中國干熱巖勘查開發現狀

楊 方，李 靜，任雪姣

(河南省地質測繪總院，河南鄭州 450006)

0 引言

能源問題舉世矚目。人們長期以來所依賴的常規能源，如煤、石油、天然氣等都是一次性能源，不可再生，隨著人類不斷地開發利用，終究會枯竭，而且在利用這些常規能源時不可避免地對人類生存環境產生巨大的污染。因此，科學家們都在積極尋找其他清潔的、可再生的新型替代能源。地熱資源正是這樣一種清潔、可再生的能源，地熱資源屬于寶貴的礦產資源，早在1970年地質部部長李四光先生就高瞻遠矚地提出“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發現煤炭、石油可以燃燒一樣”。而大部分的地熱能都儲存于巖石中，稱為干熱巖。在這種清潔、可再生的地熱資源中，干熱巖最具有應用價值和利用潛力。

1 干熱巖基本特征及其分布

干熱巖(HDR-Hot Dry Rock)是指地層深處(埋深超過2 000 m)普遍存在的沒有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體，主要是各種變質巖或結晶巖體，較常見的干熱巖有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。干熱巖本身具有很高的溫度，呈干熱狀態，溫度范圍很廣，在150～650℃之間，可以作為熱能資源加以利用。因為這種熱能系統不要求巖石具有孔滲條件和含有流體，因而在目前鉆探技術可達到的深度范圍(約10 km)以上分布十分廣泛，幾乎是一種無限的能源類型［1］。

干熱巖的儲量十分豐富，它所儲存的熱能約為已探明的地熱資源總量的30%，比蒸汽、熱水和地壓型資源要大得多，比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。在較淺層的干熱巖資源中，蘊藏的熱能等同于100億夸特(即quad，1夸特相當于18 000萬桶石油，而美國2001年能源消耗總量是90夸特)。這些能量是所有地熱資源評估能量的800倍還多，是包括石油、天然氣和煤在內的所有化石燃料能量的300倍還多［2］。

干熱巖的分布十分普遍，世界各大陸地下都有干熱巖資源。干熱巖開發利用潛力最大的地方一般分布在新的火山活動區或地殼已經變薄的地區，主要位于全球板塊或構造地體的邊緣。判斷某個地方是否有干熱巖利用潛力，最明顯的標志是看地熱梯度是否有異常，一個溫度超過150℃的地下高溫巖體的存在，一定會給周圍的地溫環境帶來很大的異常［3］。

2 干熱巖的開發利用價值

目前，人們對干熱巖的開發利用，主要是發電。干熱巖發電是上世紀70年代由美國加州大學洛斯阿拉莫斯實驗室提出來的。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發達國家已經掌握了干熱巖發電的基本原理和基本技術。

干熱巖發電的基本原理是:注入井將低溫水輸入熱儲水庫中，經過高溫巖體加熱后，在臨界狀態下以高溫水、汽的形式通過生產井回收發電。發電后將冷卻水排至注入井中，重新循環，反復利用，如圖1所示。

在此閉合回流系統中不排放廢水、廢物、廢氣，對環境沒有影響［4］。天然的干熱巖沒有熱儲水庫，需在巖體內部形成網裂縫，以使注入的冷水能夠被干熱巖體加熱形成一定容量的人工熱儲水庫。

圖1 干熱巖發電示意圖Fig.1 The power generation system of hot dry rock

干熱巖發電技術與傳統能源發電技術相比，可大幅降低溫室效應和酸雨對環境的影響;干熱巖地熱發電與核能、太陽能或其它可再生能源發電相比，盡管目前技術尚未成熟，但作為重要的潛在能源，已具備了一定的商業價值。

3 中國干熱巖的開發利用

中國處于全球歐亞板塊的東南邊緣，在東部和南部分別與太平洋板塊和印度洋板塊連接，是地熱資源較豐富的國家之一。按照板塊構造理論，主要受相鄰幾大板塊擠壓作用:西南部受印度洋板塊的擠壓，形成了以1 cm/a速度增高的喜馬拉雅山，這就是著名的青藏高原地熱異常帶，該帶中部有著名的西藏羊八井和東南部云南騰沖地熱異常區;東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在臺灣、海南和東南沿海形成一個高地溫梯度區;東部受太平洋板塊擠壓，形成長白山、五大連池等休眠火山或火山噴發區和京津、膠東半島等高地溫梯度區。這些熱異常區存在著極豐富的高溫地熱資源，是干熱巖地熱資源優先開發區［5］。

