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深部矿产和地热资源共采的重大意义
发布时间:2022年05月26日

(一)深部“矿 – 热共采”是自然资源综合开发利用的重要趋势

延续千年的大规模自然资源开发与利用,打破了地球生态系统平衡,导致气候变化、极端气候事件频发,给人类生存和发展带来了严峻挑战。全球气候控制已是世界各国高度关心并参与行动的重大课题。我国碳达峰、碳中和目标的提出,体现了推动构建人类命运共同体的责任担当,也是实现可持续、高质量发展的内在要求。尽管为了按时实现碳达峰、碳中和目标,以煤炭为主体的化石能源使用将逐步有序地减少或消退,但经济社会发展对能源的需求仍在持续。地热能作为绿色、低碳、无污的可再生能源,储存量大,是取代传统化石能源、保障不断增长的能源需求的有力选项。深部矿产资源和地热资源将是推动我国能源转型、全球能源与资源供给格局深刻变革的重要因素,有利于国民经济朝着高效、环保、清洁、低碳方向发展,成为人类对美丽生态环境和美好生活目标需求的重要基础保障。

从深部采矿可持续发展的中观角度看,采用现有技术开采 2 km 及更深部位的矿产资源时,因降温成本过高而在经济上不可行。深部矿产与地热资源共采,不但能够显著降低传统的被动式降温成本,而且可以提升矿产、地热资源的综合开采效益;为解决传统采矿模式进行深部采矿“成本太高、效益太低”的经济性问题,保持深部矿产的可持续、大规模开发提供了新模式、新路径。

(二)“矿 – 热共采”为深部高温岩层地热开采提供全新技术手段

绝大部分地热能赋存在 3~10 km 深处的高热坚硬岩层中,随着人类对地热开发利用需求的不断增加,各国对这部分地热能开发利用的重视与依赖程度也在迅速增加。石油钻孔等传统方式开采深部地热资源时存在难度大、能力小等问题,而增强型地热系统(EGS)技术在建造人造热储方面面临诸多难点:①要在地表下 3~10 km 的深部建造地热开发系统,需要采用特种技术与装备(适应高热坚硬岩层、高地应力条件)来开掘特殊岩石工程、结构、通道并保持其稳定,这未有、难度大;②由于深部高地应力的作用,水压致裂制造的裂隙经常会闭合,导致裂隙间不连通或形成短路,无法建成并保持足够体积的热储;③多次高压激发已存在的裂隙,可能导致生产井、注入井的直接连通并形成流体短路效应 [13],造成换热效果完全丧失;④利用 EGS 技术开发地热时,注水井、生产井的水循环过程往往消耗大量的水,可能导致与地下水相关的环境问题。迄今为止,在采用 EGS 技术开发深部地热方面并未形成有效的解决方案,因而相关工作仍处于研究和试验阶段,距离大规模工业化开发仍有相当距离 [9]

将采矿技术用于地热开采可有效解决上述 EGS 应用的难题。当前,硬岩矿山的开采深度已超过 4 km,深部开挖技术十分成熟。利用采矿技术,从地面向深部高温岩层开挖竖井,在竖井下部开掘多水平分布的水平巷道,再加上通过爆破方式在矿体中形成的破裂网络,可大幅度提高热储建造能力、增加热交换面积及地热能获取与输出的量级,为大规模地热开发创造有利条件;开挖的竖井和巷道可供采矿作业、地热开采共用,在降低地热开发成本的同时,限度地减少环境污染。因此,深部矿产和地热资源共采技术的运用,大可能为未来深部高温岩层地热开采提供全新的技术手段。