高温岩体地热资源特征与开发问题探讨

  能源是人类生存与发展的重要物质基础，也是当今国际政治、军事、外交关注的焦点．中国作为一个发展中的大国，其经济社会持续快速的发展离不开有力的能源保证．过去近200 年来建立起来的以煤炭、石油、天然气等化石燃料为主能源的支撑体系，在推动人类社会发展和文明进步方面发挥了关键性作用．尽管世界化石能源储量丰富，据统计截至2006 年底，世界煤炭探明储量约9,091 亿吨，按目前生产水平可供开采147 年；20 年来世界石油和天然气的储采比(剩余开采量/年开采量)始终保持在40～60 左右的水平[1]．但化石能源是地球母亲经历了几千万年乃至数亿年复杂的地质过程才为人类留下的宝贵财富，对人类发展历史来说，她是有限的、不可再生的．随着社会经济的加速发展和科学技术的进步，对能源的需求越来越大，对化石能源的开采规模也将越来越大，因此，化石能源的快速减少甚至枯竭就不可避免．同时，人类大规模消耗化石能源对生态环境的影响也日益突出，如：有毒、有害气体的排放给人类健康造成了负面效应；CO2 温室气体大规模排放引起的温室效应，导致全球变暖等．这些都对人类的生存环境产生了严重损害，也早已为全球科学家、政治家以及普通民众所关注．公认的20 世纪八大公害事件中有五个事件(1930 年12 月1—5 日比利时马斯河谷烟雾事件；1948 年10 月26—31 日美国宾夕法尼亚州多诺拉镇烟雾事件；20 世纪40 年代美国洛杉矶市化学烟雾事件；1952 年12 月5—8 日英国伦敦烟雾事件；1961 年日本四日市哮喘病事件)都与利用化石燃料而排放的有毒、有害气体有关[2]．

 

  正是由于目前人类所依赖的对化石能源的利用面临着资源枯竭和环境破坏的双重压力，所以，节约高效、多元发展、清洁环境、科技先行、国际合作成为未来能源发展战略的必然选择[1]．研发、推广节能新技术和大力开发可再生能源(如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等)替代不可再生能源成为解决人类未来能源危机问题，支撑人类社会可持续发展的两个主要途径[2-3]．作为资源潜力巨大，且绿色环保、可再生的地球内部高温岩体地热资源的大规模开发利用，无疑应该成为我国未来能源发展战略的重要一环．

 

  1 高温岩体地热资源的概念

 

  高温岩体(也称干热岩体)地热资源，是指温度在200,℃以上的岩体中蕴藏的热能资源，它可以通过开采，提取过热水蒸气，直接用于发电等．美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们用了一个更专业的名称“hot dry rock”，中文直译为干热岩，其明确的科学和工程意义为：岩石是干的、无水的、致密的、不渗透的；另一层含义为岩石是热的，具有较高温度的．1984年，干热岩地热开发在美国成功后，“hot dryrocks”及其缩写HDR 广泛出现在科技文献中[4]．地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，它通过火山爆发、温泉、喷泉及岩石等热能方式源源不断地向地表传送[5]．理论上讲，从地壳表层向地壳深部，岩体温度是逐渐增高，到一定深度，岩体温度都会达到高温岩体的温度．但由于技术和经济的原因，并不是地壳内部所有的高温岩体都能为人类所开发利用，而只有那些在一定地质构造区域内的地热异常区存在的、埋深较浅的高温岩体，才有利于人类的开发和利用．所以，地热开发中所说的高温岩体不是一般意义上的高温岩体，它特指在特定岩石圈动力学环境中和特定地质构造区域内，存在于地壳中，且温度在200,℃以上的岩体．根据该岩体的岩石组成、结构、埋置深度、地应力状态等特征和所处的地表人文环境、自然环境、社会环境等特点，可以在当前或不远的将来的技术和经济条件下开发利用[6]．

 

  2 高温岩体地热开发的基本思想

 

  具有商业用途的高温岩体地热资源开发的概念与思路，首先是由Morton Smith 领导的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家小组于1970 年提出的，其基本思路是：预期一个钻孔进入热的岩体，然后形成垂直裂缝，第二个钻孔进入裂缝带，从一个钻孔进入裂隙区的水循环后，从另一个钻孔以压力热水的形式排到地面(见图1)[7-8]．高温岩体开发的两个关键技术问题是深部人工储留层的建造技术和高温岩体中的钻井技术[4]．人工储留层建造是高温岩体地热开发最关键的步骤[8]，它直接关系到高温岩体地热开发的成本和经济性[9-12]．水压致裂法、爆炸法和热应力法是建造人工储留层的主要方法．

 

  3 高温岩体地热资源开发的优势

 

