邁進地熱能新時代
——干熱巖地熱能研究及展望

文長沙市長郡中學高1505班 李沛巖

依據現階段的技術手段，干熱巖地熱資源是指埋深較淺、溫度較高、有開發經濟價值的熱巖體。干熱巖普遍埋藏于距地表3km至10km的深處，溫度范圍在150℃至650℃。我國干熱巖所儲存的熱能約為已探明地熱資源總量的30%。

一般干熱巖開發利用潛力最大的地方是新火山活動區或地殼已經變薄的地區，這些地區主要位于全球板塊或構造地體的邊緣。

一、如何利用干熱巖地熱能

通過增強型地熱系統（EGS）利用干熱巖地熱能發電，是目前世界上開發利用該資源的主要做法。

EGS的原理是，在干熱巖中鉆一口直井或定向井（注入井），然后用清水、鹽水或壓裂液進行大排量壓裂，高溫巖體與冷水接觸后突然冷卻會產生裂隙。在大排量高壓作用下，干熱巖形成大的裂縫，隨著低溫水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴大，并相互連通，最終形成一個人工干熱巖熱儲構造。然后在距注入井合理的位置處鉆一口或幾口井（生產井），貫通人工熱儲構造，采出高溫水、汽。

生產時，注入水沿著裂縫運動并與周邊的巖石發生熱交換，產生溫度高達150℃至300℃的高溫高壓水或水汽混合物，可用于地熱發電和綜合利用。被利用之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中，從而達到循環利用的目的。

干熱巖開發模式示意圖

二、干熱巖開發存在的問題

目前干熱巖高效成井及開發基礎研究嚴重缺乏，國外也沒有成熟的理論可供借鑒，因此，還需多學科聯合攻關，對干熱巖地熱能開發中的關鍵技術與基礎科學問題展開研究，為我國干熱巖地熱能高效開發提供理論基礎和科學依據。

1.基礎科學研究

要形成系統的EGS干熱巖開發技術，需對一些基礎問題和科學問題展開研究，主要有干熱巖多場耦合理論，高溫巖體的破巖機理，熱-流-固多場耦合作用下井眼圍巖系統的穩定性機理，多場耦合下干熱巖的變形、破裂與裂隙延伸機理及熱交換機理與效率模型等。

2.資源靶區定位技術

以當前的技術水平，干熱巖開發利用潛力最大的區域為新火山活動區、地殼較薄區域和有沉積覆蓋的放射性較強的酸性花崗巖區，這些區域是目前資源勘查的重點區域。目前資源靶區確定最重要、最基本的數據是大地熱流值，以此為基礎，結合地質構造特點選定研究區，運用地球物理方法進行詳細勘查。

3.鉆井、完井技術

干熱巖主要是花崗巖、變質巖等，巖石可鉆性差、研磨性強。同時，井眼圍巖在高溫高壓下易流動、巖石易破裂，井壁容易坍塌。干熱巖的鉆井、完井除了需應用目前成熟的石油工程技術及設備、材料外，還需要進行以下攻關：干熱巖熱布井、井身結構，干熱巖破巖技術及井眼軌跡控制技術，高溫巖體鉆井圍巖穩定性控制技術，高溫鉆井液、水泥漿體系及套管熱穩定性技術，高溫測量儀器、地面鉆井液冷卻及防噴裝備等。

4.大型壓裂技術

人工熱儲的形成和儲層中裂縫的發育連通情況是影響干熱巖地熱能提取的關鍵。主要研究方向為裂縫起裂與延伸控制技術，干熱巖生產后期溫度變化特征與縫網變化預測技術，溫度和地應力場變化下垂直裂縫壓裂設計方法，抗高溫壓裂液及裂縫分布監測等。

5.熱能提取技術

為保證干熱巖的裂縫長期有效，需開展的研究主要有干熱巖的裂縫導流能力作用機制及主控因素研究，流體在復雜裂縫中的流動規律研究，熱交換流體選擇及交換效率等研究。

地球是我們共同的家園，正面臨能源需求不斷增加、化石能源日益減少、環境污染日趨嚴重、自然災害頻繁發生的困境，必須探尋一種能從根本上解決上述問題，且強力推進社會經濟可持續發展的優質可再生清潔能源，實現能源結構的調整和產業升級。

地熱能不受季節、氣候、晝夜變化等因素的干擾，可被高效綜合利用，除可替代“碳能”減排外，還具有從本質上減災、減排的功能。因此，開發干熱巖地熱能有助于實現中國經濟的綠色轉型，或可成為第三次工業革命的支柱。（指導老師：馬學品）