共和干热岩“热”的奥秘

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 河北 保定 071051

共和县位于青藏高原东北缘,青海省的东北部,北靠青海湖,南临“母亲河”—黄河,素有“青藏咽喉”之称。共和县拥有农牧资源、矿产资源、水资源、地热资源、旅游资源、动植物资源、风能资源、太阳能资源等七大优势资源。

经勘查表明,共和盆地地热资源种类齐全,浅层地热能、地下热水、干热岩三种类型均有发现,具有水丰、质优、宜开采特点,资源前景广阔,开发利用潜力大。2017年8月,中国地质调查局与青海省国土资源厅共同组织实施的青海共和盆地干热岩勘查,在3705米深处钻获高温干热岩体。根据干热岩资源初步评价结果,若仅开采其中的2%,折合标准煤128亿吨,约为2016年全国能源总消耗量的3倍。此外,干热岩发电具有发电能力稳定的特点,如能实现产业化开发利用,不仅可作为基础荷载促进新能源集中区的建成,还可丰富共和地区清洁能源的家族成员。

什么是干热岩?

干热岩的概念最早是由美国Los Alamos国家实验室提出的,目前学术界普遍认同的干热岩(HDR)定义是：埋藏于地下3～10km、温度150～650℃,无裂隙、不含或微含流体的高温岩体。

干热岩的岩石类型主要是结晶岩或变质岩类,较常见的有花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩等。

干热岩钻井岩心

干热岩的界定条件主要包括以下几个方面。

埋深：3～10km。目前工程钻探的极限深度为10km,考虑干热岩开发的工程可行性,将干热岩资源埋深界定成3～10km。

温度：180～650℃。如将干热岩看做一种固体矿产资源,则温度是其重要的“品位”指标,温度越高,“品位”越好。随着发电技术水平的不断提高,发电温度下限逐渐降低,但考虑目前干热岩开发经济可行性,将干热岩资源温度下限界定成150℃。

无裂隙、不含或微含流体。干热岩开发需借助流体介质,实现在由地表发电系统与地下热交换系统组成的闭合回路内的循环流动,从而将地下热能转移至地表进行发电。如若干热岩体存在大量天然裂隙,必然导致注入的流体介质无法回收,从而发生损失,进而增加干热岩开发成本、降低发电工程效率。

为什么会形成干热岩?

初步探明的共和盆地恰卜恰干热岩体,埋深2104－2500米,面积247平方千米,温度150－236℃,是迄今我国钻获埋藏最浅、温度最高的干热岩体。为什么在共和地区会形成干热岩,是众多民众及专家学者共同关注的话题。

根据共和盆地深部地质构造与综合地球物理勘查技术方法,初步认为共和盆地干热岩热能聚集模式为：以发育于地下8～32km,东西向长约50km的部分熔融层供热,中晚三叠世花岗岩储热,大厚度新生代泥质岩类沉积盖层二次聚热。通俗来说,部分熔融层就像火柴,花岗岩就像锅中的水,上部的盖层就像锅盖。

如何寻找干热岩?

寻找干热岩是干热岩开发的先决条件。国外寻找干热岩的位置主要包括：高温水热型地热田旁侧、油田高温异常区、近代火山活动区和沉积盆地区。

如需精确探测干热岩的具体位置,钻探仍是最有效的手段,但干热岩钻探成本极高,成一眼4000m深井花费千余万元,占干热岩勘查开发总费用的50%以上,是制约干热岩产业化开发的主要因素之一。因此,寻找低成本且有效的地球物理勘查技术迫在眉睫。

张森琦等在干热岩深地探测方面,探索出高精度航磁测量筛查,天然地震背景噪声层析成像与重磁法勘查验证,大地电磁测深法确定孔位的干热岩地球物理勘查技术体系。并以此为依据,在共和盆地及其外围圈定出18处干热岩体,总面积达3092km2。

干热岩如何开发?

干热岩资源潜力巨大,但距规模化开发利用还相去甚远,其中还包括许多技术难题需要攻克,如精确的地球物理勘查技术、高温钻完井技术、人工压裂及储层连通技术、资源评价技术、监测技术等。

在干热岩概念基础上,提出的增强型地热系统(EGS),是指通过人工致裂形成裂隙型热储,技术经济地采出高温地热能主要用于发电的工程系统。

增强型地热系统的基本原理是,通过深井将高压水注入地下2～6km的人工储层内,使其通过渗透循环而吸收热能；再通过开采井将高温水、汽通过生产井抽出地表用于发电；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的。

在干热岩开发方面,目前最为瞩目的是美国能源部2015年实施的“干热岩地热能前沿瞭望台研究计划”。该计划到2050年实现10万兆瓦以上发电规模,较目前水热型地热发电量增加近100倍,以满足美国1亿家庭绿色电力供应,并成为清洁、可靠、灵活和可再生新能源的代表。

2017年8月,中国地质调查局与青海省国土资源厅共同组织实施的GR1井,在共和县恰卜恰镇3705米深处钻获236℃的高温干热岩体,社会影响巨大,部局领导高度重视。2018年中国地质调查局正式开展“共和盆地干热岩资源调查评价与EGS示范工程建设”项目。自此,拉开了中国干热岩开发的序幕。