干热岩及其开发利用全文.docx

1、干热岩及其开发利用全文干热岩及其开发利用（全文）胡经国一、寻找新能源干热岩1、人类面临能源资源短缺为了解决能源短缺的问题，人们做了许多努力。人们因地制宜，在地势平坦的地区建起了核电站；在沿海城市推进了潮汐发电；在偏远的山区架设了风力发电机，在阳光充足的地方安装了一片片的太阳能电池板实施光伏发电，等等。这些新型能源大家似乎已耳熟能详。但是实际上，在地球深处还隐藏着一种巨大的能源。它存在于那些不起眼的岩石之中。这种利用岩石中的热能发电的技术被称为干热岩发电。说起能源问题，中国自1993年起就从能源净出口国变成了净进口国。也就是说，我们的本地能源产出已经供不应求，从此走上了从别的国家购买能源的不归路

2、。2、人类目睹火山喷发的巨大能量人类在目睹了火山喷发的巨大能量之后，就一直在寻找开发这种古老而巨大的能量的方法。经过多年的寻寻觅觅，人们终于找到了一种利用干热岩发电的技术。它是在1970年由美国人莫顿和史密斯提出；但是，它的提出并没有引起多少人的注意。甚至到了科学技术迅猛发展的2018年，它的潜在价值也没有被很好地发掘。3、石化和常规清洁能源的局限性随着日本地震引发福岛核电站事故，核电发展在全球降温，而采用化石能源也越来越受到碳减排的制约。发展清洁能源成为各国加快发展的关键，而中国随着国民经济高速发展，目前碳排放已居世界第一。继续增大碳排放量必然受到西方大国的反制。因此，发展清洁能源是为中国经

3、济高速发展提供能源保障的必然之选。目前，虽然太阳能、风能、水能都是清洁能源，但是水能经过几十年持续开发，继续发展潜力有限，而风能、光能成本仍是制约其进一步发展的关键。在这种形势下，发展地热资源成为一种相对经济、可行的途径。在地热能中，干热岩是一种分布最为广泛、热储量最大的一类能源载体。随着人类对能源需求的不断增长，全世界的人们越来越担心传统矿物能源大量使用带来的资源枯竭问题和对环境的污染问题，并开始关注可再生且无污染的能源，如太阳能、风能、水能等。但是，这些可再生能源的开发利用受诸如气候等外界环境制约，不能稳定生产。尤其是资源丰富的水力发电，不仅受降雨量变化影响，而且还对流域生态环境产生不同程

4、度的破坏。因此，各国科学家们都在不断探索，努力寻找各种不受外界环境影响、又对环境破坏和污染很小的新能源。发达国家试验研究表明，利用资源极为丰富的干热岩发电，几乎不受外界环境影响，几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源取之不尽、用之不竭，被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。目前，国际上干热岩的开发利用还处于试验阶段；不过，科学家预测，2030年左右人类完全可以掌握必要的技术，利用干热岩大规模发电。4、干热岩是一种洁净新能源在可燃冰（天然气水合物）钻获之后，又发生一件可能改变能源版图的大事，那就是干热岩的钻获。专家认为，地热资源已成为新能源中的佼佼者，而干热岩则是其中最具应用价值和

5、利用潜力的清洁能源。干热岩的应用将可能改变能源利用的版图，并且必将推进能源结构的清洁化。干热岩是全球公认的高效低碳清洁能源。在干热岩开发过程中，主要通过注水井注入冷水来吸收岩体热量，将注入水转化为蒸汽，再通过抽气井将高温蒸汽抽取到地表进行利用。在其开发过程中，几乎不产生氮、硫、氧化等污染物。与传统水热型地热开发相比，干热岩是以固体形态存在的高温岩体，温度越高，能量资源越丰富。在其开发利用过程中，不会出现其它的环境问题，也不受过多的环境因素的制约和影响。干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用，而且在利用的整个过程中处于封闭循环系统。因此，干热岩的利用不会出现像热泉等常规地热资源利用的麻烦，即没

6、有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质出现。不仅如此，干热岩发电既不像火电那样，向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物；而且也不像水电那样，因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。此外，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。干热岩发电不像水电那样受水坝所在河流流域降水量多寡的影响，而且也不像火电那样易受市场上燃煤或油气价格变化的影响。5、干热岩热能取之不尽全球干热岩蕴藏的热能十分丰富，比蒸汽型、热水型和地压型地热资源大得多，比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。在较浅层的干热岩资源中，蕴藏的热能等同于100亿夸特（即quad，1夸

