地热资源勘探开发技术与发展方向

Geothermal resources exploration and development technology: Current status and development directions

摘要

地热资源是重要的非碳基可再生能源,具有本土能源、稳定可靠、绿色低碳等优势。21世纪以来,我国地热直接利用规模稳居世界首位,特别是中深层地热供暖利用快速增长,成为我国在世界地热产业中的鲜明特色。但与此同时,受限于我国绝大部分地区处于板块内部,东部用能旺盛区尚没有规模中高温地热资源发现,我国地热发电产业发展缓慢。基于对我国地热资源分布特征和开发利用情况的分析,总结归纳了我国中深层地热勘探开发利用技术现状,包括地热系统形成机制、选区评价技术、热储描述技术、可持续开发技术及“取热不耗水”关键工程技术等。地热能若要在能源转型中发挥更重要作用,未来需要向品位更高、应用范围更广的深层地热资源进军。建议持续加强基础理论研究和原始技术创新,尽快摸清我国深层地热资源家底,攻关高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热和干热岩EGS工程等关键技术,推进“地热+”多能协同,加大示范项目建设和应用市场培育。同时,需要建立健全政策法规制度体系,加大政策支持和管理监督力度,为地热产业健康、规范、可持续发展营造良好的环境。

关键词

地热能 / 地热产业 / 直接利用 / 勘探开发技术 / 发展方向 / 碳中和

Key words

geothermal energy / geothermal industry / direct utilization / exploration and development techniques / development direction / carbon neutrality

0 引言

地热资源指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分。根据温度可分为高温(≥150 ℃)、中温(90~150 ℃)和低温地热资源(<90 ℃)^[1];根据埋藏深度和赋存状态的不同,通常将其分为浅层(200 m以浅)、中深层(200~3 000 m)和深层(3 000 m以深)地热资源^[2],中深层和深层地热资源又包含了水热型及干热岩型地热资源。地热能是地热资源中的重要组成部分,作为地球的本土能源,赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中^[3],具有储量巨大、分布广泛和稳定可靠的特点。地热能具有发电、供暖(制冷)、温泉疗养和工业利用等众多用途,作为五大非碳基可再生能源之一,在应对全球能源转型和减少温室气体排放方面具有重要意义。据《中国地热能发展报告(2018)》^[4],世界地热能基础资源总量为1.25×10²⁷ J,其中埋深在5 000 m以浅的地热能基础资源量为1.45×10²⁶ J,折合4.95×10⁷亿吨标准煤;可开发利用潜力主要分布在亚洲、北美洲和南美洲,在全球占比超过70%^[5]。

随着全球范围绿色低碳转型进程的加速,可再生能源开发技术不断突破和规模应用,地热产业发展同步进入“快车道”。2021年我国非化石能源占一次能源消费比重为16.6%,国务院《2030年前碳达峰行动方案》中提出到2030年非化石能源消费比重达到25%左右,为此我国已将地热能开发纳入实现碳达峰碳中和目标的战略行动中。2021年,国家发改委等八部门印发《关于促进地热能开发利用的若干意见》,提出“到2025年,地热能供暖(制冷)面积比2020年增加50%,全国地热能发电装机容量比2020年翻一番;到2035年,地热能供暖(制冷)面积及地热能发电装机容量力争比2025年翻一番”的目标。2022年1月,习近平总书记在十九届中共中央政治局第三十六次集体学习时指出,要加快发展有规模有效益的风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等新能源。同年6月,国家发改委、能源局等九部委联合发布的《可再生能源发展“十四五”规划》中提出“积极推进地热能规模化开发”,涉及中深层地热能供暖制冷、浅层地热能开发和地热能发电等方面。

中国已成为世界第一大地热能直接利用国家,浅层和中深层地热的直接利用规模均居世界首位。2023年世界地热大会公布的数据显示,中国地热直接利用装机规模在全球占比达57.8%,利用热量占世界总量的56.1%^[6]。通过理论创新和技术突破,我国地热能实现了工程规模化应用^[7],特别是中深层水热型地热资源供暖利用规模持续扩大,在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用。在干热岩及增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,缩写为EGS)开发方面,在青海共和、琼北和河北唐山马头营等地开展了钻探、热储改造及试验性发电相关工作。地热发电方面虽然现阶段发展较缓,但因其可以作为稳定基础载荷和调峰载荷的双重作用,有望在未来以新能源为主体的新型电力系统中发挥更大作用。总之,实现地热资源科学、高效、可持续开发,对保障国家能源安全、加快构建清洁低碳安全高效的能源体系具有重要的战略意义和现实意义。