  地球内部蕴藏着巨大的地热能，人类对地热能开发利用的历史久远．但到目前为止，地热能开发利用的对象仅限于地壳浅层的天然地下热水系统，且主要用于城市供暖、洗浴、医疗保健、农业种养殖、纺织印染、食品加工等[5,13-14]，地热能利用在整个能源结构中所占份额很小[15-16]．同时，过度开发地壳浅层地下热水系统的地热资源又带来了一系列环境破坏问题，如地下热水水位下降，地面沉降变形，地热热泉地貌景观的破坏，地热尾水排放产生的热污染，地热水排放中产生的CO2、CH4、SO2 等有害气体，这些就造成了对大气环境的化学污染，以及地热水入渗对土壤的污染等生态环境问题．

 

  地壳深部的高温岩体中蕴藏的地热能 (据估计占所有地热能的90%以上) 有着巨大的资源量，甚至可以说是无限的资源量．高温岩体地热资源的大规模开发利用，可以减少对不可再生化石能源的过度依赖，增加国家能源安全，同时高温岩体地热资源又是非污染绿色能源，开发不会带来严重的环境问题．

 

  概括地说，高温岩体地热资源具有以下优势：

 

  ①高温岩体地热资源量巨大，分布广泛；②对高温岩体地热资源的开发利用不会排放有毒有害气体(如CO2、SO2、NO2 等)，也没有其他流体或固体废弃物．因此，高温岩体地热资源系统可以维持对地表环境最低水平的影响；③高温岩体地热开发系统本质上是安全型，没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染；④高温岩体地热开发可以提供不间断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响；⑤高温岩体地热资源可以有效维持发展中国家的战略与经济的平衡；⑥美国、英国、日本等国对高温岩体地热的前期开发试验已经充分说明，高地温梯度(80,℃/km)的高温岩体地热电价，在今天已具有一定的商业竞争力，其电价大约在4～7 美分/

 

  (kW·h)，而中等和低级高温岩体地热资源，通过进一步改进开发技术，才能与以化石能源为基础的电价具有竞争能力．

 

  国际公认的新世纪能源开发应满足的基本原则是：在不增加化石能源需求的同时，大力开发新能源；而对新能源的基本要求是运行安全、价格合理和低环境影响．就此意义，高温岩体地热资源与核能、太阳能或者其他可再生能源相比，更具优势[4]．4 高温岩体地热资源潜力的估计

 

  4.1 全球高温岩体地热资源潜力

 

  地球内部总的热能对人类来说是无限的，但就开发成本而言，却只有极小的一部分可供人类利用，而在可供人类利用的地热能类型中，天然热水资源仅占极小的部分．以美国的统计资料为例，主要能源类型底数比较如图2 所示[3]．将各种类型的能源都折算成热能来比较，单位为夸特(Quad 缩写为Q)．1Q=1021J，1Q大体相当于全球大地热流全年的放热量．图2 美国几种能源底数的比较[3]

 

  由图2 可以看出，地热资源中热水型资源总量仅相当于高温岩体型地热资源的几千分之一，可见地热资源最主要的存在形式应该是高温岩体．所以说，开发高温岩体地热资源才能算真正打开了地球这个庞大的热库．

 

  国际高温岩体地热专家们按照地热梯度，对全世界，特别是发达国家的高温岩体地热资源进行了较为详细的评价[7]．就美国而言，专家们基于岩石的热容系数、地热梯度、热储尺度、钻井能力、期望利用温度等多因素的综合考虑，鉴于目前的开采技术水平，对地面以下10,km 以内、温度高于150,℃的高温岩体地热资源可以开发．据此估计，美国的高温岩体地热资源总量在10～13,MQ，而1982 年全世界能源消耗的总量仅为250,Q．据估计全球化石燃料360,000,Q，而仅美国易于开发的高地温梯度区(地温梯度大于45,℃/km)的高温岩体地热资源量就在650,000,Q，远大于全世界化石能源总量[7]；全世界地壳10,km 以内高温岩体地热资源总量为40～400,MQ，相当于化石能源的100～1,000 倍．因此，高温岩体地热资源是巨大的、未开发的、安全的、可供人类用几千年的绿色能源，也是全世界应该大力开发的新能源．

 

  4.2 中国高温岩体地热资源潜力

 

  我国地质构造条件优越，地处欧亚板块东南部，为印度板块、太平洋板块和菲律宾板块所夹持，在太平洋板块持续向西俯冲和印度板块持续向北俯冲汇聚的现今岩石圈动力学背景下，陆内构造变形强烈，地震成片分布，深部热物质活动(岩浆)强烈，形成了我国丰富的、类型多样的地热资源[17-20]．特别是我国西南部的青藏高原，它是新生代印度板块和欧亚板块俯冲碰撞造山作用最强烈区域．其巨厚地壳的形成，高原快速隆升，强烈构造活动和地震活动，强烈的壳幔作用引起的地幔和地壳深部热物质的向上运移，形成了丰富的地热资源[21-26]；