地球内热的能源化探索——“深部热能探测与开发利用”专辑特邀主编寄语

地球深部蕴藏着规模巨大的热能,既是推动整个地球形成、发展和演化的原动力,也是人类生存和发展所需要物质和能量的主要源泉。走向地球深部需要克服热能的“阻力”,而美好生活需要热能提供“火力”。近年来,在绿色清洁能源和双碳战略需求下,深部地热资源领域开展了大量的科学理论和关键技术研究,在不同地热资源类型、典型地热地质条件、地热应用场景下形成了一系列阶段性成果。在《地球学报》编辑部的大力支持下,围绕当前研究热点理论、先进技术和最新进展,从“深部热能赋存机理、深部热能探测与评价、深部热能开发利用”三个方面,征集了22篇论文,组成“深部热能探测与开发利用”专辑,旨在推动和促进地球内热能源化和资源高效利用的进程,为地热能和双碳战略研究的专家学者提供参考。     

开发地热新能源，构建清洁低碳、安全高效的能源体系

正地热资源是贮存在地球深部的清洁可再生能源,包括浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩型地热资源三种类型,具有储量大、分布广和开发利用安全、稳定、清洁、高效的特点。随着社会对能源危机、环境保护的深入关注以及我国实现能源生产消费革命的迫切需要,加快推动地热资源的科学开发利用,缓解资源能源紧缺形势,已成为保障国家能源安全和可持续发展的战略选择。我国地热资源丰富。据初步评价,我国336个地级以上城市浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨,可满足约300亿平方米建筑物供暖需要;估算水热型地热资源年可开采量折合标准煤18.84亿吨,中—高温发电潜力996万千瓦,年发电量可达800万度;全国干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨,是未来煤和石油等化石能源枯竭后最具潜力的战略接替能源。     

增强型地热系统在碳酸盐岩型深层地热能开发利用中的应用进展

地热能是一种储量大、分布范围广、清洁环保的可再生能源,其中深层干热岩地热能最具开发潜力。增强型地热系统是开发深层干热岩地热能的有效手段,在碳酸盐岩热储区已广泛应用,取得了良好的经济社会效益。系统总结了国内外增强型地热系统在碳酸盐岩型地热开发中的进展和经验,分析了国内发展现状,认为加强基础理论研究、核心技术攻关和工程示范,尽快形成具有中国特色的深部地热能开采方案,是今后工作的重点方向之一。     

创新理念，激活地热洁净能源勘查与开发

地热资源是本土绿色可再生能源。煤、石油、天然气化石类能源的日趋紧张和造成的环境污染将严重影响着经济社会的发展和人类的生存环境。为此，大力开发利用地热洁净资源具有重大意义。通过学习国务院《关于加强地质工作决定》，对我国地热资源勘查与开发浅谈了一些认识和建议，并认为只有创新理念，才能激活地热洁净能源的勘查与开发。     

雄安新区地热资源综合利用研究

雄安新区赋存有丰富的浅层地热能、中深层地热能及干热岩等地热资源,通过分析研究区地温场及各热储在区内赋存、分布特征认为本区地热资源属沉积盆地传导型成因,在研究目前地热资源开发利用现状及存在的问题基础上,提出了本区地热资源勘查、综合利用规划及科学管理的建议。     

增强型地热系统:潜力大、开发难

文中讨论了为什么要开发干热岩地热资源?什么是干热岩系统和增强型地热系统?中国干热岩系统的潜力,如何发展中国的EGS以及我们可供考虑的建议。随着常规能源的不断消耗,可再生能源日益受到人类的青睐。在可再生能源中,地热能的容量最大,地热发电提供的是基本负荷,但是由于诸多因素,开发滞后。尤其是对潜力大、开发难的增强型地热系统,中国更是从研究到开发,都刚刚起步。如果地热发电的规模要超过风能及太阳能等其他新能源,不能仅靠水热型地热系统的开发利用,而必须重视和利用干热岩资源,大力研发增强型地热系统。中国干热岩系统的潜势如何呢?中国科学院地质地球物理研究所利用921个大地热流数据编制了《中国大陆地区新版热流图》以及3~10km深处不同深度温度分布图,计算了不同深度干热岩地热资源量,总数为2.09×107 EJ;其中主要分布在青藏高原,占全国总资源量的五分之一。作者们认为,干热岩资源的开发和增强型地热系统的建立是一个系统工程,地热资源的开发是一项风险投资,亚经济型的EGS风险更甚。国家必须统一安排和投资。工程项目必须学习国外的经验和吸取开发的教训。要选择关键地区进行试验和研究。作者们建议可考虑选择羊八井地热田的北部作为试验地区。     

