干熱巖：如何給地球安裝插頭

彭丹妮

最近，一些自媒體聲稱，山東發(fā)現(xiàn)新能源“巨大寶藏”，儲量大約相當(dāng)于180億噸煤炭，可供中國使用3800年。這里所說的寶藏，是一種地殼較深處的高溫巖體——干熱巖。在全球經(jīng)歷了一個(gè)缺煤、氣荒的2021年之后，如果在我們腳下就埋藏著如此海量的能源，那無疑是驚天動地的大事件。

事實(shí)上，這個(gè)“發(fā)現(xiàn)”并不是最近的事。早在2016年，就有權(quán)威媒體報(bào)道，山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院發(fā)現(xiàn)了中國東部賦存條件最好的干熱巖。該勘察院水文地質(zhì)所主任景曉東預(yù)測，僅在威海市文登區(qū)一處，高溫干熱巖的能量即使只有2%被利用，便可供山東全省使用38年，“其效益不亞于找到一座大型金礦”。

到了2019年，有媒體報(bào)道，該項(xiàng)目也在山東日照市莒縣、五蓮縣一帶發(fā)現(xiàn)干熱巖富存區(qū)，資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤總計(jì)超過187.79億噸。2017年到現(xiàn)在，中國煤炭消耗量平均每年在40億噸左右，因此，假設(shè)山東蘊(yùn)藏的干熱巖能量相當(dāng)于187.79億噸煤，也不可能供中國使用3800年。但更為關(guān)鍵的是，山東真的找到了這樣一座地下“金礦”嗎？

對于這類新聞，中科院地質(zhì)地球所地?zé)豳Y源研究中心主任龐忠和表示，這屬于嚴(yán)重地誤導(dǎo)公眾。雖然干熱巖儲量大、無污染，但它是一種開采難度極大的地?zé)崮堋７叛廴?，真正運(yùn)行得較為成功的項(xiàng)目，也屈指可數(shù)。中國現(xiàn)在并沒有干熱巖的開發(fā)技術(shù)，只是處在調(diào)查和基礎(chǔ)研究階段。

按照地?zé)釋W(xué)的基本規(guī)律，越靠近地球深部，溫度越高，地表往下每一千米，地球平均大約增溫30℃。因此，可以想見，只要能夠開采得足夠深，地球可以給人類回饋的熱能資源儲量，無疑是巨大的。一個(gè)學(xué)界常引用的說法是，地殼中距地表3～10千米深處的干熱巖所蘊(yùn)含的能量，相當(dāng)于全球石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授、地球科學(xué)研究所地?zé)崮懿块T主席托馬斯·科爾告訴《中國新聞周刊》，距地表3千米以下的地殼，主要由火成巖和變質(zhì)巖組成，它們的特點(diǎn)是有足夠的溫度，但缺乏孔隙，這些巖體并不是真的“干”，流體含量只是不夠。比起溫泉、地?zé)崴@類地?zé)嵝问?，干熱巖型地?zé)豳Y源，占據(jù)了絕大多數(shù)地球熱能。

1970年代的美國，正值遭遇全球石油危機(jī)時(shí)期，對干熱巖的開發(fā)，也就從那時(shí)的美國開始。目前為止，全球已經(jīng)開展了約64個(gè)干熱巖實(shí)驗(yàn)或開采項(xiàng)目。

中國的干熱巖調(diào)查工作，是從“十二五”期間正式開始的，這與當(dāng)時(shí)中國開始重視霧霾治理、改善大氣環(huán)境的背景密不可分。因?yàn)楦蔁釒r如果可以大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用，將是一種資源含量非常巨大的可再生清潔能源。

干熱巖將來主要的用途是發(fā)電。由于干熱巖的溫度很高，發(fā)電過后的尾水還能達(dá)到70～80℃，相當(dāng)于普通地?zé)崴茉俅斡糜诠┡?、制冷。干熱巖不僅體量巨大，而且，用于發(fā)電幾乎是零排放，又比風(fēng)能、水能等清潔能源更加穩(wěn)定，不受氣候影響。文獻(xiàn)還指出，一處干熱巖發(fā)電站使用大約20年后，巖體溫度會下降，不能繼續(xù)使用，但是地心巖漿會再次“加熱”這些巖石，幾十年過后，熱能便可再次利用。

