高溫巖體地熱資源特征與開發(fā)問題探討

郭進京，周安朝，趙陽升

(1. 天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384；2. 太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024)

高溫巖體地熱資源特征與開發(fā)問題探討

郭進京1，周安朝2，趙陽升2

(1. 天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384；2. 太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024)

能源是人類生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎．以化石能源為支撐的能源體系，隨著不可再生的化石能源的日趨減少，甚至枯竭，其支撐能力會逐漸減弱，同時大規(guī)模消耗化石能源對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出．因此，開發(fā)新能源和可再生能源是人類解決未來可持續(xù)發(fā)展的必然選擇．地殼深部高溫巖體蘊藏著巨大的熱能資源，并且這類地熱資源是非污染的綠色能源，其與核能、太陽能或其它形式的可再生能源相比具有許多優(yōu)勢．我國地質(zhì)構造條件優(yōu)越，具有豐富的高溫巖體地熱資源，并且其資源潛力巨大．但大規(guī)模高溫巖體地熱資源開發(fā)還面臨許多科學問題和工程技術問題，這些問題既需要科學家和工程技術專家的合作和創(chuàng)新研究，也需要國家的資金投入和政策傾斜．在對高溫巖體研究與開發(fā)相關文獻分析的基礎上，對高溫巖體的概念與開發(fā)思路、我國高溫巖體地熱資源的地質(zhì)類型與資源潛力及開發(fā)優(yōu)勢、高溫巖體圈定評價和高溫巖體地熱資源開發(fā)利用所面臨的科學與工程問題等進行了探討，提出了高溫巖體地熱資源開發(fā)理應作為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個有機組成部分的建議．

地熱資源；高溫巖體；高溫巖體類型；高溫巖體圈定；高溫巖體資源潛力；高溫巖體開發(fā)

能源是人類生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，也是當今國際政治、軍事、外交關注的焦點．中國作為一個發(fā)展中的大國，其經(jīng)濟社會持續(xù)快速的發(fā)展離不開有力的能源保證[1]．過去近200年來建立起來的以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主能源的支撐體系，在推動人類社會發(fā)展和文明進步方面發(fā)揮了關鍵性作用[2]．盡管世界化石能源儲量豐富，據(jù)統(tǒng)計截至2006年底，世界煤炭探明儲量約 9,091億噸，按目前生產(chǎn)水平可供開采 147年；20年來世界石油和天然氣的儲采比(剩余開采量/年開采量)始終保持在 40～60左右的水平[1]．但化石能源是地球母親經(jīng)歷了幾千萬年乃至數(shù)億年復雜的地質(zhì)過程才為人類留下的寶貴財富，對人類發(fā)展歷史來說，她是有限的、不可再生的．

隨著社會經(jīng)濟的加速發(fā)展和科學技術的進步，對能源的需求越來越大，對化石能源的開采規(guī)模也將越來越大，因此，化石能源的快速減少甚至枯竭就不可避免．同時，人類大規(guī)模消耗化石能源對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，如：有毒、有害氣體的排放給人類健康造成了負面效應；CO2溫室氣體大規(guī)模排放引起的溫室效應，導致全球變暖等．這些都對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴重損害，也早已為全球科學家、政治家以及普通民眾所關注．公認的 20世紀八大公害事件中有五個事件(1930年 12月 1—5日比利時馬斯河谷煙霧事件；1948年 10月 26—31日美國賓夕法尼亞州多諾拉鎮(zhèn)煙霧事件；20世紀40年代美國洛杉磯市化學煙霧事件；1952年 12月 5—8日英國倫敦煙霧事件；1961年日本四日市哮喘病事件)都與利用化石燃料而排放的有毒、有害氣體有關[2]．

正是由于目前人類所依賴的對化石能源的利用面臨著資源枯竭和環(huán)境破壞的雙重壓力，所以，節(jié)約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)境、科技先行、國際合作成為未來能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇[1]．研發(fā)、推廣節(jié)能新技術和大力開發(fā)可再生能源(如太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能等)替代不可再生能源成為解決人類未來能源危機問題，支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩個主要途徑[2-3]．作為資源潛力巨大，且綠色環(huán)保、可再生的地球內(nèi)部高溫巖體地熱資源的大規(guī)模開發(fā)利用，無疑應該成為我國未來能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)．

