干热岩的简介

干热岩——未来清洁的新能源

摘要：随着全球化石燃料总量的减少及其开发利用带来的环境恶化程度加剧，可再生且无污染的能源倍受人们关注；但是气候的变化、季节的变换，在一定程度上给人们利用这些新能源带来诸多不便。因此，在有利的地区，开发利用无污染且少受诸如气候等外界条件变化干扰的新能源——干热岩，成了很多发达国家积极开展试验研究的新课题。干热岩开发利用前景十分诱人，科学家预测，2030年左右人类可以利用干热岩大规模发电。本文将主要介绍干热岩的基本特征、开发利用潜在价值、国内外试验研究现状、干热岩发电成本。最后，结合我国的实际情况，提出几点建议。

随着人类对能源需求的不断增长，全世界的人们越来越担心传统矿物能源大量使用带来的资源枯竭问题和对环境的污染问题，并开始关注可再生且无污染的能源，如太阳能、风能、水能等。但是，这些可再生能源的开发利用受诸如气候等外界环境制约，不能稳定生产。尤其是资源丰富的水力发电，不仅受降雨量变化影响，而且还对流域生态环境产生不同程度的破坏。因此，各国科学家们都在不断探索，努力寻找各种不受外界环境影响、又对环境破坏和污染很小的新能源。发达国家试验研究表明，利用资源极为丰富的干热岩发电，几乎不受外界环境影响，几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源取之不尽、用之不竭，被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。目前，国际上干热岩的开发利用还处于试验阶段；不过，科学家预测，2030年左右人类完全可以掌握必要的技术，利用干热岩大规模发电。

一、干热岩的基本特征

1．干热岩是一种特殊地热资源

干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体；干热岩普遍埋藏于距地表2～6公里的深处，其温度范围很广，在150～650℃之间。在学术界，干热岩有时被称为“热干岩”，其英文名称为“HotDryRock”。

干热岩的热能赋存于岩石中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等（Tenzer，2001）。一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。

干热岩也是一种地热资源。但是，干热岩是属于温度大于150℃的高温地热资源，而且其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型和岩浆型的地热资源。

从现阶段来说，干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

2．干热岩的分布

干热岩的分布几乎遍及全球，用一些科学家的话说，它是无处不在的资源（Duchane，1997）。世界各大陆地下都有干热岩资源。不过，干热岩开发利用潜力最大的地方，还是那些新的火山活动区，或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。

判断某个地方是否有干热岩利用潜力，最明显的标志是看地热梯度是否有异常，或地下一定深处（2000～5000m）温度是否达150℃以上。

二、干热岩的开发利用价值

1．干热岩主要用于发电

目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。

干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距约200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有三种。

最早的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

第二种模式是英国卡门波矿产学校（CamborneSchoolofMines）提出的“天然裂隙模式”，即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换的更充分。

最新的模式，即第三种模式是在欧洲Soultz干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。

干热岩发电地面系统采用涡轮发电。

目前，已有少数国家建有试验性干热岩发电厂，而且规模较小。建造一个干热岩发电厂一般需要5年时间，其使用寿命一般在15～20年左右。但是，受经济、技术等条件限制，干热岩发电尚未形成商业规模。

2．干热岩是一种洁净的新能源

干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用，而且在利用的整个过程中处于封闭循环系统。因此，干热岩的利用不会出现象热泉等常规地热资源利用的麻烦，即没有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质出现。岩试验厂。

（5）德国

1977—1986年，由欧共体出资，德国联邦研究和技术部在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项干热岩研究。即在深度很浅的情况下，研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的机制以及水在这些裂隙中的运移机理。

自1987年以来，在阿尔萨斯地区地热能开发试验场，德国联合法国等国的力量对干热岩技术进行了深入研究，已打出两口深度分别为3500米和5000米的试验深井。结果证明，在非火山活动地区的一般地质条件下，可以应用该项技术，利用地热能稳定、可靠地提供电力。

