高温岩体地热能的概念

高温岩体地热能的概念

高温岩体地热是地热能——蕴藏在地球内部的巨大天然热能的一种，但是又不同于一般的地热能。一般的地热指的是深度在3000m以内的岩层热（源），而“高温岩体地热”指的则是深度在3000～5000m、温度达150～350℃的结晶质岩石热（源）。

　　地球是由地壳、地幔和地核组成的实心球体，半径达6370km。地壳是地球的外层，非常薄，约占地球内部构造的1/200左右，大陆地壳平均厚度约35km，而海洋地壳仅10km，薄处只有7km；地幔是地球的中间层，厚达2900km，分为上地幔和下地幔。由地幔向地核延伸，地震波突然中断，表明地核处于液态，地核总厚度达3473km。

　　地热能的热量主要来自地球内部岩石和矿物中的放射性元素衰变所产生的巨大热量，这些放射性元素丰度高、产热效率高、半衰期与地球年龄相当，多集中在地表层数百千米范围内。有人曾估计，在地球的热历史中，地球内部由放射性元素衰变而产生的热量平均每年为5 万亿亿卡（5×1024cal/a），可见地球实在是一个地道的热球。还有人估计，若以燃烧世界所有的煤炭获得的热量为基准，石油仅为煤炭的8%，核燃料为15%，而高温岩体地热资源则为煤炭的1.7亿倍。正因为如此，高温岩体地热能受到世界各国普遍的重视。

　　关于高温岩体地热能，早出自于20世纪70年代石油危机后美国科学家提出的利用地下深层结晶质岩层中地热能发电的建议，当时取名“热干岩体”（Hot DryRock）。高温岩体地热能的开发利用，简单地说，就是钻一些深井（3000～5000m 深）达到地下结晶质岩层，那里的温度一般可达150～350℃；采用相应的井下作业措施（如射孔、爆炸、水力压裂、酸化等），在高温岩体中造成具有高渗透性的裂缝体系，也就是建造所谓的“换热构造”或称“人工热储”；从一口（或几口）井注入冷水，经裂缝换热构造加热后，从另外一些井采出热水；在地面上将这些热水采用二元发电装置，即用低沸点二次工质的有机朗肯循环，或用氨/ 水混合物作为二次工质的卡里纳循环（Kalina Cycle）发电（图3）。在有热负荷的地区，进行热电联产，也可以只用于供热。

　　继美国之后，英国、法国、德国、日本、瑞士、瑞典、澳大利亚等国也纷纷开展同类型的现场试验（见图4），但名称叫法不一。美国早称“热干岩体”（Hot DryRock），当时估计深层结晶质岩体中没有流体存在；后来日本的钻探发现，深层岩体中，有的发育有较好的天然裂缝体系，并存在有流体（地热水），因而又称作“热湿岩体”（Hot Wet Rock）；在澳大利亚的试验中，地下岩体要经过人工压裂处理，使其生成裂缝体系，因而叫做“热裂岩体”（Hot Fractured Rock）。此外，瑞士称作“深层地热开采”（Deep Heat Mining），能源机构（International Energy Agency）1978年发起的研究项目称“人造地热能体系利用”（Use of Man-made-geothermal Energy Systems）。美国在热干岩体实验项目后，对新开发的这种项目统称“增强地热系统”

　　（Enhanced Geothermal Systems），其中包含对现有常规地热系统采取工程措施，增强其产能或延长其使用寿命的内容。总之，同类技术由于研究与使用的着眼点不同，衍生出不同的名称。我们认为，从构建整个地热谱系出发，并区别于中浅层的地热利用，此项技术本文统称为“高温岩体地热能”，其英文仍循通称HDR（HotDry Rock Geothermal Energy）。

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