干热岩发电发展现状与挑战

李偲 王亚军 李子祥 彭彬彬 陈臻 刁保圣

(1.国家能源集团泰州发电有限公司 江苏泰州 225327; 2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司上海 200063; 3.上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240)

随着经济社会的快速发展，电力在工业生产和生活中的作用愈发重要。我国电力主要来源于以燃煤为主的火力发电，但发电过程带来诸多环境问题，如CO2排放引起的温室效应十分严重。为减缓温室效应，我国已明确将在2060年前实现碳中和，届时非化石能源消费比例将增加至80%，因而电力系统的深度脱碳成为实现该目标的重要途径。

干热岩（Hot Dry Rock，HDR）是地球内部天然存在且分布广泛的清洁能源，用于发电过程的容量系数（70%～80%）明显高于风电（30%～50%）及太阳能发电（16%～30%）[1]，且其碳排放强度远低于燃煤火电[2]。自1970年代启动干热岩开发利用以来，多个国家先后进行了干热岩发电研究，且美国、法国等国家均实现了MW级干热岩发电并网[3]。我国干热岩资源储量丰富，发电潜力巨大，但目前干热岩发电研究处于起步阶段，尚无大规模干热岩发电项目投运及并网。

实现干热岩资源高效发电利用可降低电力供应系统中化石能源消耗的比例，对于推动我国碳中和进程意义显著。为此，文章将回顾国内外干热岩发电现状及存在问题，进而讨论干热岩发电技术重点研究方向，并提出促进干热岩发电发展的建议，以期为我国干热岩发电产业的发展提供参考。

1 干热岩资源及其发电潜力

自干热岩概念提出以来，其定义不断变化，目前普遍认同的概念是：埋葬在距地表3～10 km 内，温度在150～650 ℃之间，不含或仅含少量水或蒸汽，渗透率极低的变质岩或结晶岩类岩体[3-4]。干热岩资源则指在当前技术条件下能被经济地开发利用的干热岩中蕴含的热能。与生物质、风能、太阳能等可再生能源相比，干热岩资源开发利用过程稳定性高，不易受季节、昼夜及天气条件影响。同时，干热岩发电过程清洁环保、碳排放强度低，有望成为未来电力供应的重要组成部分。

干热岩中的热量主要来源于3种过程[2]：一是地球内部超高温的岩浆侵入岩层后的冷却过程；二是岩体中富含的铀、钍等放射性元素的衰变过程；三是熔融态岩石形成变质岩的过程。由于距地表一定距离内部分特定区域覆盖有数千米厚的沉积岩层，阻隔了上述热量向地表的散失，使这些区域的地温梯度明显高于地壳内的平均低温梯度，因而形成干热岩区域。

在世界范围内，距地表3～10 km 内干热岩中蕴藏的热能是全球所有石油、天然气、煤炭等蕴藏能量的30 倍[5]，可利用当量接近5 000 万亿t 标准煤。按当前消耗水平估算，可供全球使用数十万年。干热岩资源发电潜力巨大，预计到2050 年全球装机容量将达70 GW，届时将占全球电力生产总量的4.2%[6]。

我国干热岩资源丰富，仅大陆区域距地表3～10 km内的资源储量约为2.5×1025J，折合标准煤近856 万亿t[7]，以国际上常用的2.0%可采量估算，是2021 年我国一次能源消耗总量的3 300多倍。因此，干热岩的大规模发电利用对推动我国构建新型电力系统、实现碳中和目标具有重要意义。

2 干热岩发电研究现状

2.1 常用的地热资源发电技术

与火力发电相似，地热发电的基本原理是利用高温高压蒸汽驱动汽轮机做功，进而带动发电机运转发电。其区别在于地热发电过程中蒸汽的能量来自于清洁的地热资源，而非化石能源的燃烧放热过程。常见地热发电技术如下。

（1）干蒸汽发电技术直接以采出的地下高温蒸汽为介质，经净化分离去除杂质（岩屑、少量液滴等）后送入汽轮机做功发电。该技术较为成熟，系统简单可靠，通常用于具有较高地下压力的高温地热资源。

（2）闪蒸发电技术中需先将采出的汽水混合物进行闪蒸分离，并以分离出的蒸汽为介质做功发电，可用于汽水混合物型地热资源。闪蒸过程将造成一定的能量损失，因此发电效率略低。

