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    干热岩开发利用还要走较长的路

        “青海共和盆地成功钻获温度高达153℃的干热岩,它们埋藏浅、温度高、分布范围广,填补了我国一直没有勘查发现干热岩资源的空白。”这一消息在不久前一经刊出,即被视为关注的焦点。这与近期国内的大气环境严重恶化以及化石能源开发利用中的诸多不如意有直接关系。

      今年6月13日,中共中央总书记、国家主席、中央财经领导小组组长习近平主持召开了中央财经领导小组第六次会议,研究我国能源安全战略。能源“革命”是本次会议的关键词。而在习近平主席就推动能源生产和消费革命提出的5点要求中,排在第一位的是:推动能源消费革命,抑制不合理能源消费……

      稍后,一份共同关注和致力于保护气候环境的联合声明——《中英气候变化联合声明》在伦敦诞生。《声明》称,化石能源燃烧造成严重的大气污染,影响了千百万人的生活质量。双方认识到气候变化和大气污染在很多方面同根同源,许多解决方法也是共通的。这需要双方立即采取行动。从某种意义上说,这在国内举国“狙击”雾霾的关键节点上是一种势不可挡的助推。

      近几年,在雾霾治理的迫切需求下,控制以化石能源为主的能源消费逐渐成为共识。如此,解决问题就要在能源供给链条上动脑筋,而强调建立多元供应体系就成为优先选择的路径。而在能源的多元供应体系中,干热岩的开发利用也顺理成章地备受关注起来。

      干热岩因何“受宠”

      干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体。很多专家认为,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。

      国内对干热岩的关注始于什么时候呢?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、中国地质科学院水文地质环境地质研究所所长助理王贵玲在接受《中国矿业报》记者采访时表示,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。当时,仅少数科研单位进行了理论探讨,并参与了干热岩或EGS(增强型地热系统)国际合作。我国的地热工作者也做了一些相关工作,为我国今后系统全面地开展干热岩研究奠定了基础。

      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。干热岩资源主要用于发电,而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。相关研究数据表明,一处干热岩发电站可能只能连续工作20年左右。但是,这个热储库关闭后,地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石。几十年后,这些热岩就能再次被重新用于发电。而且,在关闭期间,发电站可以得到充分的维修和技术升级,为下次发电做好准备,实现周期性循环发电。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。麻省理工学院一份研究表明,只要开发地球上3千米~10千米深度中2%的干热岩资源储量,就能产生2×1020艾焦耳的能量。也有专家保守估计,地壳中距地表3千米~10千米深处的干热岩所蕴含的能量相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。资料显示,我国地热资源丰富。经科学测算,中国大陆3千米~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%。国土资源部日前发布的数据表明,中国大陆3千米~10千米深处干热岩资源总量相当于中国目前年度能源消耗总量的26万倍。

      事实上,干热岩的另一个尤为重要优势是,在常规油气生产区域资源枯竭后,其是实现能源资源续接的一种重要路径。负责青海共和干热岩的勘探工程核检工作的山东省地矿局鲁北地质工程勘察院总工程师赵季初向记者介绍,黄河三角洲地区是胜利油田的主产区,经过近半个世纪的开采,目前油气资源已进入严重减产期,庞大的油田队伍将面临生产转型危机。而黄河三角洲地区随着在国家发展战略中地位的提升,对能源的需求也急剧增加,迫切需要新能源的支持。鲁北院在石油勘探开发过程中,发现了黄三角地区具有较高的大地热流值与地温梯度背景,在埋深3千米~5千米的可及深度内,岩层的温度可超过150℃,具备干热岩地热资源形成的地质构造条件。2013年,鲁北地质工程勘察院在利津县施工的干热岩勘查项目证实了黄河三角洲地区确实存在干热岩资源,在2500米深度地温达到了104℃,泰古代老结晶基底岩石的地温梯度达到了4.07℃/100米,预期4500米深度时岩石温度可达180℃。这也证实了在黄河三角洲地区进行干热资源的勘探与开发的可行性。

      目前,在东北,处于松辽盆地的大庆油田也面临着资源枯竭的问题。资料显示,大庆地下4千米~5千米深的干热岩所蕴藏的地热能源就相当于全市油气能量的1万倍。目前,大庆的干热岩地热分布式热电站项目也正在进行前期工作。

      深层地热研究资深专家李虞庚也曾在海南省可再生能源协会组织的“深层热干岩地热电站项目报告会”上表示,开发利用海南深层地热资源,对调整能源结构,实现海南能源可持续发展,建设低碳经济试验示范区有重大战略意义。更难得的是,海南地壳薄,比全中国很多地方的地壳要薄20多千米,钻井不必打很深。

      干热岩规模利用尚待时日

      青海共和优质干热岩资源被发现,让这种清洁能源重归人们的视野,也在国内的这个圈子里再次掀起争论热潮。很多观点认为,对干热岩开发目前已经上升到了国家层面。也有专家认为,由于技术、设备等原因,我国对干热岩的开发利用仍尚待时日。

      赵季初认为,干热岩勘探属于地热资源勘探中的一个分支,以寻找高温岩体为其勘探目的。抛开施工地质条件的因素,相比于传统的地热资源勘探以寻找高温流体为勘探目的,干热岩的勘探相对要容易一些。鲁北院在地热与深部资源钻探技术方面一直处于山东省内领先地位,拥有各类大型钻机15部。自1996年在鲁北院原址成功开凿了第一口1480米深的地热井以来,其施工的地热井深度不断突破,目前所施工的地热井最深达3600米,地层岩性由软弱的第三纪沉积岩扩展到灰岩、岩浆岩及变质岩。强大的施工能力为鲁北院进行干热岩勘探提供了技术保障。

