干热岩地热能开发技术挑战与发展战略

Technical Challenges and Strategy of Geothermal Energy Development from Hot Dry Rock

摘要

为推动我国干热岩地热开发取得新突破，形成一批干热岩开发示范区域，支撑国家能源结构调整和“双碳”目标实现，总结归纳了推进干热岩商业化开发的底层技术、关键技术以及前沿和颠覆性技术.根据国内外干热岩勘查、开发利用现状，结合青海共和干热岩试采科技攻坚战实践，将干热岩地热资源评价与选址、干热岩高效低成本钻井技术、干热岩地热利用技术定为底层技术；干热岩体精细勘查与刻画、高效复杂裂隙网络储层建造技术、有效微地震控制技术、裂缝网络连通与储层表征技术定为关键核心技术；井下液体爆炸造缝技术、井下原位高效换热发电技术、CO₂等不同工质换热发电技术列为前沿和颠覆性技术.

关键词

干热岩 / 增强型地热系统 / 工程示范 / 研究进展 / 技术挑战 / 环境地质学.

Key words

hot dry rock / enhanced geothermal system / field demonstration / research progress / technical challenge / environmental geology

0 引言

干热岩（hot dry rock， HDR）地热资源储量巨大，具有非常大的开发潜力（李德威和王焰新，2015；许天福等，2016；李根生等，2022）.据统计，地球上可供人类开采利用的干热岩资源量是地球上所有石油、天然气和煤炭资源总量的30倍（MIT， 2006）.蔺文静等（2012）对我国高温干热岩的资源储量评估表明，中国大陆3~10 km深处干热岩资源量总计2.52×10²⁵ J，合856万亿吨标准煤，若按2%的可开采资源量计算，相当于我国2021年能源消耗总量的3 200倍.汪集旸等（2012）指出，我国有利的干热岩开发靶区包括青藏高原、云南西部（腾冲）、东南沿海（浙闽粤）、东北（松辽盆地）、华北（渤海湾盆地）、鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑等地区.

开发干热岩地热资源的主要方法是增强型地热系统（enhanced geothermal system， EGS），即通过水力压裂手段，在高温岩体内形成复杂裂隙网络的渗流通道，为载热工质（水）的运移和热交换提供空间和接触面，将地下深部低孔低渗高温岩体建造成具有较高渗透性较多热交换面的人工地热储层（图1），并从中长期经济地采出相当数量的热能以供利用（许天福等，2016；巩亮等，2022）.随着研究的不断深入，增强型地热系统的概念也不仅仅局限于干热岩地热资源的开发，在一些传统的地热储层（如温度较高的富水岩层）内也可以经过适当的改造扩容，形成增强型地热系统加以利用（许天福等，2016，2018）.

干热岩地热资源是极具开发前景的战略性接替能源，目前世界上和我国的干热岩地热开发均处于现场试验的研发阶段（巩亮等，2022；李根生等，2022；张二勇，2022）.国际上经过近50年的研发与培育，随着干热岩地热资源商业开发前景进一步明朗，越来越多的国家加入了全球干热岩勘查开发的行列.欧美多个国家先后启动了增强型地热系统技术研发与工程建设，如美国Fenton Hill（Laughlin et al.， 1983）和FORGE（Xing et al.， 2022a， 2022b）、法国Soultz（Horálek et al.， 2010）、中国共和盆地（Xu et al.， 2018； Lei et al.， 2020； 张二勇，2022）等，部分EGS进入了试验性运行发电阶段.据统计，目前全球在建与投入运行发电的EGS工程达到30多个，实现了运行发电的EGS工程有16个，其中还有5处正在运行发电（巩亮等，2022；李根生等，2022）.还有更多的EGS工程尚在前期论证中（尹欣欣等，2021；李根生等，2022；Zhu et al.， 2023）.

虽然国际上已成功建立了多个EGS开发示范工程，但受限于EGS产业化开发的关键技术，目前还未形成可复制、具有商业推广潜力的干热岩地热工程开发模式（许天福等，2018）.为更好推动我国干热岩地热开发取得新突破，建设形成一批干热岩开发示范区域，支撑国家能源结构调整和“双碳”目标实现，根据国内外干热岩勘查、开发利用现状，结合青海共和干热岩试采科技攻坚战实践（张二勇，2022），本文总结归纳了推进干热岩商业化开发的底层技术、关键核心技术以及前沿和颠覆性技术，并对国内外的相关技术现状及干热岩发展战略进行了对比评估.

1 干热岩地热能开发进展与动态

1.1　国外进展与动态

干热岩地热开发在世界上已有近50年的研究历史，但以往主要局限在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等少数国家（许天福等，2012）.从1974年Fenton Hill首个干热岩EGS示范工程至今，全球累计建设EGS示范工程60余项，干热岩地热资源的优越性和开发可行性逐渐得到国际认可（巩亮等，2022；李根生等，2022；张二勇，2022）.目前，EGS产业化面临的最大技术挑战是如何实现经济可持续开发，这主要受控于现有的储层改造和维护技术难以成功建立大规模、经济可持续的地下热交换系统（Pandey et al.， 2018）.国际上针对这些技术难题，开展了一系列前沿研究计划.

