干热岩及其开发利用（3）
胡经国
五、干热岩开发利用概述
1、世界干热岩开发利用
⑴、干热岩的分布
干热岩的分布几乎遍及全球。用一些科学家的话来说，它是一种无处不在的资源（Duchane，1997）。世界各大陆地下都有干热岩资源分布。不过，干热岩开发利用潜力最大的地方，还是那些新的火山活动区，或地壳已经变薄的地区；这些地区主要位于全球板块构造或构造单元的边缘。判断某个地方的干热岩是否有利用潜力，最明显的标志是看其地热梯度是否有异常，或者地下一定深度（2000～5000米）的温度是否达到150℃以上。
⑵、开发利用概况
美国人莫顿和史密斯于1970年提出利用地下干热岩体发电的设想。1972年，他们在新墨西哥州北部打了2口约4000米的深斜井；从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出由岩体加热产生的蒸汽，功率达2300kW。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯。但是，迄今尚无大规模应用。
在干热发电概念提出4年之后，美国在新墨西哥州启动了世界上第一个干热岩发电项目。随后，英国、日本、法国等国家也相继投入了研发力量。位于法国东北部Soultz-Sous-Forêts地热田，是欧洲近几年来在增强型地热系统中比较成功的一个技术案例。它在2013年实现了稳定利用干热岩技术的地热发电目标，并且成功投入了商业化持续运行。它的诞生使得干热岩从一个纯粹的科研项目变成了具有一定可行性的商业项目。
干热岩发电系统较干蒸汽发电系统的蒸汽温度更高。美国洛斯－阿拉斯国家实验室在实验基地钻了2口井，其深度约为3000米，温度约为200℃。1977年，首次进行了循环实验，证实了这一方案的可行性。
美、法、德、英、日、澳等国家，目前已经建立25个试验性EGS工程（欧洲15项，美国6项，澳大利亚2项，日本2项），累积发电能力约12MW。
干热岩开发技术属于世界性难题。国际上通用的干热岩开发技术是增强型地热系统（EGS技术）。该技术是为了开发具有经济价值的地热资源而创建的人工地热系统，作为干热岩地热资源开发的首选技术。
尽管国际上对干热岩研究起步较早，但是由于资金、技术等的限制，仅有几个小规模、试验性质的干热岩（EGS）发电示范工程，还没有一个完全规模化、商业化正式运行的干热岩（EGS）项目。
⑶、开发利用实例
据报道，自1985年以来，日本新能源和产业技术综合开发机构（NFDO），在山形县某试验场实施了干热岩工程。到1991年，通过3个1800米深的生产井和1个回灌井提取热量。
另据报道，从1985年开始，日本新能源与工业技术开发组织（NEDO）在Hijiori实验站开始了对干热岩发电的钻探、水压人工裂石、裂隙构图、人工热储水库等关键技术的研究。1991年,该实验站通过一个注水井（SKG-2）和3个生产井（HDR-1、HDR-2和HDR-3），将地下1800米、温度为250℃的热水和蒸汽抽出。其中，渗漏的水大约占注入水的20%，其余的经生产井回收，热水和蒸汽输出的热能约8MW。
1992年，该实验站又在地下2200米的深度人工压裂了一个温度为270℃的热储水库。1994年，重新修整HDR-2井，并命名为HDR-2a。从1995年到1996年，该实验站将HDR-1改为注水井，HDR-2和HDR-3作为2个生产井进行短期循环测试和评估研究。从2000年11月到2002年8月，Hijiori实验站进行约2年的循环测试，并在当地建立了干热岩发电厂。
⑷、干热岩研究及开发利用简史与预测
1970年，美国人莫顿·史密斯提出利用干热岩发电的设想。
1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始干热岩发电工业试验，在芬顿山打了两口干热岩井用于发电；钻井深度达4400米，热储层岩体温度达325℃。并且，利用压裂技术扩大热交换面积，功率达3200KW。最终，于1984年建成了世界上第一座干热岩发电站，装机容量为10MW。这标志着干热岩发电从试验阶段进入商业运营阶段。
