中国干热岩勘查开发现状

2012-07-05任雪姣

资源环境与工程 2012年4期

杨方，李静，任雪姣

(河南省地质测绘总院，河南郑州 450006)

0 引言

能源问题举世瞩目。人们长期以来所依赖的常规能源，如煤、石油、天然气等都是一次性能源，不可再生，随着人类不断地开发利用，终究会枯竭，而且在利用这些常规能源时不可避免地对人类生存环境产生巨大的污染。因此，科学家们都在积极寻找其他清洁的、可再生的新型替代能源。地热资源正是这样一种清洁、可再生的能源，地热资源属于宝贵的矿产资源，早在1970年地质部部长李四光先生就高瞻远瞩地提出“地下是一个大热库，是人类开辟自然能源的一个新来源，就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”。而大部分的地热能都储存于岩石中，称为干热岩。在这种清洁、可再生的地热资源中，干热岩最具有应用价值和利用潜力。

1 干热岩基本特征及其分布

干热岩(HDR-Hot Dry Rock)是指地层深处(埋深超过2 000 m)普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体，较常见的干热岩有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。干热岩本身具有很高的温度，呈干热状态，温度范围很广，在150～650℃之间，可以作为热能资源加以利用。因为这种热能系统不要求岩石具有孔渗条件和含有流体，因而在目前钻探技术可达到的深度范围(约10 km)以上分布十分广泛，几乎是一种无限的能源类型［1］。

干热岩的储量十分丰富，它所储存的热能约为已探明的地热资源总量的30%，比蒸汽、热水和地压型资源要大得多，比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。在较浅层的干热岩资源中，蕴藏的热能等同于100亿夸特(即quad，1夸特相当于18 000万桶石油，而美国2001年能源消耗总量是90夸特)。这些能量是所有地热资源评估能量的800倍还多，是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多［2］。

干热岩的分布十分普遍，世界各大陆地下都有干热岩资源。干热岩开发利用潜力最大的地方一般分布在新的火山活动区或地壳已经变薄的地区，主要位于全球板块或构造地体的边缘。判断某个地方是否有干热岩利用潜力，最明显的标志是看地热梯度是否有异常，一个温度超过150℃的地下高温岩体的存在，一定会给周围的地温环境带来很大的异常［3］。

2 干热岩的开发利用价值

目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。干热岩发电是上世纪70年代由美国加州大学洛斯阿拉莫斯实验室提出来的。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。

干热岩发电的基本原理是:注入井将低温水输入热储水库中，经过高温岩体加热后，在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。发电后将冷却水排至注入井中，重新循环，反复利用，如图1所示。

在此闭合回流系统中不排放废水、废物、废气，对环境没有影响［4］。天然的干热岩没有热储水库，需在岩体内部形成网裂缝，以使注入的冷水能够被干热岩体加热形成一定容量的人工热储水库。

图1 干热岩发电示意图Fig.1 The power generation system of hot dry rock

干热岩发电技术与传统能源发电技术相比，可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响;干热岩地热发电与核能、太阳能或其它可再生能源发电相比，尽管目前技术尚未成熟，但作为重要的潜在能源，已具备了一定的商业价值。

3 中国干热岩的开发利用

中国处于全球欧亚板块的东南边缘，在东部和南部分别与太平洋板块和印度洋板块连接，是地热资源较丰富的国家之一。按照板块构造理论，主要受相邻几大板块挤压作用:西南部受印度洋板块的挤压，形成了以1 cm/a速度增高的喜马拉雅山，这就是著名的青藏高原地热异常带，该带中部有著名的西藏羊八井和东南部云南腾冲地热异常区;东南沿海受菲律宾板块碰撞挤压，在台湾、海南和东南沿海形成一个高地温梯度区;东部受太平洋板块挤压，形成长白山、五大连池等休眠火山或火山喷发区和京津、胶东半岛等高地温梯度区。这些热异常区存在着极丰富的高温地热资源，是干热岩地热资源优先开发区［5］。

