駱新強(qiáng)+徐坤榮

2017年8月底，我國(guó)科學(xué)家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體，這是中國(guó)首次鉆獲溫度超過(guò)200℃的干熱巖體，這一成果實(shí)現(xiàn)了中國(guó)干熱巖勘查的重大突破！干熱巖屬于地?zé)豳Y源，是一種清潔的可再生能源，對(duì)新能源開(kāi)發(fā)利用的前景意義重大。那么，干熱巖到底是怎樣的一種新能源？它從何而來(lái)？又將對(duì)現(xiàn)有的能源利用帶來(lái)哪些改變？

地球有顆

“熾熱的心”

地球是一個(gè)直徑為6000多千米的實(shí)心球體，由地殼、地幔、地核三部分構(gòu)成。整個(gè)結(jié)構(gòu)就猶如一個(gè)半熟的雞蛋：蛋殼好比地球的地殼，其物質(zhì)狀態(tài)為固態(tài)；蛋白好比地球的地幔；蛋黃好比地球的地核，物質(zhì)狀態(tài)為液態(tài)。地球每一層的溫度并不相同，地表以下平均每下降100米，溫度升高約3℃，在地?zé)岙惓^(qū)，溫度隨深度加深增加得更快?？茖W(xué)家研究顯示：地核?與??????地幔邊界的溫度大約為3700℃，而地核內(nèi)部溫度可能高達(dá)5000℃，幾乎與太陽(yáng)表面一樣熾熱。因此，地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著驚人的熱量，其中一部分地?zé)豳Y源便以干熱巖的形式埋藏于其中。

早期，干熱巖通常是指溫度高于200℃，埋藏于距地面2000米以下的無(wú)裂隙的巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體。伴隨著干熱巖勘測(cè)和開(kāi)發(fā)的深入，干熱巖有了更為廣泛的外延。只要巖體溫度高，埋藏深度合理，內(nèi)含流體較少（或不含流體），能用各種技術(shù)手段提取其中的熱量，均可稱為干熱巖。

目前，人們對(duì)干熱巖的開(kāi)發(fā)利用，主要集中在干熱巖發(fā)電。從地表往干熱巖中打一眼井（注水井），封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水，此時(shí)能夠產(chǎn)生非常高的壓力。在巖體致密無(wú)裂隙的情況下，高壓水會(huì)使巖體產(chǎn)生許多裂縫。若巖體中本來(lái)就有少量天然裂隙，這些高壓水使之?dāng)U張成更大的裂縫。隨著低溫水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴(kuò)大，并相互連通，最終形成一個(gè)大致呈面狀的人工熱儲(chǔ)水庫(kù)。在距注水井合理的位置鉆幾眼井，并將它們連通人工熱儲(chǔ)水庫(kù)，便可用這些井來(lái)回收高溫水蒸氣，用于地?zé)岚l(fā)電。利用之后的溫水可通過(guò)注水井回灌到干熱巖中，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。

以法國(guó)東部阿爾薩斯地區(qū)的一座干熱巖發(fā)電站為例，工作人員在這里鉆了三眼深井，一直鉆到地表5000米以下的基巖中。發(fā)電時(shí)，用水泵以每秒100升的速度從中間的注水井向地下灌冷水，這些冷水被干熱巖加熱成約200℃高溫的水蒸氣，從另外兩眼生產(chǎn)井抽出地面，送入一個(gè)熱交換器，并在熱交換器中驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程消耗的總電量，只相當(dāng)于發(fā)電站發(fā)電量的約20%。

地?zé)崾窃趺串a(chǎn)生的

干熱巖屬于地?zé)豳Y源的一種。地?zé)豳Y源是一種來(lái)自地球內(nèi)部的熱能資源，溫泉便是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ牡責(zé)豳Y源。關(guān)于地?zé)岬膩?lái)源，有多種假說(shuō)。一種假說(shuō)認(rèn)為，地?zé)嶂饕獊?lái)源于地球內(nèi)部放射性元素衰變釋放出的熱能。還有一種假說(shuō)認(rèn)為，地?zé)醽?lái)源于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能以及重力分異、化學(xué)反應(yīng)、巖礦結(jié)晶釋放的熱能。而在地球的發(fā)展演化過(guò)程中，產(chǎn)生的熱能總量超過(guò)地球散逸的熱能，巨大的地?zé)崮鼙銉?chǔ)存于地球內(nèi)部，等待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。