1984年始，日本政府实施阳光计划，在肘折地区实施干热岩地热开发试验计划；钻成井深为1500米和1800米探井2口，岩体温度254℃。1986-1996年，日本实施“肘折工程”，在肘折地区建立干热岩研究中心，理论及实践收获极大。1996年日本干热岩发电装机容量已达500MW，地热电厂遍布日本全国各地。
1977年，英国能源部出资开始系统的干热岩开发研究，并在英国康沃尔的Rosemanowers火山进行干热岩发电工业试验。当地地热梯度为30～40℃/km，热流密度为120W/m2，地层为花岗岩。但是，由于地层温度较低，提取的地热温度较低，直到1988年，也未能进入商业发电运营。
1992-1993年，法国、德国、CEC欧洲HDR开发计划共同参与，在法国苏尔茨地区进行干热岩发电试验；地热梯度高达105℃/km，热流密度为176W/m2，钻井钻至3500米时，地层温度达到159℃。在进行了大规模水力压裂之后，最终成功实现发电。
针对整个欧洲地区地热梯度较低的特点，德国实施KTB-HB超深钻计划；最终钻成9101米深度的钻孔，成为干热岩发电史上具有重要意义的科学实验之一。目前，德国已建成印希姆（EGS）、兰道两个干热岩发电站，其干热岩发电技术已超过美国。
据统计，世界上已有8个国家实践过干热岩EGS，10多个国家开始研发，并实现1000KW级干热岩EGS电站商业试点。特别是澳大利亚，干热岩研发势头强劲，有后来居上的趋势。
干热岩破解常规高温地热资源的局限，是21世纪地热资源的未来。2014年，美国干热岩开发占地热项目投入的70%，2050年将完成1亿KW装机。
至2015年底，欧洲地热发电装机容量有望达到2641MW，成为欧洲地热发电产业的焦点。
至2015年底，全球地热能发电累计装机容量从8GW增长到了12.5GW。国际能源署（IEA）预测，到2050年世界地热发电装机容量将占总电力装机容量的3.0％～3.5％。
中国2017年《地热能开发利用“十三五”规划》指出，到2020年，中国地热能年利用量7000万吨标准煤，新增地热发电装机容量500MW。
2、中国干热岩开发利用
⑴、资源量及分布
中国干热岩地热资源储量十分丰富，地壳深层岩体温度高。
据中国地调局数据显示，中国大陆深度3～10千米干热岩资源总量数据为2.5×1025J，折合标煤856万亿吨。其资源总量是中国油气、煤炭总资源量的30倍。美国本土深度3～10千米干热岩资源总量为1.67×1025J（不含黄石公园），折合标煤572万亿吨。全球地热资源量约为4900万亿吨标煤，中国约占全球资源量的1/6（参见下表：《中国3～10千米干热岩资源量统计表》）
中国3～10千米干热岩资源量统计表
序号 计算层位深度
km 热能
×1025J 换算成标准煤
×105兆吨 1 3.0-4.0 0.19 6.5 2 4.0-5.0 0.25 8.4 3 5.0-6.0 0.3 10.3 4 6.0-7.0 0.36 12.2 5 7.0-8.0 0.43 14.1 6 8.0-9.0 0.47 16.1 7 9.0-10.0 0.53 18 3.0-10.0 2.25 85.6 中国已勘查出的干热岩资源主要分布于松辽盆地、东南沿海、青海共和及贵德、四川康定等区域。
中国东部地区地壳薄，有利于开发传导型地热。东部沿海地区如广东、福建等省区位于太平洋板块边缘，是地热利用的有利地区。
中国西藏南、滇西、川西属于喜马拉雅地热带，有资料介绍钻井2000米即可获得200℃的高温热水，是最有利的地热分布地区。
青藏高原在隆升过程中形成了一系列地热资源。从2014年了解的干热岩地热资源区域分布看，青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%，资源量巨大，并且温度最高。
松辽盆地与渤海湾盆地，正置地幔软流圈上涌区，是地幔热能上涌外泄的主要地区，平均地温梯度可达4℃/100m左右。
大庆油田龙深1井，钻深6000米,温度高达260℃；1979年，阳深1井，深4651米，温度192℃；2006年，葡深1井，钻深5500米，温度220℃，徐深22井，钻深5320米，温度210℃。
⑵、干热岩地热能优势
虽然中国对干热岩的研究和开发起步较晚，但是中国干热岩地热能优势明显，可简单概括为以下4点：
①、资源丰富，3～10千米深度内资源总量大。
②、分布广泛，板缘和板内地热域都有分布。青藏高原及周边、东部第二沉降带等地区资源尤为丰富。