1 高溫巖體地熱資源的概念

高溫巖體(也稱干熱巖體)地熱資源，是指溫度在200,℃以上的巖體中蘊藏的熱能資源，它可以通過開采，提取過熱水蒸氣，直接用于發(fā)電等．美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們用了一個更專業(yè)的名稱“hot dry rock”，中文直譯為干熱巖，其明確的科學和工程意義為：巖石是干的、無水的、致密的、不滲透的；另一層含義為巖石是熱的，具有較高溫度的．1984年，干熱巖地熱開發(fā)在美國成功后，“hot dry rocks”及其縮寫HDR廣泛出現(xiàn)在科技文獻中[4]．

地球是一個龐大的熱庫，蘊藏著巨大的熱能，它通過火山爆發(fā)、溫泉、噴泉及巖石等熱能方式源源不斷地向地表傳送[5]．理論上講，從地殼表層向地殼深部，巖體溫度是逐漸增高，到一定深度，巖體溫度都會達到高溫巖體的溫度．但由于技術和經(jīng)濟的原因，并不是地殼內(nèi)部所有的高溫巖體都能為人類所開發(fā)利用，而只有那些在一定地質(zhì)構造區(qū)域內(nèi)的地熱異常區(qū)存在的、埋深較淺的高溫巖體，才有利于人類的開發(fā)和利用．所以，地熱開發(fā)中所說的高溫巖體不是一般意義上的高溫巖體，它特指在特定巖石圈動力學環(huán)境中和特定地質(zhì)構造區(qū)域內(nèi)，存在于地殼中，且溫度在200,℃以上的巖體．根據(jù)該巖體的巖石組成、結構、埋置深度、地應力狀態(tài)等特征和所處的地表人文環(huán)境、自然環(huán)境、社會環(huán)境等特點，可以在當前或不遠的將來的技術和經(jīng)濟條件下開發(fā)利用[6]．

2 高溫巖體地熱開發(fā)的基本思想

具有商業(yè)用途的高溫巖體地熱資源開發(fā)的概念與思路，首先是由Morton Smith領導的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家小組于 1970年提出的，其基本思路是：預期一個鉆孔進入熱的巖體，然后形成垂直裂縫，第二個鉆孔進入裂縫帶，從一個鉆孔進入裂隙區(qū)的水循環(huán)后，從另一個鉆孔以壓力熱水的形式排到地面(見圖 1)[7-8]．高溫巖體開發(fā)的兩個關鍵技術問題是深部人工儲留層的建造技術和高溫巖體中的鉆井技術[4]．人工儲留層建造是高溫巖體地熱開發(fā)最關鍵的步驟[8]，它直接關系到高溫巖體地熱開發(fā)的成本和經(jīng)濟性[9-12]．水壓致裂法、爆炸法和熱應力法是建造人工儲留層的主要方法[4]．

圖1 高溫巖體地熱資源開發(fā)概念模型[4,8]

3 高溫巖體地熱資源開發(fā)的優(yōu)勢

地球內(nèi)部蘊藏著巨大的地熱能，人類對地熱能開發(fā)利用的歷史久遠．但到目前為止，地熱能開發(fā)利用的對象僅限于地殼淺層的天然地下熱水系統(tǒng)，且主要用于城市供暖、洗浴、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖、紡織印染、食品加工等[5,13-14]，地熱能利用在整個能源結構中所占份額很小[15-16]．同時，過度開發(fā)地殼淺層地下熱水系統(tǒng)的地熱資源又帶來了一系列環(huán)境破壞問題，如地下熱水水位下降，地面沉降變形，地熱熱泉地貌景觀的破壞，地熱尾水排放產(chǎn)生的熱污染，地熱水排放中產(chǎn)生的 CO2、CH4、SO2等有害氣體，這些就造成了對大氣環(huán)境的化學污染，以及地熱水入滲對土壤的污染等生態(tài)環(huán)境問題．

地殼深部的高溫巖體中蘊藏的地熱能 (據(jù)估計占所有地熱能的 90%以上) 有著巨大的資源量，甚至可以說是無限的資源量．高溫巖體地熱資源的大規(guī)模開發(fā)利用，可以減少對不可再生化石能源的過度依賴，增加國家能源安全，同時高溫巖體地熱資源又是非污染綠色能源，開發(fā)不會帶來嚴重的環(huán)境問題．

