中國干熱巖勘查開發(fā)現(xiàn)狀

楊 方，李 靜，任雪姣

(河南省地質(zhì)測繪總院，河南鄭州 450006)

0 引言

能源問題舉世矚目。人們長期以來所依賴的常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣等都是一次性能源，不可再生，隨著人類不斷地開發(fā)利用，終究會(huì)枯竭，而且在利用這些常規(guī)能源時(shí)不可避免地對人類生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染。因此，科學(xué)家們都在積極尋找其他清潔的、可再生的新型替代能源。地?zé)豳Y源正是這樣一種清潔、可再生的能源，地?zé)豳Y源屬于寶貴的礦產(chǎn)資源，早在1970年地質(zhì)部部長李四光先生就高瞻遠(yuǎn)矚地提出“地下是一個(gè)大熱庫，是人類開辟自然能源的一個(gè)新來源，就像人類發(fā)現(xiàn)煤炭、石油可以燃燒一樣”。而大部分的地?zé)崮芏純?chǔ)存于巖石中，稱為干熱巖。在這種清潔、可再生的地?zé)豳Y源中，干熱巖最具有應(yīng)用價(jià)值和利用潛力。

1 干熱巖基本特征及其分布

干熱巖(HDR-Hot Dry Rock)是指地層深處(埋深超過2 000 m)普遍存在的沒有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖體，較常見的干熱巖有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。干熱巖本身具有很高的溫度，呈干熱狀態(tài)，溫度范圍很廣，在150～650℃之間，可以作為熱能資源加以利用。因?yàn)檫@種熱能系統(tǒng)不要求巖石具有孔滲條件和含有流體，因而在目前鉆探技術(shù)可達(dá)到的深度范圍(約10 km)以上分布十分廣泛，幾乎是一種無限的能源類型［1］。

干熱巖的儲(chǔ)量十分豐富，它所儲(chǔ)存的熱能約為已探明的地?zé)豳Y源總量的30%，比蒸汽、熱水和地壓型資源要大得多，比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。在較淺層的干熱巖資源中，蘊(yùn)藏的熱能等同于100億夸特(即quad，1夸特相當(dāng)于18 000萬桶石油，而美國2001年能源消耗總量是90夸特)。這些能量是所有地?zé)豳Y源評估能量的800倍還多，是包括石油、天然氣和煤在內(nèi)的所有化石燃料能量的300倍還多［2］。

干熱巖的分布十分普遍，世界各大陸地下都有干熱巖資源。干熱巖開發(fā)利用潛力最大的地方一般分布在新的火山活動(dòng)區(qū)或地殼已經(jīng)變薄的地區(qū)，主要位于全球板塊或構(gòu)造地體的邊緣。判斷某個(gè)地方是否有干熱巖利用潛力，最明顯的標(biāo)志是看地?zé)崽荻仁欠裼挟惓?，一個(gè)溫度超過150℃的地下高溫巖體的存在，一定會(huì)給周圍的地溫環(huán)境帶來很大的異常［3］。

2 干熱巖的開發(fā)利用價(jià)值

目前，人們對干熱巖的開發(fā)利用，主要是發(fā)電。干熱巖發(fā)電是上世紀(jì)70年代由美國加州大學(xué)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室提出來的。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)。

干熱巖發(fā)電的基本原理是:注入井將低溫水輸入熱儲(chǔ)水庫中，經(jīng)過高溫巖體加熱后，在臨界狀態(tài)下以高溫水、汽的形式通過生產(chǎn)井回收發(fā)電。發(fā)電后將冷卻水排至注入井中，重新循環(huán)，反復(fù)利用，如圖1所示。

在此閉合回流系統(tǒng)中不排放廢水、廢物、廢氣，對環(huán)境沒有影響［4］。天然的干熱巖沒有熱儲(chǔ)水庫，需在巖體內(nèi)部形成網(wǎng)裂縫，以使注入的冷水能夠被干熱巖體加熱形成一定容量的人工熱儲(chǔ)水庫。

圖1 干熱巖發(fā)電示意圖Fig.1 The power generation system of hot dry rock

干熱巖發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)能源發(fā)電技術(shù)相比，可大幅降低溫室效應(yīng)和酸雨對環(huán)境的影響;干熱巖地?zé)岚l(fā)電與核能、太陽能或其它可再生能源發(fā)電相比，盡管目前技術(shù)尚未成熟，但作為重要的潛在能源，已具備了一定的商業(yè)價(jià)值。

