鉆地取熱暖人間

徐繼山　孫林

地熱能是廣泛分布于地球內部的一種清潔能源。對于地熱研究者來說，面臨的最大困難并不是如何找到它，而是如何把它開采出來。地熱能既不是物質，也沒有顯著的運動，它是地下物質的熱的存在狀態(tài)。我們無法像開采煤炭、石油、天然氣那樣直接去開采它，而不得不借助工程的、技術的間接手段來獲取它所蘊藏的能量。為此，工程師們克服了重重困難，想出了種種辦法，但萬變不離其宗，都離不開一個核心技術——鉆井。鉆井是一種利用機械設備或人工手段，從地面向地下將地層鉆成孔洞的工作方法。鉆出來的井孔有大有小、能深能淺，要根據地熱田的類型因地制宜、對“型”下鉆。

地熱能賦存于地下天然介質中，比如水、巖漿或者其他巖層。當地熱溫度非常高時，會像鍋爐一樣將流經其附近的地下水燒開，地下水就變成了水蒸汽，再從地表冒出來，這就是蒸汽型地熱。如美國的蓋瑟爾斯、意大利的拉德瑞羅和我國西藏的羊八井等地的地熱田就是蒸汽型地熱田。

蒸汽是推動汽輪機轉動的第一動力源，正好可以用來發(fā)電。要開采這類地熱，就需要用到蒸汽井——它的口徑要大一些，這樣才能盡可能多地收集地熱蒸汽。從鉆井中引出蒸汽送入汽輪機，推動葉輪和轉子，將機械能轉化為電能，從而完成發(fā)電過程。在火力發(fā)電廠，需要通過燃燒煤炭或天然氣將液態(tài)的水轉化成氣態(tài)的水蒸汽，而此類地熱田冒出來的就是蒸汽，相當于“跳”過了這一步，直接進入發(fā)電步驟，從而大大節(jié)約了時間和經濟成本。不過，天然的未必是完美的。由于地下蒸汽的來源比較復雜，常含有二氧化碳、硫化氫等氣體，容易腐蝕設備，所以需要做一定的凈化處理。我國最大的地熱電站——羊八井地熱電站，現裝機容量1.3萬千瓦，自1975年始建至今，為我國的能源事業(yè)做出了重要貢獻。近年來，受結垢、腐蝕等問題困擾，羊八井地熱電站出現了一定程度的降效減產，這成為亟待解決的技術難題。

西藏拉薩市羊八井地熱電站

地熱能賦存在液態(tài)水中，其賦存區(qū)就被稱作“熱水型地熱田”，冰島的雷可雅未克、墨西哥的賽羅普列托、法國的莫倫和匈牙利盆地，以及我國大部分的地熱田都屬于這一類。熱水型地熱田可以進一步按照溫度劃分，即高溫型（大于150℃）、中溫型（90～150℃）和低溫型（小于90℃）地熱田。

相比蒸汽型地熱，對熱水型地熱的開發(fā)和利用稍微麻煩些，尤其是低于100℃的地熱水。這是因為熱水型地熱田無法直接變成蒸汽。隨著地熱水上升，它會與上部溫度較低的地層發(fā)生熱交換，從而損失熱量。當水抽采到達地表時，原本就不太熱的水也變成溫水了。那么，如何應對呢？目前有兩種方法：方法一是減壓擴容法，將地熱水抽采到擴容器中，利用真空機將擴容器抽成真空，熱水的沸點降低，瞬間汽化，然后將蒸汽送入汽輪機。這種方法的優(yōu)點是簡單、安全，但容易結垢，單機容量也只有300千瓦左右。方法二是中間工質法?！爸虚g工質”就是沸點比較低的物質，如氯乙烷、正丁烷、異丁烷和氟利昂等。地下熱水通過換熱器加熱這些物質，把熱傳遞給它們，讓它們變成氣體，再推動汽輪機運轉，從而實現發(fā)電的目的。