中国地热资源现状及发展趋势

中国地热资源禀赋良好,分布广泛且具有明显的规律性和地带性。本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。阐明了有代表性的水热型地热资源成因机制和干热岩资源成藏模式。地热开发利用技术发展迅速,浅层地热能和水热型地热资源利用量逐年攀升,但在地热资源成藏模式研究、勘查开发及管理利用等方面仍有亟须突破的技术瓶颈和需要改进的环节。文章分析了存在问题并提出了我国地热发展战略路线,下一步应加强热源机理与控热构造研究,推进地热探测技术和开发利用示范,开展重点地区浅层地热能、水热型地热资源勘查评价,完善干热岩勘查开发技术体系,推动地热产业健康有序发展。     

“双碳”背景下我国干热岩资源勘查技术现状及展望

干热岩资源作为地热资源的重要赋存形式,属于新兴地热能源,因其能量巨大、分布广泛、清洁低碳、热能稳定持续的优点被看作是极具开发前景的战略性接替能源。在“双碳”背景下,开发干热岩地热能在调整能源结构、完善清洁能源供给体系和推进生态文明建设方面具有重大现实及战略意义,干热岩资源勘查是其开发利用深度与广度的前提和基础。在论述我国干热岩资源分布概况和现有开展的勘探工程成果的基础上,阐述了目前常用于干热岩资源勘查的遥感、地球物理、地球化学技术的机理、研究进展及优缺点,单一勘查技术均有一定的局限性和适用性,提出了今后应从加强地热勘查技术综合应用、新勘查技术开发研究、高精度探测设备研制等方面开展攻关研究,从而提升干热岩资源勘查与评价程度和精度,以期对我国未来干热岩资源勘查及开发利用提供技术参考和借鉴,为促进我国节能减排、能源结构调整以及缓解能源资源压力提供支撑。     

试论我国干热岩地热资源开发战略

我国拥有潜力巨大的干热岩地热资源。干热岩作为一种新型的可再生的特殊地热资源,具有绿色、高效、安全的特点。目前,一些发达国家已进入到干热岩的实际开发利用阶段,并取得了很好的效果。我国已经开始了干热岩勘查,在青海共和盆地钻孔2 735m处测得168℃,但压裂试验尚未展开。文章从能源革命的需要,提出在可再生能源替代常规化石燃料能源的进程中应加快开发品质优良的干热岩资源,从资源潜力的角度论证了我国干热岩开发的可行性和必要性,并提出开发思路,即在充分了解发达国家干热岩研究开发现状的基础上,学习其成功的经验,尽快完成第一口试验井,使其尽早在我国能源革命中发挥重大作用。     

特约主编致读者

<正>地热与石油是共存于沉积盆地的两种资源。油田地热是地热学的一门重要分支学科,它主要涉及含油气盆地的今、古地温状况,盆地热历史及其与油气形成的关系。近年来,油田地热的研究也拓展到油气区地热资源的勘查和地热能的开发利用等方面。以"油田地热"为主题专辑的19篇论文分为两部分内容:一是与油气勘探密切相关的沉积盆地热体制研究成果,主要包括含油气盆地的地热特征、深部热结构和热一流变结构、盆地热历史重建等方面的成果;     

中国陆区干热岩勘探靶区优选：来自国内外干热岩系统成因机制的启示

干热岩是指地下高温但由于低孔隙度和渗透率而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂形成增强地热系统（EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中在当前技术经济条件下可以开采的地热能被称为干热岩型地热资源，它是人类未来的重要替代新能源之一.干热岩的研究始于20世纪70年代，经过近50年的不断发展，干热岩在理论和实践两方面都有了长足发展，美国、日本、法国、德国、澳大利亚等发达国家相继投入巨资进行干热岩勘查、评价和开发实验，并且初步形成了商业开发的成功范例.实践表明，干热岩地热资源是深层地热能的一部分，往往与高温水热系统共热源且存在共生关系，但其地质条件复杂，开采难度较大，应倡导“深层地热能”和“广义EGS”概念，即按照EGS技术着眼深层水热型和干热岩型地热能整体开发.为了克服诱发地震等环境安全问题，干热岩压裂造储技术研发方向正在从“刚性造储”向“柔性造储”发展.近几年来，我国分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩地质勘查，并在青海共和、山东利津、广东惠州、四川康定、冀东马头营和琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和的干热岩勘探与开...     

