我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战

介绍了增强型地热系统(EGS)的技术原理及增强型地热资源所具有的分布广、对环境污染小、可循环利用等优点。阐述了我国干热岩地热资源前景广阔,大陆地区3~10km深度段干热岩地热资源总量为2.09×107EJ,按2%的可开采资源量计算,亦达4.2×105EJ,相当于14.3×103亿t标准煤,是中国大陆2010年能源消耗总量的4 400倍。以青海共和贵德盆地为例,该盆地干热岩储层的地温梯度为7℃/hm,井深3 000m温度可达200℃。根据典型干热岩储层特征,讨论了我国开展干热岩吸热系统存在的技术难题,并对开展相关研究给出了建议。     

江西干热岩地热资源潜力评估

干热岩是一种清洁的可再生地热资源,随着开发利用技术日益成熟,已显示出其巨大的利用价值。江西作为高热流花岗岩地区(福建、广东、江西)所在的三个省份之一,具有较好的干热岩勘查开发前景,但对于干热岩的研究却相对滞后。通过对大地热流基本特征、岩浆岩分布规律、江西地热资源形成规律、盖层特征进行研究,初步划分了泰和南康、贵溪乐安、南丰会昌、万载宜春、全南龙南5个干热岩勘查远景区;再运用体积法,对江西5个干热岩勘查远景区资源潜力进行了评价,估算全省3~10km深处干热岩地热资源总计15.07×1020J,合514亿吨标准煤,相当于江西省2015年能源(控制)消耗总量的767倍,5.5~7.5km干热岩资源量为5.91×1020J,热储目标温度为150℃~250℃,占3~10km干热岩资源总量的39.2%。     

青海共和盆地干热岩赋存地质特征及开发潜力

青海共和盆地贮藏有丰富的干热岩地热资源。为提升共和盆地干热岩地热资源成因的理论认识,进一步推动干热岩资源的勘探,文章从共和盆地干热岩热源机制、盖层条件、储层特征等方面对共和盆地干热岩资源成因件进行了全面分析。首先,结合区域地质构造分析、地热地质调查、地球物理（航磁、地震）解译等手段,在共和盆地恰卜恰岩体内实施了4口深度为2927~3705 m的干热岩勘查孔,并在3705 m处钻获236℃的优质干热岩资源,为中国非现代火山区干热岩地热资源勘探的首个重大突破。其次,系统测试了钻孔不同深度花岗岩放射性,结果表明,共和盆地花岗岩体铀、钍、钾放射性含量略高于大地背景值,放射性生热率较低,对干热岩热源的贡献小,其热源可能来自壳内熔融体。第三,基于地质资料分析和航磁解译,圈定了共和盆地总体面积约1.4×104 km2的潜在干热岩分布区。最后,采用体积法评估了共和盆地干热岩资源潜力,结果表明,共和盆地3.0~6.0 km深度范围保守的、静态干热岩资源总量为8974.74×1018 J,换算标准煤可达3066.19×108 t,具有广阔的开发利用前景。      

我国陆区干热岩资源潜力估算

干热岩是一种清洁的可再生地热资源,在过去40年里,干热岩的利用技术日趋成熟,显现出了巨大的利用价值。我国陆区面积广阔且地处三大板块交界处,具有良好的干热岩赋存背景。本文在对我国陆区大地热流、不同深度岩石热导率、岩石生热率以及放射性元素集中层的厚度分析的基础上,利用根据浅部测温资料向地壳深部外推的方法,对我国陆区不同深度温度进行了估算,在此基础上利用体积法对我国陆区3.0～10.0km深处的干热岩资源量进行了估算,结果显示,我国大陆3.0～10.0km深处干热岩资源总计为2.5×1025J,相当于860万亿吨标准煤,按2%的可开采资源量计算,相当于我国目前能源消耗总量的5200倍,其中,位于深度3.5～7.5km之间,温度介于150℃到250℃的干热岩储量巨大,约为6.3×106EJ,按2%的可开采储量计算,也将获得126000EJ的热能,相当于2010年我国能源消费总量的1320倍,开发利用前景巨大。     

江苏干热岩地热资源潜力估算

干热岩是一种清洁的可再生地热资源,随着开发技术日趋成熟,显示出其巨大的利用价值。江苏地区中、新生代发 育大量火山活动,深部热源上涌,具有良好的干热岩赋存背景。文中在对江苏地区大地热流值、不同深度岩石热导率、生 热率分析的基础上,利用贡献率叠加法,对苏北盆地与苏南地区不同深度的温度进行估算,将5~8 km的温度计算结果与采 用温度梯度计算方法所得数据进行对比分析,在此基础上对江苏地区3 km至8 km深处干热岩资源量进行预测。结果显示, 江苏地区3~8 km深处干热岩资源总计为2.18×1021 J,合74.9亿吨标准煤,按2%的可开采资源量计算,即合1.5×108 t标准 煤,约相当于江苏省一年能源消耗总量的一半,开发利用前景巨大。     