7、特相当于18000万桶石油，而美国2001年能源消耗总量是90夸特）。这些能量是所有热液地热资源评估能量的800倍还多，是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多（Tester，et al. 1989）。即使是在局部地区，干热岩的热能储量也十分惊人。例如，在美国芬顿山（Fenton Hill）干热岩期工程期间，恒定条件下，4年期间11个月的循环测试所获得的热能就高达1000亿个英国热量单位BTU（Duchane，1997）。干热岩是一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭。目前，世界上众多经济较发达的国家对干热岩的发电研究方兴未艾。可以预见在不久的将来，随着相关技术的迅速发展，

8、利用干热岩所发的电能将会成为国家电网中不可或缺的重要组成部分。若不合理地过量开采水热型地下热水，则会出现水位下降或者是资源枯竭等情况。而干热岩资源稳定、均匀，是来自地球内部的热能，因而相对来说其潜力会更大。二、干热岩的定义在中国能源行业地热能专业标准化技术委员会制定的地热能术语中对干热岩（Hot Dry Rock，HDR）给出的定义是：“内部不存在或仅存在少量流体，温度高于180的异常高温岩体。”有关专家认为，干热岩温度太低，开采就没有经济价值。干热岩的开采要实现经济价值，才能确立制度标准，没有经济价值，制度标准没有任何意义。温度太低了，经济上不可行，标准设立为180还是比较适宜的。随着未来技

9、术进步，开采成本会下降，这一温度标准也会往下降。不过，在不同的文献中，对于干热岩的定义有一些大同小异的解说，例如：干热岩（Hot Dry Rock，HDR；或Hot Dry NoodleRock），又叫做增强型地热系统（EGS），或称为工程型地热系统，一般是温度大于200、埋藏深度达数千米、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的岩石成分可以变化很大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩, 但是也可以是中新生代的变质岩, 甚至是厚度巨大的块状沉积岩。由于干热岩主要被用来提取其内部的热量, 因而其主要的工业指标是岩体内部的温度。干热岩正统定义是：增强型地热系统（EGS）。广义上，可以

10、把它理解为一种地热资源，一般是温度大于200、深埋数千米、内部不存在流体或存在少量流体的高温岩体。干热岩的定义比较宽泛，通常是泛指埋藏超过2000米，温度超过150的高温岩体；其特点是无水或含水量极少。与之相对的是“湿热岩”，这种高温岩体中存在天然的裂隙和水。干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体；干热岩埋藏于地下20006000米的深处，温度为150650。三、干热岩能源的用途干热岩能源可用于发电、供热采暖和综合利用等。目前它主要用于发电和供热采暖。1、干热岩能源用于发电目前，人们对干热岩能源的开发利用，主要用于发电。利用干热岩能源发电技术，可以大幅降低温室效应和酸

11、雨对环境的影响，并且不受季节、气候制约。而且，将来利用干热岩能源发电的成本仅为风力发电的1/2，只有太阳能发电的1/10。世界上迄今利用的地热能为距地表10公里以内的热能，已探明的地热资源约为12.61026J，相当于全球煤的经济可采储量所含热量的7万多倍。地球上的干热岩资源占已探明地热资源的30%左右；其中距地表46千米、岩体温度为200的热干岩具有较高的开采和利用价值。干热岩作为一种可再生的清洁能源，可在地热发电中得到应用。干热岩地热发电的流程为：注入井将低温水输入热储水库中，经过高温岩体加热后，在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。发电后，将冷却水排至注入井中，重新循环，反复

12、利用。干热岩地热发电不仅可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，而且具有电价竞争力。在采用先进的钻井和人工热储水库技术条件下，干热岩地热发电比传统火力、水力发电更具有电价竞争力，届时干热岩地热资源将成为全球的主导能源之一。2、干热岩能源用于供热干热岩因其得天独厚的较高温度，一旦成功开采出来，将是冬季供暖的良好热源。但是，由于其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。因此，用干热岩技术来进行集中供暖是比较合适的选择。目前，除欧美等技术发达的国家以外，世界上大部分国家对干热岩领域的基础地质勘察工作薄弱，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。四、干热

