陳梓慧，鄭克棪，姜建軍

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081;3.中國能源研究會地?zé)釋I(yè)委員會，北京 100081;4.國土資源部科技與國際合作司，北京 100812)

黨的“十八大”提出了中國“能源生產(chǎn)和消費革命”。這一場能源革命將致力于改變以煤為主的傳統(tǒng)能源格局，轉(zhuǎn)向多元化能源供給模式，非化石能源將迎來巨大的發(fā)展機遇。

非化石能源主要包括水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等可再生能源，地?zé)崮茏鳛槠渲形ㄒ豢商峁╅L期基礎(chǔ)荷載(每周7天，每天24小時)的能源，具有更加綠色、高效、安全的屬性。根據(jù)埋藏深度，地?zé)崮軇澐譃闇\層地溫能、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源。干熱巖是指埋深大于3 000 m，一般溫度大于150℃的高溫地?zé)豳Y源，是內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體，采用EGS(增強地?zé)嵯到y(tǒng)或工程地?zé)嵯到y(tǒng))技術(shù)開發(fā)(圖1)。鑒于常規(guī)高溫地?zé)豳Y源的儲量有限，且干熱巖資源占總地?zé)豳Y源量的99%以上，加速我國干熱巖開發(fā)已迫在眉睫。

圖1 干熱巖地?zé)豳Y源開采示意圖(引自Geothermal Explorers Ltd.2005)Fig.1 Schematic diagram of mining of HDR geothermal resources

1 干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)的必要性

1.1 我國能源革命的重任

為面對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，習(xí)總書記在2014年6月的中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上，提出了推動能源消費革命、推動能源供給革命、推動能源技術(shù)革命、推動能源體制革命和全方位加強國際合作五點要求。而我國北方日益嚴(yán)重的霧霾天氣，與能源消費結(jié)構(gòu)有著緊密的關(guān)系。去年在北京之所以創(chuàng)造了“APEC藍(lán)”的奇跡，與京、津、冀地區(qū)甚至擴大到山東省的汽車單雙號限行，石化、火電等污染企業(yè)的停、限產(chǎn)密切相關(guān)。

面對當(dāng)前的形勢，中國工程院設(shè)立了“推動能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略研究”重大項目，并提出:綜合世界能源發(fā)展方向和我國能源生產(chǎn)革命的基礎(chǔ)，我國能源生產(chǎn)革命的方向是“能源資源保障多元化和安全化、能源生產(chǎn)綠色化和高效化、能源系統(tǒng)信息化和智能化以及全國能源資源的優(yōu)化配置”，并提出推動中國能源生產(chǎn)革命的“三大戰(zhàn)役”是倍增油氣、綠色煤炭和“半壁江山”的非化石能源［1］。

1.2 地?zé)崮茉谀茉瓷a(chǎn)革命中的重要性

WEC(世界能源理事會)在2013年公布了2010年的世界一次能源利用量(表1)，其中，風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芗昂Ｑ竽芾弥图s為 2.2EJ，占總比重僅 0.4%［2］。

表1 2010年世界一次能源利用量(WEC，2013)Table 1 Utilization of Primary Energy in the World in 2010(WEC，2013)

對于2050年世界能源的發(fā)展預(yù)測，WEC提出兩個可能的方向:(1)消費驅(qū)動模式(Jazz)，預(yù)測能源總利用達(dá)879EJ，屆時非水可再生能源占能源總消耗的20%，化石燃料仍占主導(dǎo)地位;(2)政策驅(qū)動模式(Symphony)，預(yù)測能源總利用達(dá)696EJ，屆時非水可再生能源占能源總消耗約32%，化石燃料的優(yōu)勢減弱(表2)。

表2 世界電力生產(chǎn)的能源構(gòu)成預(yù)測(WEC，2013)Table 2 Electricity Production VS.Energy Sources 2010-2050(WEC，2013)

僅依靠風(fēng)力和太陽能電力能夠?qū)崿F(xiàn)非水可再生能源到2050年占世界電力生產(chǎn)的20%～32%嗎?雖然近年來世界風(fēng)力和太陽能的發(fā)電量快速增長，并已分別于2006年和2012年超過了地?zé)岚l(fā)電量［3］，但據(jù)WEC的統(tǒng)計，地?zé)岚l(fā)電的利用系數(shù)(Capacity Factor)0.72為可再生能源中最高，而風(fēng)電為0.21，太陽能發(fā)電只有0.14［4］。2013年，風(fēng)電占我國年總發(fā)電量的1.2%，但由于智能電網(wǎng)應(yīng)對不穩(wěn)定電流的沖擊有一定限度，同年風(fēng)力發(fā)電不能上網(wǎng)的棄電高達(dá)11%(154億度)。因此，中國的能源生產(chǎn)革命需要充分發(fā)展相對更穩(wěn)定的地?zé)岚l(fā)電，來實現(xiàn)可再生能源(含水力)發(fā)電到2050年占我國一次能源50%的替代目標(biāo)，樹立其必要的地位。