概括地說，高溫巖體地熱資源具有以下優(yōu)勢[4]：①高溫巖體地熱資源量巨大，分布廣泛；②對高溫巖體地熱資源的開發(fā)利用不會排放有毒有害氣體(如CO2、SO2、NO2等)，也沒有其他流體或固體廢棄物．因此，高溫巖體地熱資源系統(tǒng)可以維持對地表環(huán)境最低水平的影響；③高溫巖體地熱開發(fā)系統(tǒng)本質(zhì)上是安全型，沒有爆炸危險，更不會引起災難性事故或傷害性污染；④高溫巖體地熱開發(fā)可以提供不間斷的電力供應，不受季節(jié)、氣候、晝夜等自然條件的影響；⑤高溫巖體地熱資源可以有效維持發(fā)展中國家的戰(zhàn)略與經(jīng)濟的平衡；⑥美國、英國、日本等國對高溫巖體地熱的前期開發(fā)試驗已經(jīng)充分說明，高地溫梯度(80,℃/km)的高溫巖體地熱電價，在今天已具有一定的商業(yè)競爭力，其電價大約在 4～7美分/(kW·h)，而中等和低級高溫巖體地熱資源，通過進一步改進開發(fā)技術，才能與以化石能源為基礎的電價具有競爭能力．

國際公認的新世紀能源開發(fā)應滿足的基本原則是：在不增加化石能源需求的同時，大力開發(fā)新能源；而對新能源的基本要求是運行安全、價格合理和低環(huán)境影響．就此意義，高溫巖體地熱資源與核能、太陽能或者其他可再生能源相比，更具優(yōu)勢[4]．

4 高溫巖體地熱資源潛力的估計

4.1 全球高溫巖體地熱資源潛力

地球內(nèi)部總的熱能對人類來說是無限的，但就開發(fā)成本而言，卻只有極小的一部分可供人類利用，而在可供人類利用的地熱能類型中，天然熱水資源僅占極小的部分．以美國的統(tǒng)計資料為例，主要能源類型底數(shù)比較如圖2所示[3]．將各種類型的能源都折算成熱能來比較，單位為夸特(Quad縮寫為 Q)．1Q=1021J，1Q大體相當于全球大地熱流全年的放熱量．

圖2 美國幾種能源底數(shù)的比較[3]

由圖2可以看出，地熱資源中熱水型資源總量僅相當于高溫巖體型地熱資源的幾千分之一，可見地熱資源最主要的存在形式應該是高溫巖體．所以說，開發(fā)高溫巖體地熱資源才能算真正打開了地球這個龐大的熱庫[3]．

國際高溫巖體地熱專家們按照地熱梯度，對全世界，特別是發(fā)達國家的高溫巖體地熱資源進行了較為詳細的評價[7]．就美國而言，專家們基于巖石的熱容系數(shù)、地熱梯度、熱儲尺度、鉆井能力、期望利用溫度等多因素的綜合考慮，鑒于目前的開采技術水平，對地面以下10,km以內(nèi)、溫度高于150,℃的高溫巖體地熱資源可以開發(fā)．據(jù)此估計，美國的高溫巖體地熱資源總量在10～13,MQ，而1982年全世界能源消耗的總量僅為 250,Q．據(jù)估計全球化石燃料360,000,Q，而僅美國易于開發(fā)的高地溫梯度區(qū)(地溫梯度大于 45,℃/km)的高溫巖體地熱資源量就在650,000,Q，遠大于全世界化石能源總量[7]；全世界地殼 10,km以內(nèi)高溫巖體地熱資源總量為 40～400,MQ，相當于化石能源的 100～1,000倍[8]．因此，高溫巖體地熱資源是巨大的、未開發(fā)的、安全的、可供人類用幾千年的綠色能源，也是全世界應該大力開發(fā)的新能源．

4.2 中國高溫巖體地熱資源潛力

我國地質(zhì)構造條件優(yōu)越，地處歐亞板塊東南部，為印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊所夾持，在太平洋板塊持續(xù)向西俯沖和印度板塊持續(xù)向北俯沖匯聚的現(xiàn)今巖石圈動力學背景下，陸內(nèi)構造變形強烈，地震成片分布，深部熱物質(zhì)活動(巖漿)強烈，形成了我國豐富的、類型多樣的地熱資源[17-20]．特別是我國西南部的青藏高原，它是新生代印度板塊和歐亞板塊俯沖碰撞造山作用最強烈區(qū)域．其巨厚地殼的形成，高原快速隆升，強烈構造活動和地震活動，強烈的殼幔作用引起的地幔和地殼深部熱物質(zhì)的向上運移，形成了豐富的地熱資源[21-26]；中國東部新生代以來，太平洋大洋板塊持續(xù)向歐亞板塊深部俯沖，加上印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程構造效應，在深部地幔動力學過程控制下，長期處于伸展拉張的構造環(huán)境，形成了北北東向的盆山構造格局，并且由于遠程俯沖的深部地幔物質(zhì)的部分融熔，又形成了東部特有的基性火山噴發(fā)，也形成中國東部豐富的地熱資源．