13、岩发电试验研究现状早在1970年，美国人莫顿和史密斯就提出利用地下干热岩发电的设想。1972年，美国在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦，标志着干热岩的开发利用研究从概念模式转入到实验阶段。此后，这种发电技术引起了世界各国的关注，一些经济发达、能源消耗量大的国家竞相开展干热岩发电技术的研发工作，甚至纳入到国家开发研究计划。通过国际合作和各国不断努力，美国、日本、英国、法国、德国等国家在过去20年相继进行了有关方面的实验，基本掌握了干热岩发电各个环节的技术。随着技术的熟练，试验电厂的发电量也逐渐由3M

14、W增大到11MW，更加接近商业开发的规模。1、世界各国试验研究现状、美国迄今在干热岩发电技术方面迈出最大一步的试验是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和能源部在新墨西哥州芬顿山进行的试验。该试验始于1973年，分两个阶段进行，共有110位科学家和工程师参加。在第二阶段，德国和日本的科学家也参与了进来。到1990年止，共投入3亿德国马克。最深钻孔达4500米，岩体温度为330，热交换系统深度为3600米，发电量由最初的3MW到最后的10MW。试验地选在火山地区，干热岩体为花岗闪长岩，每平方米的地热流值是地球表面平均地热流值的3倍，达250毫瓦。2001年，美国能源部终止了在芬顿山的干热岩试验项目，开始了

15、名为“高级地热系统”的计划。美国内务部长会同能源部长责令美国地质调查局建立一个关于干热岩的政府私人间的部门合作计划。该计划要求美国地质调查局勘探、优选并划分出全美国不同利用潜力的干热岩地区，还要为干热岩的利用做些开发活动并发布相关信息。、英国英国卡波尔矿业学校（Camborne School of Mines）在Cornwall实施的干热岩研究项目是迄今世界第二大干热岩试验工程。项目始于1977年，先是在300米深度试验，后钻探的最大深度为2000米。试验岩体是花岗岩，地热梯度为35/km，每平方米热流值达120毫瓦，是英国最高的热流值。、日本自从1970以来，日本一直有计划系统地研发干热岩发

16、电技术，从而大大地推动了国际干热岩发电技术的进程。日本已经有4个大的工程项目，各项野外试验仍在进行之中。从1980年开始，在日本的山形县，日本的通商产业省（MITI）资助了一项旨在研究干热岩发电技术可行性的项目。打了4个钻孔，深度在20002200米之间，岩体温度为250。分别在1991年、1995年、1996年进行了多次短期的水压测试。通过这些试验，探讨了通过人工压力在岩体上形成热交换系统的寿命长短。1988年，日本的教育部和几个私人机构资助了一项研究水岩体间热交换项目，研究地点在岩手县，钻井深度为1500米，岩体温度达200。1988年，由电力工业出资，电力工业中央研究所（CRIEPI）实

17、施了Ogachi工程。该项工程经过了1990年、1992年和1993年多次测试，1995年还进行了为期一个月的循环测试。、澳大利亚2003年，澳大利亚开始了一个有关干热岩利用的项目，项目的地点在库珀盆地。勘查结果显示，在该盆地的热能储量高达500亿桶油当量（据澳洲Metasource公司网站）。在4500米的深处，干热岩的温度就高达270。该项目的开发商是成立于2000年的地球动力学有限公司。2003年9月，该公司花了1160万澳元钻了第口注水井，而且通过注水成功地在花岗岩体内生成了一系列永久的连通空隙；并计划在2004年钻第二口井进行水循环与发电的试验。他们认为，如果这些技术可以发展成商业性

18、的开采，那么就可以把干热岩的热能转换成电能，成为全国电力系统的一部分。此外，新南威尔士州政府也支持由澳洲国立大学属下公司在Hunter Valley开发的干热岩试验厂。 、德国1977-1986年，由欧共体出资，德国联邦研究和技术部在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项干热岩研究。在深度很浅的情况下，研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的机制以及水在这些裂隙中的运移机理。自1987年以来，在阿尔萨斯地区地热能开发试验场，德国联合法国等国的力量对干热岩技术进行了深入研究，已打出两口深度分别为3500米和5000米的试验深井。结果证明，在非火山活动地区的一般地质条件下，可以应用该项技术，利用