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局部署的“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價”項目初步成果顯示，0～200 m深度的淺層地溫能資源，在31個省會城市每年用地源熱泵開采可折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.44×108t。200～3 000 m深度的水熱型地?zé)豳Y源在主要平原沉積盆地的儲量折合標(biāo)準(zhǔn)煤8 531.9×108t，在隆起山地的可采資源折合標(biāo)準(zhǔn)煤2 259.1×108t［5］。但是，我國的水熱型地?zé)豳Y源大多是中低溫地?zé)豳Y源，高溫地?zé)豳Y源的總量不夠樂觀，大致在發(fā)電600×104～1 000×104kW水平，即使全部利用也無法實現(xiàn)年一億噸標(biāo)煤當(dāng)量的貢獻。我國干熱巖地?zé)豳Y源總量20.9×106EJ，折合714.9萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。若按2%可采資源量計算，是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源資源量的168倍，是我國2010年能源消耗總量的4 400倍［6］。由此可見干熱巖資源潛力巨大，在我國的能源革命中干熱巖資源開發(fā)利用具有舉足輕重的重要意義。

1.3 吸取中國地?zé)岚l(fā)電落后于世界的教訓(xùn)

1970年12 月廣東省豐順縣鄧屋村利用92℃地?zé)崴囼灠l(fā)電成功，雖只發(fā)電86 kW，但它標(biāo)志著中國成為了世界上第8個實現(xiàn)地?zé)岚l(fā)電的國家。1977年西藏羊八井高溫地?zé)岚l(fā)電成功，至1991年完成羊八井地?zé)犭姀S總裝機容量24.18 MW在運。然而，多年來我國地?zé)岚l(fā)電總體進展緩慢，2010年在世界地?zé)岚l(fā)電的排名已下滑至第18位［7］，其原因是40年來放棄了對中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的研究。20世紀(jì)70年代我國曾建成7處中低溫地?zé)岚l(fā)電試驗電站，單機容量50～300 kW，總裝機容量1.55 MW［8］，后由于“技術(shù)可行，但經(jīng)濟不合算”的原因關(guān)停了中低溫地?zé)岚l(fā)電試驗機組［9］。當(dāng)時，國外也面臨著相似的問題，但他們通過幾十年來不斷的研究改進、提高效益、降低成本，取得了世界領(lǐng)先的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。如今，面對當(dāng)前干熱巖開發(fā)的種種困難［10］，應(yīng)努力克服，避免再留遺憾。

2 如何開展我國干熱巖研究開發(fā)

要加快我國當(dāng)前的干熱巖研究開發(fā)步伐，需要充分了解世界干熱巖研究開發(fā)現(xiàn)狀，努力學(xué)習(xí)國外成功的經(jīng)驗，也吸取國外經(jīng)歷過挫折的教訓(xùn)，讓這種優(yōu)質(zhì)資源盡早在我國能源革命中發(fā)揮最大作用。

2.1 世界干熱巖研究開發(fā)的寶貴經(jīng)驗

迄今，世界上有8個發(fā)達(dá)國家對干熱巖投入過實質(zhì)性的研究開發(fā)。經(jīng)過多年的研究與探索，德國、美國、法國和澳大利亞相繼實現(xiàn)了兆瓦級發(fā)電試驗，了解他們探索的過程，對于如何開展我國的實踐是重要參考。

美國:1974年開始在新墨西哥州芬頓山(Fenton Hill)開始鉆井，第一階段(1974—1980)第一井鉆了2 042 m，水力壓裂后又加深至2 932 m，獲得180℃;第二井3 064 m獲200℃;1977年從第一井的開斜井與第二井做連通試驗，兩井相距100m，試驗了417天，獲得3～5 MWt熱量，進行了60kWe雙工質(zhì)發(fā)電試驗。第二階段又鉆了兩井，壓裂試驗并鉆開斜井，4 390 m井底327℃;1986年循環(huán)試驗30 d，注入37 000 m3，收回66%，注水流量10.6～18.5 kg/s，壓力26.9～30.3 MPa，產(chǎn)出192℃;因塌孔、開斜鉆井和設(shè)備損壞等，試驗持續(xù)至20世紀(jì)90年代。