1 中国地热资源及开发利用现状

1.1 地热资源分布

全球地热资源分布受大地构造环境控制而具有明显的规律性,高温地热资源集中分布在构造活动强烈的板块边缘区域,与全球主要的火山-地震活动带存在高度对应关系,形成了环太平洋地热带、大西洋中脊地热带、红海—亚丁湾—东非裂谷地热带、地中海—喜马拉雅地热带等4个高温地热带^[8-9]。我国仅青藏高原及周边地区处于地中海—喜马拉雅高温地热带,台湾地区处于环太平洋高温地热带,高温地热系统主要分布于这两个地区;其余地区均位于欧亚板块内部,总体属于非岩浆型,少见火山或岩浆热源,在地壳浅部观测到接近或稍高于地壳平均热流值,地温梯度正常或略偏高,为区域地热正常区^[10],以规模相对较小的局部热异常为主,广泛发育中-低温水热系统,高温地热资源多呈点状分布。

受构造背景、岩浆活动、水文地质条件、地层发育等因素的综合影响,中国地热资源分布广泛,但分布具有明显的规律性和地带性^[11-12]。按类型划分,浅层地热资源广泛分布,336个地级以上城市浅层地热能资源年可采量折合7亿吨标准煤,其中31个省会城市80%的土地面积适宜利用浅层地热能^[11,13];水热型地热资源总量约折合1.25万亿吨标准煤,年可采资源量约折合19亿吨标准煤^[12],其中沉积盆地型地热资源约折合1.06亿吨标准煤^[14],主要分布在我国中东部地区的渤海湾盆地、松辽盆地、南华北盆地、关中盆地等中新生代断陷型沉积盆地中,是我国地热资源开发的重点领域;陆域3~10 km埋深的干热岩地热资源潜力超过856万亿吨标准煤^[15],西藏南部、云南西部、东南沿海、华北(渤海湾盆地)、汾渭地堑、东北(松辽盆地)等地区为有利靶区^[16]。

从我国地热资源分布与用能需求的匹配来看,在高温水热型地热资源集中分布在青藏高原及周边地区,水能、太阳能、风能等其他可再生能源丰富,同时人口和工业规模较小,对地热能开发的需求不旺盛,在一定程度限制了我国地热发电的发展。中低温水热型地热资源广泛分布于中东部地区,该区域集中了我国超过90%的人口,用能需求旺盛。目前,中东部地区发现的规模优质地热资源以适宜供暖的中低温水热型地热资源为主,随着近年来我国大力推进北方冬季清洁取暖,地热能供暖产业发展迅猛。

1.2 开发利用历程及现状

中国是世界上开发利用地热资源最早的国家之一,温泉利用可追溯至先秦时期。20世纪70年代以来开始将其作为能源进行开发利用,最初借鉴国外经验重点探索地热发电技术,使我国成了世界第八个采用地热发电的国家^[17],仅在70年代全国就建成了7处中低温地热发电站,但后期没有形成持续的产业投入。同期,全国陆续勘探发现了近300处地热田,地热能直接利用开始起步,为中国地热产业奠定了良好基础。20世纪末开始,基于我国地热资源禀赋和国情实际,地热直接利用产业逐渐形成,供暖利用得到快速发展。21世纪以来,中国地热产业进入快速发展期,根据历次世界地热大会的统计数据,中国地热直接利用规模自2004年以来一直稳居世界第一,且所占份额不断增加(图1)。特别是在强烈的清洁供暖需求导向下,逐渐形成了以供暖(制冷)为主的发展路径,成了国际地热产业发展的新样板。

截至2022年底,我国地热直接利用折合装机容量100 219.8 MW^[18]。其中中深层水热型地热供暖利用折合装机容量50 030 MW,占比49.94%,成为最主要的利用方式;浅层地热供暖(制冷)折合装机容量42 320 MW,占比42.24%(图2)。年利用热量达828 882 TJ^[18],相当于替代标准煤2 832万吨,减排二氧化碳7 052万吨,占我国一次能源消费比重达5‰,地热能利用在能源结构转型、绿色低碳发展中的作用日益凸显。

