以人類的時間尺度來衡量，地熱能是一種取之不盡用之不竭的熱能和電能來源。在過去的幾十年里，利用淺層低溫地熱能資源供暖和制冷已經(jīng)取得了巨大的進展。來自深部儲層的地熱資源能貢獻大量的基載能源。增強型地熱系統(tǒng)技術(shù)幾乎能應(yīng)用在任何地方。然而，這種技術(shù)尚需要進一步改進和研究。本書旨在為讀者提供一個關(guān)于利用地熱能源的許多不同方面的一般性概述。我們期待這一令人著迷的能源在不久的將來能得到進一步快速發(fā)展。我們希望大家都能擁有可靠、安全和環(huán)保的熱能和電力供應(yīng)。我們希望通過本書為能源的可持續(xù)利用作出貢獻。
任國土資源部礦產(chǎn)資源儲量評審中心主任，研究員。主要從事資源調(diào)查評價、資源管理、資源政策研究等。 近十年來，重點主持了新一輪全國油氣資源評價、全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價、全球油氣地質(zhì)綜合研究與區(qū)域優(yōu)選等國家油氣重大專項。長期關(guān)注和研究非常規(guī)油氣資源。 2009年以來，組織實施了全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選項目；主持頁巖氣新礦種論證和申報，獲國務(wù)院批準；組織實施了川渝黔鄂頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗區(qū)工作；參與了國家和相關(guān)地方政府頁巖氣發(fā)展規(guī)劃和政策研究等。2015年，又組織實施了國家礦產(chǎn)資源儲量技術(shù)標準體系建設(shè)項目。
1 地球的熱結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………………1
1.1 可再生能源的全球概況………………………………………………………2
1.2 地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)………………………………………………………………2
1.3 地球能源的估算………………………………………………………………7
1.4 熱傳輸和熱參數(shù)………………………………………………………………10
1.5 測量熱參數(shù)的方法簡介………………………………………………………14
1.6 測量地下溫度…………………………………………………………………15
2 地熱能利用的歷史…………………………………………………………………19
2.1 地熱能的早期利用……………………………………………………………20
2.2 過去150 年中地熱能利用的歷史……………………………………………25
3 地熱能源資源………………………………………………………………………31
3.1 能源……………………………………………………………………………32
3.2 可再生能源的意義……………………………………………………………34
3.3 地熱能利用現(xiàn)狀………………………………………………………………35
3.4 地熱能源………………………………………………………………………384
地熱能源的利用……………………………………………………………………43
4.1 近地表地熱系統(tǒng)………………………………………………………………45
4.2 深層地熱系統(tǒng)…………………………………………………………………54
4.3 地熱系統(tǒng)的效率………………………………………………………………67
4.4 主要地熱田、高焓場…………………………………………………………70
4.5 展望與挑戰(zhàn)……………………………………………………………………755
地熱能源利用的潛力和前景………………………………………………………79
6 地熱探針……………………………………………………………………………83
6.1 規(guī)劃原則………………………………………………………………………84
6.2 地源熱交換器的建造…………………………………………………………84
6.3 地熱探針的尺寸和設(shè)計………………………………………………………91
6.3.1 熱泵……………………………………………………………………92
6.3.2 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的熱力學參數(shù)和計算機程序……………………96
6.4 井下熱交換器的鉆探方法…………………………………………………103
6.4.1 旋轉(zhuǎn)鉆機……………………………………………………………107
6.4.2 潛孔錘法……………………………………………………………109
6.4.3 鉆井技術(shù)風險………………………………………………………110
6.5 地熱探針的回填和灌漿……………………………………………………114
6.6 深層地熱探針的建造………………………………………………………118
6.7 運行地熱探針潛在的風險、故障和損害……………………………………120
6.8 特殊系統(tǒng)和進一步發(fā)展……………………………………………………122
6.8.1 熱探針場……………………………………………………………122
6.8.2 用地熱探針制冷……………………………………………………125
6.8.3 太陽能熱能-地熱組合系統(tǒng)…………………………………………126
6.8.4 地熱探針的性能和質(zhì)量控制………………………………………129
6.8.5 熱虹吸/熱管：利用相變運行的地熱探針……………………………1347
地熱井系統(tǒng)…………………………………………………………………………141
7.1 建造地熱井系統(tǒng)……………………………………………………………143
7.2 雙井系統(tǒng)的化學問題………………………………………………………145
