地热资源开发应用现状及前景综述

毕玉荣（长城钻探公司工程技术研究院）

地热资源开发应用现状及前景综述

毕玉荣（长城钻探公司工程技术研究院）

地热资源是蕴藏丰富且无污染的清洁能源，随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，地热资源将成为未来缓解能源危机的一个重要途径。简要介绍了全球地热资源的分布特点、地质特征、开发现状及应用前景，并以肯尼亚OLKARIA地区为例，着重介绍了长城钻探公司经过近3年的研究和实践，形成的高温定向钻井技术、井筒降温技术、钻头选型技术、空气泡沫钻井液技术等高温地热井钻井技术，对地热资源的经济高效开发具有重要的借鉴意义。

地热 高温 定向钻井 空气泡沫钻井液

地热资源的主要用途是地热发电、地热供暖、地热务农和地热行医等。目前，全世界有120多个国家在开发利用地热资源，其中比较典型的有美国、日本、新西兰、菲律宾、印尼等，年利用能量折合365×104t石油当量，并以12%的速度递增。全球地热能的潜在资源，约相当于现在全球能源消耗总量的45×104倍，地下热能的总量约为煤全部燃烧所放出热量的1.7×108倍。世界能源专家预计，到2100年地热资源的利用将占世界能源总量的30%～80%。因此，地热资源的开发与应用将具有十分广阔的前景。

1 世界地热资源分布及地质特征

就全球来说，地热资源的分布是不平衡的，主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞、衰亡-消减带部位。环球性的地热带主要有4个：

1）环太平洋地热带

它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界。世界许多著名的地热田，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福；墨西哥的塞罗、普列托；新西兰的怀腊开；中国的台湾马槽；日本的松川、大岳等均在这一带。

2）红海—亚丁湾—东非裂谷地热带

它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界。世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。

3）地中海—喜马拉雅地热带

这是大西洋海洋板块开裂部位。冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带中。

4）大西洋中脊地热带

它包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。

除了在板块边界部位形成地壳高热流区而出现高温地热田外，在板块内部靠近板块边界部位，在一定地质条件下也可形成相对的高热流区。其热流值大于大陆平均热流值1.46热流单位，而达到1.7～2.0热流单位，如中国东部的胶、辽半岛，华北平原及东南沿海等地。

地热是由于火山活动、岩浆作用、地震及其他地壳被破坏的构造所引起的。只有具备良好渗透性热储的地热区，才能成为地热田。地热田的概念及其面积圈定，在不同地区对不同的利用方式有很大的差别。以中国为例，根据中国地形、地质和地球物理特征，按物探工作要求地热田可分为4个类型：火山岩型,如台湾和滇藏地区；中生代花岗岩型，如东南沿海和辽东半岛；盆地和古潜山型，如松辽、华北、柴达木、江汉地区；灰岩山型，如川、黔等省。

大量研究成果表明，世界范围内地热资源的分布有着明显的规律性。高温地热资源都集中在分布相对较狭窄的地壳活动地带，即公认的全球板块的边界；而低温地热资源则广泛分布于板块内部。

2 地热资源应用现状

人类很早以前就开始利用地热能，如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：

◇2O0～400℃直接发电及综合利用；

◇150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；

◇10O～15O℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头等；

◇50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；

◇20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。

目前，地热能的直接利用发展十分迅速，已广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等各个方面，收到了良好的经济技术效益，节约了能源。总结上述，地热能利用主要包括4个方面：地热发电、地热供暖、地热务农和地热行医。

2.1 中国地热资源应用现状

中国利用地热资源的方式主要是高温地热发电和中低温地热直接利用。现在，中国西藏已建成3座地热电站，全国总装机容量29 MW。在华北、东北、西北地区，北京、天津、西安、鞍山等大中城市的地热采暖已取得良好的经济效益和环境效益。此外，地热温室、地热养殖、地热灌溉等农业利用地热资源也在迅速发展。地热资源还普遍应用于医疗保健、娱乐和旅游。近几年，中国地热开采利用量每年以7%的速度增长。截至2005年，中国直接利用地热资源的热能为12604.6×106kWh，装机容量3687 MW，分别居世界第一和第三位。

