藺文靜淺談我國地熱資源勘探開(kāi)發(fā)利用歷史、問(wèn)題及建議

  摘  要：作為一種重要的可再生能源，我國自建國以來(lái)以來(lái)就進(jìn)行了系統地地熱資源勘查、開(kāi)發(fā)與研究工作，先后經(jīng)歷了初創(chuàng )階段、初步發(fā)展階段、重要進(jìn)展階段以及地熱資源市場(chǎng)化等幾個(gè)發(fā)展階段，本文在查閱國內地熱資源調查、評價(jià)相關(guān)報告以及文獻的基礎上，簡(jiǎn)要回顧了我國以往地熱工作幾個(gè)發(fā)展階段的相關(guān)工作，重點(diǎn)對我國目前地熱資源勘查和開(kāi)發(fā)中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了系統的總結，最后，提出了今后我國地熱工作的重點(diǎn)工作方向。

  

  我國是世界上利用地熱資源較早的國家之一，至今已有2000多年的悠久歷史。歷史上對地熱資源的開(kāi)發(fā)利用大多限于對溫泉的直接利用上，且主要用于醫療和洗浴方面。新中國成立以后我國進(jìn)行了系統地地熱資源勘查與開(kāi)發(fā)，將我國的地熱資源開(kāi)發(fā)利用推向了一個(gè)新階段。然而，自上世紀九十年代以后，由于對地熱資源勘探等研究經(jīng)費減少，地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開(kāi)發(fā)利用規劃、熱儲工程學(xué)研究等幾乎處于停滯狀態(tài)。近些年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟持續續高速增長(cháng)，為應對能源危機、促進(jìn)我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展，地熱資源的勘查、開(kāi)發(fā)、利用又一次引起了國家相關(guān)部門(mén)的重視，一些全國性的地熱資源調查評價(jià)項目紛紛上馬，地熱資源的開(kāi)發(fā)利用即將掀起新一輪的熱潮。本文將在查閱國內地熱資源調查、評價(jià)相關(guān)報告以及文獻的基礎上，回顧我國以往地熱研究工作，并試圖對我國目前地熱資源勘查和開(kāi)發(fā)中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行全面的分析，提出今后一段時(shí)間內我國地熱工作的重點(diǎn)工作方向，為即將開(kāi)始的全國地熱資源調查、評價(jià)及其開(kāi)發(fā)利用區劃提供參考。
 

  １我國地熱工作研究程度

  我國是世界上地熱資源儲量較大的國家之一，尤其是中低溫地熱資源，廣泛分布于我國東南沿海、西南地區、膠東半島、遼東半島和大面積分布的沉積盆地。新中國成立以后我國進(jìn)行了系統地地熱資源勘查與開(kāi)發(fā)，將我國的地熱資源開(kāi)發(fā)利用推向了一個(gè)新階段。根據1999年國土資源部地質(zhì)環(huán)境司組織全國各省、自治區、直轄市區國土資源部門(mén)開(kāi)展的“中國地熱資源開(kāi)發(fā)利用規劃”提供的資料（表1），全國現有溫泉約2710余眼，地熱井約2239余眼，地熱田約275余處，地熱水開(kāi)采量約3.5億m3/a，主要用于采暖、洗浴、醫療、旅游、養殖、種植以及發(fā)電等，為區域社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻。

  我國地熱資源勘探與大規模開(kāi)發(fā)利用始于上世紀中葉，關(guān)于其發(fā)展階段，陳墨香等[1]曾做過(guò)系統地總結，大致將我國地熱資源勘查與開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程劃分為初創(chuàng )、初步發(fā)展、重要進(jìn)展等幾個(gè)階段，各階段的主要工作簡(jiǎn)要回顧如下。

