干热岩地热能开发与利用

地热资源是一种可再生的清洁能源，储量大、分布广，具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点，与风能、太阳能等相比，不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰，是一种现实并具有竞争力的新能源。

经过多年的地热资源开发，我国地热直接利用连续多年位于世界*，如图所示中国地热直接利用是第二名美国的2倍多。如果加上地热发电折算成年产出热能，2014年中国地热总体利用为48570 GWh，仍远大于美国的36328 GWh。 

中国地热直接利用结构发生了可喜的变化。2014年底，地热供暖比例超过温泉洗浴。主要比例是：地源热泵58%，地热供暖19%，温泉洗浴18%。地热开发的能源性、技术性得以突出。 

2017年2月，国家发改委、国家能源局及国土资源部联合发布《地热能开发利用“十三五”规划》，这是国家地热产业规划，是地热产业发展的里程碑，必将对我国地热产业快速、健康发展起到极大的推动作用。 

发展目标

地热供暖/制冷面积：新增11亿平方米，浅层地热能7亿平方米，中深层地热4亿平方米。至2020年，地热供暖（制冷）面积累计达到16亿平方米。 

地热发电装机容量：累积新增50万千瓦，至2020年，累计实现地热发电装机容量53万千瓦。 

地热能利用总量：到2020年，地热能利用总量7000万吨标煤，地热供暖年利用量4000万吨标煤。

一．干热岩概念及资源分布

干热岩概念

干热岩是一种没有水或蒸汽（或是含少量水而不能流动），普遍埋藏于距地表3~10km的地层深处，温度介于180~650℃的高温岩体，蕴藏在其中的热能，就是干热岩地热能。 

干热岩资源成因和分类

地壳运动——剧烈构造运动减压熔融生热——强烈构造活动带型

地幔热流——地核地幔传导对流生热——沉积盆地型（地壳减薄区）

岩浆活动——岩浆沿裂隙向浅部运移生热——近代火山型

地壳热流——同位素衰变生热——高放射性产热型

干热岩资源分布情况-世界范围

强烈构造活动带型:环太平洋地震带（美国西海岸），喜玛拉雅-印度洋板块（中国）

板块内部地壳减薄区：欧洲上莱茵地堑，法国、德国

近代火山型：日本、冰岛

板内高放射性花岗岩发育区：澳大利亚

干热岩资源分布情况-国内

强烈构造活动带型：青藏高原。欧亚和印度洋板块挤压，有侵入体和熔融体等高温岩浆热源。 

沉积盆地型：松辽盆地、汾渭地堑等中新生代断陷盆地的下部，沉积覆盖层具有较高的地温梯度，与水热型地热系统共生。

近代火山型：分布腾冲、长白山、五大连池等地区，底部岩浆活动密切相关。

高放射性产热型：东南沿海，发育许多大型的中生代酸性花岗岩类岩体。

干热岩资源量

我国：中国地调局数据显示中国大陆3~10km干热岩资源总量数据显示其总量为，为2.5×1025J（合856万亿吨标煤）。总量是我国油气、煤炭总资源量的30倍。      

美国：美国本土3~10km干热岩资源总量为1.67×1025J（不含黄石公园），合572万亿吨标煤。

地热资源量约4900万亿吨标煤，中国约占资源量的六分之一。

干热岩地热能优势

资源丰富：3-10km内资源总量大

分布广泛：板缘和板内地热域都有分布

青藏高原及周边、东部第二沉降带等地区资源尤为丰富

绿色无污染，可再生，用途广泛

利用干热岩地热能发电和梯级利用，不产生环境污染，地热能源可再生

可靠性强： 利用系数高，能量输出稳定

可作为基本载荷亦可作为调峰载荷，以适应季节和气候变化需求

二．干热岩开发利用技术及挑战

干热岩开发技术属于世界性难题，上通用的干热岩开发技术是增强型地热系统（EGS技术），该技术是为了开发具有经济价值的地热资源而创建的人工地热系统，作为干热岩地热资源开发的技术。

增强型地热系统（EGS）-干热岩开发工程

干热岩无水或少水，裂缝欠发育，需要人工创建热储进行开发，增强型地热系统（EGS）是开发干热岩资源的具体工程系统。

关键技术：

选区选址：优选项目建设靶区

系统设计：描述热储，设计运行参数

成井：形成循环采热的路径

压裂造储：人造高导流大面积热储

系统运行：运行与监测，稳定采热发电

靶区优选

难题：热源埋藏深，地温场非均质性强，成因机理主控因素复杂，资源可动用性不清等

目的：基于现场试验和研究，通过地质、地球物理、地球化学、遥感等手段优选经济技术指标*的目标区块。

指标：优选指标包括温度、裂隙情况、大地热流、居里面埋深、酸性岩体分布和控热构造特征等。

系统描述和设计

难题：孔缝结构特征复杂，温度场、应力场、渗流场、化学场四场耦合难度大，开发关键指标众多等。

目的：根据已有的测试参数，地质和工程资料，利用数值模拟、物理模拟、岩心分析等手段，掌握热储地质工程特征，进行热储精细描述，设计热储换热参数、井组、井网、井距、采灌制度等运行参数。