2012年，“863”項(xiàng)目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”立項(xiàng)，拉開了干熱巖尋找與技術(shù)研究的序幕。2014年10月，中科院地質(zhì)與地球物理研究所對青藏高原共和盆地兩處勘探孔地?zé)釡囟茸隽藴y試，發(fā)現(xiàn)地下2880米處，花崗巖體溫度達(dá)到181℃，是中國首次探明的干熱巖資源。

中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所研究員王貴玲等人于2012年發(fā)表在《地球?qū)W報(bào)》的文章便進(jìn)行過儲量估算，給出的結(jié)果是：中國大陸3～10千米深處的干熱巖資源，相當(dāng)于860萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按2%的可開采資源量計(jì)算，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)中國能源消耗總量的5200倍。

干熱巖因此被認(rèn)為是未來煤炭、石油等化石能源枯竭后，最具潛力的戰(zhàn)略接替能源。根據(jù)王貴玲等人2020年發(fā)表的論文《中國地?zé)豳Y源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》，中國現(xiàn)在已經(jīng)圈定了12處干熱巖勘探點(diǎn)，開展開發(fā)實(shí)驗(yàn)，并追蹤國外技術(shù)。

2019年，河北省煤田地質(zhì)局組織的干熱巖勘查項(xiàng)目稱，在唐山市馬頭營3965米深度，鉆獲了京津冀地區(qū)埋藏最淺的干熱巖，估算4500米以淺、195平方公里范圍內(nèi)，遠(yuǎn)景資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為78億噸。2021年年中，該項(xiàng)目開展了干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電。

2022年1月，江蘇泰州“蘇熱1井”干熱巖項(xiàng)目開始進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，該項(xiàng)目由江蘇省自然資源廳投入4630萬，是江蘇第一個(gè)干熱巖預(yù)查驗(yàn)證孔。據(jù)泰州地區(qū)初步估算，其干熱巖資源含量折合標(biāo)準(zhǔn)煤196萬億噸。

龐忠和參與了許多國家地?zé)崮芟嚓P(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)制定，這兩年，他感到干熱巖得到的關(guān)注越來越多了。2020年，是中國“碳中和”元年，地?zé)嶙鳛槲宕蠓翘蓟茉粗?，得到了更進(jìn)一步的重視。2021年，在中科院重大咨詢項(xiàng)目“中國碳中和框架路線圖研究”中，干熱巖的開發(fā)就是專題內(nèi)容之一，與地?zé)崮荛_發(fā)有關(guān)的高層會議也不少。

王貴玲曾在接受媒體采訪時(shí)將干熱巖開發(fā)比喻為“給地球安裝插頭”，如果能夠成功地裝上這個(gè)插頭，唾手可及、源源不斷的能源將不再是妄談。

近些年，很多人找到龐忠和，問他，想投資干熱巖，應(yīng)該去哪兒開采？他通常會跟對方說：你先別考慮投資了，風(fēng)險(xiǎn)太大，有可能血本無歸。

并不是人們想象的那樣，隨便在地球上選一個(gè)點(diǎn)，往深處鉆探，就能得到干熱巖。龐忠和說，按照定義，溫度在180℃以上，巖體含水量特別少或不含水，在現(xiàn)今的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下能夠開發(fā)利用的地?zé)崮?，才能被稱為干熱巖資源。