在德国南部施瓦本地区的小城乌拉赫，也将开始进行一项由德国联邦研究与技术部资助的干热岩试验项目。德国地热协会估计，德国至少有四分之一的电能需求将可以通过干热岩发电得到满足。

在斯图加特附近的BadUrach，早在1980年就为干热岩的研究钻了一口深为3500米的井，井底岩石的温度为147℃；该井在1992年钻深至4500米，岩石温度达170℃。目前，由于德国政府加大了在可再生能源方面的投入，因而会有2000万美元的资金用于干热岩电站的建设。2003年末已按计划钻出了第二口井，一个稍具规模的地下热交换系统已经形成，预计在2004年年中可以发电。

（6）法国

在法国阿尔萨斯州北部索尔茨·索斯·弗列的村庄，来自德国、法国、意大利和英国的科研人员实施了干热岩发电试验项目。该试验的资金由欧盟提供。试验地的干热岩体为裂隙发育的花岗岩，两口井深分别为3590m和3876m，井底温度在150～170℃之间。1997年对两口井进行了为期4个月的循环测试。此后，3876m的井钻深至5000m，基底岩石温度高达200℃。如果试验成功，这一欧洲地热开发项目将从2004年开始每年生产20兆瓦的电能，足够为一个人口大约五万的城市提供所需的电力。

另外值得一提的是，法国的环境和能源管理机构在地热能开发计划中明确提到，对于可再生能源，该计划主要关注四个方面，其中首当其冲的是干热岩的开发利用潜力研究。

（7）瑞士

瑞士政府支持商业组织对巴赛尔和日内瓦两地的干热岩潜在区域进行勘察，并最终希望能开发利用5000米深处的干热岩热能。这个深度下岩石的温度接近200℃。

（8）瑞典

位于瑞典西海岸的Fjallbacka，在1984年就被设立为野外试验地，用于干热岩地下热交换系统开发研究，解决地质学与水文地质学问题。最初，这里钻了深度分别为200米、500米和70米的三口井，用于描绘预想中地下热交换系统的特征。

2．国际合作计划

最早的国际合作始于美国在芬顿山的干热岩Ⅱ期工程。在1980—1986年期间，德国和日本技术人员携带部分资金和相关技术参加到美国的干热岩研究之中，开创了干热岩领域多国协作研究的先河。

此后，国际能源署（IEA）牵头实施了一系列有关地热利用的国际合作项目。在众多的地热利用国际合作项目中，与干热岩有关且最为重要的是“地热执行协议”（GIA）中一个时间跨度为4年（1997—2001）的重大计划——“干热岩行动计划”（HotDryRockTask）。参与该计划的国家有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国和欧共体。该计划由日本的新能源和工业技术发展组织（NEDO）担任总执行机构。该计划主要是为了对干热岩地热利用技术进行充分研究和开发，力争使干热岩的利用更为经济。该计划有四个子计划。

子计划A是“干热岩经济模型的建立”，主要是通过对工程参数（如井深，地热流流速等）、资源特性（如地热温度梯度）、交换系统性能（阻抗、热水水位降低速度）、费用和经济参量的综合分析，计算出利用干热岩发电的总费用。

子计划B是“传统地热技术在干热岩开发中的应用”，即回顾与总结最新的和今后可能采用的水平钻探技术、裂隙绘图技术以及在传统地热利用中所运用的高压泵技术，从而把相应的技术应用到对干热岩的利用上。

子计划C是“数据的收集和处理”，主要是为今后建干热岩发电厂提供框架性数据，包括项目的计划、特殊工具和服务的适用性，以及回顾与总结世界上较大的干热岩试验工程中所取得的数据、数据分析结果和经验。

子计划D是“对地下热交换系统进行评估”，该计划的目标是了解并弄清楚开发一个干热岩地下热交换系统，需要多少资金，需要多长时间，以及该系统可以持续利用多长时间。同时，该计划还要介绍一些可以对交换系统进行有效评估的方法、技术和工具等，从而可以找出适合任何一个新地方开发利用干热岩的最佳方案。

