沉睡的宝贝——干热岩

　　干热岩地热发电系统示意图

　　编者按

　　青海地勘人员日前在共和盆地成功钻获温度高达153℃的干热岩。它们埋藏浅、温度高、分布范围广，填补了我国一直没有勘察发现干热岩资源的空白。那么，干热岩资源有什么价值？开发利用这类资源有什么困难？本期应知为您解读。

　　什么是干热岩

　　目前，人们对干热岩还没有统一的定义。早期，干热岩地热资源通常指温度大于200℃、埋藏于距地面两公里以下、无裂隙的岩体。但也有科学家认为，定义干热岩时，其温度与埋藏深度等条件不必过于严苛，只要岩体温度高、埋藏深度合理、内含流体较少（或不含流体）、能用干热岩技术来提取岩体中的热量的岩体均可称为干热岩。

　　干热岩发电是20世纪70年代由美国加州大学研究人员提出的。其基本理论是在高温但不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体中，通过水力压裂等方法制造出一个人工热储水库，将地面冷水注入地下深处以获取热能，然后将热水导出至地面进行发电。

　　我国干热岩资源如何分布

　　我国地热资源丰富。经科学测算，有国内专家认为，中国大陆3~10公里深处干热岩资源总计为2.09×107EJ，合7.149×1014吨标准煤，高于美国本土（不含黄石公园）干热岩地热资源量（1.4×107EJ）。若按2%可开采资源量计算，相当于中国大陆2010年能源消耗总量的4400倍。

　　从我国干热岩地热资源的温度上看，3~10公里深度内，小于75℃的干热岩资源占总资源量的2%；75℃~150℃的占43%；大于150℃的占55%。由于干热岩温度随着埋藏深度的增加而升高，资源量也与深度呈正比，考虑到我国大陆地区的热状态、干热岩开发的经济性和当前开发以发电为主要目的，现阶段的开采深度在4~7公里比较适宜，这一深度可开采的干热岩热储温度为150℃~250℃。

　　从区域分布上看，青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的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%。

　　如何最佳选址开发

　　地热梯度和热流值较高的地方最有利于干热岩的开发利用，因此，应选择板块碰撞地带，包括海洋板块和大陆板块的碰撞带（如日本群岛和美洲的安第斯陆缘弧）、大陆和大陆板块之间的碰撞带（如印度洋板块和欧亚板块在喜马拉雅山和我国云南等地的碰撞部位）、大陆内部的断陷盆地地区等。

　　从岩石本身的物理性质考虑，应选择密度大、热传导率高的岩石。也就是说，花岗岩和花岗闪长岩类优于其他的岩石（如辉长岩、玄武岩类）。此外，花岗岩本身含有较高浓度的放射性元素，这些放射性元素不断地衰变并释放能量，从而增加干热岩的热量供应。因而，选址时还应注意花岗岩生成的时间，生成时间越长，其损失的能量越多。

　　理论上，大陆地壳任何部位都有可能作为干热岩的候选地，但实际开发干热岩的经济可行性因素对选址起着重要影响。如何准确选取最佳钻探与开发地，仍是干热岩研究的一个前沿性课题。

　　开发干热岩有哪些益处

　　1.无温室气体排放。基于干热岩资源利用的新式发电系统不燃烧化石燃料，因此不会排放温室气体二氧化碳和其他污染物。

　　2.干热岩可循环利用。冷水变热后可能最终会使岩石温度降低到20℃左右，因此一处干热岩发电站可能只能连续工作20年左右。但是，这个热储库关闭后，地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石。几十年后，这些热岩就能再次被用于发电。而且，在关闭期间，发电站可以得到充分的维修和技术升级，为下次发电做好准备，实现周期性循环发电。

　　3.干热岩储量丰富。开采使用干热岩，可满足人类长期使用需要。麻省理工学院一份研究表明，只要开发地球上3~10公里深度中2%的干热岩资源储量，就能产生2×1020EJ能量，是美国2005年全年能耗总量的2800倍。也有专家保守估计，地壳中距地表3~10公里深处的干热岩所蕴含的能量相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。

　　开发干热岩面临哪些困难

　　1.热储水库建设难。干热岩地热利用，要求在地下形成广泛的裂隙，让低温水流经它们来实现干热岩热交换，其前提是要打造地下热储水库。目前，主要有人工高压裂隙、天然裂隙、天然裂隙-断层3种模式。其中研究最多的是人工高压裂隙模式，即人工高压注水到井底，高压水流使岩层中原有的微小裂隙强行张开或受水冷缩产生新的裂隙。随着低温水的不断注入，裂缝持续扩大、增加，并相互联通，最终形成面状的人工热储水库。人们还可利用微震监测系统、化学示踪剂、声发射测量等方法，监测并反演出人工热储水库构造的空间三维分布。

　　2.钻井技术与装备要求高。开发干热岩地热资源需要深井钻探，钻打高温岩体钻头的耐热度需要达到350℃。另外，在实际工作中需要应用防斜钻井技术，这将增加开发过程中的难度和生产费用。

　　3.用水与水源问题。这项工艺需要借助大量水的循环。每次提取地热资源时，都要给地下岩石水库注水，在循环过程中流失的水还得补充。因此，热储库周边应当有充足的水源供应。当然，也有专家正在研究用超临界的二氧化碳作为循环液。这种方法可以避免水溶液注入可能产生的一系列问题，同时实现二氧化碳的资源化。不过，这项研究才刚刚起步，仍有不少技术难题有待解决。

　　此外，除技术发达国家外，世界上大部分国家对干热岩领域重视不足，基础地热地质勘察工作薄弱，勘察手段不完善，基础研究不深入等，也制约了干热岩资源的商业性开发。

　　小百科

　　国外研究起步早

　　美国

　　美国是最早对干热岩开发进行研究的国家，在新墨西哥州中北部的芬顿山成立了干热岩研究中心。美国政府于1973年资助针对干热岩开发的增强型地热系统试验研究，1977年获得成功，最深钻孔达4500米，岩体温度为330℃。1984年，美国建成了世界上第一座高温岩体地热发电站，发电功率由最初的3兆瓦提升至10兆瓦，地热流值达250毫瓦每平方米。

　　日本

　　日本政府自1980年开始资助一项研究干热岩发电技术可行性的项目。在山形县设置了4个钻孔，深度为2000米~2200米，岩体温度为250℃，并进行了多次短期的水压测试。1988年，日本政府还和几个私人机构在岩手县资助了一项研究水-岩体间热交换的项目。此外，日本从早期就十分注重国际合作。1980年~1986年，他们积极参加美国洛斯阿拉莫斯国家实验室项目，同时与欧洲的科研机构开展合作。

　　德国

　　1977年~1986年，欧共体资助德国在巴伐利亚州东北部开展了一项针对增强型地热系统的研究。在较浅的深度下，研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的形成规律以及水在这些裂隙中的运移规律。

　　澳大利亚

　　澳大利亚于2003年在库珀盆地开展了一个有关干热岩利用的项目，勘察结果显示，在地下4500米深处，干热岩的温度高达270℃。项目开发商于2009年钻了第一口注水井，并通过注水成功在花岗岩上压裂生成一系列永久的连通裂隙。