2006年，受美国能源部资助，麻省理工学院（MIT）组建的独立专家评估委员会对EGS进行了综合分析研究，以全面评估地热能作为美国未来主要能源的潜力（MIT，2006）.评估结果显示，实现干热岩地热资源的产业化开发将革新全球能源结构.2015年，美国能源部（U.S. DOE）启动“FORGE（地热能研究前沿瞭望台）计划”，累计投入超过2亿美元，旨在促进和鼓励全球地热研究团体对EGS的革命性研究，最终为地热行业提供一系列可复制的EGS技术解决方案及产业化路径（许天福等，2016；Xing et al.， 2022a）.2016年，美国能源部启动了为期3年的EGS合作实验室项目（EGS Collab），投入900万美元，利用可进入的浅部地下实验室提高对岩体压裂响应规律的认识，提供中等规模（10 m尺度）的实验平台来验证和发展热-水-力-化（THMC）模拟方法，并开发新型压裂监测工具（Chen and Huang， 2019）.另一方面，为了降低干热岩开发成本，美国提出基于现有水热型地热系统的边缘和深部进行储层建造，可快速实现经济效益，并不断发展和积累地热储层建造技术（许天福等，2016）.为此，美国能源部近几年资助了几个相关EGS示范项目（如Desert Peak、Geysers、Raft River等），这种方式可快速增加现有水热田的地热发电能力（Lu 2018； Yuan et al.， 2020； Fagan et al.， 2022）.美国FORGE计划和EGS Collab项目的实施，旨在填补EGS现今面临的重要科学认识空白，突破限制EGS产业化开发的挑战性技术，最终形成可复制、具有商业推广潜力的干热岩地热工程开发模式（Xing et al.， 2022a， 2022b）.目前，该项目已完成包括高温钻井工具、新型储层刺激改造和完井技术、裂缝网络的监测和管理、诱发地震的预测、应力管理和数值模拟等关键技术的前期研发工作（Kraal et al.， 2021； 解经宇等2022）.此外，工程现场已完成大斜度水平井钻井（16A（78）-32），初步开展了水平井分段压裂技术现场测试（图2），有望取得较好的干热岩储层缝网建造效果（Hu et al.， 2022；Xing et al.， 2022a）.

2013年，欧盟委员会启动了“地平线2020（Horizon 2020）”计划，该计划资助的地热相关项目共11项，总预算达1.34亿欧元，皆在推动欧洲更为全面的地热资源开发利用.2018年，欧洲深部地热技术与创新平台（ETIP-DG）发布了欧洲深部地热能实施计划，投入9.36亿欧元用于支持深部地热资源开发所需的相关前沿技术和装备研发，皆在推动地热资源开发利用以满足欧洲大部分的热力和电力需求.

1.2　国内进展与动态

我国干热岩地热开发研究起步较晚，早期一些科研单位和高等院校在这方面做了理论探讨并开展了有关室内试验研究（赵阳升等，2009，2010；冉恒谦和冯起赠，2010；孙知新等，2011）.2012年国家高技术研究发展计划（“863”计划）启动了“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目（许天福等，2012）.在吉林大学、天津大学、清华大学、中国科学院广州能源所、中国地质科学院水文环境地质研究所、中国科学院地质研究所及大庆油田井下分公司等单位的协作下，2015年项目执行完成.项目的实施从理论上和实验室里论证了干热岩体积压裂的工艺流程和资源开发的可行性，也因此增强了国内科研机构与企事业单位对干热岩资源开发的兴趣和信心.此外，部分EGS单项技术研究成果为我国进行干热岩地热资源开发提供了理论支撑（许天福等，2016，2018）.

2013年，中国地质调查局发布“全国干热岩勘查与开发示范实施方案（2013—2030）”，并在多处高热流地区开展了干热岩资源勘查工作，表明国内干热岩资源调查评价与开发研究进入实质性阶段.2017年9月，青海省自然资源部门在青海共和盆地3 705 m深度钻获温度超200 ℃的高温干热岩体，探测分布面积达3 000 km²，实现了我国干热岩资源勘查重大突破（Xu et al.， 2018； 张二勇，2022； Zhong et al.， 2022）.结果表明，我国干热岩地热资源储量巨大，实现干热岩资源的安全高效开发，将在科技、经济和社会发展中具有重要的作用和战略地位.