2.2 菲律宾地热资源应用现状

群岛国家菲律宾处于环太平洋火山地震带，地热资源十分丰富。菲律宾国有能源开发公司成立于1983年，负责该国地热资源的开发利用。截至目前，该公司已建立的各地热电厂发电量合计达到1198×106kWh，约占全国总发电量的12%。

目前，菲律宾地热发电设备总容量是1931 MW，占总发电能力的19.1%。计划在2013年地热发电超过美国，成为世界第一。

2.3 意大利地热资源应用现状

意大利是世界上最早利用地热发电的国家。1904年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站，功率只有550 W，开地热能利用之先河。1913年已有250 kW的地热发电设备投入运行。到1916年，意大利的地热发电设备已达1.2×104kW。1996年，意大利的地热发电设备发电端总功率为51.2×104kW，输出端总功率为48.5×104kW。意大利的地热资源集中在中部从拉齐奥州到托斯卡纳州这一区域，所以，意大利的地热电站都集中在中部。现在，意大利还从经济角度出发，研究地热发电设备的标准化，今后将集中发展2×104kW和6×104kW两种发电机组。此外，意大利还进行了地热资源的综合利用研究，如养殖和温室等。

2.4 冰岛地热资源应用现状

冰岛是世界上地热资源最丰富的国家，全国共有250个地热区，热能蕴藏量巨大，如果全部加以利用，每年可发电超过800×108kWh。奈斯亚威里尔地热电站目前有3台发电机组，总装机容量9×104kW，热水生产能力为1100 L/s。目前，85%的冰岛人口利用地热取暖，首都雷克雅未克全部利用地热。

冰岛是世界上最早使用地热集中供热和普及率最高的国家。首都雷克雅未克地区的地热供热系统始建于1928年。该市目前已有10个自动化热力站，供热管道400 km以上，地热供热普及率100%，在全国范围内也高达87%。冰岛还将地热用于冬天道路融雪和室内游泳馆的供暖加温。地热在市政建设中的普遍应用为冰岛带来巨大经济效益。以雷克雅未克市为例：每年消耗地热水超过5000×104t，相当于人均节省2 t石油，仅此一项，全国每年即可节约石油开支上亿美元。

冰岛也是利用地热发电较早的国家之一。第一座地热电站于1969年投入运营，现已拥有地热发电厂4座，年发电量170×103kWh，地热成为继水力之后冰岛的第二大电力供应源。

1924年起，冰岛开始尝试建设地热绿色温室，发展生态农副业，获得成功。目前，全国绿色温室总面积达19.5×104m2，生产的西红柿、黄瓜可满足国内70%的市场需求。20世纪80年代中期开发的地热养殖业，通过缩短鱼苗孵化和生长周期，提高产量，大大加速了冰岛渔业的发展。目前，冰岛

已拥有热水鱼苗场50个，年养殖鱼苗4000 t以上，捕鱼量近200×104t，为世界人均捕鱼量最高的国家。

2.5 美国地热资源应用现状

美国是地热发电装机容量最多的国家。在俄勒冈、爱达荷和加利福尼亚等州，一些地方的地热区域采暖系统已经运行了几十年。Geysers地热田是美国也是世界上最大的地热发电基地，以安全发电、成本低和环境影响小而著称，已有40年的历史，也是一个现场研究基地。把地热资源以外的水注入热储以维持压力和产量是Geysers地热田在过去20年间最大的技术成就。美国在西部9个州进行了地热资源（至少50℃）和社区（位于地热资源8 km范围内）配对的研究，鼓励这些社区开发利用地热，现已有256个配对社区。根据美国能源部财政年度投入计划，到2010年，地热发电可使美国消减二氧化碳排放量8000×104～1×108t碳。

2.6 肯尼亚地热资源应用现状

在肯尼亚的地下，蕴藏着一种取之不尽的天然能源。为了实现电力来源多样化，2004年肯尼亚耗资14×108先令(约合1840×104美元)在裂谷区大力开发地热发电。在肯尼亚，地热发电正发展成为最廉价的主体能源。目前，地热发电量已经达到130×103kWh，占肯尼亚电力供应的10%，在非洲处领先地位。预计到2019年，肯尼亚地热发电的比例将增至39%。