他強(qiáng)調(diào)，如果溫度沒有達(dá)到180℃，開采不可能劃算，而最后一條，能夠開發(fā)利用也很重要，否則就不能被稱為資源。往深處鉆井，普遍能找到地?zé)帷Ｈ藗兌贾赖匦臏囟瘸^6000℃，但是不可能被利用。前幾年，松遼盆地的一處勘探井，在7018米深處發(fā)現(xiàn)了240℃的高溫地?zé)?，龐忠和說，這不叫干熱巖資源，因?yàn)樘盍耍豢赡荛_發(fā)。當(dāng)不具備經(jīng)濟(jì)或者技術(shù)的可行性時(shí)，談多少儲量，也就沒有意義。

干熱巖的分布并不一定是同一深度，因此，地下3千米還是4千米，只是一個(gè)大概范圍;即便同一深度，地質(zhì)構(gòu)造、巖體溫度也是千差萬別，學(xué)界稱之為“開采條件評價(jià)”。

龐忠和說，在美國西部，兩千米以下的地殼，地?zé)峋湍苓_(dá)到200℃。但在中國，在華北、東北、東南沿海等區(qū)域，要達(dá)到180℃，普遍要鉆井達(dá)到6千米，這就超出了當(dāng)前技術(shù)可以開發(fā)、成本可以承受的范圍。山東省的干熱巖，就屬于這種埋藏條件。

因此，對于山東聲稱“可供全省使用38年”的干熱巖能源，龐忠和看了該區(qū)域地下溫度分布曲線之后發(fā)現(xiàn)，其地?zé)釡囟葋碜杂诰植繑嗔训牡刭|(zhì)構(gòu)造，該斷裂把深部的熱能通過熱水帶到淺部，使得地殼淺部出現(xiàn)一段異常的高溫，但是再往深處開采，溫度并不會在這個(gè)異常高溫值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加。

從資源勘探的角度來說，位于青海的共和盆地是中國目前干熱巖開采條件最優(yōu)質(zhì)的地方。龐忠和說，這里大約地下4千米的深度，地?zé)釡囟饶苓_(dá)到200℃，再繼續(xù)往深部走，溫度也隨之增高，大約每一千米能增加45℃。2010年之后，全球新啟動的10個(gè)干熱巖開發(fā)項(xiàng)目中，青海共和項(xiàng)目也是備受關(guān)注的一個(gè)。但能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采，則是另外一回事。

（資料圖片）位于法國的蘇爾茨項(xiàng)目，是迄今為止全球最成功并穩(wěn)定商業(yè)發(fā)電的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目。

2003年，位于澳大利亞庫珀盆地的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)，體量屬于全球最大。該項(xiàng)目在4千米深處，能鉆獲的地?zé)釡囟冗_(dá)到250℃，但由于鉆井難度大和出口處蒸汽高溫不能有效維持，迄今為止一直沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，政府也不愿再出資。

在歐洲，位于法國的蘇爾茨項(xiàng)目，由德國、法國、英國聯(lián)合開展，是目前為止，全球最成功并穩(wěn)定商業(yè)發(fā)電的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目。蘇爾茨項(xiàng)目有4口鉆探井，在5千米的深度，獲得的溫度為200℃。 不過，龐忠和告訴《中國新聞周刊》，這個(gè)項(xiàng)目的投入和產(chǎn)出是很不劃算的。歐盟為其注資了上億歐元，但該項(xiàng)目現(xiàn)在加起來的能源出力，大約是兩個(gè)兆瓦。

尚沒有出現(xiàn)顛覆性的開發(fā)技術(shù)

2010年，龐忠和參加了中國科學(xué)院組織的“中國能源路線圖2050”制定工作，關(guān)于深層地?zé)崮艿拈_發(fā)，包括干熱巖，預(yù)計(jì)工程化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2035年?，F(xiàn)在看來，這個(gè)時(shí)間線的判斷是基本合理的，龐忠和說，目前這個(gè)領(lǐng)域并沒有出現(xiàn)顛覆性的技術(shù)。

開發(fā)干熱巖的技術(shù)被稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），是指通過水力壓裂等工程手段在干熱巖體中形成人工地?zé)醿樱沙龃罅繜崮艿娜斯さ責(zé)嵯到y(tǒng)。儲層是油、氣、水等物質(zhì)儲集和流動的巖層空間。

