李偲 王亞軍 李子祥 彭彬彬 陳臻 刁保圣

(1.國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司 江蘇泰州 225327; 2.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計院有限公司上海 200063; 3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200240)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，電力在工業(yè)生產(chǎn)和生活中的作用愈發(fā)重要。我國電力主要來源于以燃煤為主的火力發(fā)電，但發(fā)電過程帶來諸多環(huán)境問題，如CO2排放引起的溫室效應(yīng)十分嚴(yán)重。為減緩溫室效應(yīng)，我國已明確將在2060年前實現(xiàn)碳中和，屆時非化石能源消費(fèi)比例將增加至80%，因而電力系統(tǒng)的深度脫碳成為實現(xiàn)該目標(biāo)的重要途徑。

干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）是地球內(nèi)部天然存在且分布廣泛的清潔能源，用于發(fā)電過程的容量系數(shù)（70%～80%）明顯高于風(fēng)電（30%～50%）及太陽能發(fā)電（16%～30%）[1]，且其碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)低于燃煤火電[2]。自1970年代啟動干熱巖開發(fā)利用以來，多個國家先后進(jìn)行了干熱巖發(fā)電研究，且美國、法國等國家均實現(xiàn)了MW級干熱巖發(fā)電并網(wǎng)[3]。我國干熱巖資源儲量豐富，發(fā)電潛力巨大，但目前干熱巖發(fā)電研究處于起步階段，尚無大規(guī)模干熱巖發(fā)電項目投運(yùn)及并網(wǎng)。

實現(xiàn)干熱巖資源高效發(fā)電利用可降低電力供應(yīng)系統(tǒng)中化石能源消耗的比例，對于推動我國碳中和進(jìn)程意義顯著。為此，文章將回顧國內(nèi)外干熱巖發(fā)電現(xiàn)狀及存在問題，進(jìn)而討論干熱巖發(fā)電技術(shù)重點研究方向，并提出促進(jìn)干熱巖發(fā)電發(fā)展的建議，以期為我國干熱巖發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 干熱巖資源及其發(fā)電潛力

自干熱巖概念提出以來，其定義不斷變化，目前普遍認(rèn)同的概念是：埋葬在距地表3～10 km 內(nèi)，溫度在150～650 ℃之間，不含或僅含少量水或蒸汽，滲透率極低的變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體[3-4]。干熱巖資源則指在當(dāng)前技術(shù)條件下能被經(jīng)濟(jì)地開發(fā)利用的干熱巖中蘊(yùn)含的熱能。與生物質(zhì)、風(fēng)能、太陽能等可再生能源相比，干熱巖資源開發(fā)利用過程穩(wěn)定性高，不易受季節(jié)、晝夜及天氣條件影響。同時，干熱巖發(fā)電過程清潔環(huán)保、碳排放強(qiáng)度低，有望成為未來電力供應(yīng)的重要組成部分。

干熱巖中的熱量主要來源于3種過程[2]：一是地球內(nèi)部超高溫的巖漿侵入巖層后的冷卻過程；二是巖體中富含的鈾、釷等放射性元素的衰變過程；三是熔融態(tài)巖石形成變質(zhì)巖的過程。由于距地表一定距離內(nèi)部分特定區(qū)域覆蓋有數(shù)千米厚的沉積巖層，阻隔了上述熱量向地表的散失，使這些區(qū)域的地溫梯度明顯高于地殼內(nèi)的平均低溫梯度，因而形成干熱巖區(qū)域。

在世界范圍內(nèi)，距地表3～10 km 內(nèi)干熱巖中蘊(yùn)藏的熱能是全球所有石油、天然氣、煤炭等蘊(yùn)藏能量的30 倍[5]，可利用當(dāng)量接近5 000 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。按當(dāng)前消耗水平估算，可供全球使用數(shù)十萬年。干熱巖資源發(fā)電潛力巨大，預(yù)計到2050 年全球裝機(jī)容量將達(dá)70 GW，屆時將占全球電力生產(chǎn)總量的4.2%[6]。

我國干熱巖資源豐富，僅大陸區(qū)域距地表3～10 km內(nèi)的資源儲量約為2.5×1025J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤近856 萬億t[7]，以國際上常用的2.0%可采量估算，是2021 年我國一次能源消耗總量的3 300多倍。因此，干熱巖的大規(guī)模發(fā)電利用對推動我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