肯尼亚政府最近计划利用火山口丰富的地热资源修建1座地热电站，以缓解肯尼亚国内电力紧张的局面。这项计划将耗资50×108先令（约合7000×104美元）。所建电站装机容量1400×103kWh，预计2013年建成并开始发电。电站运行以后，基本可以满足肯尼亚国内将近一半的电力需求。

综上所述，尽管地热资源开发取得了快速发展，但目前的开发利用程度还很有限。仅我国就有5500处地热点，地热田45个，可采地热储量约相当于4626.5×108t标准煤，是已探明煤炭可采储量的2.5倍，其中距地表2000 m内储藏的地热能为2500×108t标准煤。虽然我国利用地热资源装机容量为28 MW左右，在全球范围内居第15位，整体利用率仍然较低。

3 地热资源开发技术现状

地热开发中所用的钻井技术基本上是由石油工业派生出来的。为了适应高温环境下的工作要求，对石油钻井的关键技术进行了改进，所使用的材料和设备，不仅需要满足高温作业要求，还必须能适应在坚硬、断裂的岩层构造中和多盐的、有化学作用的液体环境中工作。因此，现在钻探行业中已形成了专门从事地热开发的分支行业，正在努力研究能适应高温、高盐度和有化学作用的地热环境的先进方法和材料，以及能预测地热储层情况的更好方法。

美国是世界上地热井钻探技术最先进的国家，也是拥有地热井钻机制造商和承包商最多的国家。据统计，1995—1999年，美国施工地热井48口，其中低于100℃的地热井有40口。美国的地热资源勘探主要由石油公司负责，采用石油钻井技术施工地热井。美国近几年在地热勘探方面，开发了系列仪器、设备和技术：包括泥浆循环漏失诊治技术、硬地层破岩钻头、高温测量、数据无限遥测、小口径钻井技术，地热钻井研究等。

日本地热钻探技术主要应用于Kakk0nda地热田，该地热田是世界上温度最高的区域，超过350℃。在该区域已钻7O余口地热井，深度在1000～3000 m之间。为了避免在高温井内泥浆的胶凝，采用了极稀的泥浆，其中含有3%的膨润土、0.1%的高温分散剂和1%润滑剂及苛性钠，密度小于1.1 g／cm，塑性黏度为4 mPa·s。研制了耐高温泥浆电动机、MWD工具及钻头。

新西兰在6个地热田开展钻探，最大钻井深度3000 m。钻井过程中仅在浅层200 m以内用泥浆或水作循环介质，下部则全部采用空气锤钻井技术。一般硬度地层使用牙轮钻头钻进，而坚硬岩层则采用金刚石钻头。布井方式是在孔隙型热储层主井的周围钻6个方向的定向井，地面井距3～6 m，井底位移100～200 m。

我国从上世纪90年代后期至今，开始将石油钻完井工艺与相关地热施工结合，优选钻头和机械参数，积极推广和采用近喷射钻井；引进近平衡钻井和完井液概念，有目的使用了细分散、不分散低固相聚合物泥浆、抗高温泥浆，大大提高了钻井效率，缩短了建井周期。中石油长城钻探工程公司在肯尼亚OLKARIA地区经过近3年的研究和实践，研发了高温定向钻井、井筒降温、钻头选型、空气泡沫钻井液等高温地热井钻井技术，现场应用19井次，取得了明显效果。

3.1 高温定向钻井技术

地热井地层温度高，决定了只能使用E型高温

单点测斜仪和井下高温动力钻具进行定向造斜。造斜钻具组合为：ϕ311 mm钻头+高温泡沫螺杆+定位接头+无磁钻铤1～2根+ϕ127 mm加重钻杆15根+ϕ127 mm钻杆。由于使用单点测斜仪进行定向造斜，工具面不稳定，造斜难度大；因此，采用计算法和经验法综合考虑反扭角的大小，提高定向造斜的精确度，并缩短测斜间距，以便对工具面的角度进行小范围调整[1]。为了解决严重的井漏和井眼清洁问题，定向时采用空气泡沫钻井液进行循环。同时，为了保证定向施工顺利进行，在实际施工时采取了以下措施：尽可能选择低温区和稳定性非破碎岩层作为造斜段；采用0.5°以下的螺杆，造斜率应控制在每30 m 1.5°～2°之间，以降低定向井眼曲率；在造斜达到一定角度且方位稳定后，应尽可能使用转盘动力增斜钻进，以提高工作效率；增斜稳斜段缩短测斜间距，及时控制井眼轨迹；测斜时要向井内注入大量的冷水，减少高温对仪器的影响。稳斜时通常采用的钻具组合为：钻头+双母（带浮阀）+回压凡尔+滚子扶正器+钻铤2根+滚子扶正器+无磁钻铤（1～2根）+钻铤（6～8根）+ϕ127 mm加重钻杆12根+ϕ127 mm钻杆。