3 中國干熱巖的開發(fā)利用

中國處于全球歐亞板塊的東南邊緣，在東部和南部分別與太平洋板塊和印度洋板塊連接，是地?zé)豳Y源較豐富的國家之一。按照板塊構(gòu)造理論，主要受相鄰幾大板塊擠壓作用:西南部受印度洋板塊的擠壓，形成了以1 cm/a速度增高的喜馬拉雅山，這就是著名的青藏高原地?zé)岙惓?，該帶中部有著名的西藏羊八井和東南部云南騰沖地?zé)岙惓^(qū);東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在臺(tái)灣、海南和東南沿海形成一個(gè)高地溫梯度區(qū);東部受太平洋板塊擠壓，形成長白山、五大連池等休眠火山或火山噴發(fā)區(qū)和京津、膠東半島等高地溫梯度區(qū)。這些熱異常區(qū)存在著極豐富的高溫地?zé)豳Y源，是干熱巖地?zé)豳Y源優(yōu)先開發(fā)區(qū)［5］。

到目前為止，中國干熱巖資源開發(fā)及其技術(shù)研究尚屬空白，許多能源專家和地質(zhì)工作者認(rèn)識(shí)到此領(lǐng)域的重要性并為此做出了努力。李福等在海南陵水地區(qū)進(jìn)行了深層干熱巖地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的勘查選址，結(jié)合全島地?zé)釛l件對全國首個(gè)干熱巖實(shí)驗(yàn)電站的下一步工作提出了建議［6］;曾梅香、李俊研究發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)處于高熱流構(gòu)造帶附近，據(jù)勘探成果分析，滄縣隆起上白塘口西斷裂東側(cè)大蘆北口一帶和團(tuán)泊東南地層深處埋藏著范圍較大的基性火成巖體，預(yù)計(jì)鉆探至深部中元古界長城系地表以下3 000～4 000 m的巖體溫度可達(dá)110～150℃，以厚度550～600 m估算熱巖體所儲(chǔ)存的地?zé)豳Y源約為1.72 ×1020J，產(chǎn)熱量可達(dá)7.15 ×106J/km2，資源前景非常誘人;據(jù)初步研究，江蘇省蘇北盆地4 000～5 000 m深度，地溫達(dá)到150℃，局部達(dá)到170℃，中國能源研究會(huì)地?zé)釋I(yè)委員會(huì)與澳大利亞彼特里特姆公司就“中國干熱巖地?zé)豳Y源潛力研究”項(xiàng)目進(jìn)行合作洽談。目的是為了了解江蘇中高溫地?zé)豳Y源賦存的地質(zhì)條件，對江蘇干熱巖開發(fā)利用的可行性進(jìn)行調(diào)研，以確定下一步工作靶區(qū)，開展相關(guān)的地球物理勘查和熱物理參數(shù)測試等研究，進(jìn)一步評價(jià)選區(qū)的潛力［7］;孫知新，李百祥，王志林研究發(fā)現(xiàn)青海共和盆地地處“秦昆岔口”的新生代斷陷盆地，盆地內(nèi)地?zé)徙@井揭露溫度高，1 203 m鉆孔(R1)實(shí)測孔底溫度達(dá)83℃，969 m鉆孔(QR1)實(shí)測孔底溫度為70℃，地溫梯度高達(dá)6～7℃/100 m，是正常地溫梯度的2倍，地?zé)嵩鰷仉S深度增大而升高，推測3 000 m溫度可達(dá)200℃，并在(QR1)孔底見36 m花崗巖。地震反射波和可控源音頻大地電磁測深推斷基底斜坡界面對應(yīng)重力低異常，可認(rèn)為重力低異常為花崗巖引起，作為盆地?zé)嵩纯赡艽嬖诟蔁釒r［8］;冉恒謙，馮起贈(zèng)的研究主要針對中國三個(gè)重點(diǎn)干熱巖發(fā)育區(qū)——沉積盆地區(qū)(東北、華北、蘇中)、近代火山地區(qū)(吉林長白山、云南騰沖、黑龍江五大連池)、高熱流花崗巖地區(qū)(福建、廣東、江西)，開展干熱巖熱能資源潛力評估。

4 干熱巖開發(fā)存在的問題

干熱巖熱能同其他地?zé)豳Y源相同有很多環(huán)保上的優(yōu)點(diǎn)，它不會(huì)因溢油而污染海岸，無需開礦，無灰，無滌洗排廢，無放射性廢棄物。另外它還具有熱能大、分布廣、不受季節(jié)等自然條件的影響等優(yōu)勢。然而，制約干熱巖熱能長期利用的關(guān)鍵在于其技術(shù)上的難題。