基于上述成果，国家能源局等部门发布的《中国地热能发展报告（2018）》特别指出：干热岩型地热能是未来地热能发展的重要领域，急需建设青海共和干热岩型地热能勘查和试验性开发工程.2019年开始实施“干热岩能量获取及利用关键科学问题研究”国家重点研发项目，吉林大学牵头联合11家来自高等院校、中国科学院、中国地调局、中国石化及国家电网等地热领域优势单位，皆在解决我国干热岩能量赋存、获取、传递理论研究和自主创新能力，将为我国共和盆地首个干热岩示范基地建设提供理论和技术支撑（Xu et al.， 2021）.最近，中国地质调查局在青海共和盆地组织实施了“干热岩资源调查与勘查试采示范工程”（图3）.工程第一阶段（2019—2021年）以实现干热岩试验性发电为目标，在干热岩成因机制、探测、钻探、储层建造、监测、循环连通等方面取得系列进展，成功实现干热岩试验性发电（Chen et al.， 2021a， 2021b； Xie et al.， 2021；张二勇，2022）.

此外，河北省煤田地质局2019年组织实施的干热岩勘查项目，在唐山海港经济开发区3 965 m深度钻获了温度为150 ℃的干热岩体（张保建等，2020； 张云等，2022）.这是目前京津冀地区钻获埋藏较浅的干热岩，实现了我国中东部地区干热岩勘查的重大突破，这对于河北省乃至京津冀地区优化能源结构、改善大气环境、打好污染防治攻坚战，将发挥积极的支撑作用，对京津冀乃至环渤海地区干热岩勘查将具有重要的借鉴意义.

2 干热岩地热能开发技术挑战与评估

根据国内外干热岩勘查、开发利用现状（MIT， 2006； Lu， 2018； 许天福等，2018；尹欣欣等，2021；李根生等，2022；解经宇等，2022），结合青海共和干热岩试采科技攻坚战实践（Chen et al.， 2021a， 2021b； Xu et al.， 2021； 张二勇，2022），总结归纳了推进干热岩商业化开发的底层技术、关键核心技术以及前沿和颠覆性技术（图4），以期为我国接下来的干热岩勘探开发工作提供借鉴.

2.1　底层技术

2.1.1　干热岩地热资源评价与选址

2013年起始，中国地质调查局启动了我国干热岩资源潜力评价与示范靶区研究项目，重点开展了东南沿海地区干热岩勘查靶区选址与科学钻探等工作，针对福建漳州、湖南汝城、广东阳江新州、雷琼断陷盆地、海南陵水以及广东惠州黄沙洞等重点靶区开展了系统的地热地质调查、地球物理勘查等工作（王贵玲等，2020；蔺文静等，2021）.2017年，青海省自然资源部门在青海共和盆地3 705 m深度钻获236 ℃的高温干热岩体，探测分布面积达3 000 km²，实现了我国干热岩资源勘查重大突破（Xu et al.， 2018； 张二勇，2022； Zhong et al.， 2022）.2019年，河北省煤田地质局组织实施的干热岩勘查项目，在唐山海港经济开发区3 965 m深度钻获了温度为150 ℃的干热岩体（张保建等，2020；张云等，2022）.通过对国内外已发现干热岩资源进行综合分析，结合中国地质构造背景，可将中国干热岩资源分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型等4种成因类型（甘浩男等，2015；王贵玲等，2020；蔺文静等，2021）.其中：（1）高放射性产热型干热岩资源主要分布于华南地区，区内干热岩资源的勘查应重点考虑燕山晚期花岗岩储层、一定厚度的保温盖层以及深大断裂导热作用；（2）沉积盆地型干热岩资源主要分布于东部的华北、松辽等盆地，盆地区干热岩资源的勘查应重点考虑上覆盖层厚度、基岩隆起高度及其对区域地温场的影响；（3）近代火山型干热岩资源主要分布于腾冲、雷琼、长白山以及大同等近代火山群分布区，应结合区域地质构造背景、热异常区分布特征、深部地球物理探测等多种手段判断地壳浅部低速区的性质，为该类型干热岩资源的探测提供依据；（4）强烈构造活动带型干热岩资源与保持着较高辐射热的活动断裂内酸性侵入体有关，干热型地热资源与水热型地热系统同源共生的特征十分明显，温泉的群居性与成规模的水热型地热田是寻找该类型干热岩资源的重要标志（蔺文静等，2021）.

今后针对不同类型：火山型（如吉林长白山、云南腾冲、黑龙江五大连池）、花岗岩型（如福建、广东、江西）、盆地型（如东北、华北、苏中）等干热岩地热资源（王贵玲等，2020；蔺文静等，2021；刘德民等，2022；余毅和马艺媛，2022），需要进一步结合地质、地球物理和地球化学等多种方法，对具有干热岩地热开发潜力的远景区开展地热地质调查和资源评价工作（如计算地温梯度，预测某深度处温度，测量地应力场，确定地质特征、岩性、构造、断裂和地震活动等），探测裂缝中流体，圈定有利区和靶区.最近，基于地质、地球物理和地球化学联合的干热岩靶区优选方法在美国FORGE场地进行了成功应用，获取了有关地下应力、原生裂隙分布特征、储层渗透性、地温梯度、岩石物性参数等重要数据，准确圈定了目标干热岩储层（Joseph et al.， 2019， 2020； Simmons et al.， 2021）.综合来看，我国干热岩地热资源靶区优选、资源量精确评价等技术相对薄弱（李胜涛等，2018），现有指标体系和评价方法尚不完善，对干热岩资源靶区定位技术、资源量精准评价需进一步研究.