③、绿色无污染、可以再生、用途广泛。利用干热岩地热能发电和梯级利用，不产生环境污染，地热能源可再生。
④、可靠性强，利用系数高，能量输出稳定。
⑶、开发利用概况
近年来，中国也在加大干热岩研发的投入。2010年，国土资源部启动了公益性科研项目“中国干热岩勘查关键技术研究”，主要开展干热岩高温钻探技术方面的研究。
2012年，吉林大学、清华大学、中国科学院广州能源研究所承担了国家高新技术研究发展计划（863计划）项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”，开启了中国专门针对干热岩工程的研究。
中国对干热岩的研究和开发比较晚，但是发展迅速。2015年，十二五规划之后，顺利在福建开凿了第一口干热岩资源勘查深井，井深达到4000米。
2017年8月，在青海共和盆地3705米深处，钻获236℃的高温干热岩体。
2018年3月，在海南省北部地区4387米处，钻获超过185℃高干热岩（非稳态测温）。这是中国东部第一口成功的干热岩钻井。
中国《地热能开发利用“十三五”规划》提出，在“十三五”时期，中国将开展干热岩开发试验工作，建设干热岩示范项目。通过示范项目的建设，突破干热岩资源潜力评价与钻探靶区优选、干热岩开发钻井工程关键技术以及干热岩储层高效取热等关键技术，突破干热岩开发与利用的技术瓶颈。
中国干热岩储量很大，但是目前的开发条件还不是很好，真正开发出来还是有一定难度，有很长的路要走。
业内专家预测，到2030年左右，随着干热岩开发取得长足进步，干热岩发电将会成为中国可再生能源发电的重要一员。
总的来说，中国还处于干热岩勘探、开发利用的起步阶段，但是已经有不少专家正在从事干热岩研究，表示其前景看好。
⑷、青海共和盆地取得重大突破
2017年9月，在青海省共和盆地取得重大勘察突破，初步建立起不同尺度下干热岩勘查开发选区评价体系和干热岩资源评价方法。青海共和盆地发现的干热岩深度3705米，温度高达236℃。
青海地勘人员在共和盆地成功钻获温度高达153℃的干热岩。这是中国首次发现大规模可利用干热岩资源。该资源属清洁能源，可用于地热发电。
共和盆地位于青藏高原腹地。这次已钻获的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广的特点，填补了中国一直没有勘查发现干热岩资源的空白。据青海省水文地质工程地质环境地质调查院专家介绍，在共和盆地钻获的干热岩致密不透水，1600米以下无地下水分布迹象，符合干热岩的特征条件。该岩体在共和盆地底部广泛分布，钻孔控制干热岩面积达150平方公里以上，干热岩资源潜力巨大。有关专家称，青藏高原在隆升过程中形成了一系列地热资源。从干热岩地热资源区域分布看，青藏高原南部约占中国大陆地区干热岩总资源量的1/5，资源量巨大。
⑸、建设中国第一个干热岩研究基地
据报道（20180131），1月24日，中国人民政治协商会议青海省第十二届委员会第一次会议期间，九三学社青海省委在会上提案建议在青海设立中国第一个干热岩研究基地，以加快推进青海干热岩资源勘查开发。消息一出，干热岩这一新型能源在地热能行业再次受到了广泛的关注。
2017年8月，中国在青海共和盆地地下3705米深处钻获236℃的高温干热岩体。这是中国首次钻获埋藏最浅、温度最高的干热岩体，实现了中国干热岩勘查的重大突破。
青海共和盆地干热岩勘查项目，由中国地质调查局和青海省国土资源厅共同组织实施，历时近5年。在地热地质调查基础上，采用热红外遥感、高精度航磁测量、天然地震背景噪声层析成像技术、大地电磁测深、放射性γ能谱测量等综合技术手段，先后攻克了高温钻井和深孔高温高压测温等关键技术，成功实现了中国干热岩勘查的一系列重大突破。具体包括：
①、在青海共和盆地成功施工5眼干热岩勘探孔，孔深3000～3705米，井底温度达180～236℃，5眼勘探孔均钻获干热岩体。其中GR1干热岩勘探孔，孔深3705米，孔底温度达236℃，孔内3366米以下深度平均地温梯度为8.8℃/100米，根据国际标准，属高品质干热岩体。
②、科研人员采用地球物理、地球化学、放射性调查等综合技术手段圈定了面积达3000平方千米的干热岩体分布区。采用体积法、比拟法等国际通用方法，理论上估算其远景资源量十分可观。
