干熱巖：前景可期的新能源

張二勇 王璜 王貴玲

近年來(lái)，尋求清潔、安全、高效和可再生的新能源，已成為多數(shù)國(guó)家的共識(shí)和緊迫任務(wù)。賦存于地球深部的干熱巖，具有儲(chǔ)量大、清潔、安全、高效、可再生等特點(diǎn)，被國(guó)際社會(huì)認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的戰(zhàn)略接替能源。

干熱巖的定義

干熱巖是指埋藏于地球深部，不含或含少量水或蒸汽等流體，溫度高于150℃的高溫巖體，巖性主要是致密變質(zhì)巖或花崗巖。干熱巖的概念，最早是在20世紀(jì)70年代，世界第一次石油危機(jī)期間，由位于美國(guó)新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先提出來(lái)的，最初設(shè)想是將地球深部高溫巖體中的熱能開(kāi)發(fā)出來(lái)用于發(fā)電。

地球地表以下隨著深度的增加，溫度不斷升高，不同地區(qū)升高幅度表現(xiàn)不一，平均來(lái)說(shuō)，深度每增加100米，溫度約升高3℃。理論上，隨著地球向深部的地?zé)嵩鰷兀魏蔚貐^(qū)達(dá)到一定深度都可以開(kāi)發(fā)出干熱巖。但就現(xiàn)階段來(lái)看，由于技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)條件等限制，通常認(rèn)為，埋藏深度在3000米-5000米，溫度大于150℃的干巖體具有現(xiàn)實(shí)可行的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

干熱巖的開(kāi)發(fā)方式

干熱巖開(kāi)發(fā)的前提是地質(zhì)勘查，只有在詳細(xì)查明干熱巖賦存分布地質(zhì)條件、科學(xué)評(píng)價(jià)資源量的基礎(chǔ)上，才能實(shí)施科學(xué)有效的開(kāi)發(fā)。干熱巖主要開(kāi)發(fā)方式是建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，通過(guò)水力壓裂等工程手段在地下深部高溫、低滲透性干熱巖體中形成人工地?zé)醿?chǔ)層，其開(kāi)采工藝和設(shè)備主要包括注入井、生產(chǎn)井、人工熱儲(chǔ)層、地面發(fā)電設(shè)備等。液體通過(guò)注入井注入干熱巖人工儲(chǔ)層中，流經(jīng)裂縫系統(tǒng)，吸收熱量，形成高溫流體，然后從生產(chǎn)井中抽出，用于發(fā)電。流體發(fā)電后再通過(guò)注入井回灌到人工熱儲(chǔ)層中，重新加熱循環(huán)。整個(gè)過(guò)程綠色環(huán)保，不產(chǎn)生溫室氣體，不排放污染物，只有冷卻系統(tǒng)排放出水蒸氣。

干熱巖的儲(chǔ)量與分布

根據(jù)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)體積法初步估計(jì)，地殼3-10千米深度干熱巖所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局初步評(píng)估表明，我國(guó)大陸3-10千米深處干熱巖資源總量為2.5×1025 J（合856萬(wàn)億噸標(biāo)煤），若能開(kāi)采出2%，就相當(dāng)于我國(guó)2016年全國(guó)能源消費(fèi)總量的3900多倍。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘查資料，我國(guó)干熱巖有利靶區(qū)主要分布在藏南、滇西、青藏高原東北緣等地區(qū)。

干熱巖應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)際社會(huì)對(duì)干熱巖的研究?jī)H有40余年的歷史，美國(guó)是最早實(shí)施干熱巖開(kāi)發(fā)的國(guó)家。到目前為止，世界上已有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了干熱巖勘查開(kāi)發(fā)研究，其中美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞均實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)性發(fā)電，共計(jì)建立14處干熱巖試驗(yàn)發(fā)電工程，目前尚在運(yùn)行的有5處，總裝機(jī)容量為12.2兆瓦。其中，法國(guó)蘇爾茨項(xiàng)目于2013年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)性發(fā)電，發(fā)電功率1.5兆瓦；美國(guó)沙漠峰干熱巖發(fā)電項(xiàng)目，是目前全球最大規(guī)模的干熱巖發(fā)電工程。但目前干熱巖開(kāi)發(fā)過(guò)程中也存在一系列重大挑戰(zhàn)。部分項(xiàng)目由于缺乏持續(xù)經(jīng)費(fèi)支持而終止；部分項(xiàng)目因開(kāi)發(fā)技術(shù)不成熟而被迫終止；還有部分項(xiàng)目受微地震等環(huán)境影響而終止。總體而言，全球干熱巖開(kāi)發(fā)還處在試驗(yàn)探索階段。

我國(guó)干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)起步較晚。2013年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了全國(guó)干熱巖資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，初步評(píng)價(jià)了我國(guó)陸區(qū)干熱巖遠(yuǎn)景資源量，圈定了我國(guó)干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)的若干靶區(qū)。2017年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與青海省國(guó)土資源廳在青海共和盆地聯(lián)合施工的GR1井在3705m深處獲得236℃的高品質(zhì)干熱巖體，取得重大突破。目前，我國(guó)正在加快推進(jìn)青海共和盆地干熱巖勘查開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。