地下“天然锅炉”新成员——干热岩_王大锐.pdf

地下“天然锅炉”新成员干热岩人们很早就知道地球深部有热量产生并可“上溢”到地表，似乎在地下存在一个热气腾腾的“灶火”、大大的“锅炉”。人们对地下深处热量的产生充满兴趣，一直在探索这种被称为“天然锅炉”的能源来自何方。王大锐深藏于地壳内的高温很早以前就被人类认识了，并将其作为一种极具潜力的能量资源。从旧石器时代起，古人就利用温泉中的水进行沐浴和治疗身体的不适，而自古罗马时代起就将其用于空间取暖。近年来，人们对用地热能代替化石燃料的努力使我们对地热的兴趣再度燃起。绝大部分地热能被直接用于为建筑物供热和工业加工，即用于房间的供热和发电。地热能是地球内部产生和存储的热能。地壳内的地热能起源于行星的原始结构和物质的放射性衰变，地幔边界温度可能达到4000以上。地球内部的高温和高压会导致一些岩石融化，而固体地幔则具有塑性，因此它比周围的岩石轻，导致部分地幔向上对流。地壳中的岩石和水被加热，有时会高达370，这些水就是被“天然锅炉”加热的温泉。地热发电与常规蒸汽发电厂使用的技术密切相关，但整个系统的设计完全不同，取决于人们利用的地热资源的类型。最简单的地热发电厂是利用地热地区自然产生的“干气”直接驱动蒸汽轮机，进而驱动发电机产生电力，这个过程与使用常规化石燃料的发电机原理完全一样。在地下，水流经几千米处灼热的岩石层时会产生蒸汽。大地深处的头号热源地热能大地深处的“新锅炉”干热岩近年来，一个新名词频频见于各媒体“干热岩”，它是大地深处“锅炉”的新成员。干热岩，从名字上就很好理解，其实就是又干又热的岩石，通俗点说，就是地下“发烧”的岩石。从岩石分类来讲，包含变质岩、沉积岩和侵入岩在内的岩石都能够成为干热岩。而它又干又热的原因也很简单，因为它们分布在温度很高的地层深处，或者直接受到岩浆这类物质的影响，加上深埋地下，所以热量很难释放，温度一般都可以在200以上。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。在地球深处，存在着可达7000的炽热的熔浆，其热量向上传导，穿过地幔接近地壳，而地壳中不含水或者流体极少的岩石层就会获得高温能量，进而形成了干热岩。地球内部蕴含着大量的干热岩，这些都是天然的能源，只要地球不毁灭，这些干热岩几乎是取之不尽、用之不竭的新能源。在我国大西北的青海湖畔，有一个藏族、汉族、回族、撒拉族、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探零的突破。青海共和干热岩形成机理并不复杂：以距今约2亿年地下深处形成的岩浆为主要供热体，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。2017年，我国科学家在青海共和盆地3705米深处钻获236的高温图1 热干岩的形成原理6石油知识 双月刊勘探开发/EXPLORATION AND DEVELOPMENT 干热岩因其得天独厚的较高温度，一旦成功开采，将是冬季供暖的良好热源。但因其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。在利用干热岩的过程中，最大的困难还不是转化利用的技术环节，而干热岩所处的位置在数十千米深的地下，靠一般的钻井设备根本无法钻达，距离地面最近的也有数千米深，难度非常大。所以从经济性上来讲，埋藏深度越浅的干热岩，就越有可能创造出更大的经济效益。另外，还有很多需要仔细考量的问题，比如干热岩开发过程中可能会造成的环境问题，地球内部本身就是生态脆弱的地带，别说是在几千米深处开发地热了，就是在地面修一条铁路都要小心翼翼。干热岩热能采集势必会破坏地下的高温高压环境，必然会影响这个地区的地层，如果不小心引发地震或者其他地质破坏，后果也是不堪设想的。即便发现了一个“聚宝盆”一样的干热岩地热资源区域，实际开发依然面临很多困难，如果不仔细考量，强行开发，后续可能引发一系列意想不到的问题。无论遇到多大的困难，人类从未停止前进的脚步。2022年1月，我国研制的4200米重力热管采热试验装置试运行成功，首次在国内实现了干热岩热能的长距离输运，也为中国干热岩的开采利用奠定了技术基础。“新锅炉”的开发利用有多难干热岩体。这是我国首次发现大规模可利用干热岩资源，该资源属清洁能源，可用于地热发电。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。这次钻获的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广的特点，填补了我国勘探发现干热岩资源的空白。该岩体在共和盆地底部广泛分布，钻孔控制干热岩面积达150平方千米以上，干热岩资源潜力巨大。这得益于青藏高原在隆升过程中形成的一系列地热资源，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。除了青海共和盆地外，我国已勘探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。2019年7月，在山东省日照市莒县、五莲县一带和威海市文登区发现干热岩富存区，资源量折合标准煤总计超过187.79亿吨。全球陆区干热岩资源量相当于4950万亿吨标准煤，是全球所有石油、天然气和煤炭蕴藏能量的近30倍。中国大陆310千米深处干热岩资源量约合856万亿吨标准煤，占世界资源量的1/6左右，有望成为战略性接替能源。图2 青海共和盆地干热岩的开发利用干热岩的利用，实际上就是利用高热量的水或蒸汽中的能量。所获得的200400的蒸汽直接用于发电及综合利用；150200的蒸汽用于双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工等；100150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、制作罐头食品等；50100的热水用于供暖、温室、家庭用热水、工业干燥等；2050的热水用于沐浴、水产养殖、牲畜饲养、土壤加温、脱水加工等。那么问题来了，怎样才能够利用这些干热岩呢？首要问题是干热岩的勘探，绝大多数的干热岩都在地球深处，就目前人类的技术水平，太深的地方我们是无能为力的，所以只能找相对比较浅的干热岩加以利用。通过地质勘探可以找到几百米深处的煤炭，同样可以通过地质勘探，找到相对浅层的干热岩。对于几万米深处的干热岩的利用，无论是勘探手段还是开采技术，都无法做到，一般来说，20004000米的干热岩是可以被勘探的，并且通过地热钻井技术加以利用。人类又该如何获取干热岩的热能呢？主要分为以下几个步骤：一是从地表向干热岩中打一口“注入井”；二是封闭井孔，并向里面高压注入低温水；三是极高的水压迫使岩层出现裂缝，逐渐形成一个面状的热储构造；四是从地表向下钻几个“生产井”，它们可以将蒸汽和高温水回收到地面；五是利用这些高温蒸汽供暖或者发电，剩余的温水会通过注入井返回到干热岩中，从而实现能源的循环利用。图3 干热岩的利用前景与发电原理2023 年第 1 期72023 年第 1 期