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地下天然“锅炉”——干热岩


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2022-11-24

作者:童海奎 朱进守     来源:地球杂志https://mp.weixin.qq.com/s/0ZwDJtoOoiqJz3cVWcN93A

干热岩是指埋藏于地下深处,通常温度大于180℃,不含或含少量流体高温岩体。通俗点说,就是地下“发烧”的岩石。它被认为是极具战略潜力的替代清洁能源,目前国际社会对干热岩的勘查开发尚处于探索阶段。

干热岩

干热岩的用途

对于干热岩的利用,实际上就是利用高热量的水或蒸汽中的能量。遵循地热梯级利用原则,根据热水或蒸汽的不同温度逐级利用,更能达到充分、高效的目的。200~400℃的蒸汽直接用于发电及综合利用;150~200℃的蒸汽用于双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工等;100~150℃的蒸汽用于双循环发电,供暖,制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类,罐头食品等;50~100℃的热水用于供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;20~50℃的热水用于沐浴,水产养殖,牲畜饲养,土壤加温,脱水加工等。目前,美、法、德、英、日、澳等国家目前已经建立了25个试验性质的EGS工程,累积发电能力约12兆瓦。

干热岩发电示意图

我国干热岩地热能优势可简单概括为四点:一是资源丰富,3~10千米内资源总量大;二是分布广泛,陆地边缘和大陆内部都有分布,青藏高原及周边、东部等地区资源尤为丰富;三是绿色无污染,可再生,用途广泛。利用干热岩地热能发电和梯级利用,不产生环境污染,地热能源可再生;四是可靠性强,利用系数高,能量输出稳定。

青海共和盆地——揭开了我国干热岩神秘面纱

青海湖畔,有一个以藏、汉、回、撒拉、蒙古族等22个民族聚集的县城——共和县,意为“五族共和”,素有“青藏咽喉”之称,古时因文成公主进藏驻足的日月山、吐谷浑王建都伏俟城而闻名。今以高原明珠青海湖、黄河第一坝龙羊峡而著称。现在,却因干热岩成为“网红”,走上了世界舞台。2014年,在青海共和盆地首次钻探获得181℃的干热岩,实现了我国干热岩勘查零的突破。2017年在共和盆地再获温度新高,3705米的钻孔底部测得温度高达236℃。同时,在青海贵德县4721.6米处探获温度达到214℃的干热岩体,为全国首次重大发现,对我国干热岩勘查开发利用具有重要的引领和示范作用。

干热岩钻探施工

共和盆地位于青藏高原腹地,东西长210千米,南北宽近90千米,面积约20000平方千米,海拔3000米左右。青海共和盆地干热岩勘查项目由中国地质调查局和青海省自然资源厅共同组织实施,历时近5年,成功实现了我国干热岩勘查的一系列重大突破。盆地底部广泛分布温度大于180℃的干热岩,面积超过3000平方千米,资源潜力巨大。共和盆地钻获的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广、致密不透水的特点,填补了我国干热岩资源勘查发现的空白。

目前,除了青海共和盆地外,我国已勘查发现的干热岩资源主要位于松辽盆地、东南沿海、四川康定市等区域。从干热岩地热资源区域分布看,青藏高原南部约占我国大陆地区干热岩总资源量的1/5,资源量巨大。据中国地调局数据显示,中国大陆3~10千米干热岩资源总量数据为2.5×1025焦(折合标煤856万亿吨)。总量是我国油气、煤炭总资源量的30倍。

干热岩的成因

共和干热岩形成机理

干热岩属于新兴地热能源,干热岩的形成与地球的结构有关。我们知道,地球是由地壳、地幔和地核组成的,地核的半径大概在3500千米左右,而地核是由铁和镍这样一些金属,在7000℃形成的炽热的熔浆,其热量向上传导,穿过地幔会接近到地壳,而地壳不含水等流体或者流体极少的岩石层就会获得高温能量,就形成了干热岩。宛如在我们脚下地球表层中安放了一个大“锅炉”。

根据最新研究成果,青海共和干热岩形成机理:距今约2亿年地下深处形成的岩浆为主要供热体,通过以热传导方式为主,区域性深大断裂和密集发育的岩石裂缝散热为辅,在后期上部盖层的密闭盆状环境中,地下多期次岩浆活动形成的花岗岩为储热载体而形成。

干热岩露头蒸汽

干热岩开发的关键技术

干热岩资源的开发主要利用增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)来提取其内部的热量。其原理是从地面往深埋地下的干热岩体中打一眼井(回灌井),封闭井口后向井中高压注入温度较低的水产生高的压力,高压水会使岩体产生许多裂缝,或者让原有的裂缝扩展成为更大的裂缝。随着低温水的不断注入,裂缝不断增加、扩大、相互连通,最终形成一个人工的地下热水储存空间。

在距回灌井合理的位置处钻几口井并互相串通这个人工的储热空间,这些井用来回收高温水、汽,称之为生产井。注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换,产生了高温高压水或水汽混合物。从生产井中提取高温蒸汽到地面后,通过热交换及地面循环装置用于发电和综合利用。利用之后的温水又通过回灌井注入地下干热岩体中,从而达到循环利用的目的。

增强型地热系统模式

干热岩是地热能的未来。在目前的节能减排和能源结构调整中,干热岩地热资源的开发将在我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标中发挥意想不到的作用。相较于其他能源,干热岩具备以下优势:一是资源量巨大、分布广泛。二是几乎为零排放。三是开发系统安全。四是热能连续性好。

虽然,我国干热岩储量很大,但目前的开发条件和开发技术还受到诸多因素的制约。随着干热岩开发技术的不断成熟以及深部地热开采成本的不断下降,相信在不久的将来,这种无处不在的能源可被大量利用并造福人类。


编辑:张凡
校对:马微
审核:梁忠
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