喚醒沉睡的干熱巖

駱新強(qiáng)+徐坤榮

2017年8月底，我國科學(xué)家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體，這是中國首次鉆獲溫度超過200℃的干熱巖體，這一成果實現(xiàn)了中國干熱巖勘查的重大突破！干熱巖屬于地?zé)豳Y源，是一種清潔的可再生能源，對新能源開發(fā)利用的前景意義重大。那么，干熱巖到底是怎樣的一種新能源？它從何而來？又將對現(xiàn)有的能源利用帶來哪些改變？

地球有顆

“熾熱的心”

地球是一個直徑為6000多千米的實心球體，由地殼、地幔、地核三部分構(gòu)成。整個結(jié)構(gòu)就猶如一個半熟的雞蛋：蛋殼好比地球的地殼，其物質(zhì)狀態(tài)為固態(tài)；蛋白好比地球的地幔；蛋黃好比地球的地核，物質(zhì)狀態(tài)為液態(tài)。地球每一層的溫度并不相同，地表以下平均每下降100米，溫度升高約3℃，在地?zé)岙惓^(qū)，溫度隨深度加深增加得更快?？茖W(xué)家研究顯示：地核?與??????地幔邊界的溫度大約為3700℃，而地核內(nèi)部溫度可能高達(dá)5000℃，幾乎與太陽表面一樣熾熱。因此，地球內(nèi)部蘊藏著驚人的熱量，其中一部分地?zé)豳Y源便以干熱巖的形式埋藏于其中。

早期，干熱巖通常是指溫度高于200℃，埋藏于距地面2000米以下的無裂隙的巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體。伴隨著干熱巖勘測和開發(fā)的深入，干熱巖有了更為廣泛的外延。只要巖體溫度高，埋藏深度合理，內(nèi)含流體較少（或不含流體），能用各種技術(shù)手段提取其中的熱量，均可稱為干熱巖。

目前，人們對干熱巖的開發(fā)利用，主要集中在干熱巖發(fā)電。從地表往干熱巖中打一眼井（注水井），封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水，此時能夠產(chǎn)生非常高的壓力。在巖體致密無裂隙的情況下，高壓水會使巖體產(chǎn)生許多裂縫。若巖體中本來就有少量天然裂隙，這些高壓水使之?dāng)U張成更大的裂縫。隨著低溫水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴(kuò)大，并相互連通，最終形成一個大致呈面狀的人工熱儲水庫。在距注水井合理的位置鉆幾眼井，并將它們連通人工熱儲水庫，便可用這些井來回收高溫水蒸氣，用于地?zé)岚l(fā)電。利用之后的溫水可通過注水井回灌到干熱巖中，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。

以法國東部阿爾薩斯地區(qū)的一座干熱巖發(fā)電站為例，工作人員在這里鉆了三眼深井，一直鉆到地表5000米以下的基巖中。發(fā)電時，用水泵以每秒100升的速度從中間的注水井向地下灌冷水，這些冷水被干熱巖加熱成約200℃高溫的水蒸氣，從另外兩眼生產(chǎn)井抽出地面，送入一個熱交換器，并在熱交換器中驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。整個轉(zhuǎn)換過程消耗的總電量，只相當(dāng)于發(fā)電站發(fā)電量的約20%。

地?zé)崾窃趺串a(chǎn)生的

干熱巖屬于地?zé)豳Y源的一種。地?zé)豳Y源是一種來自地球內(nèi)部的熱能資源，溫泉便是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ牡責(zé)豳Y源。關(guān)于地?zé)岬膩碓?，有多種假說。一種假說認(rèn)為，地?zé)嶂饕獊碓从诘厍騼?nèi)部放射性元素衰變釋放出的熱能。還有一種假說認(rèn)為，地?zé)醽碓从诘厍蜃赞D(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能以及重力分異、化學(xué)反應(yīng)、巖礦結(jié)晶釋放的熱能。而在地球的發(fā)展演化過程中，產(chǎn)生的熱能總量超過地球散逸的熱能，巨大的地?zé)崮鼙銉Υ嬗诘厍騼?nèi)部，等待人們?nèi)ラ_發(fā)。

