地热能是一种清洁稳定、分布广泛的可再生能源，也是被认为能够满足未来人类日益增长的能量需求的一种能源^［1］。2020年地热大会数据表明^［2］，全球年度地热能源使用量约为28.36万GW·h。我国除西藏外，大部分地区为中低温地热资源，以地热直接利用为主，因此地热能利用总量十多年来一直居世界首位。我国“十三五”能源规划中提出：占3%的可再生替代能源增长比例中1/3将由地热资源的开发利用来完成。但目前为止离此目标尚有差距。我国地热利用总量中，结合热泵的浅层地热利用量约占60%，而用于集中供热的传统水热型地热利用量不足20%，主要原因在于许多省市相继出台了更为严苛的地下环境保护政策，限制了抽水型地热井的钻探，一些省份甚至出台了一刀切的“封井”管理模式。因此，当前中深层地热开发利用亟待解决人们日益增长的热需求和可持续绿色开发地热能之间的矛盾，需要研制出一种高效传热、市场可接受的“取热不取水”地下换热取热技术。文献[3]中总结了浅层井下换热器的相关专利技术，从地热开发利用的规模性与普及性来看，浅层地热易受当地地热资源条件限制，而中深层地热可突破这一限制，更具有普及性。本文主要针对中深层换热取热技术的国内专利进行查询与统计，从专利申请趋势、地域分布、人员单位进行了定性与定量分析，并重点归纳总结中深层地热开采形式相关的专利，以期为研究中深层地热开发利用的学者及参与市场开发与应用的企业提供参考。

1 国内中深层地热专利统计

本文统计的中深层地热专利数据来源主要为2008—2022年（检索截止日期为2022年7月）国家知识产权局公开/公告及授权的中国专利。通过对国家专利数据库内的中深层地热相关专利进行检索和统计分析，可以了解近年来国内有关中深层地热专利的申请趋势及申请热点。

1.1 中深层地热专利总体情况

据不完全统计，截至2022年7月，在国家知识产权局官网中以检索词“中深层地热”检索得到的中深层地热相关专利共373项，其中发明专利163项，实用新型专利210项，即发明专利占43.70%，略低于实用新型专利（占比56.30%）。这是因为发明专利强调突破性、独创性、新颖性，是对某一技术方案的突破性升级或创造；而实用新型专利主要侧重于产品形状、构造或实用的技术方案，其研发周期较短，创造性和技术水平要求低于发明专利。

中深层地热相关专利申请数量随时间分布如图1所示。可以看出，2013年前，中深层地热相关专利只有少数几项。2013—2016年，申请数量开始快速增加，尤其自2017年开始，申请数量大幅增加，其中2021年申请数量占总申请数量的35.12%。由于本文检索日期截至2022年7月，此后的相关专利申请未统计，故2022年专利申请数量仅为20项。2019—2021年的申请数量占总申请数量的66.76%。这与我国大力推进北方地区的清洁取暖密切有关，政策支持为中深层地热提供了良好的发展契机。

1.2 中深层地热专利地域分布

本文统计分析了373项中深层地热专利的申请地域分布，主要包括东北综合经济区（黑吉辽）、北部沿海综合经济区（京津冀鲁）、东部沿海综合经济区（江浙沪）、南部沿海经济区（闽粤琼）、黄河中游综合经济区（陕晋豫内蒙古）、长江中游综合经济区（鄂湘赣皖）、大西南综合经济区（云贵川渝桂）、大西北综合经济区（甘青宁新藏）。中深层地热相关专利地域分布如图2所示，可以看出，中深层地热专利主要集中在黄河中游地区（37.53%）和北部沿海地区（42.09%），其次为东部沿海地区（8.31%），其余区域占比均在10%以下。这是因为黄河中游地区与北部沿海地区位于寒冷地区与夏热冬冷地区，冬季供暖需求较大，冬季雾霾也主要发生在这两个区域。因此，政策扶持推动了清洁供暖，加之这两个区域都有较好的地热资源，有利于中深层地热的开发利用。

中深层地热专利的省份分布如图3所示。可以看出，申请数量较多的省份依次为陕西（116项）、河北（46项）、山东（46项）、北京（34项）、天津（31项）、河南（17项）、上海（15项），其中陕西的申请数量约占总专利数1/3，这与近年来陕西大力推进中深层地热能建筑供热试点示范项目有关。此外，河北雄县也一直在推进中深层地热供暖，业界称之为“雄县模式”。

1.3 中深层地热专利申请人分布

图4为中深层地热专利申请人分布。可以看出，企业专利占总专利数的67.02%，大专院校（14.36%）、个人（8.78%）及科研单位（9.84 %）专利比例相当。中深层地热专利发表以企业为主，说明企业越来越重视该领域的发展，同时由于企业在中深层地热工程项目实施中具有一定的优势，进而有利于中深层地热利用的普及。

