检测等数据的解读也常因多热源干扰、流体混合效应而导致误差,进而影响热储层温度等关键参数的测算精度^[74]。这些技术短板可能导致开发方案设计偏离实际,不仅增加了钻井风险与成本,还可能造成地热资源的错判与浪费。为增强热储层评估的准确性,中国学者以人工智能预测、地质建模及数值模拟等计算机方法对区域地热资源条件进行评估,用于深化基于传统地球物理方法和地球化学方法的热储层评估。例如:李金明等^[75]基于机器学习与垂向分层建模联合预测了华北克拉通地温梯度的空间分布,为区域地热资源评估提供新的数值支撑及约束;贾浩鑫等^[76]基于随机森林算法融合了包括地球物理数据、地球化学数据、地表降水数据等多源数据评估了全球地热发电站选址的适宜性,为高温地热发电的选区提供了可靠参考。

第六,加强对中国东部经济发达、人口稠密地区高温地热的勘探开发。中国东部地区作为人口密集、工业集中的能源消费重点区域,当前的地热开发主要局限于浅层中—低温水热型资源(<90 ℃),以直接利用为主,现有的资源禀赋难以支撑区域能源结构调整的需求。探测和利用可用于发电又兼顾梯级综合利用的中—高温地热资源是必然的选择。近年来,在中国东部地区的地热勘探井和油气勘探深井中已零星发现超过150 ℃的高温地热,如松辽盆地松基6井4 300 m的地温为155 ℃、牛东1井6 027 m的地温为201 ℃、河北马头营M1井3 965 m的地温为150 ℃、江苏苏热1井4 701 m的地温为155 ℃、海南花东热1井4 387 m的地温为185 ℃。但这些探井是否具有规模地热资源和开发价值,其地热资源的形成过程和成因机制是什么,地热开发的有利区在哪里,还需要进一步研究。当前,中国地热能的直接利用规模为全球第一,但深层地热的开发仍处探索阶段,需政策与科技双轮驱动。中国东部地区受太平洋板块俯冲作用影响,导致其具有超薄的岩石圈和地壳,深部岩浆活动活跃,并叠加发育了新生代断陷盆地,具备形成高品位、大规模地热资源的地质条件,是中国最具开发潜力的高温地热富集区之一。然而,深部中—高温地热资源(>90 ℃)的成因机制、富集规律及高效开发利用仍面临重大科学和技术挑战。建立适用于太平洋板块俯冲作用下东部差异构造–沉积演化背景的靶区优选方法,并研发高效取热与发电技术,可为中国高温地热资源规模化开发提供理论支撑和技术储备,助力“双碳”目标下的清洁能源转型。

6 结论

(1)全球高温地热资源主要分布在离散板块边界和汇聚板块边界,其分布总体受地球的构造–热背景控制,空间上与全球板块边界、地震带、火山带相关。中—低温地热资源主要分布在板块内的沉积盆地和造山带中,其总体分布主要受地层岩性和断裂构造控制,空间上则集中在地壳厚度较薄、花岗岩厚度较大及深大断裂发育区域。

(2)中国地热资源的分布具有显著的地域特征,其形成与宏观分布受中国地质构造特点和地中海—喜马拉雅地热带、环太平洋地热带控制,主要集中在地质活动活跃的构造带、大型沉积盆地和东南沿海地区。中国地热资源的分布具有明显的规律性和地带性。水热型地热资源主要分布在中国的东部、东南沿海、台湾、环鄂尔多斯断陷盆地、藏南、川西和滇西等地区,以直接利用为主。

(3)中国具有丰富的地热资源量和多种利用方式。地热资源的直接利用遥遥领先于世界,而地热发电则远远落后于世界。总体上,浅层地热能利用技术不断完善,中—深层地热的勘探开发利用场景不断拓宽,干热岩发电处于起步阶段。

(4)中国地热资源的多样分布和丰富储量为未来的持续发展奠定了坚实基础,中国地热开发的潜力需要考虑资源禀赋与分布、市场前景和国家政策。

(5)建议开展新一轮的全国地热资源评价,明确全国地热资源量。

(6)建议加强中国东部地区高温地热的勘探开发,进一步明确高温地热的成因机制,深化靶区优选与开发利用研究。

致谢 研究参考了汪集暘、胡圣标、庞忠和、王贵玲等专家学者的学术报告内容、资料和数据,一些数据来源于网络资源,部分成果引用项目组的成果,在此一并致谢!

邱楠生,朱传庆,宋佳霖,李科甫.中国地热资源分布及开发利用[J].石油学报,2026,47(1):294-310.

#作者介绍#

邱楠生，男，1968年6月出生，获中国科学院地质研究所博士学位，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，享受国务院政府特殊津贴专家，《石油学报》编委，现任中国石油大学（北京）地球科学学院教授。长期从事沉积盆地温压场及地热资源研究，先后负责30余项国家、省部级以及石油公司项目。目前负责国家重点研发计划项目“中国东部深层高温地热的形成机制、分布特征和资源评价”。获得教育部自然科学一等奖等省部级一等奖6项，在国内外发表SCI收录论文140余篇，出版教材/专著5部，授权发明专利12项。多次入选“全球前2%顶尖科学奖”和“中国高被引学者TOP 1%”榜单。为油气资源与工程全国重点实验室学术委员会委员，中国地质学会构造地质学与地球动力学专业委员会副主任，《地质学报》和《China Geology》期刊副主编。

                信息来源：石油学报

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