美國曾將EGS技術(shù)列為最為重要的新能源技術(shù)之一，開始進(jìn)行研究。但干熱巖項(xiàng)目的“鼻祖”，1973年在美國新墨西哥州開展的芬頓山項(xiàng)目，最終也因經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等問題被迫停止。

龐忠和介紹，地?zé)岬拈_發(fā)利用，就是跟地球進(jìn)行換熱，這個(gè)過程如果用流體進(jìn)行，會比沒有流體的傳導(dǎo)式換熱，效率至少高3～5倍。因此現(xiàn)在的地?zé)衢_發(fā)，主要是通過抽水把熱能帶上地表來，成本才經(jīng)濟(jì)劃算。而在地表4千米往下，地球的裂隙越小，物質(zhì)結(jié)構(gòu)越緊密，基本上含水量特別低，不具備水熱型地?zé)衢_發(fā)的條件。

除了深部鉆探、壓裂的高昂成本與技術(shù)困難，另一方面，干熱巖的開發(fā)還會因?yàn)椴粫r(shí)誘發(fā)地震，成為開發(fā)干熱巖時(shí)的一個(gè)重大安全問題。龐忠和說，因?yàn)閴毫褞r體時(shí)需要施加巨大的力量，對天然的應(yīng)力場有比較明顯的改變，再加上干熱巖開發(fā)本身就偏愛有天然裂隙構(gòu)造的地方，人工活動會讓裂隙活化，兩種情況都可能導(dǎo)致地震。

在瑞士第三大城市巴塞爾，市中心有一口廢棄的鉆探井，是這里曾經(jīng)試圖開發(fā)干熱巖留下的痕跡。龐忠和曾造訪過，他說，2004年左右，項(xiàng)目的壓裂過程誘發(fā)了微小地震，最大震級約有3.5級，引發(fā)了周邊居民的不滿。他們起訴開發(fā)商，最后，以開發(fā)商賠償幾百萬歐元、項(xiàng)目破產(chǎn)而告終。

不過，即便干熱巖的開發(fā)仍然處在非常初級的階段，科學(xué)家們認(rèn)為，對于這種高難度能源開采的探索，能夠?yàn)榈責(zé)崮艿娜骈_發(fā)，奠定通用的關(guān)鍵技術(shù)。例如，將EGS技術(shù)應(yīng)用到淺一點(diǎn)的地層，比如說4千米以上的中深層，將原有的巖體裂隙增加、擴(kuò)大，就能加大流體循環(huán)效率，能夠置換出更多熱源，學(xué)界稱之為“人工增強(qiáng)”。

龐忠和舉例，世界上最大的地?zé)犭娬疚挥诿绹鞑考永Ｄ醽喼荼辈康纳w瑟斯鎮(zhèn)，過去大約有500兆瓦的發(fā)電能力，得益于這套人工增強(qiáng)技術(shù)，再抽取附近的湖泊水進(jìn)行熱交換，一下子將裝機(jī)容量提高到750兆瓦，效率增加了大約40%。

“人類早已能夠登上月球，但對地下的探索卻很少?！痹?jīng)在2007年～2013年期間擔(dān)任過法國蘇爾茨項(xiàng)目科學(xué)主管的艾伯特·讓泰說，可能在地殼更深處，就有天然儲層和地?zé)崴?，只是目前的技術(shù)還無法探測到。多位業(yè)內(nèi)學(xué)者也表示，這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在得到的投入和關(guān)注卻不夠。

也許再過5年、10年，當(dāng)行業(yè)有了顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，使得鉆探成本能比現(xiàn)在降低1/2或者1/3時(shí)，干熱巖就能大規(guī)模開采了。在此之前，龐忠和認(rèn)為，對地?zé)崮艿纳虡I(yè)化投資，應(yīng)該立足于淺層和中深層現(xiàn)實(shí)可行的資源，而不是好高騖遠(yuǎn)地追求干熱巖，甚至刻意追求概念噱頭和標(biāo)新立異。