干热岩科普

干热岩科普近日，《中国国土资源报》一则有关《我国第一口干热岩科学钻探深井开钻》的新闻引起了人们的广泛关注。5月21日，由中国地质调查局组织实施的我国首个干热岩科学钻探深井，在福建省漳州龙海市东泗乡清泉林场开钻，钻探深度将达4000米，这标志着我国干热岩勘查开发进入实践探索阶段。据悉，实施干热岩科学钻探，在我国尚属首次。那究竟什么是干热岩？干热岩有什么用途？本期，小编给您简略介绍一些有关干热岩的知识。一、干热岩的定义和特点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，埋藏于距地表2～6公里的深处，其温度范围很广，在150～350℃之间。干热岩的热能赋存于岩石中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般干热岩上覆盖有沉积岩等隔热层。图一地球内部推测温度分布曲线干热岩是一种地热资源。在学术界，干热岩有时被称为“热干岩”，其英文名称为“HotDryRock”。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。从理论上说，随着地球向深部的地热增温，任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩，因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看，由于技术和手段等限制，干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。目前干热岩开发利用潜力最大的地方，是新火山活动区，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。二、干热岩的用途1、干热岩可用于发电目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，且不受季节、气候制约。而且将来利用干热岩发电的成本仅为风力发电的一半，只有太阳能发电的十分之一。干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层人工压裂造出的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距约200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。（1）（2）图二干热岩发电原理图采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有三种。最早的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。图三地热双工质循环发电系统第二种模式是英国卡门波矿产学校提出的“天然裂隙模式”，即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换更充分。最新的模式，即第三种模式是在欧洲苏尔茨(Soultz)干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工压裂的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。因为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。因此，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。目前，已有部分国家建设了试验性干热岩发电厂，但规模普遍较小，因此尚未形成商业规模。2、干热岩用于供暖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。但因其造价较高，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。如我国陕西四季春清洁热源股份有限公司的干热岩供热技术，目前已成功在陕西省内进行了商业应用。据其施工安装的干热岩供热示范项目——长安信息大厦2013年供暖季的运行数据表明，干热岩供热这一技术在该项目的住宅及商业供热面积共计3.8万平方米中的供热效果良好。干热岩供暖技术是通过钻机向地下2000~4000m深度高温岩层钻孔，在孔中安装一种密闭的金属换热器，将地下深层的热能导出，并通过地源热泵系统向地面供暖的新技术。干热岩供暖技术具有许多优点：（1）突破用地制约，在受热建筑物附近向地下钻孔，不需建市政配套管网，具有普遍适用性；（2）只抽取地下热能，不需要取地热水，保护水资源。（3）绿色环保，无废气、废液、废渣等任何污染物排放。（4）节能减排效果明显。如果在一个采暖季（4个月），以100万平米建筑为例，与燃煤锅炉相比，干热岩供热可替代标煤1.6万吨，减少CO2排放量4.3万吨，减少SO2排放量136吨。（5）投资小、运行成本低。按照一个孔（井）可以解决1~1.3万平米建筑的供暖计算，一个小区一次性投资略高于燃煤集中供热，但是其运行成本仅为燃煤集中供热成本的35%。（6）安全可靠。该技术孔径小（200毫米），地下无运动部件，对建筑基础和地质无任何影响。（7）地下热源再生性稳定，且地下换热器耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当。干热岩供热技术虽然优点众多，但目前在市场推广应用中也还存在着部分困难和问题：一是该技术为新技术，缺乏相关的政策、法规、技术标准等支撑。二是由于该技术在社会上应用较少，希望得到土地、水务、市政、物价等有关部门的认可和支持。开发利用干热岩，从对大气环境的保护角度和资源的储备量讲，其优势是其他能源类别不可比的。