我國地熱資源分布的規(guī)律性明顯，主要受我國大陸構造格局的控制．西部主要受印度板塊持續(xù)向北俯沖匯聚，造成高原地殼增厚和隆升，強烈的構造活動和深部熱物質(zhì)活動，形成了藏南—川西—滇西高溫地熱資源；東部受太平洋板塊向西俯沖誘發(fā)的深部地幔上涌，造成地殼減薄和拉伸，形成了沉積盆地型中低溫地熱資源，主要包括華北平原、汾渭盆地、松遼平原、淮河盆地、蘇北盆地、江漢盆地等地區(qū)[27]；而東北長白山五大連池和東南沿海的高溫地熱資源，主要與新生代特別是第四紀火山活動有關．我國已發(fā)現(xiàn)的地熱區(qū)有 3,200多處，其中可用以發(fā)電的高溫地熱有255處．據(jù)專家估計，我國主要沉積盆地儲存的地熱能量相當于2,500億噸標準煤的發(fā)熱量．全國地熱水可開采資源量為 68億 m/a，所含熱能量為 972×1015J，折合每年 3,284萬噸標準煤的發(fā)熱量[14]，但這還不包括深部高溫巖體地熱資源．

在青藏高原腹地(以羊八井地區(qū)為代表)和東南緣(以騰沖地區(qū)為代表)，在中國東部(以長白山、五大連池、海南島、臺灣等為代表)具有高溫巖體賦存的地質(zhì)條件，高溫巖體地熱資源豐富，是未來高溫巖體地熱開發(fā)的優(yōu)先選址區(qū)域[4]．盡管沒有人對我國高溫巖體地熱資源潛力做過系統(tǒng)評價，但據(jù)趙陽升教授對羊八井地熱田高溫巖體地熱開發(fā)系統(tǒng)的設計，如果在羊八井中尼公路以北的一分廠附近，設計注水井深度為4,500,m，就可達400～450,℃高溫巖體地熱儲層；水平井段長度設計為800～1,000,m，生產(chǎn)井水平段位于 3,700,m，兩井水平段垂距為800,m，注水井與生產(chǎn)井水平段通過裂縫連通，設計水力壓裂半徑為800,m，裂縫間距100,m，即可獲得人工儲留層800～1,000,Mm3；布置 2組循環(huán)井組，井組水平間距取6,km，每對循環(huán)井組由一個生產(chǎn)井和一個水平井組成．這樣，由于井組水平間距為 6,000,m，井組半徑為3,000,m，沿水平井水平向控制長度6,000,m，花崗巖的容重取 2,700,kg/m3，比熱容取 1,000,J/(kg,·℃)，按 150,℃作為地熱開發(fā)最低限，則可提取的熱量按溫度 250,℃取值，由此獲得單循環(huán)井組控制的地熱資源量為

按照 MIT高溫巖體地熱開發(fā)模型，取高溫巖體地熱開發(fā)中提取地熱熱能轉(zhuǎn)換效率為 17%，則單循環(huán)井組實際可發(fā)電潛力為

若選擇100萬kW的裝機容量，單循環(huán)井組發(fā)電服務年限為600年．

盡管上述設計有一定的理想化成分，但足以說明高溫巖體地熱資源量的巨大．西藏境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)熱儲溫度高于150,℃的地熱田131個，其中8個熱田的熱儲溫度超過200,℃．這些高溫熱田集中分布在沿雅魯藏布縫合線及兩側近代活動構造帶內(nèi)，其中羊八井熱田是我國目前已知的熱儲溫度最高的地熱田，其深部熱儲(實際上是淺部蓋層熱儲)平均溫度252,℃，最高溫度達329.8,℃[28]．單就西藏念青唐古拉山東側呈北東延伸的長達120,km的羊八井-當雄盆地，INDEPTH深地震反射資料，就發(fā)現(xiàn)了安崗、羊八井、當雄等 4個地震深反射亮點，用 5種不同方法均證實其為殼內(nèi)低速體，解釋為含水的部分熔融層或花崗巖巖漿層[29-32]，存在深度范圍為15～20,km，對應地表高地溫梯度和高溫溫泉群．這就是說，沿念青唐古拉山東側的羊八井-當雄盆地的高溫巖體地熱資源潛力巨大，難以估計．一定程度上，青藏高原不僅是世界研究大陸動力學過程和全球變化的天然實驗室，而且未來有可能成為支撐西藏乃至全國經(jīng)濟社會發(fā)展的巨大能源庫．