（3）双工质发电技术中地热流体不直接接触发电设备，而通过载热介质与地热流体换热产生高温高压蒸汽做功发电，尤其适用于化学成分复杂的热水型地热资源。目前常用的包括有机朗肯循环发电和卡琳娜循环发电技术。

（4）全流发电技术中以膨胀机代替汽轮机，可直接将含有蒸汽、热水、不凝气体的全部地热流体送入膨胀机做功发电。理论上全流发电技术适用于所有的蒸汽型或热水型地热资源，但需考虑膨胀机的腐蚀与磨损问题。

2.2 增强型地热系统

不同于其他地热资源可被直接开采利用，干热岩资源需借助增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）开采（见图1）。即通过在低渗透性的干热岩岩层中构造人工热储层，并利用采热介质与热储层进行换热来实现将干热岩中蕴含的热能采出的人工系统。

图1 增强型地热系统示意图

EGS系统的原理在于通过各种手段在低渗透性干热岩岩层中制造出网状裂缝来形成人工热储层，随后通过注入井将高压水注入热储层中换热产生高温水或蒸汽，而后通过生产井将高温热流体抽取至地面发电或直接利用，最后将换热后的低温水重新注入到人工热储层吸热，完成循环。理想情况下，干热岩发电是封闭的循环系统，基本不污染和破坏环境[8]。从原理来看，上述常见的地热发电方式均可与EGS 系统结合用于干热岩发电过程，但实际过程中需结合干热岩资源采出特性选择合适的发电方式。

2.3 国内外干热岩发电项目

1974 年，美国Fenton Hill 项目最早开始了干热岩资源开发利用研究，证实了通过人工干预来开采干热岩资源的可行性，随后，多个国家也开始投入到相关研究探索中。例如：英国Rosemanowes 项目首次使用沙粒作为支撑剂来改善热储层的渗透率；1989 年，日本Hijiori 项目进行了干热岩发电尝试，但最终因地热流体温度的骤降而导致项目终止。基于先前研究成果，德国、英国、法国联合开展的Soultz项目最先于2011年实现了干热岩资源的稳定发电利用，其机组容量达1.5 MW[9]。随后，美国Desert Peak 项目（1.7 MW）和澳大利亚Habanero 项目（1 MW）也先后成功实现干热岩稳定发电及并网。此外，美国Geysers项目建造了单机容量为5 MW 的干热岩发电机组，其发电温度高达347 ℃。

为促进干热岩资源的大规模利用，各国均加大了对其开发利用技术的研发投入。其中，美国能源部于2015 年实施的“地热能前沿瞭望台研究计划”影响巨大，其意在于2050年达到10 GW以上的干热岩发电规模，并使其成为清洁、灵活的可再生能源的代表。

我国干热岩开发利用研究起步较晚，2010年由国土资源局牵头开展了国内首个干热岩科研项目，对钻探过程的相关技术难题进行了研究。2012年，国内多所高校和研究院所联合开展的“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目，为我国干热岩开发利用提供了理论依据和技术支撑。2015年，福建漳州白水镇干热岩项目标志着我国干热岩开发利用进入实践阶段。随后，海南澄迈打出我国东部第一口干热岩井，其井底温度超过185 ℃。2017 年，青海共和县恰卜恰镇完成了GR1 井的钻孔，在3.7 km 深处获得了温度高达236 ℃的干热岩。

为加快我国干热岩发电技术研究，国家发改委、能源局和国土资源部于2017年联合发布了《地热能开发利用“十三五”规划》，明确要积极开展干热岩发电试验研究，在干热岩资源丰富的地区选择试点建立2～3 个勘察开发示范基地，进而形成相关技术序列，为后续大规模推广积累经验。目前，我国已在唐山市马头营凸起区和青海海南州实现了干热岩试验性发电。

3 干热岩发电利用存在的问题与建议

3.1 限制干热岩发电发展的问题

尽管国内外干热岩发电研究已取得较大进展，也有不少EGS 项目投产，但干热岩大规模发电利用仍存在诸多问题有待解决。

3.1.1 干热岩形成机制和分布不完全明确

准确掌握干热岩的孕育环境、形成机理及分布规律，是合理划分远景区、科学评价储量、准确寻找采靶区的前提。但目前对干热岩的形成机制及分布规律仍未完全掌握。因此仍需结合地质、地球物理、地球化学等学科进一步完善相关勘探及资源评价技术。