2 干熱巖發(fā)電研究現(xiàn)狀

2.1 常用的地?zé)豳Y源發(fā)電技術(shù)

與火力發(fā)電相似，地?zé)岚l(fā)電的基本原理是利用高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)做功，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。其區(qū)別在于地?zé)岚l(fā)電過程中蒸汽的能量來自于清潔的地?zé)豳Y源，而非化石能源的燃燒放熱過程。常見地?zé)岚l(fā)電技術(shù)如下。

（1）干蒸汽發(fā)電技術(shù)直接以采出的地下高溫蒸汽為介質(zhì)，經(jīng)凈化分離去除雜質(zhì)（巖屑、少量液滴等）后送入汽輪機(jī)做功發(fā)電。該技術(shù)較為成熟，系統(tǒng)簡單可靠，通常用于具有較高地下壓力的高溫地?zé)豳Y源。

（2）閃蒸發(fā)電技術(shù)中需先將采出的汽水混合物進(jìn)行閃蒸分離，并以分離出的蒸汽為介質(zhì)做功發(fā)電，可用于汽水混合物型地?zé)豳Y源。閃蒸過程將造成一定的能量損失，因此發(fā)電效率略低。

（3）雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)中地?zé)崃黧w不直接接觸發(fā)電設(shè)備，而通過載熱介質(zhì)與地?zé)崃黧w換熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽做功發(fā)電，尤其適用于化學(xué)成分復(fù)雜的熱水型地?zé)豳Y源。目前常用的包括有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

（4）全流發(fā)電技術(shù)中以膨脹機(jī)代替汽輪機(jī)，可直接將含有蒸汽、熱水、不凝氣體的全部地?zé)崃黧w送入膨脹機(jī)做功發(fā)電。理論上全流發(fā)電技術(shù)適用于所有的蒸汽型或熱水型地?zé)豳Y源，但需考慮膨脹機(jī)的腐蝕與磨損問題。

2.2 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

不同于其他地?zé)豳Y源可被直接開采利用，干熱巖資源需借助增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）開采（見圖1）。即通過在低滲透性的干熱巖巖層中構(gòu)造人工熱儲層，并利用采熱介質(zhì)與熱儲層進(jìn)行換熱來實現(xiàn)將干熱巖中蘊(yùn)含的熱能采出的人工系統(tǒng)。

圖1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

EGS系統(tǒng)的原理在于通過各種手段在低滲透性干熱巖巖層中制造出網(wǎng)狀裂縫來形成人工熱儲層，隨后通過注入井將高壓水注入熱儲層中換熱產(chǎn)生高溫水或蒸汽，而后通過生產(chǎn)井將高溫?zé)崃黧w抽取至地面發(fā)電或直接利用，最后將換熱后的低溫水重新注入到人工熱儲層吸熱，完成循環(huán)。理想情況下，干熱巖發(fā)電是封閉的循環(huán)系統(tǒng)，基本不污染和破壞環(huán)境[8]。從原理來看，上述常見的地?zé)岚l(fā)電方式均可與EGS 系統(tǒng)結(jié)合用于干熱巖發(fā)電過程，但實際過程中需結(jié)合干熱巖資源采出特性選擇合適的發(fā)電方式。

2.3 國內(nèi)外干熱巖發(fā)電項目

1974 年，美國Fenton Hill 項目最早開始了干熱巖資源開發(fā)利用研究，證實了通過人工干預(yù)來開采干熱巖資源的可行性，隨后，多個國家也開始投入到相關(guān)研究探索中。例如：英國Rosemanowes 項目首次使用沙粒作為支撐劑來改善熱儲層的滲透率；1989 年，日本Hijiori 項目進(jìn)行了干熱巖發(fā)電嘗試，但最終因地?zé)崃黧w溫度的驟降而導(dǎo)致項目終止?；谙惹把芯砍晒?，德國、英國、法國聯(lián)合開展的Soultz項目最先于2011年實現(xiàn)了干熱巖資源的穩(wěn)定發(fā)電利用，其機(jī)組容量達(dá)1.5 MW[9]。隨后，美國Desert Peak 項目（1.7 MW）和澳大利亞Habanero 項目（1 MW）也先后成功實現(xiàn)干熱巖穩(wěn)定發(fā)電及并網(wǎng)。此外，美國Geysers項目建造了單機(jī)容量為5 MW 的干熱巖發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電溫度高達(dá)347 ℃。