2.1.2　干热岩高效低成本钻井技术

干热岩埋藏深，岩体坚硬且温度高，钻进过程面临速度低、工具寿命短、井壁不稳定等难题，且钻进过程中充满不确定性，严重影响钻完井作业进度与成本（文冬光等，2022）.此外，需要克服硬质岩层与耐磨性地层的钻进、套管柱的热膨胀、泥浆漏失和高温等问题（张凯，2020）.最近，美国FORGE场地攻克了高温硬岩大斜度水平钻井，钻井层位干热岩温度接近200 ℃，表明国外已具备抗高温的随钻测控技术（定向钻井技术），为干热岩水平井分段压裂和大体积储层建造奠定了基础（Xing et al.， 2022a， 2022b）.此外，为了进一步提高干热岩钻井效率，目前国内外正在开始研究替代传统破岩机制的钻井技术，如气体钻井、激光钻井、化学钻井、液氮射流钻井、热机械联合钻井等（Wu et al.， 2019； Rossi et al.， 2020； Wang et al.， 2020）.青海共和干热岩科技攻坚战通过现场实践，研制耐高温钻具，采用井下动力复合钻进工艺、耐240 ℃高温环保型清水聚合物泥浆体系和泥浆强制冷系统，初步形成了“转盘+涡轮钻具+孕镶金刚石钻头”“转盘+旋冲钻具+强保径牙轮钻头”“转盘+液动冲击器+强保径牙轮钻头”和“转盘+螺杆+强保径牙轮钻头”的干热岩冲击回转复合钻进工艺体系，有效降低了干热岩高温硬岩钻探风险.相比国外钻井技术进展，我国高温条件下干热岩井眼轨迹控制技术（大斜度水平钻井）需要进一步研究完善，耐高温长寿命钻头、高效破岩工艺和工具需要继续攻关，高效低成本钻探技术装备需要进一步完善，进而提高钻速，缩短周期，降低钻井成本.

2.1.3　干热岩地热利用技术

根据工程需求对系统热力参数进行优化，确定蒸发器最佳出口温度，按照对热能“品位”使用原则，确定冷凝器出水温度，实现最大发电效率的同时开展地热梯级利用（Yari，2010； 黄璜等，2021）.目前，干热岩地热利用多采用有机朗肯循环（ORC）发电，利用低沸点的流体（如正丁皖、异丁烧、氯乙皖、氨和二氧化碳等）等作为循环工质进行发电（Mokhtari et al.， 2016）.有机朗肯循环发电设备相对成熟，国际上较知名的制造厂商包括美国Ormat、意大利Turboden等，但国内地热发电技术相对落后.此外，现有模式换热能力有限，“直井井群”“水平井”“丛式井组”等不同干热岩开发模式产能效果及影响因素尚不清楚（Xu et al.， 2018； 张杰和谢经轩，2021；康民强和朱启华，2022），无法有效增加过流面积、换热面积和改造体积利用率，这些潜在的影响干热岩高效开发的因素需要进一步研究.

2.2　关键核心技术

2.2.1　干热岩场地精细勘查与刻画

地球物理勘查是开展深部地热探测的主要手段（杨冶等，2019；张森琦等，2021；刘德民等，2022），透明化、三维可视化、定量化勘探目标是地球物理探测技术的发展趋势.地球物理方法适宜于查明各种断裂的方向和性质，圈定地下深部热储的位置，确定与地下热水有关的地质构造，调查火成岩体的分布、规模和性质，监测地下水和热储的水文地质变化特征及判断地下热水的分布与埋藏状况等.对于深部地热资源和相对复杂的地热系统，源、储、盖和通处于“黑箱”之中，拓展探究重、磁、电、震、测等多场源综合深部地热探测技术方法仍是国内外地热资源勘查技术领域的研究前沿（赵贵福等，2016；杨冶等，2019；Makoye et al.， 2022），构建深部地热地质结构“透明化”有效探测的地球物理勘查技术体系，以及深部热储温度预测与地质地球物理建模等关键技术需求迫切.

