地球内热的能源化探索<br/>——“深部热能探测与开发利用”专辑特邀主编寄语

地球内热的能源化探索
——“深部热能探测与开发利用”专辑特邀主编寄语

2023-04-06唐显春

地球学报 2023年1期

唐显春

中国地质科学院, 北京 100037;自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心, 河北石家庄 050061;自然资源部深地科学与探测技术实验室, 北京 100037

从能源资源角度来看, 地球内热形成的地热能是具有竞争力的可再生能源, 其开发利用具有低成本、可持续利用和环保等其他能源不可比拟的独特优点, 近五十年来在应对能源危机、温室效应、能源结构转型等方面发挥了积极作用, 已成为全球各国新能源领域的重要拓展方向。

中国在经历60年代温泉疗养、70年代石油危机替代能源普查、80年代地热发电能源化利用、90年代地热供暖市场化勘查开发等多个阶段后, 地热能探测和开发利用趋于稳定化和温和化。2016年以来,随着环境保护理念深入人心, 低碳化、无碳化成为世界未来能源的发展趋势, 具有清洁、可再生优点的地热能再次被寄予厚望。

作为地球内能, 深部热能赋存规律、热能探测与评价方法、开发利用方式既与地球本身的结构和状态有关, 与热能地球物理和地球化学属性特征有关,也与地热资源开发利用条件和科学技术水平有关。本专辑征集了诸多学者在基础性地热能理论研究、不同地热资源类型(浅层地热能、水热型、干热岩)要素组合(源、通、储、盖)探测和评价与开发利用关键技术方面形成的阶段性成果, 以及典型地热地质条件和应用场景下取得的代表性成效, 从“热能机理、探测与评价、开发利用”三个方面, 为提高深部热能综合利用效能提供参考。

1 深部热能赋存机理

地球内部蕴藏的巨大热能, 通过传导、对流、辐射等形式由地球内部向浅层和地表传输, 表现为火山、温泉、岩浆活动、构造运动等形式, 既推动着地球本身的形成、发展和演化, 也为人类生存和发展必需的物质提供了能源基础(汪集旸, 2015)。自深而浅,地球岩石圈结构、岩石热物性和传导-对流方式、浅层封盖条件和热导率都影响着地热系统的完整性(唐显春等, 2023)。

从深层次的地球动力学和构造-热演化过程来看,高温地热异常(如大地热流值、温泉温度、地热井地温梯度等)一般都与深部热结构密切相关。如新修正的渤海湾盆地高温地热异常区与“热壳”结构、居里面起伏形态具有相关性, 改变了以往“冷壳热幔”的认识(张健等, 2023); 渭河盆地深部具有隆起的地幔异常, 控制了高热异常的分布(芦佳飞等, 2023);青藏高原岩石圈塑性流变条件控制了地热异常分布(蔺文静等, 2023); 渤海湾盆地鲁西北平原地热异常受壳源热及其传导作用控制(崔洋等, 2023)。

构造作用是影响地球深部内热向地表传输和热能再分配的关键因素之一。一般地, 岩石圈尺度的热扰动和热松弛效应具有长期性和相对稳定性, 如渤海湾盆地三叠世以来的岩石圈减薄效应仍然在影响区域性地热状态(张健等, 2023); 而川东地区二叠纪峨眉山玄武岩已不再影响区域性热状态(兰镭等,2023); 挽近活动构造对地热异常的分布规律具有重要的控制和影响作用(如青藏高原东北缘, 唐显春等,2023); 在传导作用下, 古潜山和古隆起等局部构造对热能分配有聚集作用(如北京市城市副中心, 雷晓东等, 2023; 华北雄安新区, 余鸣潇等, 2023; 松辽盆地坳陷区, 王贵玲等, 2023)。

在成热成储过程中, 除了深部热源与构造作用影响, 岩石本身的热物性直接影响了热能传导效率和赋存规模。构成岩石圈的不同岩性具有差异性热物性, 不同深度下放射性元素含量的生热率不同,不同岩石的热导率也不同。一般地花岗岩、白云岩具有较高的热导率, 而黏土、砂岩的导热效率较差。在地热系统中, 岩性组合的配置关系也将影响深部热能的赋存能效, 这也是干热岩、水热型、浅层地热能的分布基础(唐显春等, 2023; 李潇等, 2023; 王贵玲等, 2023)。

2 深部热能探测与评价

深部热能的探测评价既包括地热要素组合(热源、水源、热储、断层、盖层等)的识别和刻画, 也包括地热资源类型(浅层地热能、水热型、干热岩)的区分, 以及资源禀赋条件的分类分级。