3.1.2 干热岩电站场址难以确定

干热岩发电需要水作为传热介质，而富含干热岩地区的水资源可能不足。同时，不同岩石类型的干热岩开发利用难度不同，因此需增强干热岩资源勘探与评价能力，以合理确定电站场址，从而降低其开发及运行成本。

3.1.3 干热岩发电利用系列技术尚不成熟

干热岩发电过程仍有诸多技术瓶颈有待突破，如安全高效的高温钻井、致密干热岩层中的热储层构造、高效流动换热、地下事件检测等。因此，仍需加强自主技术创新或引进先进技术，以促进我国干热岩开发利用技术体系的建立与完善。

3.1.4 环境地质风险评估及监督不完善

EGS 系统建造及运行期间可能带来地质风险，但目前对干热岩开发利用过程的风险评估能力、监督力度仍有待加强，如瑞士Basel项目和德国Landau项目均因诱发地震而被迫停产。

3.2 未来干热岩发电技术重点研究方向

尽管干热岩资源发电潜力巨大，但干热岩岩层具有温度高、硬度高、致密性高的特点，其大规模发电利用仍需突破较多技术瓶颈。除加强资源勘探与合理评估、微震监测能力外，未来应重点研发如下技术。

3.2.1 高温钻井与完井技术

安全高效钻达干热岩岩层，并建造稳定的井眼是实现干热岩发电的前提。针对干热岩岩层的“四高”特点，未来需加大耐高温钻头、快速钻探技术、耐高温钻井液及高温水泥浆快速固化技术等的研发力度，以经济实现安全、高效、高温、快速钻井与成井。

3.2.2 压裂与储层构造技术

构造复杂的立体缝网状人工热储层是干热岩发电利用的核心环节，但目前建造大体积的人工裂隙热储层仍存在诸多挑战，如形成的裂缝过于单一、注入井/采出井沟通困难、存在诱发地震风险等。为此，应加大对水力压裂、爆炸压裂、热开裂技术及化学激发技术等的研发力度，明确地下裂缝形成及发展过程中的力学机制等。

3.2.3 高效流动换热技术

EGS 工程的最终目的是从热储层中高效取热，但该过程涉及多场（温度/应力）、多相（气/液/固）、多过程（流动/传热等）间的紧密耦合作用，传热过程十分复杂。因此，应加大对该过程中耦合机制的研究，明确热储层内的换热机制，为干热岩开发过程中注入井/采出井参数匹配及采热调控提供理论依据。

3.3 促进我国干热岩发电发展的建议

我国干热岩的大规模发电利用对构建以新能源为主体的新型电力系统十分重要。为此，可从如下方面促进我国干热岩发电技术与产业发展。

3.3.1 加大政策支持力度

干热岩属于战略性资源，但其积极作用却未被明确。应像促进风能、太阳能开发利用一样给予相应的政策倾斜，提升企业的投资建立干热岩发电站的信心与热情。

3.3.2 加大技术研发投入

干热岩发电过程涉及的高温钻井建井、大型压裂储层构造和高效换热均属于前瞻性技术，需投入大量人员、资金才可能突破技术瓶颈，进而形成干热岩高效发电利用的自主技术体系。因此，应鼓励更多专业人员从事干热岩开发利用技术研究，并为其提供更多的持续性研发资金支持。

3.3.3 加强国际交流合作国外干热岩开发利用研究开展较早，应加强国际交流合作和先进技术引进，从国外已有EGS 项目中总结经验教训，从而助推或倒逼我国干热岩技术的自主创新。

4 结语

在全球碳减排背景下，干热岩资源的大规模开发利用具有重要现实意义。我国干热岩发电潜力巨大，但目前发展较为缓慢。为促进干热岩资源在我国新型电力系统中发挥应有作用，应汲取国内外已有EGS 项目的经验教训，加大技术研发人力、资金投入，重点突破高温钻井、大型储层构造、高效换热等关键技术。相信在相关技术成熟后，干热岩发电将为我国碳中和目标的实现作出重要贡献。