2006年，美國麻省理工學(xué)院發(fā)表了“地?zé)崮艿奈磥怼?1世紀(jì)美國增強型地?zé)嵯到y(tǒng)EGS的沖擊”的研究報告［11］。這項歷時3年的研究面對美國的人口增長和社會電氣化的發(fā)展現(xiàn)狀，出于對美國長期能源供應(yīng)安全的考慮，提出了地?zé)崮茉?050年實現(xiàn)1×108kW發(fā)電的目標(biāo)。EGS是潛力巨大的本土化資源，不像現(xiàn)在開發(fā)的水熱型高溫地?zé)豳Y源那樣受地域限制，且環(huán)境影響小，還可以做到合理的開發(fā)投資和有競爭性優(yōu)勢的運行成本，該技術(shù)的商業(yè)化規(guī)?？赏?0～15年內(nèi)實現(xiàn)。研究報告估算的全美國EGS資源儲量超過1 300×104EJ(1018焦耳)，其中可開采量超過20×104EJ，這個數(shù)字相當(dāng)于美國2005年基礎(chǔ)能源消費量的2 000倍!

如此誘人的巨大能源潛力引起美國能源部的重視，在此后安排資助了EGS關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和重點示范項目。沙漠峰(Desert Peak)項目成為美國第一個商業(yè)規(guī)模的EGS示范，已于2013年投入運行，它實際上是在現(xiàn)有水熱型地?zé)崽锬繕?biāo)地?zé)峋車眉羟屑ぐl(fā)改造儲層，增加了運行地?zé)崽锏墓β瘦敵鼋?8%，相當(dāng)于為電網(wǎng)提供了額外的1.7 MWe電力［12］。近期美國的其它EGS項目還有不同公司承擔(dān)的Bradys，蓋依瑟斯(Geysers)，Newberry和 Raft，都是水力激發(fā)、儲層改造類研究，不是完整的完成發(fā)電目標(biāo)。

英國:能源部支持在康沃爾州羅斯曼奴斯(Rosemanowes)于1977年開始試驗。那里早二疊花崗巖的地?zé)嵩鰷芈?0～40℃/km，第一眼井鉆了300 m，第二眼井鉆了2 000 m，預(yù)期80～90℃，但實際只有79℃，用100 kg/s流量14MPa壓裂;1983年又鉆后續(xù)井，2 600 m深度100℃;1986—1990年在建立的熱儲段循環(huán)試驗，注入20～25 kg/s，獲得的溫度從80.5℃逐漸降至70.5℃［11］。目前計劃鉆4 500～5 000 m的井，但尚未實施。所以英國只是試驗了裂隙連通，在壓裂時出現(xiàn)了微地震。

法國:由歐盟資助，德國、瑞士專家參與的項目在阿爾薩斯靠近法德邊境的蘇爾茨(Soultz)進行試驗。在萊茵地塹80 mW/m2的大地?zé)崃鞅尘爸校K爾茨的熱流高達(dá)140 mW/m2;1987—2007年為研究階段，進行了鉆井、壓裂激發(fā)和循環(huán)試驗，在20～25 L/s注入條件下產(chǎn)出140℃，產(chǎn)能10 MWt。2007年以來為建廠和試驗監(jiān)測階段，現(xiàn)有5 000m深的井3眼和3 600 m深的井1眼，5 000 m深溫度200℃，2009年兩灌兩采，產(chǎn)出溫度164℃流體35L/s(3 024 m3/d);為減少誘發(fā)地震，2011年改為兩灌一采，產(chǎn)出159℃ 流體24 L/s(2 074m3/d);安裝的雙工質(zhì)ORC發(fā)電機組1.5 MWe，2011年實現(xiàn)了發(fā)電［13］;這是法國第一個 EGS的ORC發(fā)電示范，是世界第一個EGS兆瓦級成功發(fā)電。法國另在Le Mayet de Montagne于1984—1994年進行過試驗，深度800 m得33℃，屬淺試驗設(shè)施［14］。