到目前为止，中国干热岩资源开发及其技术研究尚属空白，许多能源专家和地质工作者认识到此领域的重要性并为此做出了努力。李福等在海南陵水地区进行了深层干热岩地热发电项目的勘查选址，结合全岛地热条件对全国首个干热岩实验电站的下一步工作提出了建议［6］;曾梅香、李俊研究发现天津地区处于高热流构造带附近，据勘探成果分析，沧县隆起上白塘口西断裂东侧大芦北口一带和团泊东南地层深处埋藏着范围较大的基性火成岩体，预计钻探至深部中元古界长城系地表以下3 000～4 000 m的岩体温度可达110～150℃，以厚度550～600 m估算热岩体所储存的地热资源约为1.72 ×1020J，产热量可达7.15 ×106J/km2，资源前景非常诱人;据初步研究，江苏省苏北盆地4 000～5 000 m深度，地温达到150℃，局部达到170℃，中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚彼特里特姆公司就“中国干热岩地热资源潜力研究”项目进行合作洽谈。目的是为了了解江苏中高温地热资源赋存的地质条件，对江苏干热岩开发利用的可行性进行调研，以确定下一步工作靶区，开展相关的地球物理勘查和热物理参数测试等研究，进一步评价选区的潜力［7］;孙知新，李百祥，王志林研究发现青海共和盆地地处“秦昆岔口”的新生代断陷盆地，盆地内地热钻井揭露温度高，1 203 m钻孔(R1)实测孔底温度达83℃，969 m钻孔(QR1)实测孔底温度为70℃，地温梯度高达6～7℃/100 m，是正常地温梯度的2倍，地热增温随深度增大而升高，推测3 000 m温度可达200℃，并在(QR1)孔底见36 m花岗岩。地震反射波和可控源音频大地电磁测深推断基底斜坡界面对应重力低异常，可认为重力低异常为花岗岩引起，作为盆地热源可能存在干热岩［8］;冉恒谦，冯起赠的研究主要针对中国三个重点干热岩发育区——沉积盆地区(东北、华北、苏中)、近代火山地区(吉林长白山、云南腾冲、黑龙江五大连池)、高热流花岗岩地区(福建、广东、江西)，开展干热岩热能资源潜力评估。

4 干热岩开发存在的问题

干热岩热能同其他地热资源相同有很多环保上的优点，它不会因溢油而污染海岸，无需开矿，无灰，无涤洗排废，无放射性废弃物。另外它还具有热能大、分布广、不受季节等自然条件的影响等优势。然而，制约干热岩热能长期利用的关键在于其技术上的难题。

(1)干热岩地热利用要求人们在地下形成广泛的裂隙，并泵水流经它们来实现干热岩热交换系统，换句话说，要造出地下热储水库来。目前，主要有人工高压裂隙、天然裂隙、天然裂隙—断层3种模式，其中研究最多的是人工高压裂隙模式，即通过人工高压注水到井底，高压水流使岩层中原有的微小裂隙强行张开或受水冷缩产生新的裂隙，水在这些裂隙间流通，完成注水井和生产井所组成的水循环系统热交换过程。

(2)钻井技术与装备。因为开发干热岩地热资源需要深井钻探，而且钻打高温岩体发电井的钻头耐热度需达350℃，另外在实际工作中需要应用防斜钻井技术［9］，这就增加了开发过程中的难度和生产费用。

(3)国家对干热岩地热资源勘查投入严重不足，全国大部分地区尚未开展干热岩资源勘查，基础地热地质勘查工作薄弱，勘查手段不完善，后备资源不足。

干热岩地热系统的另一个困难是用水和水源。每次启动前，要给地下岩石水库充水，流失的水还得补充。

尽管干热岩地热能开发任重道远且费用高昂，但是，同所有其他正在研发的计划一样，干热岩地热能领域的基础研究与发展正在进行，其商业性开发指日可待。