干熱巖：高性價比的新興能源

□ 徐藝真

干熱巖是極富潛力的新能源，在化石能源日益枯竭的背景下成為極大的誘惑。

多吉院士（左三）帶領專家組現場考察干熱巖鉆孔巖芯。李曉東 供圖

近年，關注新能源的人可能都注意到，干熱巖的開發應用在中國已經悄然升溫。

2017年9月6日，中國國土資源部地質調查局在我國青海正式宣布：我國科學家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體。消息一經傳出，在世界上引起強烈的關注。這是因為，許多國家做夢都想要實現規模開發利用的新能源開發技術制約，竟率先被中國突破。

今年4月，海南清潔能源發展有限公司第一口具有獨立知識產權的干熱巖開發實驗井圓滿完鉆，媒體稱，這是我國第一個進入開發階段的干熱巖鉆井成功案例，對我國干熱巖地熱能的開發利用具有里程碑式的意義。

5月5日，中國干熱巖選區、勘探和開發學術研討會在海南召開。李廷棟、曹耀峰和多吉三位院士在內的近兩百名國內地熱專家和企業代表出席研討會，交流干熱巖研究和開發經驗，聚焦干熱巖“海南探索”的新成果。

8月下旬，江蘇省國土資源廳在南京組織召開了“干熱巖勘查專家咨詢研討會”，意在加快推進江蘇省干熱巖調查評價工作。會議就江蘇省干熱巖的形成條件、勘查方法技術、靶區優選及工作部署等方面進行深入探討，提出建設性意見和建議，為下一步圈定若干干熱巖靶區，并擇優進行鉆探驗證，力爭干熱巖勘查盡快實現重要突破。干熱巖，再次闖入公眾的視線。

干熱巖到底是什么東西

通俗地講，干熱巖體就是干的、熱的石頭。其科學定義是：溫度大于200℃，埋深1千米以上，地球內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

地球物理學告訴我們，地球就是一個巨大的能量體，越往地下深處，溫度越高。干熱巖就是一般埋深在數千米、溫度大于200℃的高溫巖體。作為一種新興的地熱能源，可以利用它來發電，并實現梯級利用。

干熱巖不像太陽能或風能，受天氣和環境的制約，它可以在任何天氣下提供穩定高效的能量；它也不像傳統火電，會產生污染，其建設成本比核電和水電更低。專家總結概括了7個方面的優點：（1）突破用地制約，在受熱建筑物附近向地下鉆孔，不需建市政配套管網，具有普遍適用性；（2）只抽取地下熱能，不需要取地熱水，保護水資源；（3）綠色環保，無廢氣、廢液、廢渣等任何污染物排放；（4）節能減排效果明顯，以一個采暖季（4個月）的100萬平方米建筑為例，與燃煤鍋爐相比，干熱巖供熱可替代標煤1.6萬噸，減少二氧化碳排放量4.3萬噸，減少二氧化硫排放量136噸；（5）投資小、運行成本低，按照一個孔（井）可以解決1萬～1.3萬平方米建筑的供暖計算，一個小區一次性投資略高于燃煤集中供熱，但其運行成本僅為燃煤集中供熱成本的35%；（6）安全可靠，該技術孔徑小（200毫米），地下無運動部件，對建筑基礎和地質無任何影響；（7）地下熱源再生性穩定，且地下換熱器耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當。更棒的是，干熱巖體儲量非常豐富，可循環利用，可滿足人類長期使用的需要。

據我國國土資源部中國地質調查局的數據，全國地殼3～10千米深處陸域干熱巖資源量為856萬億噸標準煤。按照國際標準，以其2%作為可采資源，全國陸域干熱巖預測可采資源量達17萬億噸標準煤，與美國的資源量約在同一數量級。

從區域分布上看，青藏高原南部占中國內地干熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高；其次是華北（含鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹）和東南沿海中生代巖漿活動區（浙江、福建、廣東），分別占總資源量的8.6%和8.2%；東北（松遼盆地）占5.2%；云南西部干熱巖溫度較高，但面積有限，占總資源量的3.8%。