截至2022年底,我国浅层地热供暖(制冷)能力累计达到8.1亿m²,已基本形成完善的技术体系,进入规模化应用阶段,主要利用区域分布在中国东部平原地区,以环渤海地区发展最好,其次为长江中下游平原。中深层地热供暖面积累计达到5.82亿m²,其中70%以上份额集中在河北、河南、山东、天津、陕西、山西等省(市),在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用。

2 地热资源勘探开发技术

2.1 技术现状

近年来,我国地热产业快速发展,地热勘探开发技术不断成熟,在地热地质、选区评价、可持续开发、工程配套等理论和技术方面取得很大进步,初步形成了中深层水热型地热资源勘探开发技术系列。

2.1.1 地热勘探理论

与常规油气的圈闭成藏不同,地热资源广泛分布、不受圈闭控制,但具有局部富集的特征。其富集需要有利的热源、热储和盖层配置。对于水热型地热资源,还要具备水源和地热水运移通道。地热系统以热源为中心,包含热生成-运移聚集-保持所需要的地质要素和地质作用^[19-20],寻找热量聚集的“甜点”是地热资源勘探的重点。

(1)热源是优质地热资源形成的核心要素,热源和热聚敛模式控制区域温度场分布。地壳减薄及软流圈上涌、熔融体或岩浆的侵入作用、构造活动的差异性对岩浆活动的影响、区域性深大断裂的导热作用等是主要影响因素^[20]。

(2)热储要具有良好的导水导热能力和储水空间。盆地尺度的地下水循环通过热对流控制热量聚集,地热水优先向高渗透率部位流动。岩层的导热能力通过热传导控制热量聚集,热量优先向高热导率的热储聚集^[21-22]。深大断裂、区域断裂及热储内部储集空间的发育,能够形成良好的水热对流能力,更好将深部储层的热量带至浅部。

(3)有效盖层是减少热散失和热量保存的必要条件。低热导率岩层作为有效盖层,砂岩热导率明显低于碳酸盐岩,储盖热导率差别越大,隆起顶部聚热效果越明显,因此具有一定厚度盖层的“洼中隆”部位,更有利于地热资源富集^[23]。良好的保存条件与热储条件相配合,确保了优质地热资源形成(图3)。

基于地热系统成因机制的认识,形成了适应于我国东部沉积盆地地热资源禀赋的“上山(潜山)”找水的勘探思路,聚焦隆起、凸起区寻找优质碳酸盐岩地热资源,在渤海湾盆地、南华北盆地、鲁西隆起、太原盆地等地区,以蓟县系雾迷山组和寒武—奥陶系碳酸盐岩热储为最主要勘探目标。这类碳酸盐岩热储埋藏较浅、裂缝发育程度高,通常有深大断裂沟通深部热源,储水导水条件好、易于回灌。

以牛驼镇凸起为例,其盖层平均地温梯度和热储温度均高于两侧凹陷地层(图3)。区域热源以裂谷盆地型幔源热为主导,热储以蓟县系雾迷山组碳酸盐岩地层为主,发育了对流-传导型复合式地热系统^[24]。基岩热储中的断裂体系构成了地热水从深部向上运移的导水导热通道,岩溶-裂隙则是地热水侧向运移的主要通道和储集空间^[25]。以这套成因模式为指导,已经成功勘探开发了沧县隆起上的献县、鲁西隆起上的范县等优质碳酸盐岩地热资源。

2.1.2 地热资源选区评价技术

针对评价区的资源规模、热储埋深、热储温度、资源开采条件等方面的综合评价,形成了盆地级→区带级→靶区级不同尺度的目标优选原则。瞄准我国东部地区渤海湾盆地、南华北盆地、汾渭地堑等断陷盆地,优先聚焦盆内坳陷、凹陷间的隆起和褶皱、凸起区碳酸盐岩地热资源,兼顾坳陷、凹陷内砂岩地热资源,从埋深、断裂条件、储层发育、富水性、非均质性等方面评价优选。建立了包含储层类型、深度、温度、流量、压力等多参数的评价标准,在我国大华北地区的渤海湾盆地、南华北盆地、汾渭地堑等地热富集盆地开展全面评价,优选出了容城、太原、开封和兰考等资源潜力区,为地热资源有效勘探和高效开发指明了方向。