2.2.2　高效复杂裂隙网络储层建造技术

深部干热岩热储渗透率极低，使用适当的渗透率增强技术对在注入井和生产井之间实现有效的流体循环至关重要.目前，常用的是水力压裂、热开裂和化学刺激技术，其中水力压裂因快速、可控性良好而被广泛采用（Yuan et al.， 2020； 李根生等，2022）；即通过高压流体的注入，破坏高温岩体原有的地应力场，从而激活已有裂隙并产生新裂隙，增加岩体导流和热交换能力，改善注入井和生产井的连通性.化学激发技术也受到了广泛关注，该技术主要包括以一定的破裂压力把酸或碱溶液注入地层，以利用化学溶蚀作用达到溶解裂隙表面可溶性矿物（如方解石等）或井筒附近沉积物的效果（冯波等，2019；郭清海等，2020）.最近，美国FORGE场地开展了水平井分段压裂技术研发和现场测试（Xing et al.， 2022a， 2022b），期待有较好的干热岩储层缝网建造效果，该项技术的进一步突破很可能是未来实现干热岩规模化开发的关键，但是现有储层建造技术还难以获得工业规模且经济可持续的地热能开采系统.此外，基于实验室和模型研究的新型变频压裂技术、无水压裂技术等也被不断提出，并取得很好的实验室测试效果（Chen et al.， 2021a； Xie et al.， 2021； Hu et al.， 2022；唐旭海等，2022）.

2.2.3　高效微地震控制技术

水力压裂和注采循环过程存在诱发地震的风险，严重制约干热岩地热开发的规模化和产业化（Kim et al.， 2018；尹欣欣等，2021；解经宇等，2022）.在诱发地震减灾措施上，目前已尝试采用在开采前进行地震风险评估与生产许可（Wiemer et al.， 2017）、建立诱发地震监测台网（Kwiatek et al.， 2019）、采用实时风险管控技术系统等措施，如红绿灯系统（Baisch et al.， 2019； Ader et al.， 2020），发展了诱发地震前瞻性的统计预测和物理预测方法（Cloetingh et al.， 2010； Luginbuhl et al.， 2018）.对于缓解诱发地震灾害风险，国内外干热岩开发示范工程开展了面向限制地震发生的流体注入策略、及时对注采策略进行验证校准、持续性的地震活动监测和施加缓解措施等探索实践（Porter et al.， 2019； 尹欣欣等，2021）.例如芬兰赫尔辛基阿尔托大学（Aalto University）城市校区干热岩开发项目，当红绿灯系统出现橙色警告时，会采用减少流体注入量等调整注入参数等方式，有效避免了较大的诱发地震事件（Ader et al.， 2020）.需要注意的是，这些缓解诱发地震灾害风险的技术有效性仍有待更多的现场检验.

相比天然地震极高的预测难度，干热岩开发流体注入诱发地震活动的预测难度明显降低，这是由于地热储层的流体注入过程是可控的，也可更多地获取施工参数和井下物理化学状态（尹欣欣等，2021）.今后在高效微地震控制方面，需要深入分析干热岩水力裂缝起裂与扩展机理，通过三维地震、成像测井等高精度勘查手段精细刻画场地深部地质结构，建立多场耦合三维地质模型，实时评价诱发地震风险；建立高精度实时监测系统，实时获取诱发地震信息，指导水力压裂参数（泵注压力，排量，累积注水体积等）调整，采取压裂车缓停泵、扩大单元泵注规模、连续泵注、精准控制排量等工程措施，减缓诱发地震.此外，亟待建立干热岩开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系（尹欣欣等，2021）.

2.2.4　裂缝网络连通与储层表征技术

压裂过程中和结束后对裂隙发育/发展情况、空间分布、连通状况、裂隙密度、裂隙走向等要素进行识别、描述，估算储层激发体积和流体分布，是评价人工流体通道连通与热量交换空间大小的重要工作.确定干热岩储层裂隙结构最直接的方法为井下成像，即利用超声波成像、井中电视等技术获得井壁裂隙影像，统计分析裂隙张开度、发育方位的概率分布（Yuan et al.， 2020； Xing et al.， 2022c）.若钻孔数量较多，可通过地质统计学方法推测裂隙三维空间结构（Chugunova et al.， 2017）.受限于干热岩场地钻孔数量有限，通过地质统计学方法难以确定井筒外三维裂隙结构.由于干热岩储层建造过程中裂隙扩展产生微地震，因此可通过监测、反演震源点位可分析裂隙发育过程和规模（Chen andHuang， 2019； Rathnaweera et al.， 2020）.部分干热岩场地（澳大利亚Cooper basin）尝试基于电阻率测定的地球物理方法，确定储层裂隙内部结构（Dorn et al.， 2012）.该方法在浅层裂隙介质中应用效果较好，但随着储层埋藏深度增加，电法勘探精度下降明显，难以获得高信噪比信息以准确分析干热岩体裂隙结构.此外，压裂过程模拟通过重塑储层建造过程中流体-应力耦合作用，可生成裂隙网络（Follin et al.， 2014； Yuan et al.， 2020）.但在地质历史时期影响裂隙发育的区域地质条件复杂，受温度时空变化、岩层厚度不均匀性及地质时期多重应力的叠加影响，过程模拟通常只能描述高度概化条件下的裂隙发育过程，却无法完全重塑小尺度裂隙结构.可以看出，单一方法使用并不能很好满足干热岩储层裂缝网络表征.因此，基于测井、微地震监测、地应力观测结果，结合物理模拟和数值模拟计算，建立储层孔隙度和渗透率模型，实现高精度干热岩储层缝网成像，开发多数据融合裂隙网络精细刻画与表征方法需要进一步研究.结合青海共和现场干热岩示范工程经验，需要进一步优化交替注采、注酸溶蚀、成像定靶、精准射孔等工艺措施，攻克平面裂缝展布方向差异大、层段连通不均匀，压差高、流量低、温度扰动大的技术难题，以强化干热岩热储导流与换热效果.

