地球內熱的能源化探索
——“深部熱能探測與開發利用”專輯特邀主編寄語

唐顯春

中國地質科學院, 北京 100037;自然資源部地熱與干熱巖勘查開發技術創新中心, 河北石家莊 050061;自然資源部深地科學與探測技術實驗室, 北京 100037

從能源資源角度來看, 地球內熱形成的地熱能是具有競爭力的可再生能源, 其開發利用具有低成本、可持續利用和環保等其他能源不可比擬的獨特優點, 近五十年來在應對能源危機、溫室效應、能源結構轉型等方面發揮了積極作用, 已成為全球各國新能源領域的重要拓展方向。

中國在經歷60年代溫泉療養、70年代石油危機替代能源普查、80年代地熱發電能源化利用、90年代地熱供暖市場化勘查開發等多個階段后, 地熱能探測和開發利用趨于穩定化和溫和化。2016年以來,隨著環境保護理念深入人心, 低碳化、無碳化成為世界未來能源的發展趨勢, 具有清潔、可再生優點的地熱能再次被寄予厚望。

作為地球內能, 深部熱能賦存規律、熱能探測與評價方法、開發利用方式既與地球本身的結構和狀態有關, 與熱能地球物理和地球化學屬性特征有關,也與地熱資源開發利用條件和科學技術水平有關。本專輯征集了諸多學者在基礎性地熱能理論研究、不同地熱資源類型(淺層地熱能、水熱型、干熱巖)要素組合(源、通、儲、蓋)探測和評價與開發利用關鍵技術方面形成的階段性成果, 以及典型地熱地質條件和應用場景下取得的代表性成效, 從“熱能機理、探測與評價、開發利用”三個方面, 為提高深部熱能綜合利用效能提供參考。

1 深部熱能賦存機理

地球內部蘊藏的巨大熱能, 通過傳導、對流、輻射等形式由地球內部向淺層和地表傳輸, 表現為火山、溫泉、巖漿活動、構造運動等形式, 既推動著地球本身的形成、發展和演化, 也為人類生存和發展必需的物質提供了能源基礎(汪集旸, 2015)。自深而淺,地球巖石圈結構、巖石熱物性和傳導-對流方式、淺層封蓋條件和熱導率都影響著地熱系統的完整性(唐顯春等, 2023)。

從深層次的地球動力學和構造-熱演化過程來看,高溫地熱異常(如大地熱流值、溫泉溫度、地熱井地溫梯度等)一般都與深部熱結構密切相關。如新修正的渤海灣盆地高溫地熱異常區與“熱殼”結構、居里面起伏形態具有相關性, 改變了以往“冷殼熱?！钡恼J識(張健等, 2023); 渭河盆地深部具有隆起的地幔異常, 控制了高熱異常的分布(蘆佳飛等, 2023);青藏高原巖石圈塑性流變條件控制了地熱異常分布(藺文靜等, 2023); 渤海灣盆地魯西北平原地熱異常受殼源熱及其傳導作用控制(崔洋等, 2023)。

構造作用是影響地球深部內熱向地表傳輸和熱能再分配的關鍵因素之一。一般地, 巖石圈尺度的熱擾動和熱松弛效應具有長期性和相對穩定性, 如渤海灣盆地三疊世以來的巖石圈減薄效應仍然在影響區域性地熱狀態(張健等, 2023); 而川東地區二疊紀峨眉山玄武巖已不再影響區域性熱狀態(蘭鐳等,2023); 挽近活動構造對地熱異常的分布規律具有重要的控制和影響作用(如青藏高原東北緣, 唐顯春等,2023); 在傳導作用下, 古潛山和古隆起等局部構造對熱能分配有聚集作用(如北京市城市副中心, 雷曉東等, 2023; 華北雄安新區, 余鳴瀟等, 2023; 松遼盆地坳陷區, 王貴玲等, 2023)。

在成熱成儲過程中, 除了深部熱源與構造作用影響, 巖石本身的熱物性直接影響了熱能傳導效率和賦存規模。構成巖石圈的不同巖性具有差異性熱物性, 不同深度下放射性元素含量的生熱率不同,不同巖石的熱導率也不同。一般地花崗巖、白云巖具有較高的熱導率, 而黏土、砂巖的導熱效率較差。在地熱系統中, 巖性組合的配置關系也將影響深部熱能的賦存能效, 這也是干熱巖、水熱型、淺層地熱能的分布基礎(唐顯春等, 2023; 李瀟等, 2023; 王貴玲等, 2023)。

2 深部熱能探測與評價

深部熱能的探測評價既包括地熱要素組合(熱源、水源、熱儲、斷層、蓋層等)的識別和刻畫, 也包括地熱資源類型(淺層地熱能、水熱型、干熱巖)的區分, 以及資源稟賦條件的分類分級。