以我國2016年全年能源消費總量大約43.6億噸標準煤作為基數來計算，干熱巖的可采資源量可供我國使用3900年左右，這比可燃冰的可使用年限要多幾百倍。

干熱巖是極富潛力的新能源資源，在化石能源日益枯竭的背景下具有極大的誘惑。目前世界各國都在研究它的開采利用，但苦于開采技術不過關，一直未能獲得根本性突破。

干熱巖發電的優勢明顯

干熱巖較之傳統水熱型的地熱，最大優點是資源穩定、均勻，不會出現過量開采而出現水位下降，或者資源枯竭的情況；而且其來自地球內部的供熱，無處不在，用以發電，不受季節、氣候的影響，其發電成本較低。

干熱巖發電的基本原理是：通過深井將高壓水注入地下2000～6000米的巖層，使其滲透進入巖層人工壓裂造出的縫隙并吸收地熱能量；再通過另一個專用深井（相距200～600米左右）將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面，取出的水、汽溫度可達150～200℃，通過熱交換及地面循環裝置用于發電，冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統循環使用。整個過程都是在一個封閉的系統內進行。

不過，干熱巖發電成本受干熱巖儲層的溫度及深度的影響很大（流體到達地面的溫度不同，因而發電效率不同）。目前常規地熱（水熱型）發電系統的總成本（包括鉆井和地面發電設備等）在每千瓦2萬～3萬元，具體取決于熱儲的溫度、深度和巖石滲透率等。值得注意的是，地熱發電后流體還可以用來進行供熱、洗浴等梯級利用，如果考慮這一部分經濟效益，常規地熱開發系統的經濟性還要提高。可以說，干熱巖引導下的地熱能，在新能源領域中的性價比是最高的。

干熱巖商業化開發利用預計到2030年后

干熱巖地熱能的開采方法，目前主要是在不滲透的干熱巖體內形成熱交換系統。

試驗中，常用的地下熱交換系統的模式主要有三種。

第一種模式是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出的“人工高壓裂隙模式”，即通過人工高壓注水到井底，干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙，水在這些裂隙間穿過，即可完成進水井和出水井所組成的水循環系統熱交換過程。

第二種模式是英國卡門波礦產學校提出的“天然裂隙模式”，即較充分地利用地下已有的裂隙網絡。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發育，但另一方面當人工注水時，原先的裂隙會變寬或錯位更大，增強了裂隙間的透水性。在這種模式下，可進行熱交換的水量更大，而且熱量交換更充分。

第三種模式是在歐洲蘇爾茨干熱巖工程中由研究人員提出來的“天然裂隙-斷層模式”。這種模式除了利用地下天然的裂隙，而且還利用天然的斷層系統，這兩者的疊加使得熱交換系統的滲透性更好。該模式的最大優勢也是最大的挑戰，即不需通過人工壓裂，而是通過已經存在的斷層來連接位于進水井和出水井之間的裂隙系統，實現地熱能的高效開發與利用。

近些年來，國際上地熱能的應用和發電技術發展非常迅速，全世界已安裝的常規地熱發電裝機容量目前已達1.3萬兆瓦以上，而我國只有27兆瓦左右，在全世界利用地熱發電的24個國家中僅僅排名第18位。但目前世界上的干熱巖發電廠基本上是試驗性的，規模普遍較小，尚未形成商業規模。

干熱巖發電廠。李曉東 供圖

中國在這方面的研究起步較晚，尤其缺乏關鍵技術。國家2012年頒布的“863”計劃，支持《干熱巖熱能開發與綜合利用技術》項目啟動，開始了干熱巖開發利用的關鍵技術研究。目前，我國已初步篩選出干熱巖勘查開發的重點區域：東南沿海地區、藏南地區、大同盆地、松遼平原、環渤海地區、長白山地區、五大連池地區、雷州半島地區、瓊北、川西、滇西、華北平原、蘇北盆地、關中盆地、塔里木盆地、柴達木盆地、準噶爾盆地、阿爾山地區、塔什庫爾干地區。

但是，相對其他形式的新能源，干熱巖開發利用成本高，這是制約發展的根本因素。目前包括風能、太陽能、常規地熱能的利用，大部分企業已能實現持續運營。其次，干熱巖開發需要大量水源，因此只有干熱巖資源和水資源都豐富的地區才適合大規模開發。再次，干熱巖開發有許多技術難題，預計要到2030年后才能實現商業開發。