2.3　前沿和颠覆性技术

2.3.1　井下液体爆炸造缝技术

通过将液体炸药挤入水力压裂主裂缝中并实施爆破，利用爆炸所产生的应力波冲击地层，以及高温高压的爆生气体快速膨胀载荷作用使地层产生微裂缝，沿地层主裂缝两壁周围产生和形成新的微裂缝网络，并沟通更多的天然裂缝，改变地层裂缝周围的岩石基质空隙，实现更大范围的微裂缝网络区，达到改善地层渗透性的目的.目前，井下爆炸造缝技术在国内外已成功应用于油气增产领域，且取得了较好的增产效果（丁雁生等，2001；吴晋军，2011；刘长印等，2014）.然而，将井下爆炸造缝技术应用于干热岩储层建造尚处于实验室探索阶段，理论模型、工艺设计及工程安全保障等方面仍不够完善，远不能进行现场工艺的真正指导（郭威等，2017；黄江北，2020；Jeong et al.， 2020）.进一步妥善解决井内爆炸安全问题，避免井筒损毁是今后干热岩爆炸造缝技术成功应用的关键，有助于解决干热岩水力压裂泵压过高、压不开或改造区域过小的问题.

2.3.2　井下原位高效换热发电技术

目前原位换热技术包括同轴单井换热、重力热管和水平井换热等，提高热电转换效率是目前原位换热技术的主要瓶颈（蒋方明等，2017；卜宪标等，2019；翟丽娟，2020）.通过不同压力、地层条件下裂缝水循环流动动力学过程与储层破碎带内的对流换热机理研究，突破干热岩井筒内循环换热介质流动方式的强制循环换热取热关键技术；研制兆瓦级热伏发电颠覆性技术与样机装备，实现最佳热电转换功率，构建可复制的干热岩原位高效采热与发电技术体系，从根源上解决干热岩水力压裂及规模化开发诱发的微震问题.

2.3.3　CO₂等不同工质换热发电技术

CO₂比水容易实现超临界状态，具有良好的流动性和热交换性，在透平中比水具有更高的热效率（Pruess，2006； Adams et al.， 2014；崔国栋等，2022）.根据室内实验数据，超临界CO₂会改变岩石-流体反应的系统，作为发电循环介质，持续改善储层渗透性的同时，实现部分地质封存，同时CO₂循环发电机组具有设备少、机组热惯性小等特点，可以实现快速升降负荷，对于调节电网负荷波动、平衡供给侧和需求侧、实现多能源互补具有重要意义.

2.4　技术水平评估

国际上干热岩地热能开发研究走在最前沿的是美国能源部2015年启动的“地热能研究前沿瞭望台”计划（FORGE计划），该计划致力于有关先进仪器开发、数据收集以及实时的数据分享等.其研究和开展的重点是加强对控制干热岩成功的关键机制的了解，特别是如何创造和维持地下深部岩体裂隙网络、如何实现工业规模且经济可持续的地热能开采系统、开发可复制的技术方法以减少工业投资风险并促进干热岩商业化、创新钻进和储层刺激技术、实现地球物理和地球化学信息的持续监测、发展动态储层模型以帮助场地管理团队预测和验证储层的性能等.目前，该项目已完成包括高温钻井工具、新型储层刺激改造和完井技术、裂缝网络的监测和管理、诱发地震的预测、应力管理和数值模拟等关键技术的研发工作.工程现场已完成大斜度水平井钻井，开展了水平井分段压裂技术现场测试，有望取得较好的干热岩储层缝网建造效果.

