共和干熱巖“熱”的奧秘

中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 河北 保定 071051

共和縣位于青藏高原東北緣,青海省的東北部,北靠青海湖,南臨“母親河”—黃河,素有“青藏咽喉”之稱。共和縣擁有農(nóng)牧資源、礦產(chǎn)資源、水資源、地熱資源、旅游資源、動植物資源、風能資源、太陽能資源等七大優(yōu)勢資源。

經(jīng)勘查表明,共和盆地地熱資源種類齊全,淺層地熱能、地下熱水、干熱巖三種類型均有發(fā)現(xiàn),具有水豐、質(zhì)優(yōu)、宜開采特點,資源前景廣闊,開發(fā)利用潛力大。2017年8月,中國地質(zhì)調(diào)查局與青海省國土資源廳共同組織實施的青海共和盆地干熱巖勘查,在3705米深處鉆獲高溫干熱巖體。根據(jù)干熱巖資源初步評價結(jié)果,若僅開采其中的2%,折合標準煤128億噸,約為2016年全國能源總消耗量的3倍。此外,干熱巖發(fā)電具有發(fā)電能力穩(wěn)定的特點,如能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用,不僅可作為基礎荷載促進新能源集中區(qū)的建成,還可豐富共和地區(qū)清潔能源的家族成員。

什么是干熱巖?

干熱巖的概念最早是由美國Los Alamos國家實驗室提出的,目前學術(shù)界普遍認同的干熱巖(HDR)定義是：埋藏于地下3～10km、溫度150～650℃,無裂隙、不含或微含流體的高溫巖體。

干熱巖的巖石類型主要是結(jié)晶巖或變質(zhì)巖類,較常見的有花崗巖、花崗閃長巖、片麻巖等。

干熱巖鉆井巖心

干熱巖的界定條件主要包括以下幾個方面。

埋深：3～10km。目前工程鉆探的極限深度為10km,考慮干熱巖開發(fā)的工程可行性,將干熱巖資源埋深界定成3～10km。

溫度：180～650℃。如將干熱巖看做一種固體礦產(chǎn)資源,則溫度是其重要的“品位”指標,溫度越高,“品位”越好。隨著發(fā)電技術(shù)水平的不斷提高,發(fā)電溫度下限逐漸降低,但考慮目前干熱巖開發(fā)經(jīng)濟可行性,將干熱巖資源溫度下限界定成150℃。

無裂隙、不含或微含流體。干熱巖開發(fā)需借助流體介質(zhì),實現(xiàn)在由地表發(fā)電系統(tǒng)與地下熱交換系統(tǒng)組成的閉合回路內(nèi)的循環(huán)流動,從而將地下熱能轉(zhuǎn)移至地表進行發(fā)電。如若干熱巖體存在大量天然裂隙,必然導致注入的流體介質(zhì)無法回收,從而發(fā)生損失,進而增加干熱巖開發(fā)成本、降低發(fā)電工程效率。

為什么會形成干熱巖?

初步探明的共和盆地恰卜恰干熱巖體,埋深2104－2500米,面積247平方千米,溫度150－236℃,是迄今我國鉆獲埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體。為什么在共和地區(qū)會形成干熱巖,是眾多民眾及專家學者共同關(guān)注的話題。

根據(jù)共和盆地深部地質(zhì)構(gòu)造與綜合地球物理勘查技術(shù)方法,初步認為共和盆地干熱巖熱能聚集模式為：以發(fā)育于地下8～32km,東西向長約50km的部分熔融層供熱,中晚三疊世花崗巖儲熱,大厚度新生代泥質(zhì)巖類沉積蓋層二次聚熱。通俗來說,部分熔融層就像火柴,花崗巖就像鍋中的水,上部的蓋層就像鍋蓋。

如何尋找干熱巖?

尋找干熱巖是干熱巖開發(fā)的先決條件。國外尋找干熱巖的位置主要包括：高溫水熱型地熱田旁側(cè)、油田高溫異常區(qū)、近代火山活動區(qū)和沉積盆地區(qū)。

如需精確探測干熱巖的具體位置,鉆探仍是最有效的手段,但干熱巖鉆探成本極高,成一眼4000m深井花費千余萬元,占干熱巖勘查開發(fā)總費用的50%以上,是制約干熱巖產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的主要因素之一。因此,尋找低成本且有效的地球物理勘查技術(shù)迫在眉睫。

張森琦等在干熱巖深地探測方面,探索出高精度航磁測量篩查,天然地震背景噪聲層析成像與重磁法勘查驗證,大地電磁測深法確定孔位的干熱巖地球物理勘查技術(shù)體系。并以此為依據(jù),在共和盆地及其外圍圈定出18處干熱巖體,總面積達3092km2。

干熱巖如何開發(fā)?

干熱巖資源潛力巨大,但距規(guī)模化開發(fā)利用還相去甚遠,其中還包括許多技術(shù)難題需要攻克,如精確的地球物理勘查技術(shù)、高溫鉆完井技術(shù)、人工壓裂及儲層連通技術(shù)、資源評價技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)等。

在干熱巖概念基礎上,提出的增強型地熱系統(tǒng)(EGS),是指通過人工致裂形成裂隙型熱儲,技術(shù)經(jīng)濟地采出高溫地熱能主要用于發(fā)電的工程系統(tǒng)。

增強型地熱系統(tǒng)的基本原理是,通過深井將高壓水注入地下2～6km的人工儲層內(nèi),使其通過滲透循環(huán)而吸收熱能；再通過開采井將高溫水、汽通過生產(chǎn)井抽出地表用于發(fā)電；冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用,整個過程都是在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)進行的。

在干熱巖開發(fā)方面,目前最為矚目的是美國能源部2015年實施的“干熱巖地熱能前沿瞭望臺研究計劃”。該計劃到2050年實現(xiàn)10萬兆瓦以上發(fā)電規(guī)模,較目前水熱型地熱發(fā)電量增加近100倍,以滿足美國1億家庭綠色電力供應,并成為清潔、可靠、靈活和可再生新能源的代表。

2017年8月,中國地質(zhì)調(diào)查局與青海省國土資源廳共同組織實施的GR1井,在共和縣恰卜恰鎮(zhèn)3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體,社會影響巨大,部局領(lǐng)導高度重視。2018年中國地質(zhì)調(diào)查局正式開展“共和盆地干熱巖資源調(diào)查評價與EGS示范工程建設”項目。自此,拉開了中國干熱巖開發(fā)的序幕。