中国地热资源潜力评价

中国地热资源分布广泛,资源种类繁多,分布具有明显的规律性和地带性。针对中国不同类型的地热资源,采用不同的评价方法分别对浅层地热能、水热型地热资源和干热岩资源进行了潜力评估,并对地热资源的开发利用现状及地热资源开发利用的经济环境效益进行了分析。我国地热资源量相对较为丰富,出露温泉2 334处,地热开采井5 818眼。水热型地热资源量折合标准煤12 500亿吨,每年可开采量折合标准煤18.65亿吨;336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。目前我国地热资源每年利用量折合标准煤0.21亿吨,其中水热型地热资源开采率仅为0.2%,浅层地热能开采率仅为2.3%,地热资源开发利用潜力巨大。在现有技术条件下科学开发利用地热资源,每年可节煤10亿吨,其中336个地级以上城市浅层地热能资源高效利用每年可节煤2.5亿吨;地下热水资源高效利用每年可节煤7.5亿吨,地热资源节能减排效果显著,能有效缓解雾霾。     

鄂尔多斯盆地南缘延安地区中深层地热能特征研究

近年来水热型、浅层地热能发展产生的缺点问题日益突出,以取热不取水为原则,中深层U型水平对接换热技术成为新的技术方向。通过对鄂尔多斯盆地南缘延安地区地层岩性、地温梯度特征、热储层特征等特征研究,分析了研究区中深层地热资源潜力,研究结果表明鄂尔多斯盆地南缘奥陶系马家沟组为良好的热传导型热储,深部地温梯度为3.05℃/100m。当马家沟组深度在3157m时,对应温度达到110.67℃。测井及注水试验结果表明,奥陶系马家沟组为极弱含水层,几乎没有流体,属于良好的干热岩型地热资源,具有较高的开采价值。充分确定了该区地热地质条件良好、地热资源潜力巨大。为合理、高效开发利用该区地热资源提供了科学依据,对进一步开发利用该区的地热能具有重要意义。     

引入盾构技术开发利用深层地热能

探索分析引入盾构技术直接开发利用基础地热能的可行性。地热梯度及地热资源的分布特点揭示,只要有足够的深度就能获得足够的地温。传统的地热勘查和地热开发技术受到多种因素制约,使地热资源的开发利用受到了极大的限制,引入盾构技术开发利用深部基础地热资源,将是一种颠覆性和革命性的地热开发技术。本文通过分析地热资源的分布特征,结合盾构技术的特点,探索一种广泛利用基础地热能的技术、方法和可能性。     

特约主编致读者

地热与石油是共存于沉积盆地的两种资源。油田地热是地热学的一门重要分支学科,它主要涉及含油气盆地的今、古地温状况,盆地热历史及其与油气形成的关系。近年来,油田地热的研究也拓展到油气区地热资源的勘查和地热能的开发利用等方面。以“油田地热”为主题专辑的19篇论文分为两部分内容：一是与油气勘探密切相关的沉积盆地热体制研究成果,主要包括含油气盆地的地热特征、深部热结构和热流变结构、盆地热历史重建等方面的成果;二是油区地热资源的勘查与利用方面的研究成果,分析了我国油气区地热资源的勘查、开发和利用现状及发展趋势。本专辑的出版能使读者对中国油田地热研究的进展和发展趋势有进一步的了解。 沉积盆地的热体制研究包括现今地温分布特征、热历史、深部岩石圈热结构和热流变结构等方面的研究。我国系统的油田地热研究始于20世纪80年代初,经过各部门广大科研人员近30年的不懈努力,在我国大陆地区获得了高质量的大地热流数据1 246个,完成了新版的热流数据汇编,基本廓清了我国主要沉积盆地大地热流背景。盆地热演化是盆地动力学研究的重要内容,也是含油气盆地沉积岩层内的有机质成熟并向烃类转化过程中的关键因素之一。盆地热历史研究近年来的主要进展体现在热史重建方法方面,即在低温热年代学古温标方法和前陆盆地构造热演化模型中有重要的进展,本专辑的9篇论文展示了这方面的成果。利用多种古温标耦合反演方法重建热历史不仅克服了单一古温标的缺陷并可进行相互补充和验证,同时也提高了研究结果的精度和可信度,从而使得定量恢复古老盆地复杂热历史得以实现。而前陆盆地构造热演化模型的建立,则是实现了构造与热的较好结合,拓展了盆地动力学模型用于恢复热历史的范围。同时,地球深部热状况是深部地球动力学和岩石圈活动性研究的重要内容,明确岩石圈热流变结构纵横向及时间上的变化特征有助于解释盆地形成、大陆边缘和造山带等的动力学过程,进而反映岩石圈的地球动力学特性。本专辑的4篇论文展示了典型盆地的热结构、热流变结构的成果,并在岩石圈热结构、热岩石圈厚度、热流变结构的演化研究中取得了新认识,为地质历史时期深部动力学研究提供了重要的参数。 沉积盆地的油田分布区往往也是地热资源广泛分布的地区。我国主要油气区蕴藏着丰富的中低温地热资源。科学开发、利用地热资源对于缓解雾霾与大气治理具有积极作用。近年来,国内在油区地热资源的开发利用方面的研究工作也开展得如火如荼。对含油气盆地的地热资源潜力进行评价是地热开发利用的基础。本专辑5篇地热资源方面的论文包含了地热单元分类分级评价体系、地热系统类型划分和三个实际地区的研究实例。为了更好地分析地热资源的分布特征和富集规律、评价资源潜力并优选有利勘探开发目标,提出了从全球构造到地热藏的地热单元分类分级评价的思路并将地热单元由大到小划分为地热域、地热区、地热带、地热系统和地热藏等5个级别。此外,提出了地热系统的概念模式和功能单元,并结合地质构造背景和热源类型将地热系统划分为隆起山地岩浆活动型、隆起山地非岩浆活动型、沉积盆地岩浆活动型和沉积盆地非岩浆活动型地热系统四类。总体上,我国油田区地热资源的开发利用研究方面刚刚起步,但油田区具有丰富的地热资源,且油田地质资料丰富,可利用的废弃井数量大,油田区地热能利用市场非常广阔。 本专辑的作者大都是中青年的“热二代”和“热三代”,既有来自高校和中国科学院各研究所的研究人员,也有来自油田和地热研究院的专家,他们是我国目前油田地热研究的中坚力量。感谢诸位专家学者的热烈响应和积极参与！让我们共同为中国油田地热研究的繁荣而努力！ 最后,感谢本专辑的所有作者、审稿人、编辑部人员为本专辑出版付出的辛勤劳动。     

