干热岩及其开发利用(1)

干热岩及其开发利用（1）

胡经国

一、寻找新能源——干热岩

1、人类积极寻找新能源

为了解决能源短缺问题世界各国都在积极寻找新能源。人们因地制宜，在地势平坦的地区建设核电站；在沿海城市推进潮汐发电；在偏远山区架设风力发电机；在阳光充足的地方安装一片片太阳能电池板实施光伏发电，等等。这些新型能源大家似乎已经耳熟能详。但是实际上，在地球深处还隐藏着一种巨大的能源。它存在于那些不起眼的岩石之中。这种利用岩石中的热能发电的技术被称为干热岩发电。

中国从1993年起就从能源净出口国变成了净进口国。也就是说，中国国内能源产出已经供不应求，从此走上了从别的国家进口能源的不归路。

2、干热岩发电技术的提出

人类在目睹了火山喷发的巨大能量之后，就一直在寻找开发这种古老而巨大的能量的方法。经过多年的寻寻觅觅，人们终于找到了一种利用干热岩发电的技术。它是在1970年由美国人莫顿和史密斯提出；但是，它的提出并没有引起多少人的注意。甚至到了科学技术迅猛发展的2018年，它的潜在价值也没有被很好地发掘。

3、石化和常规清洁能源的局限性

随着日本地震引发福岛核电站事故，核电发展在全球降温，而采用化石能源也越来越受到碳减排的制约。发展清洁能源成为各国加快发展的关键。在中国，随着国民经济高速发展，目前碳排放量已居世界首位。继续增大碳排放量必然受到西方大国的反制。因此，发展清洁能源是为中国经济高速发展提供能源保障的必由之路。目前，虽然太阳能、风能、水能都是清洁能源，但是水能经过几十年持续开发，继续发展潜力有限；而风能、光能的高成本仍是制约其进一步发展的关键。在这种形势下，开发地热资源成为一种相对经济、可行的途径。在地热能中，干热岩是一种分布最为广泛、热储量最大的一类能源载体。

随着人类对能源需求的不断增长，全世界的人们越来越担心传统矿物能源大量使用带来的资源枯竭问题和对环境的污染问题，并开始关注可再生且无污染的能源，如太阳能、风能、水能等。但是，这些可再生能源的开发利用受诸如气候等外界环境制约，不能稳定生产。尤其是资源丰富的水力发电，不仅受降雨量变化影响，而且还对流域生态环境产生不同程度的破坏。因此，各国科学家都在不断探索，努力寻找各种不受外界环境影响、又对环境破坏和污染很小的新能源。发达国家试验研究表明，利用资源极为丰富的干热岩发电，几乎不受外界环境影响，几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源取之不尽、用之不竭，被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。目前，国

际上干热岩的开发利用还处于试验阶段；不过，科学家预测，到2030年左右人类完全可以掌握必要的技术，利用干热岩大规模发电。

4、干热岩是一种洁净新能源

在可燃冰（天然气水合物）钻获之后，又发生一件可能改变能源版图的大事，那就是干热岩的钻获。专家认为，地热资源已成为新能源中的佼佼者，而干热岩则是其中最具应用价值和利用潜力的清洁能源。干热岩的应用将可能改变能源利用的版图，并且必将推进能源结构的清洁化。

干热岩是全球公认的高效低碳清洁能源。在干热岩开发过程中，主要通过注水井注入冷水来吸收岩体热量，将注入水转化为蒸汽，再通过抽气井将高温蒸汽抽取到地表进行利用。在其开发过程中，几乎不产生氮、硫、氧化物等污染物。与传统水热型地热开发相比，干热岩是以固体形态存在的高温岩体，温度越高，能量资源越丰富。在其开发利用过程中，不会出现其它的环境问题，也不受过多的环境因素的制约和影响。

干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用，而且在利用的整个过程中处于封闭循环系统。因此，干热岩的利用不会出现像热泉等常规地热资源利用的麻烦，即没有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质出现。

不仅如此，干热岩发电既不像火电那样，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；而且也不像水电那样，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。

此外，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。干热岩发电不像水电那样受水坝所在河流流域降水量多寡的影响，而且也不像火电那样易受市场上燃煤或油气价格变化的影响。

