深层地热能用于区域供热

随着一种新的闭环单井地热解决方案，受益于石油和天然气行业，地热热能变得无处不在。地质需求极低，传统双层热液溶液的问题得到缓解。

作者：金·冈·马弗、卡米尔·汉纳、马兹·西尔维斯特·伊格霍尔姆和尼古拉·霍尔默·尼森，Green Therma

新方案几乎消除了回流流体流失的热量损失，从而克服了目前认为单孔同轴解决方案的局限性。此外，它通过增加较长的水平段来增加热收集面积，这在油气井中很常见。

该方案在欧洲能源转型中发挥重要作用，直接将热能输送到不断扩大的区域供热电网，无需使用热泵。因此，区域供热可以大部分脱离电网，性能系数（COP）为30-50，且面积极为有限。

Green Therma及其合作伙伴获得了丹麦能源技术开发与示范计划（EUDP）1150万欧元的资助。该资助将支持全规模示范项目，包括计划于2026年底钻探的7公里井。该井将根据30年热量排放协议直接向奥尔堡Forsyning的区域供热客户供应地热热能。该项目支持在全球能源结构中推广多井闭环解决方案的更广泛目标。

热液井解决方案

传统地热系统基于双井设计，一口井产生地层水，另一口井注入/回流冷却后的地层水。该系统高度依赖地质层厚度及地层参数，如孔隙度、渗透率和地球化学，以确保井间的水力连通性，以维持水产。

产水可能导致腐蚀、结垢、堵塞以及地表安装、注入井及注井周围储层的重大维护问题。可能需要水力压裂以提升注入性和地层连通性，但存在污染地下水含水层、对地质构造造成不利影响、诱发地震活动及可能破坏地表基础设施的风险。

由于这些风险只能通过收集地球物理和地质数据进行井井规划部分缓解，项目的财务可行性极大且难以预测。

闭环水平地热井设计

为缓解双层热液溶液的问题，专利真空绝缘内管在闭环井中循环工作流体。工作流体被周围地质构造沿一条长水平段加热（见图1）。

工作流体类似于区域供热管道中的流体，沿井套管与外部管道向动，沿途吸收地质构造的热量，尤其是在水平段。加热后，工作流体通过真空管中管组件返回表面，该装置由内管和外管组成，工作原理类似于保温瓶。

图1：闭环水平地热井解决方案。

管中管内的连续且受控真空提供了热绝缘，最大限度地减少了热量损失（见图2）。因此，回流的流体温度降至仅有几个百分点。如果没有真空来绝缘循环流体，会发生显著的热量损失。

闭环方案在热量供应上具有灵活性。这在热量需求随季节变化的情况下非常有利。灵活性通过调整流量或暂停流体流动一段时间来实现。这使得地下能够在利用不足的时期重新加热。

在某些情况下，井内工作流体的流动可以依靠热虹吸效应维持，因为内管加热流体的密度低于外管冷水。然而，不同流量下的流体循环需要一个小型循环泵。

图2：真空管中管溶液。

闭环井解决方案的优势

闭环解决方案总体上有若干优点，与传统的双重热液溶液相比。

该方案在很大程度上不受地质影响，意味着在大多数地点都可以钻井到地下温度足够高、无需热泵也能供热的深度。这也意味着没有勘探风险——井总会产生热量。

由于一般用电需求仅为45千瓦循环泵，该方案的COP在30到50之间，具体取决于井的热输出，从而最大限度地减少电网负担。

在极高的COP下，这种方案CO2排放极低，热泵的电力需求也可以轻松满足绿色能源的需求。

在闭环系统中，地质层内没有流体循环，地质环境保持不被扰动。无需井下设备;循环泵和地面设备安装在地表高度，收集在一个易于取用的20英尺容器中。因此，运营成本仅限于维护。这座20英尺高的顶层设施可建于停车场或田地下方，只需井周围50米乘50米的区域即可。因此，景观占地面积极小。此外，初始用水需求极低。

只要设计得当，就不会有撕裂、磨损和腐蚀，因此该方案应能持续使用超过50年。

通往地热的道路无处不在

为了进一步开发闭环解决方案，该技术目前正通过持续的示范项目推进。

挪威测试

2024年底，真空管中管解决方案安装在挪威斯塔万格的Ullrigg测试场，测试了525米的管线。该溶液被运行到计划深度，用于设备设计、测量和程序的测试。绝缘效果和管中管设计已成功测试，供进一步开发。