  1.1 初創(chuàng )階段

  我國是溫泉廣布和熱水利用歷史悠久的國家，1949年之后，隨著(zhù)地質(zhì)普查找礦工作的開(kāi)展，為建立和擴建溫泉療養院，我國開(kāi)始對溫泉進(jìn)行調查，在若干溫泉區進(jìn)行了地質(zhì)勘探，根據所獲得的資料對某些地區溫泉分布特點(diǎn)和其形成機制作了初步的分析和討論，并首次新編了全國溫泉分布圖。為配合大地構造的研究，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所和地礦部地質(zhì)力學(xué)研究所于20世紀60年代初期先后開(kāi)始研制巖石熱物理性質(zhì)測試和鉆井測溫裝置，地質(zhì)力學(xué)所在包括房山花崗巖巖體在內的若干地點(diǎn)測得了較準確的傳導地溫梯度數據，地質(zhì)所估算得松遼盆地3個(gè)熱流值。這個(gè)時(shí)期，投入地熱工作的力量有限，工作進(jìn)展緩慢，處于起步階段。

  1.2 初步發(fā)展階段

  由于地熱能作為一種新能源在國際上逐漸興起以及我國著(zhù)名地質(zhì)學(xué)家李四光教授的倡導，地熱資源于60年代末至70年代初在我國引起廣泛的注意，促進(jìn)了我國地熱研究工作的開(kāi)展，區域地熱資源普查、地熱資源開(kāi)發(fā)利用、地熱基礎理論方面都取得了顯著(zhù)的進(jìn)展。

  上世紀70年代以來(lái)，我國在20多個(gè)省區開(kāi)展地熱資源普查和考察，累積了一批資料，其中尤以中國科學(xué)院青藏高原綜合科學(xué)考察隊于1973-1976年對西藏高原地熱活動(dòng)地表熱顯示的考察最為系統而全面[2]。在地下熱能的開(kāi)發(fā)利用方面，在這一階段開(kāi)始進(jìn)行地熱發(fā)電站的建設。1975年開(kāi)始布鉆勘探的西藏羊八井地熱田，是我國大陸經(jīng)勘探證實(shí)的第一個(gè)高溫地熱田，于1977年建立了一座裝機容量為1MWe的示范性電站。羊八井地熱電站的成功運行，鼓舞了國家和地方的能源決策部門(mén)，加速該熱田的開(kāi)發(fā)過(guò)程。在地熱其他利用方面，北京、天津和西安等地區相繼開(kāi)展了低溫熱水溫室種植、水產(chǎn)養殖、療養－洗浴和取暖等地熱綜合利用的試驗研究。在地熱基礎理論研究方面，初步分析了華北平原地溫分布的特點(diǎn)和局部地熱異常的形成機制，發(fā)表了我國第一批大地熱流數據并作出相應的解釋[3]；以板塊構造觀(guān)點(diǎn)，討論了西藏高原現代強烈水熱活動(dòng)的機制，首次提出喜馬拉雅地熱帶的概念性模式；用流體力學(xué)方法，探討了海底擴張的驅動(dòng)機制，大陸巖石圈的熱模式和地饅熱柱上涌等問(wèn)題。

  1.3 重要進(jìn)展階段

  進(jìn)入上世紀80年代，我國地熱研究在前期工作的基礎上，有了重要的進(jìn)展[4-11]，主要表現為：（1）在地熱上有重要意義的地區或地質(zhì)構造單元有計劃地進(jìn)行了研究；（2）有重點(diǎn)地開(kāi)展了地熱資源勘探研究，對我國地熱資源分布特點(diǎn)，或對其潛力作了分析和評估；（3）地熱研究地域由陸地向海洋擴展；（4）礦山地熱和油田地熱工作進(jìn)一步開(kāi)展。