堪稱“完美”的干熱巖

相比當(dāng)前已開發(fā)利用的各類能源，干熱巖具有無可比擬的優(yōu)勢。與煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源相比，干熱巖是一種清潔的可再生能源，不會產(chǎn)生污染環(huán)境的有害物質(zhì)。與太陽能、風(fēng)能、核能等新能源相比，干熱巖的穩(wěn)定性好，不受季節(jié)氣候晝夜條件的限制。此外，利用干熱巖的成本低，利用干熱巖發(fā)電的成本僅為風(fēng)力發(fā)電的一半，只有太陽能發(fā)電的十分之一，和煤炭發(fā)電的成本相當(dāng)。

干熱巖是無處不在的資源，分布幾乎遍及全球，可滿足人類對能源長期使用的需要。以此次高溫干熱巖體的發(fā)現(xiàn)地青海共和盆地為例，其干熱巖理論資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤6303.05億噸，以其2%作為可開采資源量計算，折合的標(biāo)準(zhǔn)煤是中國2016年能源消耗的3倍。

干熱巖不但儲量豐富，還可以循環(huán)利用。開發(fā)干熱巖時，加熱產(chǎn)生水蒸氣的過程會使巖石溫度降低，但地心的熾熱巖漿會重新加熱這些巖石，從而實現(xiàn)干熱巖的周期性循環(huán)利用。

干熱巖的開發(fā)利用，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)先行一步。早在20世紀(jì)70年代，美國加州大學(xué)的研究人員便提出了利用干熱巖發(fā)電的設(shè)想，他們在新墨西哥州北部打了兩眼約4000米的深斜井，從一眼井中將冷水注入干熱巖體，從另一眼井收集利用巖體加熱產(chǎn)生的水蒸氣，功率可達(dá)2300千瓦。日本、德國、澳大利亞等國也均建立了多處試驗研究基地，進(jìn)行干熱巖的實驗性發(fā)電。

新能源的開發(fā)關(guān)乎世界各國的經(jīng)濟(jì)增長和能源安全。為了趕上國際社會開發(fā)利用干熱巖的步調(diào)，近些年來，我國開展了一系列關(guān)于干熱巖的勘查與開發(fā)研究。

2012年，我國啟動了“863”計劃項目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，開始了干熱巖開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)研究。2013年，國土資源部在青海共和盆地中北部鉆成井深2230米、井底溫度達(dá)153℃的干熱巖井，對干熱巖地?zé)衢_發(fā)進(jìn)行了探索試驗。此后，中國地質(zhì)調(diào)查局地?zé)豳Y源調(diào)查研究中心編制了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，開展了全國陸域干熱巖資源潛力評估，并優(yōu)選出了東南沿海地區(qū)、藏南地區(qū)、大同盆地、松遼平原、環(huán)渤海地區(qū)等干熱巖勘查開發(fā)的重點區(qū)域。與此同時，科研人員還在福建省和青海省分別實施了干熱巖科學(xué)鉆探。此次，科研人員在青海共和盆地成功鉆獲236℃的高溫干熱巖體，加快了我國在干熱巖開發(fā)利用上的進(jìn)程。

標(biāo)準(zhǔn)煤的換算

各種燃料所具有的能量是不同的。為了使用方便，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行能源數(shù)量、質(zhì)量的比較時，可以將煤炭、石油、天然氣以及其他一些能源形式按一定的比例統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤來表示。例如1噸原油=1.43噸標(biāo)準(zhǔn)煤，1000立方米天然氣=1.33噸標(biāo)準(zhǔn)煤，1噸原煤=0.714噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

干熱巖開發(fā)利用的技術(shù)原理雖然簡單，但實際應(yīng)用過程中仍存在大量的技術(shù)性難題，例如地殼和地幔中含有大量的礦物質(zhì)，在干熱巖開發(fā)中，被氣化的礦物質(zhì)會重新在井壁結(jié)垢，時間一久很容易將開采井堵死。面對眾多的技術(shù)性難題，科研人員唯有加快技術(shù)探索的步伐，才能在這場國際能源競賽中拔得頭籌！endprint