迈进地热能新时代——干热岩地热能研究及展望

文长沙市长郡中学高1505班 李沛岩

依据现阶段的技术手段，干热岩地热资源是指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。干热岩普遍埋藏于距地表3km至10km的深处，温度范围在150℃至650℃。我国干热岩所储存的热能约为已探明地热资源总量的30%。

一般干热岩开发利用潜力最大的地方是新火山活动区或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。

一、如何利用干热岩地热能

通过增强型地热系统（EGS）利用干热岩地热能发电，是目前世界上开发利用该资源的主要做法。

EGS的原理是，在干热岩中钻一口直井或定向井（注入井），然后用清水、盐水或压裂液进行大排量压裂，高温岩体与冷水接触后突然冷却会产生裂隙。在大排量高压作用下，干热岩形成大的裂缝，随着低温水的不断注入，裂缝不断增加、扩大，并相互连通，最终形成一个人工干热岩热储构造。然后在距注入井合理的位置处钻一口或几口井（生产井），贯通人工热储构造，采出高温水、汽。

生产时，注入水沿着裂缝运动并与周边的岩石发生热交换，产生温度高达150℃至300℃的高温高压水或水汽混合物，可用于地热发电和综合利用。被利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

干热岩开发模式示意图

二、干热岩开发存在的问题

目前干热岩高效成井及开发基础研究严重缺乏，国外也没有成熟的理论可供借鉴，因此，还需多学科联合攻关，对干热岩地热能开发中的关键技术与基础科学问题展开研究，为我国干热岩地热能高效开发提供理论基础和科学依据。

1.基础科学研究

要形成系统的EGS干热岩开发技术，需对一些基础问题和科学问题展开研究，主要有干热岩多场耦合理论，高温岩体的破岩机理，热-流-固多场耦合作用下井眼围岩系统的稳定性机理，多场耦合下干热岩的变形、破裂与裂隙延伸机理及热交换机理与效率模型等。

2.资源靶区定位技术

以当前的技术水平，干热岩开发利用潜力最大的区域为新火山活动区、地壳较薄区域和有沉积覆盖的放射性较强的酸性花岗岩区，这些区域是目前资源勘查的重点区域。目前资源靶区确定最重要、最基本的数据是大地热流值，以此为基础，结合地质构造特点选定研究区，运用地球物理方法进行详细勘查。

3.钻井、完井技术

干热岩主要是花岗岩、变质岩等，岩石可钻性差、研磨性强。同时，井眼围岩在高温高压下易流动、岩石易破裂，井壁容易坍塌。干热岩的钻井、完井除了需应用目前成熟的石油工程技术及设备、材料外，还需要进行以下攻关：干热岩热布井、井身结构，干热岩破岩技术及井眼轨迹控制技术，高温岩体钻井围岩稳定性控制技术，高温钻井液、水泥浆体系及套管热稳定性技术，高温测量仪器、地面钻井液冷却及防喷装备等。

4.大型压裂技术

人工热储的形成和储层中裂缝的发育连通情况是影响干热岩地热能提取的关键。主要研究方向为裂缝起裂与延伸控制技术，干热岩生产后期温度变化特征与缝网变化预测技术，温度和地应力场变化下垂直裂缝压裂设计方法，抗高温压裂液及裂缝分布监测等。

5.热能提取技术

为保证干热岩的裂缝长期有效，需开展的研究主要有干热岩的裂缝导流能力作用机制及主控因素研究，流体在复杂裂缝中的流动规律研究，热交换流体选择及交换效率等研究。

地球是我们共同的家园，正面临能源需求不断增加、化石能源日益减少、环境污染日趋严重、自然灾害频繁发生的困境，必须探寻一种能从根本上解决上述问题，且强力推进社会经济可持续发展的优质可再生清洁能源，实现能源结构的调整和产业升级。

地热能不受季节、气候、昼夜变化等因素的干扰，可被高效综合利用，除可替代“碳能”减排外，还具有从本质上减灾、减排的功能。因此，开发干热岩地热能有助于实现中国经济的绿色转型，或可成为第三次工业革命的支柱。（指导老师：马学品）