  1.4 地熱資源市場(chǎng)化階段

  由于地熱資源的自身優(yōu)勢和我國社會(huì )發(fā)展與經(jīng)濟技術(shù)進(jìn)步，上世紀90年代以來(lái)，掀起地熱資源開(kāi)發(fā)熱潮，地熱井的深度越來(lái)越大(最深已過(guò)4000m)，范圍也遠遠超出了“地熱異?！钡母拍?，具有十分明顯的市場(chǎng)特征[12]。這期間的勘查工作多圍繞井點(diǎn)進(jìn)行，未進(jìn)行全面系統的區域性勘查評價(jià)工作。由于地熱資源勘查與開(kāi)采的市場(chǎng)化，造成了不科學(xué)的無(wú)序開(kāi)采局面和資源的極大浪費。雖然天津、北京、西安等主要開(kāi)發(fā)區采取的必要的政府干預手段，效果仍不十分明顯。因此，通過(guò)地熱資源與開(kāi)發(fā)利用區劃勢在必行。

  據相關(guān)統計，目前我國已勘探的熱田有103處，提交的可采地熱資源量（B+D級）為33283.473×104m3/a，初步評價(jià)的熱田214個(gè)，D+C級熱水可采資源量約5×108m3/a。

  1999年國土資源大調查開(kāi)展以來(lái)，中國地質(zhì)調查局先后組織實(shí)施了寧夏銀川平原、北京市城區陜西關(guān)中盆地,魯北地區等地地熱資源勘查評價(jià)工作。
 

  2 存在的問(wèn)題

  自上世紀九十年代以后，由于對地熱資源勘探等研究經(jīng)費減少，地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開(kāi)發(fā)利用規劃、熱儲工程學(xué)研究等幾乎處于停滯狀態(tài)。地熱資源勘查和開(kāi)發(fā)中存在以下主要問(wèn)題：

  2.1 國家對地熱資源勘查投入嚴重不足，全國地熱資源勘查評價(jià)及研究水平程度低

  目前，全國大部分地區尚未開(kāi)展系統全面的地熱資源勘查評價(jià)工作，特別是我國西部及華北平原地區的中低溫地熱資源，基本未開(kāi)展正規的地熱勘探。全國地熱資源總量是個(gè)概數，至今尚未取得公認的統一數據。經(jīng)過(guò)資源儲量管理部門(mén)審批可作為進(jìn)一步勘查或開(kāi)發(fā)利用規劃的地熱田103處，約占已發(fā)現地熱田的1/3?？辈樵u價(jià)滯后于開(kāi)發(fā)利用，嚴重影響了地熱資源勘查開(kāi)發(fā)規劃的制定、資源的利用以及地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展。尤其是自上世紀90年代以來(lái)，國家在地熱資源勘查方面基本上沒(méi)有投入。近年來(lái)地熱勘查開(kāi)發(fā)是由各種所有制經(jīng)濟主體參與和推動(dòng)，基礎地熱地質(zhì)勘查工作薄弱，后備資源不足，地熱市場(chǎng)供需矛盾日益突出。因市場(chǎng)機制追求的是直接經(jīng)濟利益，對于服務(wù)于各級政府的地熱資源規劃的評價(jià)、論證和區域性地熱田資源勘查評價(jià)等基礎性、區域性、全國性勘查工作，單憑市場(chǎng)無(wú)法解決。地熱資源開(kāi)發(fā)是高風(fēng)險、高投入、高收益的產(chǎn)業(yè)，如果不將區域資源論證清楚，把地熱資源的地質(zhì)基礎做好，就不能正確地引導地熱資源開(kāi)發(fā)利用，政府管理部門(mén)不可能做到科學(xué)管理。部分地熱田已打成地熱井數十眼，形成相當的開(kāi)發(fā)規模，但整個(gè)地熱田資源狀況尚未進(jìn)行評價(jià)，開(kāi)發(fā)管理缺乏科學(xué)依據，處于盲目開(kāi)采狀態(tài)。

  另外，在地熱基礎理論研究方面，如地熱回灌技術(shù)、干熱巖開(kāi)發(fā)利用技術(shù)、地熱資源綜合開(kāi)發(fā)利用技術(shù)以及深部地熱勘探技術(shù)等都幾乎處于停滯狀態(tài)。