5 我國高溫巖體地熱資源的地質(zhì)類型劃分

如前所述，由于我國特定的全球構造位置，決定了我國具有豐富的、多樣化的地熱資源．但就我國地熱資源研究與利用的現(xiàn)狀看，還主要限于淺層的天然熱水系統(tǒng)地熱資源，這類資源占可利用地熱資源的比例很小，而深部高溫巖體型地熱資源是淺部天然熱水系統(tǒng)的地熱資源上千倍．因此，對深部高溫巖體地熱資源的充分研究與利用才是地熱能利用春天的到來．

我國高溫巖體地熱資源主要分布于青藏高原腹地和東南緣，包括東北長白山和五大連池，東南沿海的海南島、福建和臺灣．不同地區(qū)的高溫巖體賦存的地殼結構不同、熱源性質(zhì)不同、構造應力狀態(tài)不同、所處人文社會自然環(huán)境不同，所以開發(fā)利用所面臨的問題也不同．根據(jù)中國新生代巖石圈動力學背景和新生代構造活動、火山活動以及典型地熱異常區(qū)的地質(zhì)、地球物理、地球化學等特征，按照高溫巖體賦存的巖石圈動力學環(huán)境、熱儲巖體類型、熱源控制因素等可以把中國高溫巖體地熱資源分為三大類型(見表 1)．

表1 我國高溫巖體類型劃分

6 高溫巖體的圈定與評價

高溫巖體是在特殊的地質(zhì)構造條件下形成的特殊地質(zhì)體，所以高溫巖體圈定的本質(zhì)是一個地質(zhì)問題[6]．高溫巖體圈定的基本思路應該是：在對高溫異常區(qū)的巖石類型及分布、斷裂構造格架及其活動性、火山活動和巖漿侵入的類型及時代等基礎地質(zhì)問題研究的基礎上，充分利用地球物理探測技術、遙感技術、地球化學方法，最后配合深鉆驗證工程(見圖3)．高溫巖體的圈定與評價中，深入細致的基礎地質(zhì)研究要先行，同時應強調(diào)多種方法和技術的相互配合、相互補充和相互驗證[6]．

圖3 地熱異常區(qū)高溫巖體圈定思路圖

7 高溫巖體地熱資源開發(fā)所面臨的科學問題和工程技術問題

早在1970年，由Morton Smith領導的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家小組就提出了高溫巖體地熱資源開發(fā)的概念與思路；1973年，該實驗室在新墨西哥州北側 Jemez山脈西側的休眠火山區(qū)的Fenton Hill 地區(qū)，開始了高溫巖體地熱開發(fā)的工業(yè)實驗；1977年獲得了成功；1984年建成了世界上第一座高溫巖體地熱發(fā)電站，裝機容量10 MW；之后，日本、英國、法國、澳大利亞等國相繼開始了高溫巖體地熱資源的開發(fā)試驗[8]．

我國高溫巖體地熱開發(fā)研究起步較晚，由趙陽升教授領導的研究團隊于2000年開始了高溫巖體地熱開發(fā)的有關問題研究，并于2004年出版了《高溫巖體地熱開發(fā)導論》[4]，該專著系統(tǒng)介紹了國際上高溫巖體地熱資源開發(fā)原理與技術的進展，并對中國典型高溫巖體的開發(fā)進行了分析與預測；對高溫巖體地熱開發(fā)中的巖石力學問題、系統(tǒng)設計、深鉆施工、人工儲留層建造、開采檢測、開發(fā)成本的經(jīng)濟評價做了較系統(tǒng)的介紹，并提出對西藏羊八井、云南騰沖和海南島地區(qū)高溫巖體地熱開發(fā)的設想方案．對我國而言，高溫巖體地熱資源開發(fā)仍然是一個新領域，面臨的科學問題和工程問題還很多，需要加快研究步伐．