桂东南地区干热型地热资源潜力分析

干热岩作为地热资源的重要组成部分,被视为未来的清洁能源,极具开发前景和研究价值。文章以桂东南潜在的干热岩为研究对象,通过基础地质、地球物理和地球化学资料的二次开发和实地考察,对区域构造-岩浆-沉积建造系统、岩石圈结构、现今地热场特征和地震、温泉分布规律等进行综合分析,旨在初步探讨桂东南地区干热型地热资源的潜力。结果表明:桂东南地区岩石圈较薄,分别在25 km之上和6~8 km处存在厚约6 km和2 km的双层低速层/带,指示滑脱型韧性剪切和高温地质体的存在;印支期花岗岩提供稳定的放射性生热物质基础(U含量均值5.41×10^-6,Th含量均值18.38×10^-6,K₂O含量均值4.43%),新生代火山活动(OIB)在补给大量地热能的同时,为深部热物质上涌提供通道;桂东南地区现今地热存在明显异常,大地热流值介于80~100 mW/m²,北海-南宁地温梯度值高于30 ℃/km,钦州、合浦中-新生代断陷盆地因沉积盖层裂隙度、孔隙度和导热率低且圈闭性好而属于干热岩地热资源丰富区。对桂东南干热型地热资源潜力的研究,将为广西能源结构调整、生态环境优化和产业转型升级助力。     

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。     

中国地热资源及其潜力评估

笔者在阐述中国地热资源特征的基础上,针对中国不同类型的地热资源,采用不同的计算方法对浅层地热能、水热型地热资源和干热岩地热资源进行了潜力评估。结果表明,中国287个地级以上重点城市浅层地热能为2.78×1020J,每年浅层地热能可利用资源量为2.89×1012kWh;中国主要平原(盆地)沉积盆地地热资源储量为2.5×1022J,可开采资源量为7.5×1021J;中国温泉区放热量共计1.32×1017J,可采资源为6.6×1017J/年;中国大陆3.0~5.0 km深处干热岩资源总计为2.5×1025J,是中国目前年度能源消耗总量的2.6×105倍。     

涡轮取芯钻进工艺在干热岩钻井中的应用

我国干热岩勘探刚刚起步。为准确评价干热岩型地热资源的资源量,需要钻获高质量的干热岩岩心,但目前针对高温、高硬度、高研磨工况下的干热岩取芯钻进工艺研究较少,严重制约了干热岩型地热资源的准确评价。为此,自主研发了Φ127 mm涡轮钻具,在福建漳州HDR-1井和青海共和GR1井进行了干热岩钻井取芯应用研究,研究验证了研发的涡轮钻具与KT-140取芯钻具的适配性、涡轮钻具与金刚石取芯钻头的匹配性,揭示了高温和硬岩井况下涡轮钻具工作特性,经受住了孔底236 ℃高温考验,钻获了高质量岩心,取得了涡轮钻具现场测试应用的各项参数;涡轮取芯钻进工艺与常规取芯钻进工艺相比,既充分发挥了涡轮钻具高转速的性能,也发挥了其耐高温、耐研磨、耐高地应力、使用寿命长和现场劳动强度低的特性,干热岩取芯钻速和质量大大提高。该工艺是高温深孔干热岩井下动力回转钻具驱动取芯钻头进行取芯钻进的首次成功尝试,为干热岩涡轮钻具复合取芯钻井技术的进一步科研攻关、现场试验与推广应用提供了宝贵的施工应用经验和借鉴,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。     

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。     

青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征

基于地热地质、综合地球物理勘查成果等布孔依据,实施的GR1干热岩勘探孔位于共和县恰卜恰干热岩体中南部,是迄今我国钻遇地层温度最高的干热岩勘探孔,为我国首个EGS示范工程与科研试验平台建设奠定了基础。GR1孔测温结果表明,2500 m深处温度为150℃,进入干热岩段;终孔深度3705 m处的井底温度为236℃。2500~3705 m井段平均地温梯度为71.4℃/km,高于另3眼干热岩勘探孔;2800~3705 m井段地温梯度大于80℃/km,属中等品质以上干热岩。综合地球物理勘查与4眼干热岩勘探孔钻探结果表明,该干热岩体埋深2104.31~2500 m,面积246.90 km²;干热岩资源评价结果表明,3~5 km深度范围,100年内的潜在发电装机容量为3805.74 MW,以2%的采收率计,装机容量为76.11 MW;3~6 km潜在装机容量为7788.26 MW,以2%的采收率计,装机容量为155.77MW;3~7 km潜在装机容量为13639.25 MW,以2%的采收率计,装机容量为272.79 MW。     

