共和干熱巖“熱”的奧秘

中國地質調查局水文地質環境地質調查中心 河北 保定 071051

共和縣位于青藏高原東北緣,青海省的東北部,北靠青海湖,南臨“母親河”—黃河,素有“青藏咽喉”之稱。共和縣擁有農牧資源、礦產資源、水資源、地熱資源、旅游資源、動植物資源、風能資源、太陽能資源等七大優勢資源。

經勘查表明,共和盆地地熱資源種類齊全,淺層地熱能、地下熱水、干熱巖三種類型均有發現,具有水豐、質優、宜開采特點,資源前景廣闊,開發利用潛力大。2017年8月,中國地質調查局與青海省國土資源廳共同組織實施的青海共和盆地干熱巖勘查,在3705米深處鉆獲高溫干熱巖體。根據干熱巖資源初步評價結果,若僅開采其中的2%,折合標準煤128億噸,約為2016年全國能源總消耗量的3倍。此外,干熱巖發電具有發電能力穩定的特點,如能實現產業化開發利用,不僅可作為基礎荷載促進新能源集中區的建成,還可豐富共和地區清潔能源的家族成員。

什么是干熱巖?

干熱巖的概念最早是由美國Los Alamos國家實驗室提出的,目前學術界普遍認同的干熱巖(HDR)定義是：埋藏于地下3～10km、溫度150～650℃,無裂隙、不含或微含流體的高溫巖體。

干熱巖的巖石類型主要是結晶巖或變質巖類,較常見的有花崗巖、花崗閃長巖、片麻巖等。

干熱巖鉆井巖心

干熱巖的界定條件主要包括以下幾個方面。

埋深：3～10km。目前工程鉆探的極限深度為10km,考慮干熱巖開發的工程可行性,將干熱巖資源埋深界定成3～10km。

溫度：180～650℃。如將干熱巖看做一種固體礦產資源,則溫度是其重要的“品位”指標,溫度越高,“品位”越好。隨著發電技術水平的不斷提高,發電溫度下限逐漸降低,但考慮目前干熱巖開發經濟可行性,將干熱巖資源溫度下限界定成150℃。

無裂隙、不含或微含流體。干熱巖開發需借助流體介質,實現在由地表發電系統與地下熱交換系統組成的閉合回路內的循環流動,從而將地下熱能轉移至地表進行發電。如若干熱巖體存在大量天然裂隙,必然導致注入的流體介質無法回收,從而發生損失,進而增加干熱巖開發成本、降低發電工程效率。

為什么會形成干熱巖?

初步探明的共和盆地恰卜恰干熱巖體,埋深2104－2500米,面積247平方千米,溫度150－236℃,是迄今我國鉆獲埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體。為什么在共和地區會形成干熱巖,是眾多民眾及專家學者共同關注的話題。

根據共和盆地深部地質構造與綜合地球物理勘查技術方法,初步認為共和盆地干熱巖熱能聚集模式為：以發育于地下8～32km,東西向長約50km的部分熔融層供熱,中晚三疊世花崗巖儲熱,大厚度新生代泥質巖類沉積蓋層二次聚熱。通俗來說,部分熔融層就像火柴,花崗巖就像鍋中的水,上部的蓋層就像鍋蓋。

如何尋找干熱巖?

尋找干熱巖是干熱巖開發的先決條件。國外尋找干熱巖的位置主要包括：高溫水熱型地熱田旁側、油田高溫異常區、近代火山活動區和沉積盆地區。

如需精確探測干熱巖的具體位置,鉆探仍是最有效的手段,但干熱巖鉆探成本極高,成一眼4000m深井花費千余萬元,占干熱巖勘查開發總費用的50%以上,是制約干熱巖產業化開發的主要因素之一。因此,尋找低成本且有效的地球物理勘查技術迫在眉睫。

張森琦等在干熱巖深地探測方面,探索出高精度航磁測量篩查,天然地震背景噪聲層析成像與重磁法勘查驗證,大地電磁測深法確定孔位的干熱巖地球物理勘查技術體系。并以此為依據,在共和盆地及其外圍圈定出18處干熱巖體,總面積達3092km2。

干熱巖如何開發?

干熱巖資源潛力巨大,但距規模化開發利用還相去甚遠,其中還包括許多技術難題需要攻克,如精確的地球物理勘查技術、高溫鉆完井技術、人工壓裂及儲層連通技術、資源評價技術、監測技術等。

在干熱巖概念基礎上,提出的增強型地熱系統(EGS),是指通過人工致裂形成裂隙型熱儲,技術經濟地采出高溫地熱能主要用于發電的工程系統。

增強型地熱系統的基本原理是,通過深井將高壓水注入地下2～6km的人工儲層內,使其通過滲透循環而吸收熱能；再通過開采井將高溫水、汽通過生產井抽出地表用于發電；冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統循環使用,整個過程都是在一個封閉的系統內進行的。

在干熱巖開發方面,目前最為矚目的是美國能源部2015年實施的“干熱巖地熱能前沿瞭望臺研究計劃”。該計劃到2050年實現10萬兆瓦以上發電規模,較目前水熱型地熱發電量增加近100倍,以滿足美國1億家庭綠色電力供應,并成為清潔、可靠、靈活和可再生新能源的代表。

2017年8月,中國地質調查局與青海省國土資源廳共同組織實施的GR1井,在共和縣恰卜恰鎮3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體,社會影響巨大,部局領導高度重視。2018年中國地質調查局正式開展“共和盆地干熱巖資源調查評價與EGS示范工程建設”項目。自此,拉開了中國干熱巖開發的序幕。