干热岩是一种清洁的可再生的特殊地热资源。现在,一些发达国家已进入到干热岩的实际开发利用阶段,并取得了很好的效果。但是,对这一资源的勘查开发利用,我国尚在起步阶段。
    对此,中国地质科学院勘探技术研究所的两位专家建议,在我国进一步优化能源消费结构、坚决降低碳排放战略的实施过程中,应将干热岩的勘查开发利用研究上升到国家层面。
    干热岩,储量巨大的新型能源
    勘探所科技处长冉恒谦介绍,干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体,主要为变质岩或结晶岩类岩体,普遍埋藏于距地表2~6公里的深处,其温度范围在150~650℃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、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等。
    “干热岩也是一种地热资源。但属于温度大于150℃的高温地热资源,而且其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型和岩浆型的地热资源。”冉恒谦说,现阶段来说,干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。
    他说,更重要的是,干热岩资源的特性使其拥有了巨大的开发利用潜力,并有可能成为我国关停小火电厂后国家电网能量补充的重要渠道:
    一是干热岩具有广泛的分布性特点,一些科学家甚至说它是无处不在的资源。有关研究表明,世界各大陆地下都有干热岩资源。
    二是干热岩是一种洁净的新能源。冉恒谦说,目前,人们主要利用干热岩来发电,其基本原理是通过深井将高压水注入地下2~6公里的岩层,使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量;再通过另一个专用深井将岩石裂隙中的达150~200℃的高温水、汽提取到地面,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。与火电厂比,在发电的过程中不会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;与水电比,不会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。且在发电的过程中,几乎完全摆脱了外界干扰。
    三是干热岩热能取之不尽。有关研究表明,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,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。
    “具备这些特点和优势,从理论上说,随着相关技术的发展,利用干热岩发电一定可以补齐因小火电关停而形成的电力缺口,干热岩电厂也必将会成为国家电网中不可或缺的重要部分。”冉恒谦充满自信地对记者说。
    利用干热岩发电已有成功模式
    据他介绍,经过多年研究与探索,美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。在采热的关键技术,即在不渗透的干热岩体内形成热交换系统试验中,形成了三种地下热交换系统模式:
    人工高压裂隙模式,最早由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出,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。
    天然裂隙模式,由英国卡门波矿产学校提出,即充分利用地下已有的裂隙网络。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,而且热量交换的更充分。
    天然裂隙—断层模式,由欧洲苏茨(Soultz)干热岩工程中的研究人员提出。即利用地下天然裂隙和断层系统的叠加,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,即不需通过人工高压裂隙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。
    “据了解,目前已有少数国家建有试验性干热岩发电厂,但规模较小。”冉恒谦同时坦承:“受经济、技术等条件的限制,干热岩发电目前在全球尚未形成商业规模。”
    我国干热岩利用研究应从调查开始并尽快提速
    勘探所副所长张金昌认为,对干热岩的开发利用研究应上升到国家层面,并从资源的调查评价开始,尽快启动相关技术的研究。
    他从两个方面阐明自己的这一观点。
    一是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确的重点领域及其优先主题中,第一个领域就是能源方面,其中之一就是可再生能源的低成本规模化开发利用。“干热岩的开发利用正好符合这一发展规划的精神。”张金昌说。
    二是在国家制定的进一步优化电力结构规划中,小火电的关停范围将从此前的10万千瓦以下燃煤机组扩大到20万千瓦机组,这意味着我国还将有8000多万千瓦的小火电要被淘汰。“这部分电力缺口由谁来填补?”张金昌说:“水电、核电是一大选择,但随着相关技术的日趋成熟,干热岩发电也完全可以承担起这一任务来。”
    他说,目前成熟的干热岩调查技术表明,高热流区均处于板块构造带或构造活动带,这些区域是干热岩赋存的集中区。在我国,滇藏、东南沿海、京津冀、环渤海等地区具备这样的条件,已有的地质工作也表明,这些区域分布有范围较大的火山岩体,说明我国具备干热岩地热资源形成的区域构造条件。据初步估算,我国主要高热流区的热储资源相当于标准煤516亿吨。“但这毕竟是理论推测。”张金昌说:“真正要实现干热岩资源的开发利用,还必须从调查评价开始,弄清资源分布的具体位置与资源量。不然,干热岩资源美好的开发利用前景就只能停留在纸上。”
    他强调:“更为重要的是,东南沿海、京津冀、环渤海等地区均是我国经济发达区,经济社会发展速度快、面临的环境压力大、电力需求旺盛,利用干热岩发电可以收获经济、环境等多方面的成果。”
    设立专项 ,为干热岩资源勘查利用提供技术支撑
    张金昌表示,要把干热岩资源开发利用的美好前景变成现实,应从国家层面设立专项,为干热岩资源勘查开发利用提供技术支撑。
    他介绍说,根据这一思路,现在勘探所已组织人员编写了我国干热岩勘查关键技术研究的建议书。在这一建议书中,勘探技术研究所提出了我国干热岩勘查开发应实现的目标、研究的关键技术及内容:
    通过干热岩资源分布及潜力评估研究,提出我国干热岩开发利用的优先选区;通过干热岩的地球物理特征、综合地球物理勘查技术和干热岩地热资源量评价研究,为寻找隐伏干热岩提供有效的勘查手段;通过对干热岩钻探关键技术的研究及工程实施,为干热岩的勘查提供新的钻探工艺技术。完成的干热岩钻探示范孔,可作为今后开展干热岩资源研究、开发利用和其他相关地学科学研究提供试验基地。
    干热岩资源分布及潜力评估。系统收集各类相关基础研究资料,分析典型高温岩体地热资源富集区的地质、环境状况,查明我国干热岩资源的分布,进行干热岩资源现状评价及潜力评估,选择若干干热岩优先开发地区。筛选有代表性的1~2个靶区进行重点勘查评价,及100~200米测温钻孔施工。
    综合地球物理勘查技术研究。研究内容包括适用于干热岩的多种地球物理测量技术试验研究、数据处理和反演技术研究、综合地球物理解释技术研究等。
    干热岩钻探关键技术与装备的研究。应包括抗高温耐腐蚀液动冲击器研制、高温取心工艺及器具研究、高温环境钻孔测斜仪及工艺研究、高温钻井液体系研究、井口高温安全防护装备研究、干热岩钻探设备配套研究等。
    干热岩钻探示范工程。利用干热岩勘查与评价关键技术的研究成果,在选定区域内,实施一口3000米-3500米的干热岩勘查孔,为高温岩体地热资源的研究和开发以及高温高压元素地球化学行为、精细地球物理过程研究等提供科学试验条件,填补我国干热岩勘查开发的空白。
    张金昌表示,目前,我国的干热岩勘查开发利用研究虽然还处于起步阶段,但只要将这一研究上升到国家层面、整合全国的科研力量,就一定能在短的时间内收获较大的成果,使我国干热岩勘查技术赶上并达到国际先进水平。