19、地热能稳定可靠地提供电力。在德国南部施瓦本地区的小城乌拉赫，也将开始进行一项由德国联邦研究与技术部资助的干热岩试验项目。德国地热协会估计，德国至少有四分之一的电能需求将可以通过干热岩发电得到满足。在斯图加特附近的Bad Urach，早在1980年就为干热岩的研究钻了一口深为3500米的井，井底岩石的温度为147；该井在1992年钻深至4500米，岩石温度达170。目前，由于德国政府加大了在可再生能源方面的投入，因而会有2000万美元的资金用于干热岩电站的建设。2003年末已按计划钻出了第二口井，一个稍具规模的地下热交换系统已经形成，预计在2004年年中可以发电。、法国在法国阿尔萨斯州北部索尔茨

20、索斯弗列的村庄，来自德国、法国、意大利和英国的科研人员实施了干热岩发电试验项目。该试验的资金由欧盟提供。试验地的干热岩体为裂隙发育的花岗岩；两口井深分别为3590米和3876米，井底温度在150170之间。1997年，对这两口井进行了为期4个月的循环测试。此后，3876米的井钻深至5000米，基底岩石温度高达200。如果试验成功，这一欧洲地热开发项目将从2004年开始每年生产20兆瓦的电能，足够为一个人口大约50000人的城市提供所需的电力。另外值得一提的是，法国的环境和能源管理机构在地热能开发计划中明确提到，对于可再生能源，该计划主要关注四个方面，其中首当其冲的是干热岩的开发利用潜力研究。、

21、瑞士瑞士政府支持商业组织对巴赛尔和日内瓦两地的干热岩潜在区域进行勘察，并最终希望能开发利用5000米深处的干热岩热能。这个深度下岩石的温度接近200 。、瑞典位于瑞典西海岸的Fjallbacka，在1984年就被设立为野外试验地，用于干热岩地下热交换系统开发研究，解决地质学与水文地质学问题。最初，这里钻了深度分别为200米、500米和700米的三口井，用于描绘预想中地下热交换系统的特征。2、国际合作计划最早的国际合作始于美国在芬顿山的干热岩期工程。在1980-1986年期间，德国和日本技术人员携带部分资金和相关技术参加到美国的干热岩研究之中，开创了干热岩领域多国协作研究的先河。此后，国际能源署

22、（IEA）牵头实施了一系列有关地热利用的国际合作项目。在众多的地热利用国际合作项目中，与干热岩有关且最为重要的是“地热执行协议”（GIA）中一个时间跨度为4年（1997-2001）的重大计划“干热岩行动计划”（Hot Dry Rock Task）。参与该计划的国家有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国和欧共体。该计划由日本的新能源和工业技术发展组织（NEDO）担任总执行机构。该计划主要是为了对干热岩地热利用技术进行充分研究和开发，力争使干热岩的利用更为经济。该计划有四个子计划。子计划A是“干热岩经济模型的建立”，主要是通过对工程参数（如井深，地热流流速等）、资源特性（如地热温度梯度）、交换系

23、统性能（阻抗、热水水位降低速度）、费用和经济参量的综合分析，计算出利用干热岩发电的总费用。子计划B是“传统地热技术在干热岩开发中的应用”，即回顾与总结最新的和今后可能采用的水平钻探技术、裂隙绘图技术以及在传统地热利用中所运用的高压泵技术，从而把相应的技术应用到对干热岩的利用上。子计划C是“数据的收集和处理”，主要是为今后建干热岩发电厂提供框架性数据，包括项目的计划、特殊工具和服务的适用性，以及回顾与总结世界上较大的干热岩试验工程中所取得的数据、数据分析结果和经验。子计划D是“对地下热交换系统进行评估”，该计划的目标是了解并弄清楚开发一个干热岩地下热交换系统，需要多少资金，需要多长时间，以及该系

24、统可以持续利用多长时间。同时，该计划还要介绍一些可以对交换系统进行有效评估的方法、技术和工具等，从而可以找出适合任何一个新地方开发利用干热岩的最佳方案。五、干热岩开发利用概况1、世界干热岩开发利用、干热岩的分布干热岩的分布几乎遍及全球。用一些科学家的话说，它是无处不在的资源（Duchane，1997）。世界各大陆地下都有干热岩资源。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或构造地体的边缘。判断某个地方是否有干热岩利用潜力，最明显的标志是看地热梯度是否有异常，或地下一定深处（20005000米）温度是否达150以上。、开发利用概况

25、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-Forts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

26、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

27、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。、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、

28、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。、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

29、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

30、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3040/km，热流密度为120W/m，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/m，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

31、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

32、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3.03.5。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、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310千米干热岩资源总量数据为2.51025J，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310千米干热岩资源总量为1.671025J（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