7.1 高溫巖體地熱資源開發(fā)所面臨的科學問題

高溫巖體是特定地質(zhì)構造環(huán)境才存在的地質(zhì)體，具有地質(zhì)和經(jīng)濟雙重含義．高溫巖體地熱開發(fā)面臨許多科學問題的挑戰(zhàn)．從地質(zhì)科學角度分析，高溫巖體地熱開發(fā)研究主要有以下問題：①高溫巖體的區(qū)域分布規(guī)律與大地構造格局、過去和現(xiàn)今巖石圈動力學過程的內(nèi)在關系；②高溫巖體形成過程、機理與現(xiàn)今所處的狀態(tài)；③高溫巖體圈定方法與評價；④高溫巖體的巖石組合類型、深部高溫條件的巖石力學特性及其變化；⑤高溫巖體所處的環(huán)境的歷史構造變形格架和現(xiàn)今構造應力學狀態(tài)；⑥高溫巖體地熱資源的潛力評價；⑦高溫巖體地熱開發(fā)過程對其影響地殼范圍內(nèi)地熱場、應力場、變形場的擾動機理和結果及可能產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問題．上述問題之間既有區(qū)別又有聯(lián)系．

總的來說，高溫巖體研究是以地質(zhì)空間中物質(zhì)(地殼結構，巖石組合類型，巖漿物質(zhì)形成、運移與滯留)、運動(構造變形位移，構造應力場狀態(tài)，殼內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換和置換)和能量(深部高溫物質(zhì)能量傳遞，殼內(nèi)放射性元素衰變熱能，構造變形產(chǎn)生應變熱能等)三要素的相互作用過程與結果為核心的相關問題交叉、融合和有機統(tǒng)一．

7.2 高溫巖體地熱資源開發(fā)所面臨的工程技術問題

高溫巖體是埋藏在地殼深部地質(zhì)體．雖然隨著現(xiàn)代地球物理探測技術的進步，科學家對地殼深部的物質(zhì)組成與結構、溫度、壓力、應力等物理狀態(tài)有了更為深刻的認識，但緣于眾所周知的“上天容易入地難”原因，從工程角度看，由于不能獲得大量直觀的地殼深部詳細信息，對高溫巖體的組成、結構與物理狀態(tài)的了解還非常有限，這也就決定了高溫巖體地熱開發(fā)過程又面臨著許多的工程技術問題．按照目前高溫巖體地熱資源開發(fā)的思路，其關鍵技術主要有三個方面：①深部高溫巖體鉆進技術；②人工儲留層建造技術；③地熱開采檢測技術．另外還有高溫巖體深部探測技術問題．

高溫巖體地熱開發(fā)鉆井施工與其它鉆井施工有重要區(qū)別．一是鉆進地質(zhì)體不同，后者主要是沉積地層，如砂巖、泥巖、頁巖和石灰?guī)r等，這些巖石相對較軟，單軸抗壓強度在 100,MPa 以下，而前者多是火成巖或變質(zhì)巖，如花崗巖、片麻巖等，其單軸抗壓強度在 200,MPa 以上；二是地質(zhì)體所處的溫度不同，高溫巖體環(huán)境溫度多在 250,℃以上，最高可達500,℃，而一般工程所涉及的地質(zhì)體則在 100,℃以下．在如此高溫且堅硬的巖體中鉆井施工，對施工鉆具的耐高溫性能、耐磨削性能、設備的出力、耐高溫泥漿、耐高溫的固井水泥，甚至破巖方式都提出了極高的要求，很多問題涉及機械、材料科學、熱力學、巖石力學等學科，是高溫巖體地熱開發(fā)首先要解決的技術問題[4]．

人工儲留層建造是高溫巖體地熱開發(fā)的關鍵步驟，它的好壞直接關系到高溫巖體地熱開發(fā)的成本．因此，人工儲留層建造技術是高溫巖體地熱開發(fā)的關鍵技術之一．目前，建造人工儲留層的方法有水壓致裂法、爆炸法和熱應力法．無論哪種方法，都需要對高溫巖體的結構及均勻性、高溫環(huán)境下破裂力學特性和所處的構造應力狀態(tài)等有詳細的了解，充分利用高溫巖體的天然性質(zhì)和應力狀態(tài)，合理設計水壓力大小和分布、爆炸位置與爆炸能量、熱應力變化控制，建造具有足夠大的空洞和裂隙、足夠大換熱面積、對載熱流體產(chǎn)生最小阻力的熱儲層，滿足高溫巖體地熱開發(fā)的有效性和經(jīng)濟性．