2.1.3 热储描述技术

重点针对碳酸盐岩非均质性热储,综合应用地质、钻井、地震和重磁电等资料开展点、线、面三维热储精细描述和地质评价。一方面采取“地震+非震”的手段,优选大地电磁法等地球物理方法,结合临近油田区域局部三维地震资料综合分析,以达到探测地下地质结构、描述热储特征、发现低阻水层等勘探目的。另一方面应用野外露头观测、成像测井解释、岩心裂缝观察、动态模拟分析等手段,明确岩溶热储发育规律。通过岩石力学、有限元计算、随机模拟等方法,建立基质属性模型、裂缝强度模型、热储温度模型等耦合的岩溶热储模型,明晰不同区域资源禀赋差异,在此基础上进行采灌均衡条件下的地热资源评价,指导地热项目产能建设(图4)。

2.1.4 地热可持续开发技术

地热开发具有周期性(供暖季、非供暖季)、大流量(单井注采量通常大于2 000 m³/d)、以灌定采的特点,特别是地热资源开发过程中存在持续的流体和热量补给,与油气资源开发差异巨大。要保证开采量与补给量的精准匹配、动态平衡,实现可持续的稳定高效开发,需要考虑地热田边界、水的渗流规律及水-岩、岩-岩等多种传热过程之间的关系。

基于热储传热机理研究,特别针对碳酸盐岩热储缝洞的发育特征和渗流特征,建立了碳酸盐岩热储基质+缝洞系统的传热机理分析模型;充分考虑温度场多种热量边界、渗流场不同补径排条件等相互作用过程,建立了温度场与渗流场、应力场等多物理场耦合的传热描述方法,定量表征岩溶热储内部的复杂流动传热过程。基于裂缝渗透率和换热系数的动态变化模型,可以实现岩溶热储长期回灌能力和采热潜力的预测。通过数值模拟方法论证开放边界有无热补偿情况下的热储地温场变化规律,要求满足生产需要的同时在预测周期(50年)内不会发生热突破的现象,指导优化确定合理的采灌井井网、井距、回灌能力及回灌温度等开发技术参数。以雄安新区容东安置区为例,研究确定在垂直裂缝主方位方向上布井,采灌井距不小于500 m,采灌量不大于110 m³/h,回灌温度不低于20 ℃,生产过程中不考虑采灌井别互换,以此保障地热资源长期可持续开发利用。

2.1.5 “取热不耗水”工程技术

“取热不耗水”技术是目前中深层水热型地热供暖最成熟的技术方法,热源侧地热水和用户侧循环水为两套独立循环系统,通过间接换热提取地热水中的热量,热交换后的地热水完全同层回灌,整个系统闭式循环,保障可持续开发。其中关键技术环节包括:

(1)丛式井井网部署。城市地面空间受限,地热钻井井场有效面积一般约为油气井场的25%~50%。同时为避免回灌造成的热突破风险,要求采灌井间距一般不低于500 m。为确保实施满足用能需求的钻井数量,丛式井成为地热井钻探的主要部署方式。以中国石化在河北大名龙景湾地热项目为例,通过丛式井集中部署,仅利用3.3亩的井场部署6口地热井,满足32.7万m²供暖面积需求,节约井场土地16.5亩,节约地面管网投入2 000 m。

(2)开采井防砂完井。防砂完井技术重点针对砂岩热储层,要保障大排量采水条件下地层不出砂、不垮塌、稳定性强。一是基于砂岩热储层伤害机理,研发使用低固相聚合物钻井液体系以及非酸性氧化型泥饼清洗工作液,在钻井过程中保护热储层。二是优选开采层段,以单层厚度大、储层物性好的砾岩、砂砾岩、粗砂岩至中砂岩为开采目的层。三是配套完井工艺,疏松砂岩采用管外砾石充填完井,半固结砂岩采用裸眼悬挂滤水管完井。

(3)地面水质处理。地面水质处理技术要求系统密闭隔氧运行,保障地热水腐蚀结垢轻,颗粒机杂少,清洁度高。根据不同区域地热水质特征,形成气液分离-电磁除垢-两级水质过滤的工艺系统,达到排气、减缓腐蚀结垢速率、过滤悬浮物的目的,过滤后残存颗粒机杂小于2 μm,高于油田注水井Ⅰ级水质不大于3.5 μm的要求。