      王贵玲表示,中国地质调查局水环所地热研究室一直承担着中国地质调查局干热岩资源勘查开发的重任,2012年完成了中国大陆3千米~10千米深处的干热岩资源量的估算,以及各干热岩分区的资源评价。2013年,中国地质调查局启动了我国干热岩资源调查评价工作,目前已完成了我国干热岩地热资源区域地质背景分析,初步建立了干热岩资源战略选取的地热学指标,划分了部分干热岩资源开发利用优先靶区。其今后的目标是,在完成全国干热岩资源潜力调查评价的基础上,开展干热岩开发示范,建立我国干热岩开发技术体系,“十三五”末实现干热岩发电,力争“十四五”到“十五五”实现干热岩商业开发。

      目前,中国地质调查局与青海省在青海东部共同开展干热岩勘查工作,在共和盆地和贵德盆地同时施工干热岩钻探孔。共和盆地钻探孔显示深部花岗岩埋深在900米~1850米,上覆有沙岩、泥岩盖层,具备较好的干热岩赋存条件。根据已经掌握的情况,共和盆地是开发干热岩资源的良好场所。但是,要开发干热岩资源需要人工热储压裂等多种关键技术的支持,因此干热岩资源距离开发还有较长的路要走。

      比如,开发干热岩地热资源需要深井钻探,钻打高温岩体钻头的耐热度需要达到350℃。另外,在实际工作中需要应用防斜钻井技术,这将增加开发过程中的难度和生产费用。目前,我国在钻井、压裂、微地震监测、数值模拟等方面的技术虽然有了较大提升,但在建立干热岩开发利用技术体系方面还面临很多瓶颈,如高温科学钻探技术、大面积人工热储压裂技术、人工热储裂隙跟踪技术等关键技术研究还需要进一步加大力度。

      王贵玲认为,干热岩的开发利用应遵循“公益先行、商业跟进”的原则:以国家公益性投资为基础,通过典型示范,形成可以推广的干热岩勘查开发技术体系,逐步引导商业资金的介入,实现干热岩发电。因此,勘查开发干热岩资源应先在国家层面上展开调查与技术体系研究,之后再逐步引导地方及商业资本介入。目前,中国地调局一方面开展全国不同类型区干热岩资源调查;另一方面开展不同类型区干热岩资源开发利用试验,进行干热岩开发利用关键技术研究。

      干热岩将影响我国能源结构

      从1904年意大利托斯卡纳的拉德瑞罗第一次用地热驱动0.75马力的小发电机投入运转,并建造了第一座500千瓦的小型地热电站算起,地热发电至今已有超过百年的历史了。如今,新西兰、菲律宾、美国、日本等国都先后投入到地热发电的大潮中。其中,美国地热发电的装机容量居世界首位。进行干热岩发电研究的还有英国、法国、德国和俄罗斯,但迄今尚无大规模应用。

      我国的能源状况是贫油、少气、富煤,煤炭在我国能源结构中占70%以上,目前全国每年消耗煤炭量超过30亿吨。从促进能源可持续发展的角度讲,调整能源结构,促进新能源的发展是我国未来能源发展的重点。上世纪70年代初,在国家科委的支持下,中国各地也涌现出大量地热电站,应该算作对这种清洁能源利用的初步尝试。

      我国的干热岩储量巨大。王贵玲认为,如果能规模化开采,会比水电、风电等新能源对能源结构的影响更大。国际能源署(IEA)预计2050年全球增强型地热系统发电将达到100吉瓦。然而,目前干热岩发电尚处于研发阶段,因此短期内不会成为国家电网能量补充的重要渠道,但可以预计不远的将来干热岩资源将会对我国能源结构产生重要影响。

      任何一种资源的利用,毫无疑问都会对周围环境产生相应的副作用。在王贵玲看来,干热岩发电系统几乎为“零排放”,无废气和其他流体或固体废弃物,可维持对环境最低水平的影响。与传统能源发电技术相比,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。

      在国外干热岩开采过程中,曾出现过诱发微地震的状况(例如瑞士巴塞尔地热项目)。这可能会是干热岩开发的一个潜在风险。但只要做好微震监测,提高开采技术,即可以尽可能地减小诱发地震的风险。

      干热岩的开发利用,需要借助大量水的循环,每次提取地热资源时,都要给地下岩石水库注水,在循环过程中还要对流失的水不断补充。因此,充足的水源供应是开发利用热干岩的一项重要条件。当然,目前也有专家正在研究用超临界的二氧化碳作为循环液。这种方法可以避免水溶液注入可能产生的一系列问题,同时实现二氧化碳的资源化。不过,这项研究才刚刚起步,仍有不少技术难题有待解决。

      与国外上世纪70年代开始开展干热岩勘查与开发利用相比,我国对干热岩的开发利用相对较晚,因此实现大规模开发需要更多的投入,才能达到或赶超国际先进水平。

      对于开发干热岩,王贵玲认为,应遵循“面上展开、点上突破、综合评价、开发示范”的原则,分区域干热岩资源调查评价与重点靶区干热岩资源开发示范两个层面开展工作;面上调查主要针对我国不同类型的干热岩资源潜力区开展调查工作,评价区域干热岩资源量,圈定开发利用有利目标区;点上突破重点针对干热岩开发利用有利目标区,开展干热岩资源勘查与开发利用示范,建立干热岩科学开发利用示范研究基地,形成我国干热岩资源勘查开发技术体系;点面结合,协调推进,保障实现项目的既定目标,最终实现我国干热岩资源的规模化开发利用。此外,干热岩在社会民众层面的认知度并不高,还需要辅助更多的宣传,以取得民众的理解和支持,便于更好地开展工作,进一步推动国家的能源的可持续发展。