7.3 熱影響范圍的數(shù)值模型……………………………………………………146
8 地熱雙筒熱液系統(tǒng)…………………………………………………………………151
8.1 地下地質(zhì)及構(gòu)造結(jié)構(gòu)的勘探………………………………………………152
8.2 目標含水層的熱力和水力特性……………………………………………156
8.3 熱雙筒的水力和熱力范圍以及數(shù)值模型…………………………………1658.4
深層熱水的水化學特性……………………………………………………170
8.5 儲層改造、提高效率和促產(chǎn)措施……………………………………………174
8.6 產(chǎn)量風險、勘探風險和經(jīng)濟效率……………………………………………176
8.7 水熱系統(tǒng)的一些現(xiàn)場實例…………………………………………………183
8.8 熱液發(fā)電系統(tǒng)的項目規(guī)劃…………………………………………………191
8.9 含水層熱能儲存……………………………………………………………194
9 增強型地熱系統(tǒng)、干熱巖系統(tǒng)、深部采熱…………………………………………201
9.1 技術(shù)、程序、戰(zhàn)略、目標………………………………………………………203
9.2 水力壓裂技術(shù)的發(fā)展歷史——早期熱干巖開發(fā)點………………………205
9.3 促產(chǎn)工藝……………………………………………………………………207
9.4 應(yīng)對地震的經(jīng)驗和方法……………………………………………………213
9.5 建議、說明……………………………………………………………………214
10 高焓地區(qū)地熱系統(tǒng)………………………………………………………………225
10.1 高焓區(qū)的地質(zhì)特征…………………………………………………………226
10.2 電廠的開發(fā)、安裝和初步調(diào)試……………………………………………232
10.3 高焓區(qū)發(fā)電廠的主要類型…………………………………………………236
10.3.1 干蒸汽發(fā)電站………………………………………………………236
10.3.2 閃蒸發(fā)電站…………………………………………………………238
10.4 出現(xiàn)的弊端，潛在的對策…………………………………………………242
10.5 在超臨界值條件下利用儲層液體…………………………………………24811
與深層地熱系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境問題………………………………………………257
11.1 與增強型地熱系統(tǒng)項目相關(guān)的地震活動…………………………………259
11.1.1 誘發(fā)地震……………………………………………………………261
11.1.2 地震事件的量化……………………………………………………263
11.1.3 巴塞爾事件…………………………………………………………265
11.1.4 圣加侖事件（瑞士東部）……………………………………………268
11.1.5 觀察到的增強型地熱系統(tǒng)其他項目的地震活動…………………269
11.1.6 關(guān)于增強型地熱和石化熱系統(tǒng)項目地震控制的結(jié)論和建議……27311.2
地熱系統(tǒng)運行與地下地質(zhì)體的相互作用…………………………………277
11.3 與地面裝置和運行有關(guān)的環(huán)境問題………………………………………279
12 深層井筒的鉆探技術(shù)……………………………………………………………287
13 地球物理方法勘探和解釋………………………………………………………311
13.1 鉆井前地球物理勘查，地震勘探…………………………………………312
13.2 地球物理測井和數(shù)據(jù)解釋…………………………………………………319
14 鉆孔地層的水力特性測試………………………………………………………327
14.1 鉆井水力測試的原則………………………………………………………328
14.2 測試的類型、規(guī)劃和實施、評估程序………………………………………337
14.3 示蹤劑試驗…………………………………………………………………343
14.4 溫度評估方法………………………………………………………………347
15 深層地熱水的化學成分及其對規(guī)劃和運營地熱發(fā)電廠的影響………………355
15.1 取樣和實驗室分析…………………………………………………………357
15.2 表征深層流體的化學參數(shù)…………………………………………………359
15.3 深層流體成分的圖形表示…………………………………………………364
15.4 從深層流體的組成來估計儲層溫度………………………………………36715.4.1
石英地溫計…………………………………………………………368
15.4.2 鉀-鈉交換地溫計…………………………………………………370
15.4.3 Mg-K地溫計………………………………………………………372
15.4.4 其他陽離子地溫計…………………………………………………374
15.4.5 吉根巴赫三元圖……………………………………………………375
15.4.6 平衡溫度的多重平衡模型…………………………………………377
15.5 流體的起源…………………………………………………………………378
15.6 飽和狀態(tài)，飽和指數(shù)………………………………………………………379
15.7 礦物結(jié)垢和材料腐蝕………………………………………………………380
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