(1)干熱巖地?zé)崂靡笕藗冊诘叵滦纬蓮V泛的裂隙，并泵水流經(jīng)它們來實(shí)現(xiàn)干熱巖熱交換系統(tǒng)，換句話說，要造出地下熱儲(chǔ)水庫來。目前，主要有人工高壓裂隙、天然裂隙、天然裂隙—斷層3種模式，其中研究最多的是人工高壓裂隙模式，即通過人工高壓注水到井底，高壓水流使巖層中原有的微小裂隙強(qiáng)行張開或受水冷縮產(chǎn)生新的裂隙，水在這些裂隙間流通，完成注水井和生產(chǎn)井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。

(2)鉆井技術(shù)與裝備。因?yàn)殚_發(fā)干熱巖地?zé)豳Y源需要深井鉆探，而且鉆打高溫巖體發(fā)電井的鉆頭耐熱度需達(dá)350℃，另外在實(shí)際工作中需要應(yīng)用防斜鉆井技術(shù)［9］，這就增加了開發(fā)過程中的難度和生產(chǎn)費(fèi)用。

(3)國家對干熱巖地?zé)豳Y源勘查投入嚴(yán)重不足，全國大部分地區(qū)尚未開展干熱巖資源勘查，基礎(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)勘查工作薄弱，勘查手段不完善，后備資源不足。

干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)的另一個(gè)困難是用水和水源。每次啟動(dòng)前，要給地下巖石水庫充水，流失的水還得補(bǔ)充。

盡管干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)任重道遠(yuǎn)且費(fèi)用高昂，但是，同所有其他正在研發(fā)的計(jì)劃一樣，干熱巖地?zé)崮茴I(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與發(fā)展正在進(jìn)行，其商業(yè)性開發(fā)指日可待。

5 結(jié)語

干熱巖作為一種特殊的地?zé)豳Y源，可以說取之不盡，用之不竭。成功的干熱巖地?zé)峒夹g(shù)將對地?zé)崂闷鸶锩宰饔谩Ｖ袊刭|(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所副所長張金昌提出了中國干熱巖勘查開發(fā)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)及研究的關(guān)鍵技術(shù):

(1)通過干熱巖的資源分布及潛力評估，提出中國干熱巖開發(fā)利用的優(yōu)先選區(qū);

(2)通過干熱巖的綜合地球物理勘查技術(shù)研究和干熱巖地?zé)豳Y源量評價(jià)研究，為尋找隱伏干熱巖提供有效的勘查手段;

(3)通過對干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究，為干熱巖的勘查提供新的鉆探工藝技術(shù);

(4)開展干熱巖鉆探示范工程［10］。這是我們所有地質(zhì)工作者的新課題和新任務(wù)，相信通過各方不斷努力，中國的干熱巖地?zé)釋⒑芸毂婚_發(fā)利用，在城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的能源大軍中占得一席之地。

［1］趙陽升，萬志軍，康建榮.高溫巖體地?zé)衢_發(fā)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:4 －5，15，107.

［2］殷秀蘭.干熱巖地?zé)豳Y源利用前景無限［N］.中國礦業(yè)報(bào)，2008－10－14:(B04).

［3］冉恒謙，馮起增.我國干熱巖勘查的有關(guān)技術(shù)問題［J］.探礦工程，2010，37(10):17 －21.

［4］張家強(qiáng)，王德杰.干熱巖:未來清潔的新能源［J］.中國新能源，2005，8(9):24 －33.

［5］曾梅香，李俊.天津地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)利用前景分析［J］.地?zé)崮埽?007(6):10 －14.

［6］李福.海南陵水地區(qū)深層干熱巖地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的勘查選址［J］.地?zé)崮埽?010(3):21－27.

［7］徐雪球.中澳聯(lián)合研究江蘇干熱巖地?zé)豳Y源［J］.地質(zhì)學(xué)刊，2008(3):253.

［8］孫知新，李百祥，王志林.青海共和盆地存在干熱巖可能性探討［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(2):119 －129.

［9］劉廣志，湯鳳林.特種鉆探工藝學(xué)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［10］于德福.干熱巖，尚在沉睡中的寶貝——中國地質(zhì)科學(xué)院勘探所專家談新能源開發(fā)［EB/OL］.［2010-08-17］.http://www.jsdk.cn/News/20108/jsdk_201081714594838263/100817145742.html.