(4)回灌井防堵解堵。为满足回灌水过流通道畅通的要求,形成了大孔径射孔、包网缠丝等完井工艺,降低大液量回灌对储层冲蚀造成的堵塞风险。根据储层堵塞情况,形成了定期回扬、气举洗井、水力喷射等一系列解堵措施,保障自然回灌,砂岩地热井平均回灌量保持在80 m³/h以上,回灌井口压力0~0.3 MPa,效果显著。

2.2 应用成效

近年来,我国产学研界不断加强科研投入,提高地热勘探开发技术水平,探索地热高效利用方式,推动中国地热产业的快速发展。中国石化通过理论技术创新和规模推广应用,发展成为中国最大的中深层地热利用企业,累计建成中深层地热供暖能力超过8 500万m²,预计2023年底地热供暖能力将突破1亿m²。建立了全城地热供暖的“雄县模式”,替代了县城100余座燃煤供热锅炉,打造了我国第一座地热清洁供暖无烟示范城。雄安新区成为中国地热能利用的全球样板,已建成供暖能力超1 000万m²。2021年7月雄安地热项目列入国际可再生能源机构全球推广项目名录。以雄安新区地热高质量开发利用为支点,京津冀地区中深层地热供暖能力已超过2亿m²。其中中国石化在京津冀地区供暖能力约4 500万m²,并通过示范推广在全国建成了河北容城、陕西武功、河南清丰等10座地热供暖“无烟城”。

2.3 面临的挑战

在我国地热产业取得长足发展的同时,受限于资源条件和技术水平,中深层地热资源开发规模的进一步扩大,以及潜力更大的深层地热资源的有效动用仍面临以下三点挑战。

2.3.1 地质条件复杂

中国及邻区是全球显生宙地质结构和发展历史最复杂的地区^[26]。相比于北美以加拿大地盾为中心,大陆逐渐向外围增生,主体在晚前寒武纪之前已经形成;我国则受到前后相继的古亚洲洋、特提斯、太平洋三大全球性动力体系的作用^[27-28],主要板块至印支期至晚侏罗世—早白垩世才完成拼合^[29]。漫长的地质演化历史以及周缘与多个板块的长期相互作用,使得我国内部既有稳定克拉通,也有破坏的克拉通、复杂的造山带和不同程度的火山活动等,不同区域深部动力学过程不同,多阶段的地球动力体系叠加、复合,盆地类型多样、结构复杂(图5^[30])。

2.3.2 资源富集机理不清

地热资源分布受深部动力学背景和构造活动控制明显,复杂的大地构造背景和演化历程导致我国地热系统类型多、成因复杂^[19],资源条件差异大、非均质性强。我国大部分地区远离板块边缘,大地热流值较低,新生代岩浆活动较弱,板缘高温地热资源富集理论不适用,不同类型地热系统构成要素形成机制及主控因素不清、干热岩高品质资源分布规律不明,资源预测缺乏成熟理论指导,增加了地热资源勘探开发难度。

2.3.3 工程技术不适应

我国人口密集、用能旺盛的中东部地区板内高温地热资源埋深大、工程地质条件复杂、勘探开发工程技术难度大。对比中国、美国不同深度地层温度可知,我国大陆中东部地区地层温度普遍低于美国中西部地区^[16,31]。以5 500 m深度为例,美国西部大部分地区温度均超过175 ℃,而我国普遍在75~150 ℃,要获取高温地热资源需要的钻探深度更大。深层热储尤其是干热岩具有高温、高硬度、高应力、高致密的“四高”特征^[32],热储高效换热裂缝网络创建及井下取热等关键技术是世界性难题,我国尚在探索阶段。

3 国外地热资源开发技术研发的启示

3.1 技术研发举措

世界各国普遍将地热资源视为重要的接替资源,高度重视其开发利用,并将包括干热岩资源在内的深层地热资源开发作为重点方向,持续加大研发和应用投入。目前,欧美等发达国家已通过大量地热领域国家专项计划和现场试验工程,初步预测了深层热储发育规律,研发了钻探提速技术和微地震、光纤、高温示踪剂等联合监测技术;探索了非常规油气压裂技术在干热岩对井中的应用和改进,但尚未取得商业化突破。

