高溫巖體地熱資源特征與開(kāi)發(fā)問(wèn)題探討

  能源是人類(lèi)生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，也是當今國際政治、軍事、外交關(guān)注的焦點(diǎn)．中國作為一個(gè)發(fā)展中的大國，其經(jīng)濟社會(huì )持續快速的發(fā)展離不開(kāi)有力的能源保證．過(guò)去近200 年來(lái)建立起來(lái)的以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主能源的支撐體系，在推動(dòng)人類(lèi)社會(huì )發(fā)展和文明進(jìn)步方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用．盡管世界化石能源儲量豐富，據統計截至2006 年底，世界煤炭探明儲量約9,091 億噸，按目前生產(chǎn)水平可供開(kāi)采147 年；20 年來(lái)世界石油和天然氣的儲采比(剩余開(kāi)采量/年開(kāi)采量)始終保持在40～60 左右的水平[1]．但化石能源是地球母親經(jīng)歷了幾千萬(wàn)年乃至數億年復雜的地質(zhì)過(guò)程才為人類(lèi)留下的寶貴財富，對人類(lèi)發(fā)展歷史來(lái)說(shuō)，她是有限的、不可再生的．隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的加速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對能源的需求越來(lái)越大，對化石能源的開(kāi)采規模也將越來(lái)越大，因此，化石能源的快速減少甚至枯竭就不可避免．同時(shí)，人類(lèi)大規模消耗化石能源對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，如：有毒、有害氣體的排放給人類(lèi)健康造成了負面效應；CO2 溫室氣體大規模排放引起的溫室效應，導致全球變暖等．這些都對人類(lèi)的生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴重損害，也早已為全球科學(xué)家、政治家以及普通民眾所關(guān)注．公認的20 世紀八大公害事件中有五個(gè)事件(1930 年12 月1—5 日比利時(shí)馬斯河谷煙霧事件；1948 年10 月26—31 日美國賓夕法尼亞州多諾拉鎮煙霧事件；20 世紀40 年代美國洛杉磯市化學(xué)煙霧事件；1952 年12 月5—8 日英國倫敦煙霧事件；1961 年日本四日市哮喘病事件)都與利用化石燃料而排放的有毒、有害氣體有關(guān)[2]．

 

  正是由于目前人類(lèi)所依賴(lài)的對化石能源的利用面臨著(zhù)資源枯竭和環(huán)境破壞的雙重壓力，所以，節約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)境、科技先行、國際合作成為未來(lái)能源發(fā)展戰略的必然選擇[1]．研發(fā)、推廣節能新技術(shù)和大力開(kāi)發(fā)可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地熱能等)替代不可再生能源成為解決人類(lèi)未來(lái)能源危機問(wèn)題，支撐人類(lèi)社會(huì )可持續發(fā)展的兩個(gè)主要途徑[2-3]．作為資源潛力巨大，且綠色環(huán)保、可再生的地球內部高溫巖體地熱資源的大規模開(kāi)發(fā)利用，無(wú)疑應該成為我國未來(lái)能源發(fā)展戰略的重要一環(huán)．

 

  1 高溫巖體地熱資源的概念

 

  高溫巖體(也稱(chēng)干熱巖體)地熱資源，是指溫度在200,℃以上的巖體中蘊藏的熱能資源，它可以通過(guò)開(kāi)采，提取過(guò)熱水蒸氣，直接用于發(fā)電等．美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的科學(xué)家們用了一個(gè)更專(zhuān)業(yè)的名稱(chēng)“hot dry rock”，中文直譯為干熱巖，其明確的科學(xué)和工程意義為：巖石是干的、無(wú)水的、致密的、不滲透的；另一層含義為巖石是熱的，具有較高溫度的．1984年，干熱巖地熱開(kāi)發(fā)在美國成功后，“hot dryrocks”及其縮寫(xiě)HDR 廣泛出現在科技文獻中[4]．地球是一個(gè)龐大的熱庫，蘊藏著(zhù)巨大的熱能，它通過(guò)火山爆發(fā)、溫泉、噴泉及巖石等熱能方式源源不斷地向地表傳送[5]．理論上講，從地殼表層向地殼深部，巖體溫度是逐漸增高，到一定深度，巖體溫度都會(huì )達到高溫巖體的溫度．但由于技術(shù)和經(jīng)濟的原因，并不是地殼內部所有的高溫巖體都能為人類(lèi)所開(kāi)發(fā)利用，而只有那些在一定地質(zhì)構造區域內的地熱異常區存在的、埋深較淺的高溫巖體，才有利于人類(lèi)的開(kāi)發(fā)和利用．所以，地熱開(kāi)發(fā)中所說(shuō)的高溫巖體不是一般意義上的高溫巖體，它特指在特定巖石圈動(dòng)力學(xué)環(huán)境中和特定地質(zhì)構造區域內，存在于地殼中，且溫度在200,℃以上的巖體．根據該巖體的巖石組成、結構、埋置深度、地應力狀態(tài)等特征和所處的地表人文環(huán)境、自然環(huán)境、社會(huì )環(huán)境等特點(diǎn)，可以在當前或不遠的將來(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟條件下開(kāi)發(fā)利用[6]．