  2.2 地熱資源開(kāi)發(fā)利用水平低，資源浪費現象嚴重

  地熱資源開(kāi)發(fā)利用規?；?、產(chǎn)業(yè)化水平不高，熱能利用率低、資源浪費比較嚴重。相當一部分天然溫泉水沒(méi)有充分利用，被白白浪費；井采地熱水回收率低，利用方式單一，棄水量大、溫度高。由于梯級開(kāi)發(fā)利用和“一采一灌”的開(kāi)采回灌制度沒(méi)有得到普遍實(shí)施，廢棄了大量的高溫、高礦化度地熱水，不僅造成資源浪費，還由此產(chǎn)生了周?chē)h(huán)境和地下水的熱污染和化學(xué)污染。在一些采取直供、直排供暖方式的單位，其熱能利用率僅為20%-30%，嚴重浪費了地熱資源。

  2.3 地熱資源評價(jià)方法有了長(cháng)足的發(fā)展，但需進(jìn)一步完善

  沉積盆地傳導型地熱資源評價(jià)方法有了長(cháng)足的發(fā)展，這些方法有熱儲法、解析模型法、類(lèi)比法和數值模型方法等，這些方法各有長(cháng)處，但也存在一些不足之處。如熱儲法過(guò)去只考慮了靜儲量，對于彈性?xún)α康目紤]偏少，雖然目前有不少學(xué)者已經(jīng)在考慮彈性?xún)α?，但是彈性?xún)α颗c允許開(kāi)采量之間的關(guān)系仍缺乏認識，但在實(shí)際中，所開(kāi)采的地熱資源絕大部分應屬于彈性?xún)α康?。解析模型方法需要大量的抽水試驗資料，且需要滿(mǎn)足模型的前提假設條件，使得評價(jià)結果與實(shí)際有一定的出入，尤其在大型地熱田評價(jià)中，出入較大。類(lèi)比法屬于經(jīng)驗方法，缺乏理論基礎。數值模型方法屬于評價(jià)精度較高的一種方法，但其要求比較清楚地掌握熱儲層結構、物理參數、熱物理參數、水位（壓力）和開(kāi)采動(dòng)態(tài)的情況，多數地方實(shí)施起來(lái)比較困難，也不利于進(jìn)行實(shí)時(shí)的資源評價(jià)。在允許開(kāi)采量的評價(jià)中，最大合理降深的確定存在著(zhù)不同的觀(guān)點(diǎn)和認識，對評價(jià)結果的準確性有較大影響。經(jīng)濟社會(huì )環(huán)境效益評估是一項較新的工作，在一些地方，如溫泉之鄉，有較成功的經(jīng)驗，但在區域上推廣還需要進(jìn)一步探索。另外，傳統的地熱資源評價(jià)方法僅從資源量角度對地熱資源進(jìn)行評價(jià)，隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，作為一種可再生能源，除了在能源角度具有巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力外，地熱資源越來(lái)越顯示了其在醫療、景觀(guān)以及旅游等行業(yè)的利用前景，現行的地熱資源評價(jià)結果已不能滿(mǎn)足社會(huì )各行業(yè)對地熱資源開(kāi)發(fā)的需求，因此，對傳統地熱資源評價(jià)方法進(jìn)行梳理和總結，形成一套切合實(shí)際的評價(jià)方法，是當務(wù)之急。

  2.4 地熱資源開(kāi)發(fā)缺乏科學(xué)指導，嚴重影響地熱資源的可持續利用

  部分地區地熱井過(guò)于集中，過(guò)量開(kāi)采現象嚴重，只采不補，造成地熱水位、水溫持續下降，嚴重影響地熱資源的可持續利用，局部地區還出現地面沉降等問(wèn)題(圖1)。根據天津塘沽、大港的監測資料，地熱開(kāi)采造成的地面沉降約為6-10mm/a。因此，必須加強熱礦水開(kāi)發(fā)的論證和勘查工作，對地熱井進(jìn)行合理布局，限量開(kāi)采，有效保護，持續發(fā)展。