在探測技術和方法方面, 電磁法以其低成本、較高的分辨率、較強的適應性, 在深部熱源、水和通道、巖性和構造識別方面廣泛應用(吳佳文等, 2023)。通過井間測井提取地溫梯度異?；蛴嬎愦蟮責崃? 進而評價熱能賦存條件, 在早期靶區優選和資源類型劃分中具有很強的適用性(雷玉德等, 2023; 蘭鐳等,2023; 閆曉雪等, 2023)。從重磁電震等傳統地球物理學角度劃分區域性控熱構造(雷曉東等, 2023)、反演關鍵地球物理界面和異常起伏(張健等, 2023), 在評價有利目標和識別熱源方面較為便捷有效。地球化學方法在估算巖石圈結構(如氦-氖氣體同位素, 崔洋等, 2023)、熱儲水-熱化學和交代作用(如水熱蝕變和水文地球化學, 魏正安等, 2023; 王貴玲等, 2023;蒙暉仁等, 2023)方面效果較好。

在地熱資源評價方面, 一方面評價覆蓋面從地域和類型均不斷擴大, 另一方面不同類型的地熱資源評價與地質和構造條件不斷配套(蒙暉仁等, 2023;唐顯春等, 2023; 雷玉德等, 2023), 并拓展了數值模擬(黃永輝等, 2023)、迭代逼近(余鳴瀟等, 2023)、熱儲擾動修正(高俊等, 2023)等評價方法, 評價精度進一步提升, 進而指導有序和科學開發。

但就目前研究程度而言, 地熱能探測和評價技術仍然有待提升完善。如直接與溫度參數敏感的地球物理和地球化學指標尚未甄別, 不能有效探測深部熱源和熱儲流體規模等; 傳導型盆地或干熱巖資源量計算方法較為準確, 但裂隙帶內對流型水熱型資源量評價方法有待進一步完善; 基于三維數值模擬計算的地熱資源評價, 其建模邊界條件需要科學約束等等。

3 深部熱能開發利用

深部熱能開發利用效率直接影響到能源需求側,針對不同資源類型而優化的開發方式則能直接提升綜合利用能效。淺層地熱能、水熱型、干熱巖因資源類型不同, 其開發利用均需要考慮資源賦存深度、分布規模、能量密度、利用方式的差異性。

干熱巖具有較高的能量密度, 被認為是下一代地熱開發利用的重要方向?；跇嬙斓刭|環境的形變和應力應變也將影響干熱巖開發利用目標的優選(唐顯春, 2023)。而地應力則是干熱巖高溫硬巖水力壓裂和熱能提取過程中重要的考慮因素(許家鼎等,2023; 雷玉德等, 2023)。

深部熱儲在開發利用環節, 目前更多采用了精細化數值模擬計算熱儲產能, 進而科學優化配產,降低投資成本, 提升資源利用效率, 并且在渤海灣盆地供暖(丁蕊等, 2023)、地熱干熱巖發電(王令寶等,2023)等方面取得了進步。

除了傳統的取水換熱供暖外, 利用含水層作為介質儲熱/供能也成為新的發展方向, 進而彌補能源供需的時空分布不平衡問題, 并提升地熱井開發利用壽命周期(黃永輝等, 2023)。

換熱器優化設計是提升熱能開發利用能效的重要方式。李娟等(2023)基于淺層地熱能地質條件優化了地埋管換熱器形式, 劉俊等(2023)則通過換熱器優化設計提升了中-深層熱能換熱效果。

4 結論與展望

本專輯收錄的22篇論文, 分三個板塊介紹了地熱能能源化利用關鍵環節的探索性成果, 涵蓋了地熱能聚集機理和探測利用技術?！跋虻厍蛏畈恳Y源”的需求導向下, 地熱能作為地球本身源源不斷釋放的內能, 優勢獨特, 資源價值越來越重要, 展現出越來越旺盛的生機。

目前我們對地球深部結構、能量分布和分配的認知程度還很低, 加之中國大陸構造地質復雜, 地熱能的能源化之路顯得困難重重。但是隨著“向地球深部進軍”的號召, 深部結構探測資料越來越多,成像技術越來越高, 物質識別能力越來越強, 可獲得更為可靠的熱能探測資料和技術依據; 在地球系統科學理念下地球動力學和熱效應解釋更加完善和科學, 建模精度更高, 預測能力更強, 將進一步豐富地熱理論, 降低找熱風險; 科技進步與材料研發將進一步提升綜合能效, 有望大幅度熱交換效率, 降低熱能開發利用成本, 拓展地熱能下游利用的寬度和產業鏈長度, 提升和促進地熱能能源化的品質和進度。通過理論創新和技術提升, 從優質熱源著手尋找規模化熱儲, 進而多元化綜合利用, 地熱將快速從“溫泉經濟”向能源化利用轉型, 有望為人類美好生活提供能源供給的新選項。

5 致謝

本專輯的出版, 得到了中國地質科學院和同行單位的關心和支持及從事地熱能研究的專家學者的支持和積極響應, 并由中國地質調查局、國家自然科學基金委、中國地質科學院基本科研業務費等項目聯合資助?！兜厍驅W報》編輯部付出了大量的辛苦勞動, 多位匿名審稿人評審了專輯論文, 在此一并衷心感謝。

地熱能作為清潔能源和雙碳戰略下的減排內容,其能源化被行業賦予了希望。地熱能探測與開發利用是地球系統科學下多學科相互交融的研究領域,本專輯難以全面涵蓋, 仍然有很多不足, 希望本次探索能吸引更多的讀者一起努力攻關。