 

  2 高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)的基本思想

 

  具有商業(yè)用途的高溫巖體地熱資源開(kāi)發(fā)的概念與思路，首先是由Morton Smith 領(lǐng)導的美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的科學(xué)家小組于1970 年提出的，其基本思路是：預期一個(gè)鉆孔進(jìn)入熱的巖體，然后形成垂直裂縫，第二個(gè)鉆孔進(jìn)入裂縫帶，從一個(gè)鉆孔進(jìn)入裂隙區的水循環(huán)后，從另一個(gè)鉆孔以壓力熱水的形式排到地面(見(jiàn)圖1)[7-8]．高溫巖體開(kāi)發(fā)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是深部人工儲留層的建造技術(shù)和高溫巖體中的鉆井技術(shù)[4]．人工儲留層建造是高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的步驟[8]，它直接關(guān)系到高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)的成本和經(jīng)濟性[9-12]．水壓致裂法、爆炸法和熱應力法是建造人工儲留層的主要方法．

 

  3 高溫巖體地熱資源開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢

 

  地球內部蘊藏著(zhù)巨大的地熱能，人類(lèi)對地熱能開(kāi)發(fā)利用的歷史久遠．但到目前為止，地熱能開(kāi)發(fā)利用的對象僅限于地殼淺層的天然地下熱水系統，且主要用于城市供暖、洗浴、醫療保健、農業(yè)種養殖、紡織印染、食品加工等[5,13-14]，地熱能利用在整個(gè)能源結構中所占份額很小[15-16]．同時(shí)，過(guò)度開(kāi)發(fā)地殼淺層地下熱水系統的地熱資源又帶來(lái)了一系列環(huán)境破壞問(wèn)題，如地下熱水水位下降，地面沉降變形，地熱熱泉地貌景觀(guān)的破壞，地熱尾水排放產(chǎn)生的熱污染，地熱水排放中產(chǎn)生的CO2、CH4、SO2 等有害氣體，這些就造成了對大氣環(huán)境的化學(xué)污染，以及地熱水入滲對土壤的污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題．

 

  地殼深部的高溫巖體中蘊藏的地熱能 (據估計占所有地熱能的90%以上) 有著(zhù)巨大的資源量，甚至可以說(shuō)是無(wú)限的資源量．高溫巖體地熱資源的大規模開(kāi)發(fā)利用，可以減少對不可再生化石能源的過(guò)度依賴(lài)，增加國家能源安全，同時(shí)高溫巖體地熱資源又是非污染綠色能源，開(kāi)發(fā)不會(huì )帶來(lái)嚴重的環(huán)境問(wèn)題．

 

  概括地說(shuō)，高溫巖體地熱資源具有以下優(yōu)勢：

 

  ①高溫巖體地熱資源量巨大，分布廣泛；②對高溫巖體地熱資源的開(kāi)發(fā)利用不會(huì )排放有毒有害氣體(如CO2、SO2、NO2 等)，也沒(méi)有其他流體或固體廢棄物．因此，高溫巖體地熱資源系統可以維持對地表環(huán)境最低水平的影響；③高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)系統本質(zhì)上是安全型，沒(méi)有爆炸危險，更不會(huì )引起災難性事故或傷害性污染；④高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)可以提供不間斷的電力供應，不受季節、氣候、晝夜等自然條件的影響；⑤高溫巖體地熱資源可以有效維持發(fā)展中國家的戰略與經(jīng)濟的平衡；⑥美國、英國、日本等國對高溫巖體地熱的前期開(kāi)發(fā)試驗已經(jīng)充分說(shuō)明，高地溫梯度(80,℃/km)的高溫巖體地熱電價(jià)，在今天已具有一定的商業(yè)競爭力，其電價(jià)大約在4～7 美分/

