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深部矿产和地热资源开发利用现状及我国“矿 – 热共采”的科技基础
发布时间:2022年05月27日

(一)国外深部高温岩层地热资源开发利用

对于深部高温岩层地热开采,国外在 50 多年前就开始研究 EGS 技术,即采用石油勘探钻孔的方法向深部高热地层打钻孔,应用水力压裂等井下作业措施在钻孔底部的干热岩体中造成具有高渗透性的裂缝体系,由此“人造”出一个地热储层(热储);然后在地面上从注入井(一口或数口)中将冷水注入热储,经裂缝换热后再从生产井(另外数口)中抽出至地面,利用产生的地热蒸汽进行发电等热能应用。

20 世纪 70—90 年代是 EGS 地热开发研究的兴起阶段,美国、英国、日本、法国先后开展了 6 个现场试验项目。1973 年,美国最早在墨西哥州芬顿山开始第一次 EGS 现场试验,随后在加利福尼亚州盖塞斯进行试验。1991—2000 年为干热岩研究低潮期,没有 EGS 新增项目实施。2001 年以来,有关干热岩的研究再度升温,美国、德国、澳大利亚、韩国启动了多个 EGS 研究与现场试验项目。截至 2019 年,欧洲、北美洲、澳洲、亚洲、中美洲的 14 个国家合计实施了约 41 个深部高热岩层地热资源勘察开发项目,其中 25 个属于传统型地热系统, 16 个属于 EGS [14]。法国、德国、英国等联合开发的法国苏尔茨干热岩项目,其运行时间超过 30 年,但装机容量不大(1.5 MW)且处于间歇运行状态。

(二)我国地热资源开发利用

根据赋存埋深和温度,我国地热资源主要划分为浅层地温型、水热型、干热岩型。浅层地温型(深度 < 200 m、温度 < 90 ℃)地热资源遍布全国,浅部地热能量约为 9.5×109 tce,可利用资源量为 7×108 t/a。水热型(中、深层中温,深度为 200~3000 m、温度为 90~150 ℃))地热资源主要集中在大型沉积盆地区,能量约为 1.25×1012 tce,已经或正在开发利用的主要是 200 m 以浅的水热型地热资源。干热岩型(深度为 3~10 km、温度为 150~650 ℃)地热资源的开发潜力是浅层地热资源的 100~1000 倍,我国深部高温岩层中的地热能资源量约为 8.6×1014 tce [4]。干热岩型地热资源被视为未来优佳的替代能源类型之一,世界各国都致力于对其实现高效开发利用。

在我国,开发利用地热温泉资源已有上千年的历史,但规模化地实施地热勘查开发利用主要在近几十年。20 世纪 50 年代,规模化利用温泉起步,随后以温泉洗浴、康养、供暖、发电为代表的地热能资源开发利用多样化格局逐渐形成,2000 年后,在国家扶持和市场需求的驱动下步入发展快车道 [15]。水热型地热能的直接利用以年均 10% 的速度持续增长,连续多年居世界第一位;在相关发电装机容量方面,截至 2017 年年底为 27.28 MW,2018 年增至 44.98 MW,2019 年增至 49.1 MW [15,16]。对于浅层地热能,截至 2017 年年底地源热泵装机容量为 2×104 MW,供暖建筑面积为 5×108 m2 [16]

也要注意到,尽管我国的中浅层地热资源开发利用得到快速发展,但在全国一次能源消费中的占比很低(约 0.5%),因此需要在深部高温岩层地热开采方向继续加强。目前,我国深部高热岩层地热能开发研究处于起步阶段,从 21 世纪初才开始相关勘查研究;2017 年,在青海共和盆地 3705 m 深度钻取到了高温干热岩体(温度为 236 ℃),但没有进行 EGS 地热能开发现场试验。整体来看,我国深部高温岩层地热能的开发仍处于现场试验阶段,从勘探到开发较多沿用了石油工程开发中的经验;在地质筛选模型、高温钻完井工艺方向面临许多亟待攻克的技术瓶颈,尚未形成完善的 EGS 开发评价体系 [17]