值得一提的是，1970年我國在廣東豐順建成了第一座地熱電站。該地素有“溫泉之鄉(xiāng)”的美譽，雖然溫泉廣布，但地熱水溫最高也就90℃左右。當時，我國科研人員采用的是減壓擴容法，自主完成了中低溫發(fā)電試驗，這標志著我國地熱事業(yè)的肇始。

地壓型地熱是承受著較高地層壓力的地熱能賦存形式，它的埋深在2至3千米之間，一般發(fā)育在濱海沉積盆地中，比如墨西哥灣、我國沿海平原等地區(qū)。這一類地熱具有較高的溫度和壓力，這與其封閉的形成環(huán)境有關。以濱海地區(qū)為例，它的地層一般由砂質和泥質的地層組成，海平面升升降降，連續(xù)沉積了顆粒較粗的巨厚地層，覆蓋在下面的泥質沉積層上。當上面沉積的地層的質量超過下伏地層的承重能力時，砂體就會下沉，形成一個閉合的區(qū)塊——塊內含有大量的水，塊的邊界又隔水，在很長的地質時期內大量的地熱就貯存在這里，不易散失出去。

此類地熱水的溫度一般為150～180℃，最高甚至可達260℃，通過鉆孔鉆取出來，其水壓高達28～42兆帕。在這類地熱田中，除了熱能之外，往往還貯存著甲烷、乙烷和丙烷等烷烴氣體，可以當作副產品回收利用。所以，地壓型地熱通常有三寶：動能、熱能和化學能。需要說明的是，這類資源十分寶貴。由于該類地熱水處于自我封閉的環(huán)境中——雖然積累了內在能量，但也限制了外在水源補給，用一點便少一點。那么，要不要開采呢？我國新設立的雄安新區(qū)就是一個樣板示范區(qū)，在地熱開采中及時、科學地回灌地下水，采多少補多少，采哪里補哪里，實現了抽蓄平衡。所以，保護不是最終目的，而是為了更好地開發(fā)與利用。

雄安新區(qū)的地熱鉆井工程規(guī)劃

干熱巖是指埋藏在地下的不存在熱水和蒸汽的熱儲巖體，即“又干又熱”的巖體。在地球松散表土層的下面就是巖石圈，這些巖層都有一定的熱量，但它們并不都是干熱巖?！案蔁釒r”的名號雖然聽起來干巴巴的，但是它比其他類型的地熱能更優(yōu)秀。因為其他地熱田隨著開采時間的延長，地溫會逐年下降，而干熱巖往往與更深的巖體相連，深部的熱量能夠源源不斷地傳導上來，從而延長其開采壽命。干熱巖具有溫度高和埋深淺的特點，溫度一般要高于200℃，埋深在幾千米以內。如果埋藏得太深，即使溫度很高，也會失去經濟價值。

對此類地熱的開發(fā)利用，需要用到回灌井和生產井。先鉆一口回灌井到深部的干熱巖中，利用壓力泵注水，把深部的高溫巖體壓碎，這些碎裂空間就成了水的“儲存空間”。再鉆一口生產井，使之與碎巖區(qū)相交。這樣就構成一個閉合的回路：冷水從回灌井進入深部碎巖區(qū)，在流動中吸收干熱巖的熱量，再通過生產井抽取出來，最終送入工廠發(fā)電或供熱。2014年，我國在青海共和盆地首次鉆探獲得深度為3705米、最高溫度236℃的干熱巖，標志著我國具備了開發(fā)干熱巖資源的能力。據估算，我國已探明的干熱巖型地熱田儲量，能夠滿足幾千年發(fā)展的能源需求，而當前干熱巖型地熱能仍處于初級開發(fā)階段。

干熱巖開發(fā)示意圖

還有一類蘊藏著巨大能源的地熱體，那就是巖漿。巖漿是深部熔融態(tài)或半熔融態(tài)的巖石，它是上地幔的重要組成物質，埋藏得非常深，但在一定地質條件下會侵入上面的地層里，形成侵入巖體；或者在地殼薄弱處噴發(fā)出來，形成火山。這些巖漿在地下的溫度是相當高的，即使噴出地表，其溫度也有600～1500℃。這類地熱田大量分布在火山活動區(qū)。