③、通过该项目，初步建立了干热岩地热地质调查、地球物理勘查、地球化学勘查和钻探等综合勘查技术方法体系。并研发了具有自主知识产权的分布式光纤测温仪和干热岩地层钻孔GRY-1型测斜测温仪，首次实现了干热岩深孔测温突破。
④、研究提出了以青海共和盆地为代表的青藏高原东北缘干热岩地质成因模式，初步建立了不同尺度干热岩勘查开发选区评价指标体系及资源评价方法。
青海省地处世界的第三极——青藏高原，新构造活动十分活跃，具有产生强烈水热活动的地质构造条件，地热资源丰富。青海共和盆地恰卜恰已进行了7口勘探井的施工，其中4口达到干热岩标准；贵德盆地扎仓沟已进行了4口勘探井的施工，其中2口达到干热岩标准；福建漳州已进行了1口干热岩科探井的施工。
从干热岩地热资源区域分布看，青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%，资源量巨大且温度较高。据青海省水文地质工程地质环境地质调查院相关项目负责人介绍，由该院实施的4眼干热岩勘探井控制的恰卜恰干热岩体东西长21.2千米、南北宽14.3千米，面积约303平方千米；评价结果表明，干热岩体资源总量为1640艾焦，折合标准煤560亿吨。此前，在青海省海南藏族自治州共和县也发现了干热岩资源。由此看来，与其他地区相比，青海省的干热岩资源，不仅埋藏浅，温度高，而且储量大，具有更为明显的开发利用优势。
因此，本次青海省第十二届委员会第一次会议的九三学社政协青海提案建议青海应争取国家立项，设立中国第一个干热岩研究基地，并将其打造成高原特色产业，引导各方面资金进入，逐步聚集勘查、钻探、开发各环节，形成上下产业链条，立刻受到了地热能行业的关注。
当然，中国的首个干热岩研究基地最终落地何处？现在尚未定论。人们将持续关注。
⑹、山西干热岩供暖项目
据报道，作为山西首个干热岩供暖项目，已在近4万平方米的建筑范围内使用干热岩进行供暖，节能环保，供暖效果好。
按照首批供热范围的面积计算，使用干热岩供暖一个采暖季（4个月）可代替标准煤590吨，比传统供热模式减少二氧化碳排放约1470吨，减少二氧化硫排放约38吨。
该项目从2017年11月1日开始启动，供热面积近4万平方米，不烧煤、不用天然气，室内温度就能恒定，舒适洁净。
干热岩供热属于分布式能源，不需要建设热源厂和开挖、铺设大量的热力管网，场地选择灵活。干热岩供暖就是利用地层每下降100米温度大约提升高3℃的规律，在建筑物建设红线内，利用钻机向地下2000～4000米高温岩层钻孔，在直径大约200毫米钻孔中，安装一种密闭的管道式金属换热器，通过热载体和介质传热将地下深层热能导出，并通过专用的热换设备系统向地面建筑供热。
该项目的研发方介绍，干热岩供暖的初期建设投资与传统供热投资相比成本较低，地下换热器等相关设备寿命长达70年，干热岩供暖温度可达23摄氏度以上。干热岩供热技术能同时制热、制冷，提供全年生活热水。
目前，干热岩供暖、制冷、发电技术已经获得“地能干热岩换热装置”、“地能干热岩树状多点换热系统”等6项专利。在干热岩供暖技术推广开来以后，将进一步探索干热岩发电技术。热、电联产才是干热岩开发利用的终极目标。与传统的热电站相比，干热岩供暖无废水、废气排放，对有效改善区域内居民的生活环境，实现低碳环保、节能减排、治污减霾具有重要意义。
⑺、中国东部第一口干热岩钻探参数井
据报道（20181108）,中国石油网消息，经过66天的钻探施工，渤海钻探第一钻井公司50669钻井队成功在海南琼北地区深度4387米处钻获超过185摄氏度高温干热岩（非稳态测温）。这标志着中国东部第一口具有独立知识产权的干热岩参数井——琼北花东1R井圆满完井。
干热岩地热能优点数不胜数。它不受季节、天气等因素影响，相比其它清洁能源，具有稳定性好、安全环保和高效节能等优点，被公认为极具战略潜力的替代清洁能源。目前，欧美等发达国家已经开展了40多年的研究，并建立了多处研究和开发基地。中国对干热岩的勘查开发尚处于探索阶段。
2019年6月3日编写于重庆
2019年8月30日修改于重庆
2022年3月20日修改于重庆
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