  2.5 對地熱資源開(kāi)發(fā)利用的監督管理力度及技術(shù)支撐力度不夠

  地熱資源是一種礦產(chǎn)資源，應由國土資源地礦行政主管部門(mén)統一管理。但在有些地區，地熱資源管理設在其它部門(mén)。有些地區把地熱資源混同于普通水資源進(jìn)行管理，重復發(fā)證，造成地熱資源管理的混亂。目前，全國僅有北京、天津、西安等市在國土資源部門(mén)設立了專(zhuān)門(mén)的地熱管理處，負責對地熱資源進(jìn)行統一監管。有相當一部分地區的地熱管理工作偏重于發(fā)證和收費，而對地熱資源的科學(xué)開(kāi)采和合理利用方面的監管不力。

  2.6 缺乏科學(xué)的松散孔隙型熱儲回灌技術(shù)，制約了地熱棄水回灌的實(shí)施

  地熱棄水回灌或者采用對井開(kāi)采（一個(gè)開(kāi)采井對應一個(gè)回灌井）是目前世界上實(shí)施地熱資源保護和可持續開(kāi)發(fā)利用的重要手段。我國在上世紀90年代至今，分別在天津和西安以及北京等市進(jìn)行了回灌試驗[14]，試驗結果表明，實(shí)施地熱棄水回灌對維持熱儲壓力、減少污染具有較好效果，天津和西安管理部門(mén)甚至已經(jīng)制定了地熱開(kāi)采井施工與回灌井必須配套的政策。然而，回灌的持續時(shí)間較短，尤其是松散孔隙熱儲層的回灌，由于產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物化學(xué)堵塞問(wèn)題難于解決，從而使回灌量減少，最終無(wú)法實(shí)施。因此，需要盡快開(kāi)展地熱棄水回灌技術(shù)示范與試驗工作，為我國地熱資源科學(xué)有序開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據。

  2.7 淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用起步較晚，地源熱泵技術(shù)研究和應用推廣有待加強

  存在于地下巖土空間的淺層地熱溫度能，是一種可再生能源，無(wú)任何污染，利用水或其他流體作為載體運輸和利用淺層地溫能，不僅可以供熱、取暖，還可用來(lái)制冷，應鼓勵開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能。在利用地溫能的過(guò)程中，地源熱泵消耗1度電的能量，可以得到相當于4度電左右的熱量或冷量，其采暖運行費用比傳統能源利用方式低60%以上。據相關(guān)統計，在全世界地熱直接利用中，熱泵利用已占地熱利用的56.5%，而我國淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用起步較晚，20世紀90年代開(kāi)始推廣和研究地源熱泵系統淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)[14]。2000年以來(lái)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的熱泵技術(shù)在全國得到普遍推廣，京津地區發(fā)展最快。北京每年以15%-20%的速度增長(cháng)，目前全市采用這種技術(shù)的供暖建筑面積已超過(guò)500萬(wàn)m3，在“十一五”期間，北京市計劃再增加3000萬(wàn)m3淺層地熱供暖建筑面積。目前，在已有的熱泵應用工程的基礎上，制訂了國家標準《地源熱泵系統工程技術(shù)規范》（GB 50366－2005），迫切需要國土資源部門(mén)制定相關(guān)規程、規范與之配套。