安装在柏林北部的一口悬浮地热井中

全面安装工作于2025年下半年开始，首个热量于2026年中期在德国柏林以北50公里的Groß Schönebeck产生。

大舍讷贝克场地旨在研究两口深井的可持续地热能源供应，这些井作为增强型地热系统（EGS）完工，由位于波茨坦的GFZ亥姆霍兹地热研究中心管理。编译 陈讲运

GrSk 4/05井于2006年钻探，用于抽取热水并形成双层水力连接钻孔系统，测得温度为145°C，深度为4.4公里。然而，由于高流量无法持续，井目前处于休井状态。

2025年夏末，井的尺寸和结构完整性进行了测试，确认适合再完井。井的最低部分，最初用于流水的穿孔段将被隔离，形成闭环空间，然后再安装闭环井完井。

真空管中管系统由3.5英寸内管和4.5英寸外管组成，将安装以维持从地面到3.2公里深度的连续真空。将测试井的地热性能，特别是地质构造热量的转移，以评估不同流量的影响。平均模拟输出为0.4兆瓦。

该地层的整体热传递性能及真空管中管解决方案将在一年内进行评估。该溶液的地热性能测试将进一步验证完井油管设计和结构建模，以适应井内不同温度的循环流体。

奥尔堡水井

在奥尔堡锻造与绿色热能公司合作的项目合作中，项目合作伙伴还包括奥胡斯大学、奥尔堡大学、丹麦和格陵兰地质调查局以及丹麦能源集群，将在斯托尔福尔德建设一座地热示范厂。Green Therma将通过与奥尔堡Forsyning的热量排放协议，运营该设施并在未来30年内供热。该项目由丹麦能源技术开发与示范计划（EUDP）支持，资金为1150万欧元。

2026年底，将钻探带有斜切段的地热井，并安装真空管中管解决方案。该井将从2027年起直接将地热热量输送到城市的区域供热网络，无需热泵（见图4）。

图3：Storvorde井位置

选择斯托尔福德地点因其有利的地下地质条件和靠近现有区域供热网络而被选中。这两个因素对植物的建立至关重要。工厂完工后，表面空间不占。

钻井前，卡车将沿斯托尔福德周边道路进行地下二维地震勘测，向地下发射压力波并记录响应情况。地震采集有助于更好地理解当地地质，从而优化最终井设计。

井长7公里：垂直4–5公里，水平段长2–3公里。真空管中管解决方案由4.0英寸内管和5.5英寸外管组成，将安装以保持从地面到7公里范围内连续的真空。

地热温度每公里上升约30°C，预计原始温度为120–150°C，地表长期最低温度为80°C，持续50多年，而区域供热电网热交换后的回流温度约为40°C。 唯一的能源需求是一台<2兆瓦井的循环泵，功率为45千瓦。

图4：示意式地下模型。

通过石油和天然气行业的技术转让实现竞争力

此前，同轴闭环地热解决方案的经济性受到质疑，因为它们无法以有竞争力的价格产生足够的地热。这一问题通过减少真空管中管解决方案的热损失、长侧井段增加热吸收面积以及地热钻探工艺的工业化得到解决。

采用长水平段以收集热量，是最佳实践和改进的井口设计，尤其是美国陆上非常规石油和天然气行业。自2010年以来，这些设计已证明能够推动油气产量的大幅增长，水平井已成为美国油气钻探的主流方法，超过75%的新钻井采用水平剖面。

根据2024年国际能源署的一份报告，估计地热项目所需投资中有80%涉及石油和天然气行业常见的能力和技能。此外，预计随着政策制定者和石油天然气行业的参与，到2035年，下一代地热井的成本可能下降多达80%。

接下来是什么：多井地热项目

虽然奥尔堡的作业涉及单口井，但未来项目计划采用跨全球站点的“多井”方法，从单一地表点钻探5至10口井，每口井的水平剖面向不同方向延伸（见图5）。这种方法通过减少钻机动员成本并通过重复钻井效率来降低每口井的成本。

图5：5井闭环地热井设计示例。

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