德國:在巴伐利亞的Flakenberg于1978—1985年進行試驗，但深度太淺，250m僅獲得13℃溫度［14］。后來轉(zhuǎn)至蘭道(Landau)和印希姆(Insheim)兩處EGS開發(fā)，2012年電廠已連續(xù)運行超過8 200 h，利用系數(shù)高達(dá)94%，實現(xiàn)了完全商業(yè)化。蘭道電廠3 MWe裝機容量，可發(fā)電3.8MWe;印希姆:5 MWe裝機容量;兩廠各利用一對開采井和回灌井，蘭道對井深3 300 m，印希姆對井深3 800 m，灌采井口在地面鄰近，二井地下叉開，維持高壓強力回灌，保障單井6 000～7 000 m3/d大流量開采，采用奧瑪特Ormat雙工質(zhì)ORC機組，實現(xiàn)廢熱汽經(jīng)風(fēng)扇冷凝回收，全部回灌，160℃開采，70℃回灌，冬季兼將廢熱作供暖利用后再回灌，電廠全部自動監(jiān)測控制，無人巡管，只需在辦公室聽警報及電腦操作［13］。

瑞典:在Fjallbacka于1984—1989年進行EGS試驗，只鉆了500 m，獲得僅15℃［14］，壓裂產(chǎn)生微地震而停止。

瑞士:臨近德法邊界的巴塞爾(Basel)處在萊茵地塹東南端，1996年由聯(lián)邦能源辦公室等資助開始研究。2001年鉆了深2 650 m的第一井，預(yù)計第二井鉆5 000 m深達(dá)熱花崗巖獲200℃。那里是市區(qū)范圍，EGS壓裂試驗產(chǎn)生微地震，2006年一次3.4級地震造成財產(chǎn)損失，遭多數(shù)人反對而于2009年停止試驗。

日本:有兩處靠近火山熱源的EGS試驗。秋田縣的雄勝(Ogachi)1982年開始鉆第一井，在300 m火山巖覆蓋下是花崗閃長巖，1 000 m深度得230℃;90年代進行了反復(fù)壓裂和循環(huán)試驗，1993年產(chǎn)出僅3%，進一步壓裂后產(chǎn)出10%(1994年)和25%(1995年);1999年再鉆井做改善連通性和減少損失的試驗［11］。

另一處山形縣的肘折(Hijiori)靠近1萬年前的火山口，1989年開始鉆井，1991年鉆至2 205 m深度，溫度高于250℃;次年壓裂產(chǎn)生了裂隙區(qū)，此后在裂隙網(wǎng)絡(luò)中鉆了第二和第三井;1995年循環(huán)試驗產(chǎn)出蒸汽和熱水，但注入水量損失近半。2002年繼續(xù)試驗，產(chǎn)出172℃流體4 kg/s，產(chǎn)能8 MWt;試驗了130 kWe雙工質(zhì)發(fā)電;但長期試驗溫度降至100℃，試驗停止［11］。這里4眼井的井下間隔距短，在40～130 m，循環(huán)中某處出現(xiàn)了短路［14］。

澳大利亞:地球動力(Geodynamic’s)公司開發(fā)中澳州庫珀盆地的 Habanero項目已于2013年實現(xiàn)1 MW試驗電廠成功發(fā)電。那里2003年鉆成1號井4 421 m，壓裂超過預(yù)期效果，作為回灌井。2號井鉆至4 359 m，因事故造成井失敗。3號井2008年4 221 m完鉆，完成裂隙激發(fā)，實現(xiàn)與1號井間連通試驗。該處4 300 m地溫達(dá)250℃，在1 000 km2碩大花崗巖體天然裂隙內(nèi)含鹵水，并有3.5 MPa的高壓，被稱為熱裂巖。人工壓裂使裂隙連通，就地的鹵水正好用于EGS開采循環(huán)。1號井當(dāng)初用65.5 MPa的壓力注入2×104t水做壓裂，成功影響到3 km×2 km的范圍。2008—2009年循環(huán)試驗，從1號井注入在3號井成功產(chǎn)出蒸汽和熱水，持續(xù)產(chǎn)量27 kg/s，最高產(chǎn)出40 kg/s，開發(fā)成世界最大的地下熱交換器。在此期間，1 MW地?zé)嵩囼炿娬疽呀ǔ桑?009年4月擬將完成循環(huán)試驗的蒸汽引入試驗廠發(fā)電時，暫作閉井的3號井發(fā)生意外事故失控噴爆，地下深處245℃的高溫?zé)崴驼羝麖钠屏烟坠苤袊娪砍鰜?，最后請來美國的Cudd井控公司才得以控制住，但注入了水泥使井無法修復(fù)。2012年鉆成的4號井4 600m溫度264℃，與相距690 m的1號井連通試驗在井口產(chǎn)出溫度210℃，2013年運行了1 700 h，保持注入17 kg/s鹵水，試驗電廠產(chǎn)出650kWe電力［15］。地球動力公司另Jolokia等項目也已鉆井。

