干热岩：高性价比的新兴能源

□ 徐艺真

干热岩是极富潜力的新能源，在化石能源日益枯竭的背景下成为极大的诱惑。

多吉院士（左三）带领专家组现场考察干热岩钻孔岩芯。李晓东 供图

近年，关注新能源的人可能都注意到，干热岩的开发应用在中国已经悄然升温。

2017年9月6日，中国国土资源部地质调查局在我国青海正式宣布：我国科学家在青海共和盆地3705米深处钻获236℃的高温干热岩体。消息一经传出，在世界上引起强烈的关注。这是因为，许多国家做梦都想要实现规模开发利用的新能源开发技术制约，竟率先被中国突破。

今年4月，海南清洁能源发展有限公司第一口具有独立知识产权的干热岩开发实验井圆满完钻，媒体称，这是我国第一个进入开发阶段的干热岩钻井成功案例，对我国干热岩地热能的开发利用具有里程碑式的意义。

5月5日，中国干热岩选区、勘探和开发学术研讨会在海南召开。李廷栋、曹耀峰和多吉三位院士在内的近两百名国内地热专家和企业代表出席研讨会，交流干热岩研究和开发经验，聚焦干热岩“海南探索”的新成果。

8月下旬，江苏省国土资源厅在南京组织召开了“干热岩勘查专家咨询研讨会”，意在加快推进江苏省干热岩调查评价工作。会议就江苏省干热岩的形成条件、勘查方法技术、靶区优选及工作部署等方面进行深入探讨，提出建设性意见和建议，为下一步圈定若干干热岩靶区，并择优进行钻探验证，力争干热岩勘查尽快实现重要突破。干热岩，再次闯入公众的视线。

干热岩到底是什么东西

通俗地讲，干热岩体就是干的、热的石头。其科学定义是：温度大于200℃，埋深1千米以上，地球内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

地球物理学告诉我们，地球就是一个巨大的能量体，越往地下深处，温度越高。干热岩就是一般埋深在数千米、温度大于200℃的高温岩体。作为一种新兴的地热能源，可以利用它来发电，并实现梯级利用。

干热岩不像太阳能或风能，受天气和环境的制约，它可以在任何天气下提供稳定高效的能量；它也不像传统火电，会产生污染，其建设成本比核电和水电更低。专家总结概括了7个方面的优点：（1）突破用地制约，在受热建筑物附近向地下钻孔，不需建市政配套管网，具有普遍适用性；（2）只抽取地下热能，不需要取地热水，保护水资源；（3）绿色环保，无废气、废液、废渣等任何污染物排放；（4）节能减排效果明显，以一个采暖季（4个月）的100万平方米建筑为例，与燃煤锅炉相比，干热岩供热可替代标煤1.6万吨，减少二氧化碳排放量4.3万吨，减少二氧化硫排放量136吨；（5）投资小、运行成本低，按照一个孔（井）可以解决1万～1.3万平方米建筑的供暖计算，一个小区一次性投资略高于燃煤集中供热，但其运行成本仅为燃煤集中供热成本的35%；（6）安全可靠，该技术孔径小（200毫米），地下无运动部件，对建筑基础和地质无任何影响；（7）地下热源再生性稳定，且地下换热器耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当。更棒的是，干热岩体储量非常丰富，可循环利用，可满足人类长期使用的需要。

据我国国土资源部中国地质调查局的数据，全国地壳3～10千米深处陆域干热岩资源量为856万亿吨标准煤。按照国际标准，以其2%作为可采资源，全国陆域干热岩预测可采资源量达17万亿吨标准煤，与美国的资源量约在同一数量级。

从区域分布上看，青藏高原南部占中国内地干热岩总资源量的20.5%，温度也最高；其次是华北（含鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑）和东南沿海中生代岩浆活动区（浙江、福建、广东），分别占总资源量的8.6%和8.2%；东北（松辽盆地）占5.2%；云南西部干热岩温度较高，但面积有限，占总资源量的3.8%。

以我国2016年全年能源消费总量大约43.6亿吨标准煤作为基数来计算，干热岩的可采资源量可供我国使用3900年左右，这比可燃冰的可使用年限要多几百倍。

干热岩是极富潜力的新能源资源，在化石能源日益枯竭的背景下具有极大的诱惑。目前世界各国都在研究它的开采利用，但苦于开采技术不过关，一直未能获得根本性突破。

干热岩发电的优势明显

干热岩较之传统水热型的地热，最大优点是资源稳定、均匀，不会出现过量开采而出现水位下降，或者资源枯竭的情况；而且其来自地球内部的供热，无处不在，用以发电，不受季节、气候的影响，其发电成本较低。

干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层人工压裂造出的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面，取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电，冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

不过，干热岩发电成本受干热岩储层的温度及深度的影响很大（流体到达地面的温度不同，因而发电效率不同）。目前常规地热（水热型）发电系统的总成本（包括钻井和地面发电设备等）在每千瓦2万～3万元，具体取决于热储的温度、深度和岩石渗透率等。值得注意的是，地热发电后流体还可以用来进行供热、洗浴等梯级利用，如果考虑这一部分经济效益，常规地热开发系统的经济性还要提高。可以说，干热岩引导下的地热能，在新能源领域中的性价比是最高的。

干热岩商业化开发利用预计到2030年后

干热岩地热能的开采方法，目前主要是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。

试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有三种。

第一种模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

第二种模式是英国卡门波矿产学校提出的“天然裂隙模式”，即较充分地利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换更充分。

第三种模式是在欧洲苏尔茨干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙-断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工压裂，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统，实现地热能的高效开发与利用。

近些年来，国际上地热能的应用和发电技术发展非常迅速，全世界已安装的常规地热发电装机容量目前已达1.3万兆瓦以上，而我国只有27兆瓦左右，在全世界利用地热发电的24个国家中仅仅排名第18位。但目前世界上的干热岩发电厂基本上是试验性的，规模普遍较小，尚未形成商业规模。

干热岩发电厂。李晓东 供图

中国在这方面的研究起步较晚，尤其缺乏关键技术。国家2012年颁布的“863”计划，支持《干热岩热能开发与综合利用技术》项目启动，开始了干热岩开发利用的关键技术研究。目前，我国已初步筛选出干热岩勘查开发的重点区域：东南沿海地区、藏南地区、大同盆地、松辽平原、环渤海地区、长白山地区、五大连池地区、雷州半岛地区、琼北、川西、滇西、华北平原、苏北盆地、关中盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、阿尔山地区、塔什库尔干地区。

但是，相对其他形式的新能源，干热岩开发利用成本高，这是制约发展的根本因素。目前包括风能、太阳能、常规地热能的利用，大部分企业已能实现持续运营。其次，干热岩开发需要大量水源，因此只有干热岩资源和水资源都丰富的地区才适合大规模开发。再次，干热岩开发有许多技术难题，预计要到2030年后才能实现商业开发。