為促進(jìn)干熱巖資源的大規(guī)模利用，各國均加大了對其開發(fā)利用技術(shù)的研發(fā)投入。其中，美國能源部于2015 年實施的“地?zé)崮芮把夭t望臺研究計劃”影響巨大，其意在于2050年達(dá)到10 GW以上的干熱巖發(fā)電規(guī)模，并使其成為清潔、靈活的可再生能源的代表。

我國干熱巖開發(fā)利用研究起步較晚，2010年由國土資源局牽頭開展了國內(nèi)首個干熱巖科研項目，對鉆探過程的相關(guān)技術(shù)難題進(jìn)行了研究。2012年，國內(nèi)多所高校和研究院所聯(lián)合開展的“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，為我國干熱巖開發(fā)利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。2015年，福建漳州白水鎮(zhèn)干熱巖項目標(biāo)志著我國干熱巖開發(fā)利用進(jìn)入實踐階段。隨后，海南澄邁打出我國東部第一口干熱巖井，其井底溫度超過185 ℃。2017 年，青海共和縣恰卜恰鎮(zhèn)完成了GR1 井的鉆孔，在3.7 km 深處獲得了溫度高達(dá)236 ℃的干熱巖。

為加快我國干熱巖發(fā)電技術(shù)研究，國家發(fā)改委、能源局和國土資源部于2017年聯(lián)合發(fā)布了《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，明確要積極開展干熱巖發(fā)電試驗研究，在干熱巖資源豐富的地區(qū)選擇試點建立2～3 個勘察開發(fā)示范基地，進(jìn)而形成相關(guān)技術(shù)序列，為后續(xù)大規(guī)模推廣積累經(jīng)驗。目前，我國已在唐山市馬頭營凸起區(qū)和青海海南州實現(xiàn)了干熱巖試驗性發(fā)電。

3 干熱巖發(fā)電利用存在的問題與建議

3.1 限制干熱巖發(fā)電發(fā)展的問題

盡管國內(nèi)外干熱巖發(fā)電研究已取得較大進(jìn)展，也有不少EGS 項目投產(chǎn)，但干熱巖大規(guī)模發(fā)電利用仍存在諸多問題有待解決。

3.1.1 干熱巖形成機(jī)制和分布不完全明確

準(zhǔn)確掌握干熱巖的孕育環(huán)境、形成機(jī)理及分布規(guī)律，是合理劃分遠(yuǎn)景區(qū)、科學(xué)評價儲量、準(zhǔn)確尋找采靶區(qū)的前提。但目前對干熱巖的形成機(jī)制及分布規(guī)律仍未完全掌握。因此仍需結(jié)合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等學(xué)科進(jìn)一步完善相關(guān)勘探及資源評價技術(shù)。

3.1.2 干熱巖電站場址難以確定

干熱巖發(fā)電需要水作為傳熱介質(zhì)，而富含干熱巖地區(qū)的水資源可能不足。同時，不同巖石類型的干熱巖開發(fā)利用難度不同，因此需增強(qiáng)干熱巖資源勘探與評價能力，以合理確定電站場址，從而降低其開發(fā)及運(yùn)行成本。

3.1.3 干熱巖發(fā)電利用系列技術(shù)尚不成熟

干熱巖發(fā)電過程仍有諸多技術(shù)瓶頸有待突破，如安全高效的高溫鉆井、致密干熱巖層中的熱儲層構(gòu)造、高效流動換熱、地下事件檢測等。因此，仍需加強(qiáng)自主技術(shù)創(chuàng)新或引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，以促進(jìn)我國干熱巖開發(fā)利用技術(shù)體系的建立與完善。

3.1.4 環(huán)境地質(zhì)風(fēng)險評估及監(jiān)督不完善

EGS 系統(tǒng)建造及運(yùn)行期間可能帶來地質(zhì)風(fēng)險，但目前對干熱巖開發(fā)利用過程的風(fēng)險評估能力、監(jiān)督力度仍有待加強(qiáng)，如瑞士Basel項目和德國Landau項目均因誘發(fā)地震而被迫停產(chǎn)。