另外，Petratherm公司在中澳州的Paralana已鉆了兩眼井，2011年2號井完成激發(fā)壓裂，產(chǎn)能評價可供5.4 MWe發(fā)電30年。

2.2 選定開發(fā)理念

縱觀前述8個發(fā)達(dá)國家的干熱巖/EGS開發(fā)，有幾經(jīng)挫折成效不大的，也有后來者領(lǐng)先成功的。世界40年的EGS研究開發(fā)，迄今實現(xiàn)了11.2 MWe的總裝機運行，但真正的干熱巖開發(fā)尚未完全成功，已經(jīng)運行的發(fā)電其實都走了捷徑。最早實現(xiàn)兆瓦級發(fā)電的法國蘇爾茨實際是熱裂巖，澳大利亞Habanero完井一年內(nèi)實現(xiàn)壓裂、對流和發(fā)電的也是熱裂巖，德國實現(xiàn)年8 200 h運行的實際是在濕熱巖中的EGS，還有美國沙漠峰的第一個實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模運行的是對現(xiàn)有熱田地?zé)峋脑霎a(chǎn)。通過分析他們的經(jīng)驗，如何制訂我國的開發(fā)戰(zhàn)略呢?首先是建立正確的開發(fā)理念，戰(zhàn)略上，必須加快干熱巖研究開發(fā)，克服“技術(shù)上可行、經(jīng)濟上不可行”的“歷史性的偏見”;戰(zhàn)術(shù)上，學(xué)習(xí)國外成功經(jīng)驗，盡量走“捷徑”，找好突破點先搞成示范。

“十二五”期間科技部安排的高新科技863項目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，包含了靶區(qū)工程測試及人工壓裂工藝技術(shù)研究，但大部分是資源、發(fā)電、能量轉(zhuǎn)換等評價，這樣的研究還未實質(zhì)性進入EGS實踐。由中國地質(zhì)調(diào)查局部署的地?zé)豳Y源調(diào)查項目中包含了干熱巖的勘查內(nèi)容，目前在福建漳州地區(qū)已完成地球物理勘查和選點，開始鉆試驗井。青海共和盆地DK4孔在2 735 m測得168℃，但壓裂試驗尚未開展。無論如何，沒有鉆井壓裂的實際操作，離實現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)還有一段距離。

2.3 重視親歷實踐

2007—2009 年“中國EGS資源潛力研究”［16］中澳合作期間，澳大利亞專家介紹了EGS激發(fā)壓裂的經(jīng)驗，澳方的多家公司，各有自己的專利，有從上往下分段壓裂，也有從下往上分段壓裂，更有定向壓裂，將設(shè)計對流循環(huán)的外側(cè)屏蔽，定向壓裂可伸出去700 m，井間距離1 300 m就可以將裂隙網(wǎng)絡(luò)連結(jié)起來，以此大大提高地下熱交換的效率。干熱巖研究開發(fā)如果沒有鉆井、壓裂的實踐，再多的研究也難以達(dá)到開發(fā)的目的。因此，需要重視和加快親歷實踐的步伐。

2.4 加強國際合作

一些發(fā)達(dá)國家已有近40年的干熱巖研究開發(fā)實踐經(jīng)驗，許多科學(xué)技術(shù)進展的相關(guān)信息可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索了解和獲得(有的要付費)。在自己動手之前先看看人家怎么干的，再通過合作或購買借鑒國外先進的技術(shù)，比如澳大利亞的壓裂技術(shù)，德國的開采運行經(jīng)驗，都是十分有用的。國際合作可以有多種形式，如國際會議、雙邊交流、建合作項目、請專家咨詢等都可以考慮。少走彎路、贏得時間提前成功就是利益。

3 結(jié)論

2013年初國家能源局等四部局聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見》，為我國地?zé)岽蟀l(fā)展吹響了號角，中國的能源革命已經(jīng)開始，地?zé)崮軕?yīng)該在可再生能源替代中發(fā)揮積極作用。面對當(dāng)前日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，由于干熱巖地?zé)豳Y源具有儲量巨大、對環(huán)境影響較小、不受地域限制等特點，加快我國干熱巖的研究開發(fā)進程顯得更加必要和緊迫。通過加強國際合作，學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)，盡快搞成中國的干熱巖發(fā)電，中國地?zé)岵拍茉?050年實現(xiàn)一億噸標(biāo)煤當(dāng)量的貢獻，中國地?zé)崛诵枰獮榇四繕?biāo)努力。

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