技术：压前压后人工裂缝地质建模技术，渗流传热模拟技术，热储四场耦合模型建立与数值求解技术，热储运行效率和使用寿命分析技术。

成井

难题：超高温、地层高硬、研磨性强、裂隙发育、构造复杂、热破裂现象频发、工程地质条件复杂等；

目的：根据工程需求进行直井、定向井、水平井，复杂结构井等深钻施工，形成可靠的循环采热的通道

技术：主要的技术包括：高温硬地层破岩钻头和工具，耐高温井下测量仪器，耐高温井筒流体和工作液材料，高温井下安全控制技术与地面冷却设备，耐高温保温井筒密封材料和工艺。

压裂造储

难题：高温度、高硬度，高应力，高密度，未知性强，预测难度大，热储工程地质条件复杂等。

目的：利用水力压裂，酸化等手段，在致密（裂缝欠发育地层）高温地层，建立大面积高导流裂缝发育空间热储。

技术：地质力学参数求取技术，岩体破裂与裂隙展布评估与控制技术，耐高温自支撑高导流压裂液，裂缝监测与压裂效果评价技术。

系统运行

难题：热力短路，热储四场动态变化监测和系统运行关键参数准确调整困难，水岩作用强烈，地面线路易结垢。

目的：维持系统运行寿命超过20年，保证出口流体的温度和流量在运行过程中始终满足发电要求，保障地下换热效率和地面发电系统管路通畅。

技术：系统运行监测技术（示踪技术），热储动态模拟和运行参数动态优化技术，发电工艺优选技术，管路除垢阻垢技术。

三.干热岩开发现状

国外EGS项目概况

美、法、德、英、日、澳等国家起步较早，已经建立了25个试验性质的EGS工程（欧洲15项，美国6项，澳大利亚2项，日本2项），累积发电能力约12MW。

国外EGS工程概况

深度：干热岩2000-5000m，上部1000-3000m多为高温水热型。

温度：较成功的都在180-200℃以上，已经达到400℃。

热储改造对象：有天然裂缝，相对容易形成体积裂缝的地层。

成井：大量采用定向井，裸眼完井，清水、泡沫等无固相低密度钻井液。

造储：水或盐水，不用支撑剂。注入量视规模而定；排量分为低排量长期注入（3~6m3 /min），或者低排量和大排量交替注入。

监测：多采用示踪剂、微地震监测和重力测量。

国内——干热岩的勘探开发还处于勘察阶段

干热岩资源调查：松辽盆地，东南沿海，青海共和及贵德，四川康定等

青海共和盆地恰卜恰进行了7口勘探井的施工，其中4口达到干热岩标准。

贵德盆地扎仓沟进行了4口勘探井的施工，其中2口达到干热岩标准。

福建漳州进行了1口干热岩科探井的施工

总之，尽管上对干热岩研究起步较早，但由于资金、技术等限制，目前仅有几个小规模、试验性质的干热岩（EGS ）发电示范工程，还没有一个*规模化、商业化正式运行的干热岩（EGS）项目。

中国近年来也在加大干热岩开发的研究投入， 2010年国土资源部启动了公益性科研项目“我国干热岩勘查关键技术研究”，主要开展干热岩高温钻探技术方面的研究。2012年，吉林大学、清华大学、中国科学院广州能源研究所承担了国家高新技术研究发展计划（863计划）项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”，开启了我国专门针对干热岩工程的研究。但是，总体上我国的干热岩开发，还处于初级阶段，相比国外存在很大差距。

我国干热岩开发利用展望

2016年8月份印发《“十三五”国家科技创新规划》中，比较系统地在深海、深蓝、深空、深地（含干热岩）等能够拓展国家战略利益、保证国家战略优势的领域做出了部署。深地研究必将对干热岩的勘探开发带来重要的推动作用。

中国石化正在积极推动我国干热岩的勘探开发工作，中石化科技部在2015年6月设立了“干热岩地热资源潜力评价与钻探靶区优选方法前瞻研究”项目，由中石化新星石油公司承担，2016年12月验收。在此基础上，今年5月又设立了“干热岩勘探开发关键工程技术研究”项目，由中石化工程院、勘探院、新星石油公司联合承担。

下一步，中石化与国内干热岩研究团队，共同申请国家支持计划中的干热岩项目，从而加速推进我国的干热岩开发工作。

我们预测，到2030年左右，随着干热岩开发取得长足进步，干热岩发电将会成为我国可再生能源发电的重要一员。

青海省自2017年6月17日至23日，连续7天合计168小时内，全部以太阳能、风能及水力发电供应全省用电。此举在全国尚属，具有重要的里程碑意义。

青海省也是我国干热岩分布的有利地区之一，展示了良好的干热岩发电前景。

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2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网GPRS无线传输至WEB端网络；单总线结构，可扩展128个点；进口18B20高精度传感器，在10-40度范围内，精度在0.1-0.2度）

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5.0-1200米GPRS型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

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