增强型地热系统_干热岩_开发技术进展_许天福

科技导报2012，30（32）1增强型地热系统的概念地热能由于其清洁可再生性和空间分布的广泛性，已经成为位居水力、生物质能之后的世界第3大可再生能源。地热资源作为世界各国重点研究开发的可再生清洁能源，主要分为水热型和干热岩型。世界上目前开采和利用地热资源主要是水热型地热，占已探明地热资源的10％左右[1]。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。干热岩普遍埋藏于距地表3—10km的深处，其温度范围很广，在150—650℃之间[2]。现阶段，干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体，保守估计地壳中干热岩（3—10km深处）所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。干热岩在地球上的蕴藏量十分丰富。若将它开采出来加以应用，可以满足人类长期使用。据麻省理工学院（MIT）2006年报告，只要开发3000—10000m深度2%的干热岩资源储量，就将达到200×1018EJ，是美国2005年全年能源消耗总量的2800倍[3]。据美国地热能市场评估报告数据（2007），美国国内地热项目开发的数目增至193个，正在开发的地热能量1035MW，而地热潜力估计12271369MW[4]，有极大的开发潜力。增强型地热系统（EnhancedGeothermalSystems，EGS）是在干热岩技术基础上提出的，美国能源部的定义是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统，如图1所示。据美国能源部的增强型地热系统技术评估报告（2008），需要对EGS技术中3个关键方面

增强型地热系统（干热岩）开发技术进展许天福1，张延军1，2，曾昭发3，鲍新华1

收稿日期：2012-09-11；修回日期：2012-10-10基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA052801）；国家自然科学基金（40972172）作者简介：许天福，教授，研究方向为多相流反应溶质运移和EGS，电子信箱：tianfu.good@gmail.com；张延军（通信作者），教授，研究方向为岩石力学和EGS，电子信箱：zhangyanj@jlu.edu.cn

1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春1300002.吉林大学建设工程学院，长春1300263.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026

摘要增强型地热系统（EGS），又称干热岩，是一种从低渗透率和低孔隙度的岩层（干热岩）中提取热量从而获取大量热能的一种

工程。有关增强型地热系统的研究与开发已有30余年的历史，但以往只局限于美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家。中国高温岩体地热开发研究起步较晚，仅少数科研单位在这方面做了理论探讨和国际合作。本文主要讨论了增强型地热系统的基本理念、国内外研究现状与发展趋势、关键技术、存在的问题以及展望。关键词干热岩；增强型地热系统；人工压裂；地球物理

中图分类号TK529文献标识码Adoi10.3981/j.issn.1000-7857.2012.32.005

TechnologyProgressinanEnhancedGeothermalSystem(HotDryRock)XUTianfu1,ZHANGYanjun1,2,ZENGZhaofa3,BAOXinhua1

1.LaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130000,China2.CollegeofConstructionEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,China3.CollegeofGeo-explorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

AbstractEnhancedGeothermalSystem(EGS),knownasHotDryRock(HDR),isanengineeringtechnologywheretheheatenergyis

extractedfromlowpermeabilityandlowporosityrock,namely,HDRinordertogainthequantityofenergy.AlthoughthehistoryanddevelopmentofEGShasbeenmorethan30years,onlyasmallnumberofcountriesintheworldhaveavoiceinthisrespect,suchastheUnitedStates,Britain,France,Germany,Switzerland,Japan,Australia,etc.Thebasicconcept,researchanddevelopmentstatus,keytechnologies,issuesandexpectationinvolvingtheEGSaremainlydiscussed.Keywordshotdryrock;EGS;artificialfracturing;Geophysics

专题论文（SpecialIssues）

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图1干热岩热能开发的增强型地热系统示意Fig.1Schemeoftheenhancedgeothermalsysteminhotdryrock