3.2 空气泡沫钻井液技术

根据地热井的特点，地热井钻井液必须具有以下两个要求：泥浆密度较低，携砂能力强；钻井液和处理剂抗温能力要高，一般要求达到200℃以上。为此，研发了空气泡沫钻井液：在清水中加入适量的发泡剂作为泡沫基液，并根据井深和地层漏失状况在泡沫基液中充入一定量的空气，保持泡沫质量系数0.55左右。泡沫钻井液的最大优点是低密度、高黏度。泡沫流体的密度范围为0.036～0.424 g/cm3。泡沫是由紧密而细小，且有坚固薄膜的气泡组成，具有较强的表面黏度和强度，因而持有良好的防漏堵漏作用和保持井眼清洁的作用。在形成泡沫的基液中加入高温保护剂HT－1，能提高发泡剂的高温能力，高温极限从180℃提高到240℃，满足了现场高温施工的要求[2]。

3.3 钻具防磨损技术

在地热钻井过程中，由于经常出现井漏，钻井液只进不出，钻具磨损严重，常常2～3口井就需要换一套钻具。为此，设计了专用钻杆保径接头、新型滚子扶正器、钻杆减阻耐磨接头等辅助钻井工具，大大降低了钻具的损坏程度。

3.4 井筒降温盲钻技术

肯尼亚OLKARIA是一个火山喷发岩沉积的开放性隆起构造地区，存在大量熔洞，出现循环完全漏失；为此，采用了井筒降温盲钻技术，就是用清水加一定量的发泡剂，代替钻井液进行钻井作业。但在盲钻过程中要经常测试井眼是否清洁，测试的方法是：刚开始盲钻时，先钻3～4 m，上提钻具，停止泡沫流体的注入，静止5 min左右，再次下入钻具，测试井底是否有沉砂。如果没有沉砂则开泵继续往下钻进；如果有沉砂，则当钻头接近井底时，开泵泵入高黏钻井液清洁井眼，然后再进行井筒降温盲钻技术。

4 结论

1）世界地热资源丰富，分布广泛，随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，以及对环境保护的日益重视，地热作为无污染的清洁能源，将在未来经济发展和生活中发挥重要作用。

2）尽管地热资源的开发取得了快速发展，但目前的开发利用程度还很低，未来50年里需要加快地热资源的开发和利用步伐，才能满足世界对能源的需求。

3）地热开发中所用的钻井技术基本上是由石油工业派生出来的，长城钻探工程公司经过近3年的研究和实践，研发了高温定向钻井、井筒降温、钻头选型、空气泡沫钻井液等高温地热井钻井技术，对地热资源的经济高效开发具有重要的借鉴意义。

4）未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更精确地查明更多的地热资源，钻更深的钻井将地热从地层深处取出；因此，地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。从全球能源战略来看，地热能的发展前景用2005年世界地热大会的主题来描述再恰当不过了，那就是：“地热能，本土可再生的绿色选择”。虽然目前世界上地热资源的发电利用和直接利用的能量仅占世界总能源利用的1%，但是面临世界石油价格的飞涨，地热能向我们展示了作为基本没有污染的可再生能源的巨大潜力。

[1]鲁立强,单正明,邓发兵,等.肯尼亚OLKARIA地热井空气泡沫流体定向钻井综合技术研究[J].科学技术与工程，2009（14）：4137－4139.

[2]赖晓晴，楼一珊,屈沅治,等.超高温地热井泡沫钻井流体技术[J].钻井液与完井液,2009,26（2）:37－38.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.10.003

毕玉荣，2008年毕业于北京石油大学，助理工程师，从事钻完井技术科研工作，E-mail：terryisacwang@sina.com，地址：辽宁省盘锦市兴隆台区惠宾街91号长城工程技术研究院，124010。

2011-10-21)