  2.8 由于資金、技術(shù)等原因，干熱巖利用技術(shù)方面的研究尚沒(méi)有起步

  干熱巖是埋藏于地面1km以下、溫度大于200℃的、內部不存在流體或僅有少量地下流體的巖體。干熱巖技術(shù)就是開(kāi)發(fā)利用干熱巖來(lái)抽取地下熱能的技術(shù)，其原理是從地表往干熱巖中打一眼井，注入溫度較低的水，注入的水沿著(zhù)裂隙運動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生高溫高壓超臨界水或水汽混合物，然后從生產(chǎn)井中提取高溫蒸氣，用于地熱發(fā)電和綜合利用。干熱巖的研究始于20世紀70年代，迄今為止只近30年。在這短短30年里的研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，干熱巖的利用技術(shù)也已日趨成熟，顯現出了巨大的利用價(jià)值，開(kāi)發(fā)前景十分看好。然而，目前干熱巖的研究開(kāi)發(fā)工作主要在一些發(fā)達國家展開(kāi)，我國由于資金和技術(shù)等原因，僅由國家地震局地殼應力研究所和日本中央電力研究所于1993-1995年期間在北京西南房山區開(kāi)展過(guò)部分干熱巖開(kāi)發(fā)利用的試驗研究工作。

  另外，缺少統一的地熱資源信息系統，管理手段落后，信息反饋不靈，管理自動(dòng)化和信息化程度較低。急需建立全國性的地熱資源信息數據庫和管理系統，為科學(xué)規劃與指導我國地熱資源勘查開(kāi)發(fā)有序發(fā)展提供基礎資料。
 

  3 建議

  改革開(kāi)放以來(lái)，我國經(jīng)濟持續續高速增長(cháng)、外貿大幅躍進(jìn)、貿易順差持續擴大，與此同時(shí)，困擾中國經(jīng)濟長(cháng)遠發(fā)展的一大暗礁，能源危機，已悄然而然地進(jìn)一步惡化，如何應對能源危機已成為我國社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展必須面對的一項課題。作為一種可再生能源，地熱資源具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。開(kāi)展相關(guān)地熱基礎理論研究以及調查評價(jià)工作對于從根本上解決上述問(wèn)題，加快我國地熱新能源的勘查開(kāi)發(fā)和利用的步伐，促進(jìn)我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展，緩解所面臨的能源危機具有重要的意義。為促進(jìn)我國地熱資源的合理開(kāi)發(fā)利用，建議在今后幾年內重點(diǎn)開(kāi)展以下工作：

  （1）開(kāi)展區域地熱資源調查評價(jià)與區劃工作，通過(guò)區域地熱資源調查，查明我國地熱資源分布和開(kāi)發(fā)利用現狀，進(jìn)行區域地熱資源現狀評價(jià)及開(kāi)發(fā)利用區劃，提出地熱資源可持續開(kāi)發(fā)利用和保護區劃意見(jiàn)。

  （2）開(kāi)展區域淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用適宜性調查評價(jià)工作，充分分析研究我國區域氣候特征、水資源條件、地質(zhì)環(huán)境等基礎條件，以重點(diǎn)經(jīng)濟帶或人口密集區為重點(diǎn)工作區，確定不同水資源及地質(zhì)背景下地下水水源熱泵與土壤源熱泵系統的應用條件與適用范圍，進(jìn)行適宜性分析。

  （3）開(kāi)展地熱資源科學(xué)利用關(guān)鍵技術(shù)及基礎理論研究，如地熱資源評價(jià)方法、沉積盆地型熱儲地熱回灌技術(shù)、中低溫地熱資源梯級綜合利用模式、干熱巖開(kāi)發(fā)利用科學(xué)鉆探及試驗、淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用環(huán)境響應，等。
 

  4 結語(yǔ)

  我國是世界上地熱資源儲量較大的國家之一，作為一種清潔能源，地熱資源的開(kāi)發(fā)利用對于緩解我國能源緊張的局面、保護環(huán)境等都具有重要的意義。隨著(zhù)國家《可再生能源法》的頒布實(shí)施，以及《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節能減排綜合性工作方案的通知》等相關(guān)文件的發(fā)布，我國即將掀起地熱資源調查評價(jià)和勘查的新熱潮，以上有關(guān)問(wèn)題的解決將會(huì )大大促進(jìn)我國熱儲工程學(xué)的發(fā)展，為地熱資源在我國實(shí)施可持續發(fā)展戰略過(guò)程中發(fā)揮巨大作用奠定基礎。