那么，巖漿可以用來發(fā)電嗎？這個想法近乎科幻，但現實中還真有一處巖漿鉆井，它就是位于冰島克拉夫拉地熱田的IDDP-1鉆井。想要把鉆孔打進巖漿，并不是一“鉆”永逸的事，這需要攻克三個超高級的技術難題，即超高溫、超高壓和超高黏。其難度在于：一方面，深部高溫再加上鉆頭與圍巖的摩擦熱容易造成鉆具損壞；另一方面，高壓作用會使深部各種高溫氣體和流體一股腦地噴涌出來，一旦打通巖漿，巖漿就會沿著鉆孔噴出來，它的高黏性促使其流速減慢，重新凝結成巖而堵塞鉆孔。對此，工程人員采用循環(huán)冷卻技術——給鉆頭及整個井身降溫，反復試驗多年，終于在2009年成功打進巖漿的“巢穴”。據悉，IDDP-1鉆井井口溫度高達450℃，創(chuàng)造了世界鉆井最高溫度的奇跡。

冰島IDDP-1 巖漿鉆井

我國地熱能源種類多樣且儲量巨大，高溫地熱主要分布在青藏高原和其他大型山脈地區(qū)，那里地廣人稀，主要用于發(fā)電。在人口聚集的平原和盆地地區(qū)，地熱田不是高熱的，而是溫熱的，雖然不能用來發(fā)電，但是用于取暖是非常適宜的。更重要的是，這種中低溫的地熱田分布十分廣泛，幾乎覆蓋了所有的平原和盆地。所以，從居民需求來看，中低溫型地熱能源開發(fā)也具有十分重要的民生價值和現實意義。

地源熱泵技術就是開發(fā)淺層地熱能源的一把利器。所謂“淺層”，主要是指200米以內的地層。在這個深度范圍內的地層，既受大氣和陽光的外在影響，又能接受來自深部地熱的內在影響，處在一個冬暖夏涼的平衡緩沖帶中。地源熱泵實際上是一種中央空調系統(tǒng)，它將室內的水（自來水）注入地下，與地下土層或水體發(fā)生冷熱交換——夏季把室內的熱量釋放到地下，冬季則把地下的熱量傳導上來，通過水循環(huán)，完成冬季取暖和夏季制冷的雙重效果。值得一提的是，我國在利用地熱采暖方面長期居于世界之首。地處華北平原的北京、天津、河北、山東、河南等地都是地熱采暖利用較好的地區(qū)，尤其是天津，一直走在全國前列。比如，天津奧林匹克中心就采用了地熱供暖系統(tǒng)，大大節(jié)約了能源。

上文介紹了6種地熱能源及其開發(fā)利用技術。除了用于發(fā)電、取暖之外，地熱能還可應用于溫室種植養(yǎng)殖、工業(yè)生產、醫(yī)療保健、休閑旅游等領域，可見地熱能熱力無限、潛能巨大。隨著科學、技術、工程的不斷進步，地熱行業(yè)也如雨后春筍般快速發(fā)展。在黨的二十大報告中，習近平總書記再次強調了“雙碳”目標和“藍天”保衛(wèi)戰(zhàn)， 向地下進軍，開發(fā)地熱能源，就是要還天空以湛藍、還自然以凈潔、給人民以溫暖。我們要秉持“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念，積極應對地熱研究與開發(fā)，用不竭的能源為中國式現代化發(fā)展注入無窮的動力！

致謝

感謝國家自然科學基金項目（42177123、42042054、41302249、42130706）、國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFA0716000）、中國石油-北京大學基礎研究合作項目、中國礦業(yè)大學教學研究項目（2023Y02、2022ZX01、2021KCSZ34Y、2020YB20、2019YJSJG011）、全國煤炭行業(yè)高等教育教學改革研究課題（2021MXJG179）、國家一流專業(yè)建設點地質工程項目支持。