表1中统计了专利申请数量不小于5的申请单位。可以看出，企事业单位专利申请数量排名靠前，且主要来自陕西，可见陕西中深层地热研发有较大优势，高校中天津大学排名靠前。另有来自山东、上海等的企事业单位，这表明越来越多的单位开始研究中深层地热利用。

2 中深层地热相关专利主题分类

为了解中深层地热专利在不同技术领域的研究进展，本文将中深层地热相关专利分为地热利用形式、地热开采形式、地热测量方式、地热相关配件与其他等5大类。中深层地热相关专利主题分布如图5所示。

由图5（a）中可以看出，在中深层地热的相关专利中，“地热利用形式”（144项，占比38.61%）与“地热开采形式”（122项，占比32.71%）占比较大，“地热测量方式”（33项，占比8.84%）与“地热相关配件”（56项，占比15.01%）数量相当。从图5（b） 中可以看出，2018年前，专利主要为地热开采形式，2018年后则主要为地热利用形式。可见，随着“取热不取水”地下换热取热技术的普及，如何实现地热能的可持续利用越来越受到人们关注。

若对“地热利用形式”专利进行细分，可分为纯中深层地热^［4］、深浅层地热耦合^［5］、中深层地热与其他热源耦合^［6］等。利用形式包括多级换热^［7］、耦合热泵^［8］、耦合蓄热装置^［9］等，利用目的以建筑供热为主，少部分涉及地热发电^［10］、建筑供冷^［11］、生物发酵^［12］等。地热测量主要是为了监测井内温度^［13-15］，从而评价中深层地热井的取热能力。地热配件种类较多，主要包括固井材料^［16］、中心管固定器^［17］、水泵^［18］、井室^［19］、井口保温^［20］、地热水过滤^［21］等。

综上可以看出，对于中深层地热，人们更关注如何更好地开采地热资源，以及如何更好地利用地热资源。因此，以下对中深层地热的开采形式进行详细分析。

2.1 多井开采形式

多井开采形式可分为两大类，分别为多井连通、对U型，如图6所示。多井连通专利图如图6（a）所示。倪元武等^［22］提出了此类形式，即多个地热井底部连通，其中一口为保温井。换热介质在多口地热井内被加热后汇至保温井流出。此结构相当于增加了地热井内流体与地层的换热面积，从而增加了取热量，但当地热井距较小时可能会存在井间热干扰，井距较大时又会增加钻井成本，因此需合理布置井间距。对U型专利图如图6（b）所示。此结构与“多井连通”类似，地热井与保温井底部通过横井（水平向）连通，相当于增加了井与深部高温地层的换热面积，从而增加了取热量。西安交通大学^［23］、西安浩沃新能源有限公司^［24-25］、陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司^［26］、江苏勇安电热设备有限公司^［27］、山东方亚地源热泵空调技术有限公司^［28］申请的专利均采用类似形式。

2.2 单井开采形式——U型管式

单井U型管式是在U型管外加一个套管，通过井内循环泵扰动含水层内的地热水，使其从套管内流过并与U型管介质换热，再从套管外返回含水层，从而解决了一些地热井回灌难问题。天津大学^［29-30］提出了开放式中深层套管换热装置，通过深井泵抽取含水层内的高温地热流体，经井下换热器换热后，再自然回灌至原含水层，如图7（a）所示。张国建^［31］在不同深度含水层的井壁侧开口，高温含水层内流体与换热器换热后，回灌至上部的低温含水层，如图7（b）。中国能源建设集团科技发展有限公司在图7（a）^[28］的基础上提出了图7（c）的换热结构^［32］，两者的主要区别是在抽灌水之间增加封隔器，从而避免出现冷、热水短路现象。相比于 图7（a）、（b），图7（c）中在井内增加了阻隔装置，其实现阻隔的前提是地热水可完全回灌至地层。同时，图7（c）中单井U型管式的应用会受限于井内空间，但若井径过大又会增加钻井成本，故目前该形式在中深层地热利用中应用较少。