堪稱“完美”的干熱巖

相比當(dāng)前已開(kāi)發(fā)利用的各類能源，干熱巖具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。與煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源相比，干熱巖是一種清潔的可再生能源，不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的有害物質(zhì)。與太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等新能源相比，干熱巖的穩(wěn)定性好，不受季節(jié)氣候晝夜條件的限制。此外，利用干熱巖的成本低，利用干熱巖發(fā)電的成本僅為風(fēng)力發(fā)電的一半，只有太陽(yáng)能發(fā)電的十分之一，和煤炭發(fā)電的成本相當(dāng)。

干熱巖是無(wú)處不在的資源，分布幾乎遍及全球，可滿足人類對(duì)能源長(zhǎng)期使用的需要。以此次高溫干熱巖體的發(fā)現(xiàn)地青海共和盆地為例，其干熱巖理論資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤6303.05億噸，以其2%作為可開(kāi)采資源量計(jì)算，折合的標(biāo)準(zhǔn)煤是中國(guó)2016年能源消耗的3倍。

干熱巖不但儲(chǔ)量豐富，還可以循環(huán)利用。開(kāi)發(fā)干熱巖時(shí)，加熱產(chǎn)生水蒸氣的過(guò)程會(huì)使巖石溫度降低，但地心的熾熱巖漿會(huì)重新加熱這些巖石，從而實(shí)現(xiàn)干熱巖的周期性循環(huán)利用。

干熱巖的開(kāi)發(fā)利用，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)先行一步。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)加州大學(xué)的研究人員便提出了利用干熱巖發(fā)電的設(shè)想，他們?cè)谛履鞲缰荼辈看蛄藘裳奂s4000米的深斜井，從一眼井中將冷水注入干熱巖體，從另一眼井收集利用巖體加熱產(chǎn)生的水蒸氣，功率可達(dá)2300千瓦。日本、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)也均建立了多處試驗(yàn)研究基地，進(jìn)行干熱巖的實(shí)驗(yàn)性發(fā)電。

新能源的開(kāi)發(fā)關(guān)乎世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和能源安全。為了趕上國(guó)際社會(huì)開(kāi)發(fā)利用干熱巖的步調(diào)，近些年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了一系列關(guān)于干熱巖的勘查與開(kāi)發(fā)研究。

2012年，我國(guó)啟動(dòng)了“863”計(jì)劃項(xiàng)目“干熱巖熱能開(kāi)發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，開(kāi)始了干熱巖開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)研究。2013年，國(guó)土資源部在青海共和盆地中北部鉆成井深2230米、井底溫度達(dá)153℃的干熱巖井，對(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)進(jìn)行了探索試驗(yàn)。此后，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地?zé)豳Y源調(diào)查研究中心編制了《全國(guó)干熱巖勘查與開(kāi)發(fā)示范實(shí)施方案》，開(kāi)展了全國(guó)陸域干熱巖資源潛力評(píng)估，并優(yōu)選出了東南沿海地區(qū)、藏南地區(qū)、大同盆地、松遼平原、環(huán)渤海地區(qū)等干熱巖勘查開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。與此同時(shí)，科研人員還在福建省和青海省分別實(shí)施了干熱巖科學(xué)鉆探。此次，科研人員在青海共和盆地成功鉆獲236℃的高溫干熱巖體，加快了我國(guó)在干熱巖開(kāi)發(fā)利用上的進(jìn)程。

標(biāo)準(zhǔn)煤的換算

各種燃料所具有的能量是不同的。為了使用方便，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行能源數(shù)量、質(zhì)量的比較時(shí)，可以將煤炭、石油、天然氣以及其他一些能源形式按一定的比例統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)表示。例如1噸原油=1.43噸標(biāo)準(zhǔn)煤，1000立方米天然氣=1.33噸標(biāo)準(zhǔn)煤，1噸原煤=0.714噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

干熱巖開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)原理雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在大量的技術(shù)性難題，例如地殼和地幔中含有大量的礦物質(zhì)，在干熱巖開(kāi)發(fā)中，被氣化的礦物質(zhì)會(huì)重新在井壁結(jié)垢，時(shí)間一久很容易將開(kāi)采井堵死。面對(duì)眾多的技術(shù)性難題，科研人員唯有加快技術(shù)探索的步伐，才能在這場(chǎng)國(guó)際能源競(jìng)賽中拔得頭籌！endprint