3.2 未來干熱巖發(fā)電技術(shù)重點研究方向

盡管干熱巖資源發(fā)電潛力巨大，但干熱巖巖層具有溫度高、硬度高、致密性高的特點，其大規(guī)模發(fā)電利用仍需突破較多技術(shù)瓶頸。除加強(qiáng)資源勘探與合理評估、微震監(jiān)測能力外，未來應(yīng)重點研發(fā)如下技術(shù)。

3.2.1 高溫鉆井與完井技術(shù)

安全高效鉆達(dá)干熱巖巖層，并建造穩(wěn)定的井眼是實現(xiàn)干熱巖發(fā)電的前提。針對干熱巖巖層的“四高”特點，未來需加大耐高溫鉆頭、快速鉆探技術(shù)、耐高溫鉆井液及高溫水泥漿快速固化技術(shù)等的研發(fā)力度，以經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)安全、高效、高溫、快速鉆井與成井。

3.2.2 壓裂與儲層構(gòu)造技術(shù)

構(gòu)造復(fù)雜的立體縫網(wǎng)狀人工熱儲層是干熱巖發(fā)電利用的核心環(huán)節(jié)，但目前建造大體積的人工裂隙熱儲層仍存在諸多挑戰(zhàn)，如形成的裂縫過于單一、注入井/采出井溝通困難、存在誘發(fā)地震風(fēng)險等。為此，應(yīng)加大對水力壓裂、爆炸壓裂、熱開裂技術(shù)及化學(xué)激發(fā)技術(shù)等的研發(fā)力度，明確地下裂縫形成及發(fā)展過程中的力學(xué)機(jī)制等。

3.2.3 高效流動換熱技術(shù)

EGS 工程的最終目的是從熱儲層中高效取熱，但該過程涉及多場（溫度/應(yīng)力）、多相（氣/液/固）、多過程（流動/傳熱等）間的緊密耦合作用，傳熱過程十分復(fù)雜。因此，應(yīng)加大對該過程中耦合機(jī)制的研究，明確熱儲層內(nèi)的換熱機(jī)制，為干熱巖開發(fā)過程中注入井/采出井參數(shù)匹配及采熱調(diào)控提供理論依據(jù)。

3.3 促進(jìn)我國干熱巖發(fā)電發(fā)展的建議

我國干熱巖的大規(guī)模發(fā)電利用對構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)十分重要。為此，可從如下方面促進(jìn)我國干熱巖發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.3.1 加大政策支持力度

干熱巖屬于戰(zhàn)略性資源，但其積極作用卻未被明確。應(yīng)像促進(jìn)風(fēng)能、太陽能開發(fā)利用一樣給予相應(yīng)的政策傾斜，提升企業(yè)的投資建立干熱巖發(fā)電站的信心與熱情。

3.3.2 加大技術(shù)研發(fā)投入

干熱巖發(fā)電過程涉及的高溫鉆井建井、大型壓裂儲層構(gòu)造和高效換熱均屬于前瞻性技術(shù)，需投入大量人員、資金才可能突破技術(shù)瓶頸，進(jìn)而形成干熱巖高效發(fā)電利用的自主技術(shù)體系。因此，應(yīng)鼓勵更多專業(yè)人員從事干熱巖開發(fā)利用技術(shù)研究，并為其提供更多的持續(xù)性研發(fā)資金支持。

3.3.3 加強(qiáng)國際交流合作國外干熱巖開發(fā)利用研究開展較早，應(yīng)加強(qiáng)國際交流合作和先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)，從國外已有EGS 項目中總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，從而助推或倒逼我國干熱巖技術(shù)的自主創(chuàng)新。

4 結(jié)語

在全球碳減排背景下，干熱巖資源的大規(guī)模開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實意義。我國干熱巖發(fā)電潛力巨大，但目前發(fā)展較為緩慢。為促進(jìn)干熱巖資源在我國新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有作用，應(yīng)汲取國內(nèi)外已有EGS 項目的經(jīng)驗教訓(xùn)，加大技術(shù)研發(fā)人力、資金投入，重點突破高溫鉆井、大型儲層構(gòu)造、高效換熱等關(guān)鍵技術(shù)。相信在相關(guān)技術(shù)成熟后，干熱巖發(fā)電將為我國碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)作出重要貢獻(xiàn)。