河北省柏乡县干热岩地热资源前景分析

干热岩是一种清洁的新能源,以其具有可再生能源巨大高温发电潜力,越来越受到关注。以钻孔测温数据为依据,利用一维稳态热传导公式,对柏乡地区4 km深处的温度进行了估算,在此基础上用体积法对区内的资源量进行了预测。结果显示,柏乡地区4 km深处干热岩资源量总计为9.99×10~(19)J,合34.2亿t标准煤。柏乡县地区存在干热岩地热资源,应尽快对本区进行干热岩资源调查评价工作,为将来应用打下坚实的基础。     

东南沿海厦门湾- 漳州盆地地热地质特征及干热岩勘查方向

东南沿海位于欧亚板块与菲律宾板块的俯冲带,构造运动活跃,同时,该区也是我国最主要的高放射性花岗岩分布区,发育大面积的中生代酸性花岗岩体,具有良好的干热岩赋存背景。本文以东南沿海福建厦门湾-漳州盆地为例,在区域地热地质背景研究的基础上,从区域大地热流、地温梯度、热储温度、循环深度以及深部地温场分布等方面系统分析了厦门湾-漳州地区干热岩资源的形成条件,科学评价了本区未来干热岩资源勘查的适宜深度。分析认为,区内平均地温梯度约为18.3℃/km,低于大陆地区平均值;花岗岩体的放射性生热率仅略高于世界范围内的花岗岩放射性生热率的平均值;区内相对高的地表热流值很大一部分来自于地幔热传导,放射性元素生热贡献相对较低,要达到180℃的干热岩开发温度,勘查深度要超过6 km;区内未来干热岩资源的开发应充分考虑深部热源条件、地表盖层厚度以及区域断裂对钻探工程的影响,这些认识对于本区未来干热岩资源勘查开发工作有一定的指导意义。     

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。     

北京地区地热井钻探工艺发展

20世纪70年代初期以来，北京地区地热资源勘探开发日益发展，应用了泥浆正循环、气举反循环、高压喷射、泡沫增压等钻探工艺，地热井钻探工艺不断完善和多样化。论述了北京地区地热井钻探工艺的发展情况，并提出了北京地区地热井钻探工艺方法选择的建议。     

PHP泡沫泥浆在煤田钻探中的初步应用

近年来,国外在石油钻探、水文工程钻探中广泛采用雾化清水、雾化泥浆、充气泡沫泥浆等一系列轻比重的循环介质,用以解决无胶结地层、漏失地层、水敏地层的钻探施工问题,取得了不少成功的经验。鉴于这些冲洗液需要空气压缩机作充气的辅助设备,在我国岩芯钻探上应用受到限制。最近,我们采用无空压机的方法配制成PHP泡沫泥浆,并成功地用到了生产中,现将应用情况介绍如下。      

我国干热岩资源分布及勘探:进展与启示

干热岩是地热资源的重要赋存形式之一,是未来地热开发的主攻方向.我国干热岩勘查工作近年来进展迅速,先后在不同地区发现了优质的干热岩资源,取得了我国干热岩资源勘查突破,但同时也存在不少勘查失败的案例.本文在分析高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型等四种类型干热岩成因模式的基础上,结合我国的地质构造背景、地热地质条件,对未来我国干热岩资源重点勘查方向及靶区进行了论述,并重点针对目前不同类型区干热岩资源勘探工程进行了梳理,简要分析了不同勘探区的选址依据、勘探过程、地温场分布及特征、前景预测等,并初步进行了经验总结,希望对我国未来干热岩资源勘查及开发工作起到借鉴作用.     

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。     

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。     

辽宁省干热岩资源赋存条件分析及靶区初选

干热岩作为一种可再生的高温地热资源，在我国越来越受到重视.干热岩温度除深部钻探手段外无法直接测量，但是可以通过大地热流、居里面埋深、酸性岩体分布、壳内低速高导体及构造应力场等指标间接反映地下的热异常.辽宁省大地热流值高值点主要分布于辽阳-海城-盖州一带，其次为下辽河盆地西部凹陷.辽宁省居里面隆起区绕辽北拗陷区呈环状分布，隆起中心居里面埋深均在18 km以浅.高放射性花岗岩主要为早白垩世花岗岩，主要分布于辽东及辽南地区.海城东西两侧约40 km范围内存在壳内低速高导体，埋深10～20 km.区内张性断裂以NE—NEE向为主，郯庐断裂带为贯穿辽宁省的NE向岩石圈断裂，大型NE—NEE深壳断裂主要分布于辽东地区.通过对辽宁省干热岩资源赋存指标的分析，结合中国干热岩资源的分类，初选出鞍山-海城一带作为高放射性干热岩资源靶区及下辽河盆地作为沉积盆地型干热岩资源靶区.