高溫巖體地熱資源開采過程中，對物理-力學環(huán)境的監(jiān)測是保證高溫巖體開發(fā)系統(tǒng)正常運行和開采效益的保證，它通常包括確定人工儲留層的應力狀態(tài)、大小和方向的變化，人工儲留層內(nèi)裂縫的發(fā)展情況，熱流體運動的出水量、水溫、水壓，注入水循環(huán)損失量，溫度隨時間的變化情況，水的化學成分隨時間的變化情況以及地熱巖體溫度場變化情況等[4]．這種高溫條件下所使用的采樣設備、監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)實時采集分析系統(tǒng)研制及改進，是為滿足高溫巖體地熱開發(fā)工程的需要，是高溫巖體地熱資源開發(fā)所要解決的重要工程技術問題之一，需要開展有針對性地研究和研制．

總之，高溫巖體地熱開發(fā)是一個龐大的系統(tǒng)工程問題，它需要超前的科學研究和技術研發(fā)成果來支撐．

8 結 語

只要人類社會還存在，人類社會的發(fā)展就一刻也離不開能源系統(tǒng)的強大支撐．目前，以化石能源為支撐的能源體系，隨著不可再生的化石能源資源的日趨減少，甚至枯竭，其支撐能力逐漸減弱．因此，開辟新能源和可再生能源是人類社會未來可持續(xù)發(fā)展的必然選擇．對地球內(nèi)部蘊藏的巨大地熱資源的開發(fā)利用，將成為解決人類社會發(fā)展所面臨的能源問題的重要途徑之一．但至今人類開發(fā)利用的地熱資源僅限于地殼淺層的天然熱水系統(tǒng)，這種類型的地熱資源僅占人類可開發(fā)利用地熱資源的千分之幾，而有著巨大資源潛力的地殼深部的高溫巖體地熱資源，基本還處于休眠的待開發(fā)狀態(tài)．因此，應該加快對高溫巖體地熱資源開發(fā)的科學問題和工程問題研究，把高溫巖體地熱資源開發(fā)作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個有機組成部分．

雖然高溫巖體地熱資源的資源量巨大，并且與其它能源形式相比，具有許多優(yōu)勢，如安全性高、對環(huán)境影響小、不受季節(jié)氣候和晝夜變化的影響、可以不間斷提供電力供應等，但大規(guī)模開發(fā)高溫巖體地熱資源還面臨許多科學問題和工程技術問題，這些問題都需要國家資金的投入和政策傾斜，需要科學家和工程技術專家們的合作和創(chuàng)新研究．

［1］江澤民. 對中國能源問題的思考[J]. 上海交通大學學報，2008，42(3)：345-359.

［2］王革華. 能源與可持續(xù)發(fā)展[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［3］吳治堅. 新能源和可再生能源的利用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］趙陽升，萬志軍，康建榮. 高溫巖體地熱開發(fā)導論[M].北京：科學出版社，2004.

［5］劉時彬. 地熱資源及其開發(fā)利用和保護[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［6］郭進京，周安朝. 高溫巖體圈定的思路與方法探討[J].能源工程，2008(6)：1-4.

［7］DUCHANE D V. Hot dry rock：a realistic energy option[J]. Geothermal Resources Council Bulletin，1990(3)：83-88.

［8］DUCHANE D V. Geothermal energy production from hot dry rock：operational testing at the Fenton Hill，New Mexico HDR test facility[J]. American Society of Mechanical Engineers，Petroleum Division(Publication)PD，Emerging Energy Technology，1994，57：169-174.

［9］DUCHANE D V. Commercialization of hot dry rock geothermal energy technology[J]. Transactions-Geothermal Resources Council，1991，15：325-331.

［10］PIERCE K G，LIVESAY B J. Estimate of the cost of electricity production from hot-dry rock[J]. Geothermal Resources Council Bulletin，1993，22(8)：197-203.

［11］HARRISON R，SYMONS G D. HDR economics：a review of the UK geothermal hot dry rock R&D programme[J]. Transactions-Geothermal Resources Council，1991，15：333-337.

［12］萬志軍，趙陽升，康建榮. 高溫巖體地熱開發(fā)的技術經(jīng)濟評價[J]. 能源工程，2004(4)：30-34.

［13］劉時彬，李寶山， 棪鄭克 . 全國地熱產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展學術研討會論文集[C]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［14］ 棪鄭克 ，潘小平，董 穎．中國地熱資源開發(fā)與保護[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2007.

［15］林 麗，鄭秀華，詹美萍. 地熱能利用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 資源與產(chǎn)業(yè)，2006，8(3)：20-23.

［16］馬立新，田 舍. 我國地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國國土資源經(jīng)濟，2006(9)：19-21.