国内“十三·五”科技部启动了国家重点研发计划“干热岩能量获取及利用关键科学问题研究（2019—2023）”，目标是掌握干热岩裂缝网络形成机制与控制方法，揭示储层裂隙网络中多场耦合的能量传递与转换机理，突破干热岩能量评价、获取及利用关键技术，构建可复制的干热岩开发利用技术体系.中国地质调查局组建自然资源部地热与干热岩开发科技创新中心，在干热岩探测、深部高温钻探、储层高效建造等技术领域取得了长足进展，并组织实施了青海共和盆地干热岩试验性开发工程，成功实现干热岩试验性发电，为下一步干热岩规模化和产业化开发奠定了理论基础（张二勇，2022）.最近，我国干热岩研究领域首个国家自然科学基金重大项目“干热岩地热资源开采机理与方法”启动，聚焦干热岩地热资源开采中的钻井建井、压裂造储、流动取热等环节的重大问题和挑战，探索干热岩柔性压裂造储和高效开采综合调控方法，为我国干热岩地热高效开采提供理论和方法.蒋方明等（2017）研发了超长重力热管，在河北唐山马头营一口地热深井内完成安装并开展了长达4个月的采热试验，在世界范围首次实现中深层地热资源“只取热、不取水”的“无泵式”开采，取得了中深层地热开发技术重大突破，为地热资源利用开辟了新模式、新路径.

综合以上分析，对比了国内外干热岩开发相关技术发展差距（表1）.整体来看，我国干热岩地热开发研究与国际相比，在多个单项技术开发方面不断缩短与国际水平的差距，理论和实验室研究已经处于国际并跑阶段，干热岩地热示范工程建设逐渐从跟跑转向并跑阶段.

3 干热岩地热能开发战略与政策评估

3.1　人才培养及科研机构

目前干热岩地热资源开发利用正处于试验研究阶段，集中于美国、法国、德国等发达国家.截至目前，国际上累计建设EGS示范工程60余项（尹欣欣等，2021；李根生等，2022）.通过不断的工程实践，国外已培养了大批干热岩地热研究的专业人才和科研团队.国内干热岩研究起步于2012年，经过10年的不断探索，近些年涌现出一大批专业人才和技术团队，先后建成与干热岩地热能勘查开发领域有关的实验室共计14家（表2），其中3个国家重点实验室和11个省部级重点实验室.吉林大学研究团队，联合清华大学、天津大学、中科院广州能源所承担完成了首个干热岩领域国家“863”项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”，填补了我国干热岩开发利用研究的空白（许天福等，2012，2016），并于2019年继续联合11家来自高等院校、中国科学院、中国地调局、中国石化及国家电网等干热岩研究领域优势单位继续承担科技部重点研发计划“干热岩能量获取及利用关键科学问题研究”，有望完成试验性开发与示范（Chen et al.， 2021b； Xie et al.， 2021； Xu et al.， 2021），实现国际并跑，为最终领跑奠定基础.

3.2　发展策略与规划

美国能源部计划通过技术革新，在2030年使增强型地热系统平准化能源成本降低至6 美分/kWh.2021年美国能源部发布的地热能市场分析报告中明确指出：在现行地热能勘探和开发技术支撑下，美国地热发电量年增长率将维持在2%以下，到2050年地热发电量约为6 GWe；若能形成持续、稳定、经济的增强型地热系统技术体系，2050年有望将地热发电量提升至60 GWe.欧盟战略能源计划署（SET-Plan 2016）声明：通过勘探技术、钻井技术、储层改造技术、地热能高效利用技术变革，到2025年，地热发电成本降至10 欧分/kWh、供热成本降至5 欧分/kWh；到2050年，勘探和钻井成本降低至2015年水平的50%，地热利用效率提升20%.

我国能源局等部门发布的《中国地热能发展报告（2018）》特别指出：干热岩型地热能是未来地热能发展的重要领域，急需建设青海共和干热岩型地热能勘查和试验性开发工程.2021年中国国家发展改革委、国家能源局、财政部等八部委联合发布“关于促进地热能开发利用若干意见”.意见指出：在坚持统一规划、因地制宜、有序开发、清洁高效、节水环保、鼓励创新原则下，到2025年，各地基本建立起完善规范的地热能开发利用管理流程和全国地热能开发利用信息统计和监测体系.根据资源情况和市场需求，在京津冀、山西、山东、陕西、河南、青海、黑龙江、吉林、辽宁等区域稳妥推进中深层地热能供暖；在西藏、川西、滇西等高温地热资源丰富地区组织建设中高温地热能发电工程，鼓励有条件的地方建设中低温和干热岩地热能发电工程.

对比可以看出，中国地热能发展战略和规划方面以社会需求为导向，通过政治支持和财政支持、全民参与等方式，促进地热能开发利用量的提升；欧美等国以降低地热开发成本为导向，通过企业与科研院校合作，促进技术革新，提升地热利用效率.

3.3　科技计划与研发布局

欧美等发达国家通过政府引导开展了关键技术研发和大量工程实践，在干热岩地热资源勘查开发相关理论研究、技术装备研发、试开采验证等方面进行了大量科研投入，皆在推动干热岩地热资源的商业化开发，已形成接近完备的干热岩开发技术体系（Fridleifsson et al.， 2016）.表3总结了近5年中国和欧美等国干热岩地热相关科技研发计划项目对比情况，可以看出，我国在干热岩地热方向的科技计划与研发布局近年来有所增加，不断缩小与欧美发达国家研发投入的差距，有望在干热岩地热资源高效开发利用方面取得新的突破.