 

  (kW·h)，而中等和低級高溫巖體地熱資源，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，才能與以化石能源為基礎的電價(jià)具有競爭能力．

 

  國際公認的新世紀能源開(kāi)發(fā)應滿(mǎn)足的基本原則是：在不增加化石能源需求的同時(shí)，大力開(kāi)發(fā)新能源；而對新能源的基本要求是運行安全、價(jià)格合理和低環(huán)境影響．就此意義，高溫巖體地熱資源與核能、太陽(yáng)能或者其他可再生能源相比，更具優(yōu)勢[4]．4 高溫巖體地熱資源潛力的估計

 

  4.1 全球高溫巖體地熱資源潛力

 

  地球內部總的熱能對人類(lèi)來(lái)說(shuō)是無(wú)限的，但就開(kāi)發(fā)成本而言，卻只有極小的一部分可供人類(lèi)利用，而在可供人類(lèi)利用的地熱能類(lèi)型中，天然熱水資源僅占極小的部分．以美國的統計資料為例，主要能源類(lèi)型底數比較如圖2 所示[3]．將各種類(lèi)型的能源都折算成熱能來(lái)比較，單位為夸特(Quad 縮寫(xiě)為Q)．1Q=1021J，1Q大體相當于全球大地熱流全年的放熱量．圖2 美國幾種能源底數的比較[3]

 

  由圖2 可以看出，地熱資源中熱水型資源總量?jì)H相當于高溫巖體型地熱資源的幾千分之一，可見(jiàn)地熱資源最主要的存在形式應該是高溫巖體．所以說(shuō)，開(kāi)發(fā)高溫巖體地熱資源才能算真正打開(kāi)了地球這個(gè)龐大的熱庫．

 

  國際高溫巖體地熱專(zhuān)家們按照地熱梯度，對全世界，特別是發(fā)達國家的高溫巖體地熱資源進(jìn)行了較為詳細的評價(jià)[7]．就美國而言，專(zhuān)家們基于巖石的熱容系數、地熱梯度、熱儲尺度、鉆井能力、期望利用溫度等多因素的綜合考慮，鑒于目前的開(kāi)采技術(shù)水平，對地面以下10,km 以?xún)?、溫度高?50,℃的高溫巖體地熱資源可以開(kāi)發(fā)．據此估計，美國的高溫巖體地熱資源總量在10～13,MQ，而1982 年全世界能源消耗的總量?jì)H為250,Q．據估計全球化石燃料360,000,Q，而僅美國易于開(kāi)發(fā)的高地溫梯度區(地溫梯度大于45,℃/km)的高溫巖體地熱資源量就在650,000,Q，遠大于全世界化石能源總量[7]；全世界地殼10,km 以?xún)雀邷貛r體地熱資源總量為40～400,MQ，相當于化石能源的100～1,000 倍．因此，高溫巖體地熱資源是巨大的、未開(kāi)發(fā)的、安全的、可供人類(lèi)用幾千年的綠色能源，也是全世界應該大力開(kāi)發(fā)的新能源．

 

  4.2 中國高溫巖體地熱資源潛力

 

  我國地質(zhì)構造條件優(yōu)越，地處歐亞板塊東南部，為印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊所夾持，在太平洋板塊持續向西俯沖和印度板塊持續向北俯沖匯聚的現今巖石圈動(dòng)力學(xué)背景下，陸內構造變形強烈，地震成片分布，深部熱物質(zhì)活動(dòng)(巖漿)強烈，形成了我國豐富的、類(lèi)型多樣的地熱資源[17-20]．特別是我國西南部的青藏高原，它是新生代印度板塊和歐亞板塊俯沖碰撞造山作用最強烈區域．其巨厚地殼的形成，高原快速隆升，強烈構造活動(dòng)和地震活動(dòng)，強烈的殼幔作用引起的地幔和地殼深部熱物質(zhì)的向上運移，形成了豐富的地熱資源[21-26]；