［17］馬杏垣. 中國巖石圈動力學綱要[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1987.

［18］丁國瑜. 中國巖石圈動力學概論[M]. 北京：地震出版社，1991．

［19］張國偉，張本仁，袁學誠，等. 秦嶺造山帶與大陸動力學[M]. 北京：科學出版社，2001.

［20］鄧起東，張培震，冉勇康，等. 中國活動大陸構造基本特征[J]. 中國科學，2002，32(12)：1 020-1 030.

［21］肖序常，李廷棟. 青藏高原的構造演化與隆升機制[M]. 廣州：廣州科技出版社，2000.

［22］馬宗晉，汪一鵬，張燕平. 青藏高原巖石圈現(xiàn)今變動與動力學[M]. 北京：地震出版社，2001.

［23］趙文津，INDEPTH 項目組. 喜馬拉雅山及雅魯藏布江縫合帶深部結構與構造研究[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2001.

［24］尹 安，彭 聰，馮 銳. 喜馬拉雅-青藏高原造山帶地質(zhì)演化——顯生宙亞洲大陸增生[M]// 張有學，尹安. 地球結構、演化和動力學. 北京：高等教育出版社，2002：208-282.

［25］許志琴，楊經(jīng)綏，李海兵. 青藏高原與大陸動力學——地體拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驅(qū)動力[J]. 中國地質(zhì)，2006，33(2)：221-238.

［26］YIN A，HARRISON P. Geological evolution of the Himalayan-Tibet orogen[J]. Annu Rev Earth Planet Sci，2000，28：211-280.

［27］田廷山，李明朗，白 冶. 中國地熱資源及其開發(fā)利用[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，2006：1-116.

［28］多 吉. 典型高溫地熱系統(tǒng)——羊八井熱田基本特征[J]. 中國工程科學，2003，5(1)：42-47.

［29］趙文津，吳珍漢，史大年，等. 國際合作 INDEPTH 項目橫穿青藏高原的深部探測與綜合研究[J]. 地球?qū)W報，2008，29(3)：1 328-1 342.

［30］WU Z H，BAROSH P J，ZHAO X，et al. Miocene tectonic evolution from dextral-slip thrusting to extensionin the Nyainqentanglha region of the Tibetan Plateau[J]. Acta Geologica Sinca，2007，81(3)：365-384.

［31］BROWN L D，ZHAO W，NELSON K D，et al. Bright spots，structure and magmatism in southern Tibet from INDEPTH seismic reflection profiling[J]. Science，1996，274：1 688-1 690.

［32］ALSDORF D，NELSON K D. The Tibetan satellite magnetic low：evidence for widespread melten the Tibetan crust？[J]. Geology，1999，27(10)：943-946.

Discusses on the Geological Characteristics and Development Issues of Hot Dry Rock Geothermal Resources

GUO Jin-jing1，ZHOU An-chao2，ZHAO Yang-sheng2
(1. Department of Civil Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China；2. College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

The energy resource is an important material basis for human survival and development. As non-renewable fossil energy resources increasingly reduced or even depleted, its supporting capacity will be gradually weakened, at the same time a great deal of fossil fuel consumption will continuously make an impact on the ecological environment.Therefore the development of new energy and renewable energy is the prime choice for the future sustainable development of human society. The hot dry rocks in deep crust contain extremely large thermal energy resources. This kind of geothermal resources is a non-polluting and green energy, and it has many advantages over nuclear, solar or other renewable energy sources. China continents have some favorable geological and tectonic backgrounds for hot dry rock (HDR) geothermal resources, which is rich in resource potential. But large-scale development of HDR’s geothermal energy resource still faces many scientific and engineering issues, which includes state’s investment and preferential policies, cooperation and innovative researches of scientists and engineering experts. This paper reviews literatures about HDR studies, and discusses the concept and development ideas of HDRs, geological types and resource potential of China HDR geothermal resources, methods of determination and evaluation of HDRs, the advantages of HDR geothermal resources, as well as scientific issues and engineering issues in exploring HDR geothermal resources. And then it suggests that the development of HDR geothermal resource should be an integral part of China’s energy development strategy.

geothermal resources；hot dry rocks；types of HDR；determination of HDR；evaluation of HDR geothermal resource potential；development and utilization of HDR geothermal resources

TK521

A

1006-6853(2010)02-0077-08

2010-01-11；

2010-03-16

國家自然科學基金重點項目(50534030)

郭進京（1962—），男，河南新安人，天津城市建設學院教授，博士．