进行评估，即地质条件、经济可行性和EGS在其他技术领域的适用性，最后通过耦合模型预测评价能源开发的可行性[5]。需要指出的是，本文中使用的干热岩和增强型地热系统两个名词概念没有严格的区分，可交换使用。2国内外研究现状与发展趋势增强型地热系统已有30多年的研究历史，但以往只局限在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家。美国是最早对干热岩的工程开发进行研究的国家，在新墨西哥州中北部的芬顿山成立了干热岩研究中心。美国政府于1973年资助针对干热岩开发的EGS试验研究，1977年获得了成功，最深钻孔达4500m，岩体温度为330℃，热交换系统深度为3600m。1984年建成了世界上第一座高温岩体地热发电站，发电功率由最初的3MW提高至10MW，地热流值达250mW/m2。从1980年开始，日本政府资助了一项研究干热岩发电技术可行性的项目。在山形县实施了4个钻孔，深度在2000—2200m，岩体温度为250℃，并进行了多次短期的水压测试。1988年，日本政府和几个私人机构还在岩手县资助了一项研究水－岩体间热交换项目[6]。1977—1986年，欧共体资助德国在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项EGS研究：在较浅的深度下，研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的形成机制以及水在这些裂隙中的运移机制[7]。国际能源署（IEA）领导并实施了一系列有关地热利用的国际合作项目。在众多的地热利用国际合作项目中，与干热岩较紧密联系是“地热执行协议”（GIA）中一个为期4年（1997—2001）的重大计划———“干热岩行动计划”（HotDryRockTask），该计划由日本的新能源和工业技术发展组织（NEDO）担任总执行机构，参与该计划的国家有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国以及欧共体。澳大利亚在2003年在库珀（Cooper）盆地开展了一个有关EGS的项目，勘查结果显示该盆地的热能储量高达500亿桶油当量（据澳大利亚Metasource公司网站），在4500m的深处干热岩的温度高达270℃[8]

。Geodynamics有限公司在2003

年9月完成了第一口注水井，而且通过注水在花岗岩岩体上压裂并形成了一系列永久的连通裂隙。2008年初，美国麻省理工学院历时3年完成了一份研究

报告———《地热能的未来》，其副标题是“21世纪增强型地热系统（干热岩）对美国的影响”。研究报告指出，增强型地热系统，或称工程型地热系统（即以前所称的干热岩），开发应用潜力巨大，不受地域限制，对环境影响最小，预示美国干热岩开发技术的商业化运行可望在10—15年内实现。中国高温岩体地热开发研究起步较晚，仅少数科研单位做了理论探讨并参与了干热岩或EGS国际合作。1993—1995年，中国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所开展合作，在北京房山区进行了干热岩发电的研究试验工作[9]。2000年，赵阳升教授领导的研究团队开始了高温岩体地

热开发的有关问题研究，并对相关技术做了较系统的介绍。2007年中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚

Petratherm公司签订了2年的合作协议，开展了“中国工程型

地热系统资源潜力的研究”国际交流项目，中澳专家已联合在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查，采集了一些试验样品，并进行了一系列分析测试、模型研究等工作[10]。

2009年6月29日大庆市组织召开全市新能源利用座谈会，

认为大庆市的地热资源非常丰富，分布面积达5000km2

，地下

4000—5000m深的干热岩所蕴藏的地热能源相当于全市油气

能量的1万倍，开发潜力巨大[11]。2009年11月底—12月初，

中国能源研究会地热专业委员会和中国地质环境监测院组团，对澳大利亚“地球动力”公司在南澳大利亚Cooper盆地的干热岩开发利用现场进行了实地考察。2010年，福建省天华能源科技有限公司开展了福建省泉州市晋江地域增强型地热利用系统工程及地震监测试验研究项目。中国幅员辽阔，地热资源丰富，中国地热资源潜力为11×l06EJ/a，占全球的7.9%[12]

。中国有极丰富的深层地热资源。根据

板块构造理论，中国西南部受印度洋板块的挤压作用，东南部受菲律宾板块的挤压作用，东部受太平洋板块的挤压和俯冲作用，地质体活动强烈，发生频繁的火山喷发和地震。这些地区有很高的地热梯度，典型代表如西藏羊八井地区、云南腾冲地区、海南琼北地区、台湾及东南沿海地区、长白山地区等地，都具有极丰富的高温岩体地热资源和很优越的开发条件。自1972年美国人Smith等将干热岩的开发利用研究从概念模式转入实验阶段以来，这种发电技术引起了世界各国的广泛关注，通过国际合作和各国不断努力，美国、日本、英国、法国、德国等国家在过去20年间相继进行了有关方面的实验，试验电厂的发电量也逐渐由3MW增大到11MW，逐渐接近商业开发的规模。在干热岩领域，中国前期投入较小，主要资助开展学术交流、探索研究，并未形成国家层面的干热岩技术研发基地和装备条件。中国以往的地热开采一般在1000m以内，以浅层