2.3 单井开采形式——套管式

单井套管式可分为开放式、封闭式两类。封闭套管式主要是将套管放置在地热井中，换热介质在从外套管环形通道内向下流动的过程中与地层进行换热，之后从内套管流出，主要通过增加井筒与地层的接触面积和减少散热两方面来提高换热量。增加换热接触面积的方案如图8所示，主要包括：上海中金能源投资有限公司^［33］在地层内开辟腔体[图8（a）]，相当于增加外套管与地热的换热面积。该形式虽然增加了地下换热空间，但是也可能存在开挖困难问题。上海中金能源投资有限公司^［34］和陕西省煤田地质集团有限公司^［35］[图8（b）]通过在外套管中增加凸起或肋片增加换热面积，这可能会增加泵功耗；西安乐金新能源技术有限公司等^［36-37］在套管下端增加储热缓流装置增大换热面积[图8（c）]，同时该装置可延长换热介质在内套管与外套管之间的停留时间，使换热介质吸收更多的地热能。天津大学^［38］将底部套管改为U型管群以增加换热面积[图8（d）]。该结构可强化井筒内侧的换热，在一定程度上能够增加单井换热量，但由于单井自热储层取热，热储层地质水文地质参数才是埋管换热量的决定性因素。在减少散热方面，中国煤炭地质总局水文地质局^［39］、陕西学为清洁能源科技有限公司^［40-41］等对内套管做了保温处理，以减少内外套管热短路造成的热量损失。

开放套管式是将套管放置在地热井中，通过潜水泵抽取地下含水层内的换热介质至地面，与地上系统换热后再回灌至地层，开放套管专利图如图9所示。中国科学院广州能源研究所^［42-43］采用地热井同层回灌[图9（a）]，通过在内套管与外套管之间使用封隔器，从含水层底部抽取地热水后回灌至含水层顶部；河南省宇基环保科技有限公司^［44］采用地热井分层回灌[图9（b）]，在热能提取区与回灌区之间设封闭装置，将地热水从抽水区抽取换热后再回灌至回灌区，提高回灌效率。魏巍^［45］采用地热井同层回灌[图9（c）]，与常规形式不同，这种方式采用外进内出，即通过外环管从含水层顶部抽水，换热后地热流体经内管回灌至含水层底部。河北绿源地热能开发有限公司^［46］采用分隔器将地热井分成两段[图9（d）]，在下段地热水通过外环管抽水至上半段经分隔器换至内管流经地面换热，之后通过环管回灌至分隔器后换至内管回灌至地层。此类形式均需在抽水区与回灌区设置分隔器以减少换热介质热短路效应，回灌顺利是其正常运行的前提。

2.4 其他开采形式

其他中深层地热的开采形式如图10所示，北京嘉华新源科技有限公司^［47］提出的一种地温蓄能交换装置［图10（a） ］，循环介质可在建筑物冷暖循环系统与地温蓄能交换装置的地下部分之间流动，并可在制冷状态和制热状态之间切换。陕西德龙地热开发有限公司^［48］采用密封装置实现了中深层地热孔作为冷热源时的冷热转换[图10（b）]。中国科学院广州能源研究所^［49］提出一种热管换热器[图10（c）]，通过热管内工质的蒸发与冷凝来传递热量，该形式目前仍处于现场测试阶段。西安古登堡能源技术有限公司^［50］采用竖直地热井加水平地热井的结构进行换热[图10（d）]，该方式可增加流体在高温地热层的换热面积，在地质条件不好的地方可减少竖直钻井费用。

3 结 论

本文对国内中深层地热相关专利进行了分析和归纳总结，可为该领域的研究者和企业提供相关专利信息参考。

(1) 我国中深层地热相关专利申请数量近年来增长较快，其中实用新型申请数量略多于发明专利，说明近年来我国在中深层地热研究方面加大了科研力度，相信未来几年将迎来地热开发应用技术的快速发展。

(2) 中深层地热相关专利的申请人主要分布在北部沿海综合经济区和黄河中游综合经济区，以陕西专利数量最大，申请人中企业占比最大，说明越来越多的企业开始关注该领域的发展。此外，专利申请人地域相对分散，说明全国各地均已对中深层地热开发利用领域产生兴趣。

(3) 专利主题内容统计表明，中深层地热专利大部分集中在地热开采形式与地热利用形式方面，地热测量方式及地热相关配件的改进专利较少。地热开采形式中，多井开采或单井开采形式多样，主要通过增加换热器与地层的接触面积、减少热短路造成的热量损失、扰动地下含水层等来提高取热量。其他开采形式包括热泵换热、地热井冷热转换的实现，以及水平井换热等方法。

需指出的是一些专利尚缺乏实用性或经济性，对深层地热换热取热的物理机理缺乏深入了解，例如：单纯增加深层地下换热空间会导致开挖困难，甚至短期内无法实现；单纯增加或强化井筒内侧的换热，忽略热储层内水文地热条件等。此外，还有一些专利是已发表专利的微小甚至不必要的改进。总之，无论是何种形式的专利，最终都应以示范工程的多次实践为检验标准，同时也更应关注和总结高水平地热开发利用物理机制的研究论文。但因本文数据来自国家知识产权局公开/公告及授权的中国专利，并未涉及专利转让和示范效果等信息，因此尚无相关统计数据。