5、干热岩热能取之不尽

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（即quad，1夸特相当于18000万桶石油，而美国2001年能源消耗总量仅为90夸特）。这些能量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（Tester，et al. 1989）。

即使是在局部地区，干热岩的热能储量也十分惊人。例如，在美国芬顿山（Fenton Hill）干热岩Ⅱ期工程期间，恒定条件下，4年期间11个月的循环测试所获得的热能就高达1000亿个英国热量单位BTU（Duchane，1997）。

若不合理地过量开采水热型地下热水，则会出现地下水位下降或者是资源枯竭等情况。而干热岩资源稳定、均匀，是来自地球内部的热能，因而相对来说其潜力会更大。

干热岩是一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭。目前，世界上众多经济较发达的国家对干热岩的发电研究方兴未艾。可以预见在不久的将来，随着相关技术的迅速发展，利用干热岩所发的电能将会成为国家电网中不可或缺的重要组成部分。

二、干热岩的定义

在中国能源行业地热能专业标准化技术委员会制定的《地热能术语》中，对干热岩（Hot Dry Rock，HDR）给出的定义是：“内部不存在或仅存在少量流体、温度高于180℃的异常高温岩体。”有关专家认为，干热岩温度太低，开采就没有经济价值。干热岩的开采要实现经济价值，才能确立制度标准，没有经济价值，制度标准没有任何意义。温度太低了，经济上不可行，标准设立为180℃还是比较适宜的。随着未来技术的进步，开采成本会下降，这一温度标准也会往下降。

不过，在不同的文献中，对于干热岩的定义还有一些大同小异的解说，例如：

干热岩（Hot Dry Rock，HDR；或Hot Dry NoodleRock），又叫做增强型地热系统（EGS），或称为工程型地热系统，一般是指温度高于200℃、埋藏深度达数千米、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的岩石成分可以变化很大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩, 但是也可以是中新生代变质岩, 甚至是厚度巨大的块状沉积岩。由于干热岩主要被用来提取其内部的热量, 因而其主要的工业指标是岩体内部的温度。

干热岩正统定义是指增强型地热系统（EGS）。广义上，可以把它理解为一种地热资源，一般是温度高于200℃、埋深数千米、内部不存在流体或存在少量流体的高温岩体。

干热岩的定义比较宽泛，通常是泛指埋藏深度超过2000米，温度超过150℃的高温岩体；其特点是无水或含水量极少。与之相对的是“湿热岩”，这种高温岩体中存在天然的裂隙和水。

干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体；干热岩埋藏于地下2000～6000米的深处，温度为150～650℃。

三、干热岩能源的用途

干热岩能源可用于发电、供热采暖和综合利用等。目前它主要用于发电和供热采暖。

1、干热岩能源用于发电

目前，人们对干热岩能源的开发利用，主要用于发电。利用干热岩能源发电技术，可以大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，并且不受季节、气候制约。而且，将来利用干热岩能源发电的成本仅为风力发电的1/2，只有太阳能发电的1/10。

世界上迄今利用的地热能为距地表10公里以内的热能，已探明的地热资源约为12.6×1026J，相当于全球煤的经济可采储量所含热量的7万多倍。地球上的干热岩资源占已探明地热资源的30%左右；其中距地表4～6千米、岩体温度为200℃的热干岩具有较高的开采和利用价值。干热岩作为一种可再生的清洁能源，可在地热发电中得到应用。

干热岩能源发电的流程为：注入井将低温水输入热储水库中，经过高温岩体加热后，在临界状态下以高温水汽的形式通过生产井回收发电。发电后，将

冷却水排至注入井中，重新循环，反复利用。干热岩能源发电不仅可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，而且具有电价竞争力。在采用先进的钻井和人工热储水库技术条件下，干热岩能源发电比传统火力、水力发电更加具有电价竞争力，届时干热岩能源资源将成为全球的主导能源之一。

2、干热岩能源用于供热

干热岩因其得天独厚的较高温度，一旦成功开采出来，将是冬季供暖的良好热源。但是，由于其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。因此，用干热岩技术来进行集中供暖是比较合适的选择。

目前，除了欧美等技术发达的国家以外，世界上大部分国家在干热岩领域的基础地质勘察工作还比较薄弱，勘察手段不够完善，基础研究不够深入等，也制约了干热岩资源的商业性开发。

2019年6月3日编写于重庆

2019年8月26日修改于重庆