在探测技术和方法方面, 电磁法以其低成本、较高的分辨率、较强的适应性, 在深部热源、水和通道、岩性和构造识别方面广泛应用(吴佳文等, 2023)。通过井间测井提取地温梯度异常或计算大地热流, 进而评价热能赋存条件, 在早期靶区优选和资源类型划分中具有很强的适用性(雷玉德等, 2023; 兰镭等,2023; 闫晓雪等, 2023)。从重磁电震等传统地球物理学角度划分区域性控热构造(雷晓东等, 2023)、反演关键地球物理界面和异常起伏(张健等, 2023), 在评价有利目标和识别热源方面较为便捷有效。地球化学方法在估算岩石圈结构(如氦-氖气体同位素, 崔洋等, 2023)、热储水-热化学和交代作用(如水热蚀变和水文地球化学, 魏正安等, 2023; 王贵玲等, 2023;蒙晖仁等, 2023)方面效果较好。

在地热资源评价方面, 一方面评价覆盖面从地域和类型均不断扩大, 另一方面不同类型的地热资源评价与地质和构造条件不断配套(蒙晖仁等, 2023;唐显春等, 2023; 雷玉德等, 2023), 并拓展了数值模拟(黄永辉等, 2023)、迭代逼近(余鸣潇等, 2023)、热储扰动修正(高俊等, 2023)等评价方法, 评价精度进一步提升, 进而指导有序和科学开发。

但就目前研究程度而言, 地热能探测和评价技术仍然有待提升完善。如直接与温度参数敏感的地球物理和地球化学指标尚未甄别, 不能有效探测深部热源和热储流体规模等; 传导型盆地或干热岩资源量计算方法较为准确, 但裂隙带内对流型水热型资源量评价方法有待进一步完善; 基于三维数值模拟计算的地热资源评价, 其建模边界条件需要科学约束等等。

3 深部热能开发利用

深部热能开发利用效率直接影响到能源需求侧,针对不同资源类型而优化的开发方式则能直接提升综合利用能效。浅层地热能、水热型、干热岩因资源类型不同, 其开发利用均需要考虑资源赋存深度、分布规模、能量密度、利用方式的差异性。

干热岩具有较高的能量密度, 被认为是下一代地热开发利用的重要方向。基于构造地质环境的形变和应力应变也将影响干热岩开发利用目标的优选(唐显春, 2023)。而地应力则是干热岩高温硬岩水力压裂和热能提取过程中重要的考虑因素(许家鼎等,2023; 雷玉德等, 2023)。

深部热储在开发利用环节, 目前更多采用了精细化数值模拟计算热储产能, 进而科学优化配产,降低投资成本, 提升资源利用效率, 并且在渤海湾盆地供暖(丁蕊等, 2023)、地热干热岩发电(王令宝等,2023)等方面取得了进步。

除了传统的取水换热供暖外, 利用含水层作为介质储热/供能也成为新的发展方向, 进而弥补能源供需的时空分布不平衡问题, 并提升地热井开发利用寿命周期(黄永辉等, 2023)。

换热器优化设计是提升热能开发利用能效的重要方式。李娟等(2023)基于浅层地热能地质条件优化了地埋管换热器形式, 刘俊等(2023)则通过换热器优化设计提升了中-深层热能换热效果。

4 结论与展望

本专辑收录的22篇论文, 分三个板块介绍了地热能能源化利用关键环节的探索性成果, 涵盖了地热能聚集机理和探测利用技术。“向地球深部要资源”的需求导向下, 地热能作为地球本身源源不断释放的内能, 优势独特, 资源价值越来越重要, 展现出越来越旺盛的生机。

目前我们对地球深部结构、能量分布和分配的认知程度还很低, 加之中国大陆构造地质复杂, 地热能的能源化之路显得困难重重。但是随着“向地球深部进军”的号召, 深部结构探测资料越来越多,成像技术越来越高, 物质识别能力越来越强, 可获得更为可靠的热能探测资料和技术依据; 在地球系统科学理念下地球动力学和热效应解释更加完善和科学, 建模精度更高, 预测能力更强, 将进一步丰富地热理论, 降低找热风险; 科技进步与材料研发将进一步提升综合能效, 有望大幅度热交换效率, 降低热能开发利用成本, 拓展地热能下游利用的宽度和产业链长度, 提升和促进地热能能源化的品质和进度。通过理论创新和技术提升, 从优质热源着手寻找规模化热储, 进而多元化综合利用, 地热将快速从“温泉经济”向能源化利用转型, 有望为人类美好生活提供能源供给的新选项。