替代能源应用技术丛书--地热能开发与应用技术

国家主席胡锦涛在为2005年北京国际可再生能源大会的书面致辞中指出：“可再生能源资源丰富、清洁、可永续利用。因此，大力加强可再生能源的开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路”。随着我国国民经济的快速发展，21世纪能源短缺的问题将成为阻碍我国发展最严重的问题。科学家预测到2050年，新能源将成为人类主要能源之一。

根据《中华人民共和国可再生能源法》规定，地热能属于可再生能源家族中的重要成员之一。地热资源指在可以预见的未来一定时间内能够为人类开发和利用的地球内部的热能资源及与其伴生的有用组分。地热能是一种集水、热、矿于一体的很有发展前途的新型能源。我国地热资源的形成与分布受地质构造特点和其在全球板块构造中所处部位的控制，故我国是以中低温为主的地热资源大国，地热资源潜力占全球的79％。其中高温地热资源（≥150℃）主要分布在藏南、滇西、川西和台湾；中低温地热资源几乎遍布全国各省市自治区。

我国在地热资源勘探开发、利用上经历了几十年的风风雨雨，从在著名地质学家李四光教授的倡导下所开始的大规模地热资源的普查勘探工作，到逐步认识地热资源可以为人类服务所兴起的粗放式直接利用模式，如：家庭式种植、养殖，小规模的温泉理疗及低效率的直接供暖等，乃至随着跨学科技术的发展，不同领域的专家学者的汇集，将更先进的技术和开发成果应用到地热资源开发领域，使得我国地热资源开发利用技术越来越趋于成熟，并为国人留下了大量的极具有开发价值的地质资料和宝贵的利用经验。

我国在30多年间大规模的地热开发利用，从利用项目上有地热集中供热、生活热水、温泉洗浴，温泉理疗，农业名贵花卉、蔬菜种植，观赏鱼种养殖，干燥、工业印染等，中低温地热直接利用总量为1582GW·h/a，地热资源开发利用取得举世瞩目的好成绩,利用总量已居世界首位。特别是天津地区，仅地热供热一项，已占全国地热供热总面积的77%，有利的促进了改善大气环境、减少环境污染和天津市碧水蓝天工程的快速实施。再从技术层面上分析我们的发展过程，从最简单的直接利用，设备陈旧，腐蚀严重，到如今各种型式的热泵技术，梯级利用配套专用设备，完善的回灌系统，先进的测试手段，网络化自动管理信息系统，以及资源保证和评价体系的建立（资源评价及热储储量计算方法）等，使得我国在地热资源开发利用水平在不断的与世界水平靠近。

地热学是一门综合性学科，它包括了地热地质、水文地质、地球物理、地球化学、石油地质、热物理、热储工程、环境地质、技术经济学、自动化控制、网络及现代化管理学等专业学科，是多学科、多专业领域知识与技术的交叉与融合。为了尽快提高我国的地热勘察、开发、利用研究水平，以资源、环境与社会可持续发展为契机，将地热资源开发、利用与社会经济发展有机的结合起来，扩展地热资源开发与综合利用为社会服务的领域，增强地热资源开发和利用的生命力，推动各地开发利用技术水平全面进步，迅速提高市场竞争力，是当前迫切需要解决的问题，也是作者反复思考的大问题。因此，前面的路对每个地热科技工作者来说，既充满希望，也面临挑战。

本书系统论述了地热资源开发利用中的核心思想、应用基础理论与计算方法，全书贯彻理论与实际相结合的宗旨，以理论应用作为基础，指导生产实际。书中很多章节为国家“九五”、“十五”攻关项目所取得的成果和先进技术，是近年来我国在已出版同类刊物中突出地热开发及应用技术最多的一本书。本书内容涵盖了从地热勘探、开发、工程应用及科学化管理方法等多个方面。写作的主要目的是：在国家大力提倡开发可再生能源的大好形势下，普及提高全国地热科技水平，进一步促进全国地热开发利用事业的健康、有序发展。为此，作者结合各地地热开发技术的需要，用科学的发展观总结所取得的成果与经验，写作中力求突出地热技术的“新”与“实”，使之真正成为地热勘察、开发、利用与管理有价值的参考书。

本书内容涉及地热开发过程中多种实用技术，按内容分为7篇21章；全书的章节构思、统编、定稿由朱家玲教授主要负责。在编写过程中的具体章节分工如下：

第1章——司士荣

第2章——王东升

第3章、第6章、第7章、第8章——天津地热勘察开发设计院的林黎、孙宝成、石建军、程万庆、杨永江、李俊

第4章、第5章——王坤、朱家玲

第9章、第21章——朱家玲

第10章——齐金生

第11章、第16章、第17章——张伟

第12章——戴传山、雷海燕

第13章——刘雪玲、戴传山

第14章——雷海燕

第15章——齐金生

第18章——朱家玲、刘正光

第19章——刘雪玲、朱家玲

第20章——李永壮、司士荣

在本书编写过程中，受到天津市国土资源和房屋管理局地热管理处李春华处长、天津地热勘察开发设计院孙宝成院长、林黎总工程师的大力支持及技术指导；河北省正定水文地质研究所的王东升研究员，多年从事同位素的研究工作，积累了丰富的经验，为了完善本书的内容，直接参加编写工作，在此一并表示真诚的感谢！

在本书编写过程中，受到天津大学自动化学院的刘正光教授，管理学院的李永壮老师的技术支持，孙平乐老师、柴智、马喜妹、刘洁、曹东波等也为本书的编写作出努力，在此一并表示真诚的感谢！