干热岩资源在其利用过程中不燃烧化石燃料，因此不会排放温室气体二氧化碳和其他污染物。干热岩储量丰富，并可循环利用，可满足人类长期使用的需要。三、干热岩的国际发展现状1、美国干热岩利用介绍迄今在干热岩发电技术方面迈出最早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1974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4400米，岩体温度为330℃，热交换系统深度为3600米，交换出的热量由最初的3MWt到最后的10MWt。试验地选在火山地区，干热岩体为花岗闪长岩，大地热流值超出大陆地壳平均值的3倍，达250毫瓦每平方米。由于塌孔和设备损坏等原因，2001年美国能源部终止了在芬顿山的干热岩试验项目，另开启了几处水力压裂和储层改造类项目，其中在盖依瑟斯的项目增加了原有地热发电厂的发电能力。最近，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。2、英国干热岩利用介绍英国卡波尔矿业学校在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2600米。试验岩体是花岗岩，地热梯度为35℃/km，大地热流值达120毫瓦每平方米，是英国最高的热流值。3、日本的干热岩利用介绍日本有两处干热岩实验项目，最早从1982年开始在雄胜钻井，后来1989开始在日本的山形县试验，打了四个钻孔，深度在2000～2200m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，探讨了通过人工压裂在岩体上形成热交换系统的寿命长短。4、澳大利亚干热岩利用介绍澳大利亚在2003年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。在4500米的深处，干热岩的温度就高达270℃。项目的开发商是成立于2000年的地球动力学有限公司。在2003年9月，该公司花了1160万澳元钻了第一口注水井，而且通过注水成功地在花岗岩中生成了一系列永久的连通空隙，2009年在钻成第三口井后循环出了175℃流体，但三号井毁于爆炸事故，后2012年钻成四号井及压裂连通后，1兆瓦发电试验成功。此外，南澳大利亚和新南威尔士州政府也支持了另一些干热岩试验项目。5、德国的干热岩利用介绍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。即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1983年以来，德国在阿尔萨斯地区开发干热岩试验场，在布鲁赫萨尔开始钻井和试验，90年代暂停，2000年德国新能源法发布后加强试验，2009年卡琳娜循环发电成功。2012年又在该地区的兰道3兆瓦和印希姆5兆瓦发电成功。这些结果证明，在非火山活动地区的一般地质条件下，可以应用该项技术，利用地热能稳定、可靠地提供电力。6、法国的干热岩利用介绍在法国阿尔萨斯州北部苏尔茨，1987年以来，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3590m和3876m，井底温度在150～170℃之间。1997年对两口井进行了为期4个月的循环测试。此后，3876m的井钻深至5000m，基底岩石温度高达200℃。2011年2采1灌利用朗肯循环发电，是世界第一座兆瓦级（1.5兆瓦）成功发电。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。7、瑞士的干热岩利用介绍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℃。8、瑞典的干热岩利用介绍位于瑞典西海岸的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70米的三口井，用于描绘预想中地下热交换系统的特征。四、我国干热岩的分布及开发利用进程我国地热资源丰富，经科学测算，中国大陆3千米至10千米深处干热岩资源总计为2.09×1017艾焦耳，合7.149×1014吨标准煤，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%。据国土资源部地热业务中心筹备办公室主任、地热研究室主任王贵玲介绍，国内对干热岩的接触始于上个世纪90年代，中国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所在北京房山区合作进行了干热岩发电的研究试验工作。2012年，国家“863”计划支持了《干热岩热能开发与综合利用技术》项目启动，中国开始了干热岩开发利用的关键技术研究。此后，中国地质调查局地热资源调查研究中心编制了《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》，计划在掌握全国干热岩资源与潜力的基础上，找出优先开发靶区，建立干热岩勘查示范基地，形成我国干热岩勘查开发的关键技术体系，推进我国干热岩技术商业化。按照《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》，我国将评价全国干热岩资源与潜力，找出优先开发靶区，建立干热岩勘查示范基地，形成我国干热岩勘查开发的关键技术体系，推进我国干热岩技术商业化。这些目标分三个阶段完成：2013～2015年是第一个阶段。这个阶段将评价重点地区干热岩资源数量与品级，圈定干热岩靶区，初步建立干热岩勘查开发试验研究基地。第二阶段是“十三五”的5年。要评价出全国干热岩资源的潜力，圈定出一批勘查开发