四、干热岩开发利用前景

1．干热岩发电成本

干热岩发电厂的总成本取决于总的发电容量。1997年，美国能源部能效和可再生能源局在技术报告《可再生能源利用技术荟萃》对干热岩发电厂的总成本进行了评估。他们认为，对一个井深4000米、发电容量一定的电厂来说，若电厂满足以下条件，那么就可以对不同技术阶段的发电成本有个大致的了解。

（1）采用干冷凝设备；

（2）经过热交换系统的水从地下到地面温度仅降低24℃；

（3）地下热交换系统中裂隙的扩张可以提高出水的速度；

（4）地下热交换系统的进水端压力能保持在3000psi（20684kPa），出水端压力保持在1000psi（6895kPa）；

（5）电厂所有进水井压力泵的工作效率可以达到80%，压力泵马达的工作效率可以达95%。

干热岩发电的成本由三大部分组成。一部分是初期的勘探费用、土地的使用费、注水井和取水井的钻探费用、监测和跟踪岩石裂隙发育状况的费用（即地下热交换系统发育状况的跟踪费用）；第二部分是为获取地下热能往井里所注水的水费和保持热交换系统压力平衡的注水泵费用；第三部分是建设地面二级循环系统——发电设备及电厂的费用。

那么，建一个干热岩发电厂的总成本，在考虑项目费用（指的是电厂的管理费和启动费）每千瓦109美元后，就可以通过上述各项费用算出：

干热岩发电厂的总成本

时间成本（美元/千瓦）变化范围

1997年5519－6%～+23%

2005年4756－5%～+29%

2010年4312

－4%～+34%

2020年3276－3%～+47%

2030年2692－3%～+51%

目前，我国风电造价8000元人民币/千瓦，相当于不到1000美元/千瓦。与之对比，干热岩发电成本可能高一些。但是，我国物价低，未来我国干热岩发电成本不一定比风电造价高多少。随着技术进步，电价提高，未来20～30年利用干热岩发电应该是经济的。

另外，德国在阿尔萨斯地区的试验结果表明，干热岩发电成本要远远低于太阳能光电池等其他发电成本。德国学者在综合考虑斯图加特附近BadUrach干热岩试验基地的各种软、硬环境后认为，在当前向第二代技术过渡的阶段，该地电厂的运行成本是每度电8～10美分（据2003年GeodynamicsLimited网站）。这个价格要比当前北京居民用电0.44元人民币/度的价格要高一些。但可以肯定的是，随着干热岩发电技术的成熟和大规模开发，干热岩发电的电价必定会与我国的火电、水电的电价不相上下，甚至比它们低。

2．干热岩发电商业运行的可行性

国际上，一些学者曾对干热岩发电何时进入商业运行做过分析。分析认为，若研发基金的投入能保持当前的水平、政府的能源政策允许、商业经验积累充分、能源市场供需良性发展，干热岩的发电技术再经历两个阶段后即可大规模投入商业运行。这两个阶段是：第二代技术研发阶段和技术成熟阶段。当前的技术以20世纪70年代的技术为基础，第二代技术的实现则会在2015年以后，技术成熟期的到来要在2030年以后。

五、建议

我国地热资源丰富，已广泛用于发电、纺织、印染、采暖、种植、养殖和医疗卫生等方面。然而，我国对地热资源的利用多局限于地热点、地热田的利用,对开发利用潜力巨大的干热岩却没给予足够重视。我国仅少数科研单位参与了部分干热岩国际合作研究。例如，在1993－1995年期间，我国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所开展合作，在北京西南房山区进行了干热岩发电的研究试验工作。

目前，国际上干热岩发电技术正在向第二代过渡。美国、法国、英国和日本等国家都建立了专门研发干热岩发电技术的机构，并投入巨资。我国可以紧紧抓住这次契机，开展干热岩开发利用技术研