地热资源开发过程中潜在地下水环境问题

地热资源开发利用与地下水运动和水环境演化密切相关。为了给我国大规模地热资源绿色开发与利用提供参考,本文综述了浅层地热资源、中深层水热型地热资源及深部干热岩型地热资源开发现状和典型开采技术。其中：浅层地热资源的开发模式分为土壤源热泵和地下水源热泵;中深层水热型地热资源开发模式主要有直接开采、采灌结合和单井循环;深部干热岩型地热资源通过水力压裂或化学刺激等储层改造技术,形成增强型地热系统(EGS)。结合报道实际案例,评述了地热资源开发对地下水资源与环境的潜在影响,包括地源热泵技术可能导致冷热堆积、水热开采可能引起地下水位下降、干热岩水力压裂可能诱发微地震事件,以及压裂液泄露可能造成化学污染等。针对地热开发对地下水土环境造成的负面影响,提出了有助于地热资源绿色开发的相应措施,包括提高回灌能力、采灌过程中保持水量平衡、保持换热效率与地下热量新平衡,及采用新型材料等。     

特约主编致读者

正地球因其独特的海陆分布格局和合适的气候环境为我们人类提供了适宜的生存条件,是全球人类赖以生存的唯一的绿色家园。但随着人类对地球资源的疯狂掠夺,不可再生的化石能源逐渐短缺且其燃烧气体大规模排放,雾霾、沙尘等严重影响了人类的安居生活,绿色的家园开始不再是绿色的。因而,人类开始面临一个巨大的挑战,就是寻找到可以取代化石能源     

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。     

我国地热供暖的现状及展望

地热资源作为一种重要的清洁能源,在治污降霾、改变能源结构、提倡生态文明的今天的作用日益凸显。我国大部分地区主要利用化石燃料供暖,污染较严重,供暖形势严峻。而利用地热能供暖是地热资源最直接的利用方式。我国利用地热供暖已有30多年的历史,在天津、咸阳等地利用地热供暖已经初具规模。但是受限于技术、成本等条件制约,地热供暖在我国总供暖面积中占的比例依然很小,而且在利用过程中浪费比较严重,利用地热供暖在我国还有很大的发展空间。目前,北方地区地热供暖以地热流体供暖为主,地源热泵供暖发展迅速,干热岩供暖虽然还处于实验阶段但是前景广阔。笔者在对地热流体、地源热泵、干热岩供暖的历史、现状及前景分析的基础上,提出了我国未来利用地热供暖思考及建议。     

基于三维地质建模的北京市昌平新城地热资源量评价

地热是一种清洁的可再生能源,开发利用北京市地热能可以为改善北京地区的大气环境发挥重要作用。对北京昌平新城区进行地热资源量评价,为合理开发利用地热资源提供科学依据。在分析昌平新城区内的地质条件、地热地质条件后,创建了昌平新城三维地质模型,以此计算热储体积;运用热储法获得区内地热储量,并分析地热资源的分布。采用三维地质建模方法,实现了研究区地质结构的可视化和地热储量的准确计算。研究区的热储总体积为4.876×10¹¹ m³,地热储量为5.42×10¹⁶ kJ,地热流体可开采量为6.04×10⁶ m³。研究区的地热资源潜力较大,可为当地绿色发展提供支撑。