司士荣老师在本书编写过程中，除了负责编写部分章节外，还承担了全书文稿的审核、整理工作，为其付出大量的心血，在此表示真诚的感谢！

天津大学地热研究培训中心老一辈从事地热科学研究的蔡义汉教授、张启教授、王万达教授等工作兢兢业业，无私奉献，为地热利用研究、培养人才做出了一生的贡献，在此一并表示真诚的感谢！

最后，作者多年的研究工作得到了国家科技部高新技术司能源处、天津市科委高新技术处、天津市国土资源与房屋管理局地热管理处项目支持，在此一并表示衷心的感谢。

由于作者的时间、水平有限，书中难免出现一定的缺陷，敬请广大读者给予赐教。



编著者

2006年1月

本书主要针对我国目前地热勘探开发及利用技术方面的需要，在写作中力求突出地热技术的“新”与“实”，很多章节为国家“九五”、“十五”攻关项目所取得的成果及近年地热领域研究成果和先进技术，是近年来较多突出地热开发及应用技术的一本实用性较强的专业参考书。

全书共分7篇21章，内容涉及水文地质、地球物理及地球化学、地热资源勘察及评价方法、地热钻井工艺及技术、抽水试验工艺过程、回灌井口设备及技术、地热井口设备及系统选材、地热综合利用技术、经济评价方法、地热工程计算软件、自动监测系统的设计、网络化信息管理（GIS）及评价体系、地热开发的环境问题，几乎涵盖了地热开发与利用的所有内容。

可供地热资源勘察、开发、工程设计部门在实际工作中使用，具有一定的参考价值。也可作为科研、高校相关专业和本科生、研究生教学的参考用书。

第1篇总论

第1章能源危机与地热能的开发利用1

11能源危机1

12可再生能源及发展战略3

13地热能在可再生能源中的地位5

14世界地热能开发利用6

15我国地热开发利用7

第2篇地热资源勘察及评价方法

第2章环境同位素在地热资源形成研究中的应用11

21同位素在地热系统中应用的原理和功效11

22地热水补给机制的研究13

23地热水年代学研究18

第3章地热资源勘察及储量计算方法23

31地热资源23

32地热田的勘察与研究24

33勘察技术与方法27

34勘察技术与方法最优化33

35地热资源评价方法34

第4章数学模型在热储工程中的应用研究37

41解析算法在对井回灌开采模型中的分析及适用性38

42数值模型算法分析及适用性39

43数值模型计算在地热资源评价中的应用41

44裂隙介质传热传质机理分析与区域温度场特征分析46

第5章示踪剂试验在分析水动力场中的应用52

51示踪剂类型和特点52

52示踪剂剂量估算54

53示踪剂试验分析55

第3篇地热钻井工程技术

第6章地热钻井工程技术58

61钻井井身结构设计58

62钻井施工工艺和成井工艺59

63钻井液72

64套管设计78

65固井工艺81

第7章抽水试验工艺85

71抽水试验分类85

72抽水试验方法和要求86

73抽水资料分析88

第8章地热井施工事故分析与处理89

81钻具事故及处理89

82落物事故及处理91

83卡钻事故及处理93

第9章地热回灌技术98

91回灌类型99

92第三系砂岩回灌堵塞问题分析99

93回灌井钻井工艺及技术要求103

94回灌井地面配套设备工艺及技术要求104

95地热对井系统利用实例分析106

96回灌抽水试验110

97回灌工艺自动数据采集及记录111

第4篇地热井口设备及选材

第10章地热井口工程及设备113

101地热井口工程113

102地热井口装置116

103地热井口装置的氮气保护119

104地热水除砂121

105井口装置中的气水分离设备125

106地热井提水设备128

107地热井泵变频调速140

108地热井泵房145

第11章地热水腐蚀结垢程度分析与设备选材147

111地热腐蚀类型147

112地热流体中的主要腐蚀成分149

113材料在地热水中的腐蚀行为及地热设备的选材151

114地热利用中的防腐措施及防腐工程设计154

115地热水的成垢机理及结垢腐蚀趋势判断156

116地热防垢、除垢方法159

第5篇地热综合利用技术

第12章地热供热系统161

121地热供热概述161

122地热直接式供热163

123地热间接式供热 166

124地热供热的调峰设计171

125地热地板辐射供热174

第13章热泵技术在低焓能源中的应用177

131概述177

132压缩式热泵177

133热泵的热源183

134土壤源热泵185

135水源热泵187

136第一类吸收式热泵191

137第二类吸收式热泵192

第14章地热农业利用技术193

141地热温室大棚193

142地热养殖203

143地热孵化205

144地热干燥209

第15章地热水资源综合利用及深加工215

151地热水除铁处理216

152地热水的深加工处理224

第16章地热发电技术231

161地热发电原理及技术232

162地热发电系统设计与建设234

第6篇地热工程计算机软件及自动化控制

第17章地热工程优化设计应用软件240

171软件功能简介240

172程序设计思路240

173软件使用说明241

第18章地热信息自动监测与智能化管理系统250

181概述250

182地热信息管理251

183系统功能及设计253

184上位机管理系统功能及设计255

185下位机监控系统总体设计260

186通讯系统268

187测试仪器仪表安装要求269

188现场安装实例运行分析271

189仪器仪表在测试中的问题及新产品开发272

1810结论275

第7篇地热科学化管理及方法

第19章地热工程概算及经济评价276

191现金流量及其构成276

192资金的时间价值及常用计算公式279

193项目经济评价指标283

194项目的财务评价285

195敏感性分析287

196项目比较方法288

197地热供暖工程的经济评价290

第20章地热科学化管理方法291

201科学评价与管理291

202地热资源的法制管理297

第21章地热开发中的环境保护301

211地热开发引发的环境问题301

212世界主要国家地热环境法规306

213地热资源开发过程的环境保护与可持续发展309

参考文献314