到目前為止，中國干熱巖資源開發及其技術研究尚屬空白，許多能源專家和地質工作者認識到此領域的重要性并為此做出了努力。李福等在海南陵水地區進行了深層干熱巖地熱發電項目的勘查選址，結合全島地熱條件對全國首個干熱巖實驗電站的下一步工作提出了建議［6］;曾梅香、李俊研究發現天津地區處于高熱流構造帶附近，據勘探成果分析，滄縣隆起上白塘口西斷裂東側大蘆北口一帶和團泊東南地層深處埋藏著范圍較大的基性火成巖體，預計鉆探至深部中元古界長城系地表以下3 000～4 000 m的巖體溫度可達110～150℃，以厚度550～600 m估算熱巖體所儲存的地熱資源約為1.72 ×1020J，產熱量可達7.15 ×106J/km2，資源前景非常誘人;據初步研究，江蘇省蘇北盆地4 000～5 000 m深度，地溫達到150℃，局部達到170℃，中國能源研究會地熱專業委員會與澳大利亞彼特里特姆公司就“中國干熱巖地熱資源潛力研究”項目進行合作洽談。目的是為了了解江蘇中高溫地熱資源賦存的地質條件，對江蘇干熱巖開發利用的可行性進行調研，以確定下一步工作靶區，開展相關的地球物理勘查和熱物理參數測試等研究，進一步評價選區的潛力［7］;孫知新，李百祥，王志林研究發現青海共和盆地地處“秦昆岔口”的新生代斷陷盆地，盆地內地熱鉆井揭露溫度高，1 203 m鉆孔(R1)實測孔底溫度達83℃，969 m鉆孔(QR1)實測孔底溫度為70℃，地溫梯度高達6～7℃/100 m，是正常地溫梯度的2倍，地熱增溫隨深度增大而升高，推測3 000 m溫度可達200℃，并在(QR1)孔底見36 m花崗巖。地震反射波和可控源音頻大地電磁測深推斷基底斜坡界面對應重力低異常，可認為重力低異常為花崗巖引起，作為盆地熱源可能存在干熱巖［8］;冉恒謙，馮起贈的研究主要針對中國三個重點干熱巖發育區——沉積盆地區(東北、華北、蘇中)、近代火山地區(吉林長白山、云南騰沖、黑龍江五大連池)、高熱流花崗巖地區(福建、廣東、江西)，開展干熱巖熱能資源潛力評估。

4 干熱巖開發存在的問題

干熱巖熱能同其他地熱資源相同有很多環保上的優點，它不會因溢油而污染海岸，無需開礦，無灰，無滌洗排廢，無放射性廢棄物。另外它還具有熱能大、分布廣、不受季節等自然條件的影響等優勢。然而，制約干熱巖熱能長期利用的關鍵在于其技術上的難題。

(1)干熱巖地熱利用要求人們在地下形成廣泛的裂隙，并泵水流經它們來實現干熱巖熱交換系統，換句話說，要造出地下熱儲水庫來。目前，主要有人工高壓裂隙、天然裂隙、天然裂隙—斷層3種模式，其中研究最多的是人工高壓裂隙模式，即通過人工高壓注水到井底，高壓水流使巖層中原有的微小裂隙強行張開或受水冷縮產生新的裂隙，水在這些裂隙間流通，完成注水井和生產井所組成的水循環系統熱交換過程。

(2)鉆井技術與裝備。因為開發干熱巖地熱資源需要深井鉆探，而且鉆打高溫巖體發電井的鉆頭耐熱度需達350℃，另外在實際工作中需要應用防斜鉆井技術［9］，這就增加了開發過程中的難度和生產費用。

(3)國家對干熱巖地熱資源勘查投入嚴重不足，全國大部分地區尚未開展干熱巖資源勘查，基礎地熱地質勘查工作薄弱，勘查手段不完善，后備資源不足。

干熱巖地熱系統的另一個困難是用水和水源。每次啟動前，要給地下巖石水庫充水，流失的水還得補充。

盡管干熱巖地熱能開發任重道遠且費用高昂，但是，同所有其他正在研發的計劃一樣，干熱巖地熱能領域的基礎研究與發展正在進行，其商業性開發指日可待。

5 結語

干熱巖作為一種特殊的地熱資源，可以說取之不盡，用之不竭。成功的干熱巖地熱技術將對地熱利用起革命性作用。中國地質科學院勘探技術研究所副所長張金昌提出了中國干熱巖勘查開發應實現的目標及研究的關鍵技術:

(1)通過干熱巖的資源分布及潛力評估，提出中國干熱巖開發利用的優先選區;

(2)通過干熱巖的綜合地球物理勘查技術研究和干熱巖地熱資源量評價研究，為尋找隱伏干熱巖提供有效的勘查手段;

(3)通過對干熱巖鉆探關鍵技術與裝備研究，為干熱巖的勘查提供新的鉆探工藝技術;

(4)開展干熱巖鉆探示范工程［10］。這是我們所有地質工作者的新課題和新任務，相信通過各方不斷努力，中國的干熱巖地熱將很快被開發利用，在城市經濟建設的能源大軍中占得一席之地。

［1］趙陽升，萬志軍，康建榮.高溫巖體地熱開發導論［M］.北京:科學出版社，2002:4 －5，15，107.

［2］殷秀蘭.干熱巖地熱資源利用前景無限［N］.中國礦業報，2008－10－14:(B04).

［3］冉恒謙，馮起增.我國干熱巖勘查的有關技術問題［J］.探礦工程，2010，37(10):17 －21.

［4］張家強，王德杰.干熱巖:未來清潔的新能源［J］.中國新能源，2005，8(9):24 －33.

［5］曾梅香，李俊.天津地區干熱巖地熱資源的開發利用前景分析［J］.地熱能，2007(6):10 －14.

［6］李福.海南陵水地區深層干熱巖地熱發電項目的勘查選址［J］.地熱能，2010(3):21－27.

［7］徐雪球.中澳聯合研究江蘇干熱巖地熱資源［J］.地質學刊，2008(3):253.

［8］孫知新，李百祥，王志林.青海共和盆地存在干熱巖可能性探討［J］.水文地質工程地質，2011，38(2):119 －129.

［9］劉廣志，湯鳳林.特種鉆探工藝學［M］.上海:上海科學技術出版社，2005.

［10］于德福.干熱巖，尚在沉睡中的寶貝——中國地質科學院勘探所專家談新能源開發［EB/OL］.［2010-08-17］.http://www.jsdk.cn/News/20108/jsdk_201081714594838263/100817145742.html.