3.4　财政税收与政策支持

美国2016年清洁能源税率为30%，2021年税率降低至26%，并计划于2023年降低至22%，通过税率削减，鼓励包括地热能在内的清洁能源发展.欧盟国家清洁能源征收税率一直处于低位，为12%~15%，随着最新全球气候协议《格拉斯哥气候公约》的达成，欧盟国家进一步强化清洁能源财政激励政策.2021年德国将地热等清洁能源发电税费由6.5 美分/kWh降低至3.7 美分/kWh；法国通过税收法案，以每吨CO₂排放44欧元的税费标准征收碳税，间接刺激地热能等非碳基能源发展.

2020年9月1日起施行的《中华人民共和国资源税法》明确将地热列为能源矿产，要求“按原矿1%~20%或每立方米1~30 元”的税率征税.然而，地热能与太阳能、风能一样同属清洁可再生能源，但目前没有财政税收补贴和优惠政策.显热这些政策不利于我国中深层（含干热岩）地热能的规模化开发利用，期望有关部门尽快针对地热能开发利用制定相应的财政税收补贴和优惠政策，为实现“双碳”远景目标做出最大贡献.

4 结论与建议

欧美等发达国家通过政府引导开展了关键技术研发和大量工程实践，皆在推动干热岩地热资源的商业化开发，目前已形成较完备的干热岩开发技术体系.美国FORGE计划的实施，有望填补EGS现今面临的重要科学认识空白，突破限制EGS产业化开发的挑战性技术，最终形成可复制、具有商业推广潜力的干热岩地热工程开发模式.然而，我国干热岩开发起步较晚，在技术水平、工程实践和研发资金投入等方面均较为滞后，前沿技术、知识产权方面受到一定制约，特别是大体积水力压裂（如水平井分段压裂）等储层建造与控制技术尚不成熟，干热岩开发示范工程建设相对落后，迫切需要紧跟国际前沿开展相关研究和更多的示范.除技术突破外，我国今后在中深层地热开发方面同时应注意以下问题.

4.1　电热并举：西部发电，三北供暖

中国西部因青藏高原特殊的地质条件，地热温度高，很多地方4 000 m深度以浅可获得200 ℃的干热岩体.如青海共和盆地，距西宁两小时车程交通便利，电网条件也非常好；这个地方是清洁能源走廊，有黄河龙羊峡水电站，有风电、有太阳能光伏和光热发电.如共和盆地实现规模化干热岩开发，将对水-风-光发电形成良性互补.风能和太阳能受气候条件和昼夜交替影响，水力发电也受季节的影响.干热岩地热能发电灵活随时可启用，对电网可以起到调峰的作用，所以在经济计算上干热岩的发电的价格要高、可以按调峰电价考虑.

华北平原如河北马头营，180 ℃的干热岩体要到5 000多 m的深度才可以获得（张保建等，2020；张云等，2022），钻探和压裂的成本高，发电效益低甚至是没有效益的.开发干热岩可为居民区供暖、工厂或生态农业所用，可减少化石燃料的使用，有效的解决大气污染和雾霾问题.我国的东北和西北也是一样，中低温沉积盆地底部干热岩经过储层改造，进行供暖是一个很好的化石燃料替代选项.此外，我国三北（华北、东北和西北）地区的冬季供暖是一个几万亿的产业，中低温干热岩供暖具有巨大的经济和环境效益.

4.2　产-学-研结合发展模式

中深层地热能开发是一个技术密集型系统，对其工程开发需要先从机理分析和可行性上着手.然而，由于地下深部储层工况的复杂性和地面设备的不稳定性，机理研究往往与实际应用脱节，因此需与先导试验项目密切结合、互相指导，开展产-学-研结合发展模式，在不断往复中提高认知、突破关键技术，提升中深层地热能的经济开发和应用价值，加快我国能源结构调整和转型，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，为我国实现“双碳”目标助力.

4.3　国家增加研发和示范经费投入

世界范围内，干热岩开发的EGS仍处于初级阶段，工程研发周期长投资风险大，政府支持关键技术开发及集成示范研究，是最终实现干热岩资源可持续商业化开发的必经之路.在吸取国外干热岩示范场地建设经验的基础上，结合我国实际场地和技术条件，设立更多国家级研发项目，尽快建设更多干热岩开发利用工程示范基地，如西部高温干热花岗岩和三北中低温沉积盆地底部碳酸盐岩和火山岩地热供暖示范基地等.

干热岩地热能开发利用并不是轻而易举就可以实现的，要稳扎稳打.地热能与水力能、太阳能、风能、核能一样是非碳基能源，对我国实现碳中和目标具有重要意义.因此，在干热岩资源开发利用研究过程中不可急于求成，要踏踏实实做好关键科学问题与技术问题的攻关.一旦瓶颈问题得以解决，可以预见，干热岩地热资源的开发将为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42372283;42130303)