美国于1972年开始在新墨西哥州芬顿山进行深层干热岩钻探、现场注采及微地震监测试验。在地热资源有利区优选及增强型地热系统专项研究的基础上,美国能源部于2014年以来启动了地热能前沿瞭望台计划(Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy,缩写为FORGE)和增强型地热系统联合实验室(EGS Collab)项目,累计投入超过5亿美元并将继续滚动支持。FORGE等系列计划旨在解决干热岩资源开发中的钻探、压裂、长期开发等方面存在的技术瓶颈问题,形成经济有效的热储改造和监测技术,保证干热岩资源长期开发;EGS Collab项目以美国南达科他州的桑福德地下研究设施为实验场地,旨在提升对干热岩热储压裂效果认识、验证热-流-固-化(THMC)耦合模拟方法以及新型监测工具。得益于关键技术研发和大规模应用,美国目前是全球地热发电利用第一大国和直接利用第二大国。2019年美国能源部发布的《地热愿景:驾驭我们脚下的热能》^[33]报告,提出2050年美国地热发电规模较当前扩大20倍,发电量将占美国总发电量8.5%。

欧洲是地热能工业化利用的起源地,并一直是地热开发领域的先驱,冰岛、意大利、德国和法国等国都拥有丰富的资源和成熟的产业。冰岛自2000年启动了深部钻探工程(Iceland Deep Drilling Project,缩写为IDDP),进行超临界地热资源的钻探并验证其提高地热田发电能力的经济性。该计划2016年在冰岛雷克雅未克实施的IDDP-2井深4 659 m,已证实钻遇了温度427 ℃、压力34 MPa的超临界地热流体^[34],若能成功开发有望将单井的发电能力提升10倍。欧盟2013年以来启动了欧洲深层地热技术与创新平台计划(European Technology & Innovation Platform on Deep Geothermal,缩写为ETIP-DG,2023年更名为ETIP-Geothermal),并在“地平线”(Horizon)计划中持续资助了一批地热专项基金,规划2020—2030年总预算超18亿欧元。ETIP-DG及ETIP-Geothermal等系列计划旨在提升深层地热资源开发利用效率、降低开发利用成本、增加开发利用深度、延长系统使用寿命、增强地热与电力系统耦合协同等。2019年ETIP-DG发布《深层地热能实施路线图》^[35],提出2050年深层地热能可满足欧洲电力需求的50%和供热需求的80%,有望改写欧盟现有电力供应结构。

在美欧地热技术研发中,高水平的国家级科研力量发挥了重要作用。美国桑迪亚、爱达荷等国家实验室均参与了FORGE项目;EGS Collab项目中,美国能源部下属17家国家实验室中的9家均开展了相关工作(劳伦斯伯克利、桑迪亚、劳伦斯利弗莫尔、西北太平洋、爱达荷、洛斯阿拉莫斯、橡树岭、国家可再生能源实验室和国家能源技术实验室)。欧洲研发机构包括了德国亥姆霍兹联合会、法国国家科学研究中心、冰岛地质调查局等高水平团队。美欧等国还联合开展了多项地热研发计划或项目,如冰岛深部钻探工程(IDDP)由冰岛、美国和国际科学团队合作实施,苏茨干热岩EGS工程和生产试验项目由法国、德国、英国三国共同开展。

各国在地热领域给予政策和资金的支持,为地热能的发展提供了重要保障。美国、土耳其、墨西哥、印度尼西亚、肯尼亚等一批国家已出台支持地热能相关法案或补贴政策。肯尼亚1982年就通过了《地热资源法》,为地热投资、选址和许可建立了正式的法律框架,2010—2020年间,肯尼亚地热发电装机规模由202 MW迅速增加至1 193 MW,跃居世界第五位。土耳其在2005—2007年颁布了《地热矿产资源法》《可再生能源电力生产法》,给予地热能发电电价补贴,刺激地热发电装机规模从2005年的20 MW增加至目前的1 717 MW。良好的政策引领增强了地热企业勘探开发的积极性,并通过国家主导的技术攻关提供支撑,共同带动地热产业的快速发展。

3.2 借鉴和启示

技术创新是地热资源高效勘探开发和地热产业高质量发展的必经之路。欧美在地热领域长期持续大量投入,在资源勘探、热储模拟、干热岩热储改造与监测等方面关键技术的研发成果和经验值得借鉴。但我国地热资源地质背景复杂,板内优质资源富集机理不清,埋藏深度大、工程地质条件复杂、开发技术难度更大,欧美的地热勘探开发理论技术不完全适用。中国地热资源的勘探和规模开发还有较长的路要走,首先要认清基础地热地质特点,明确优质资源的富集机理;要在开发关键核心技术和装备上取得突破,实现技术创新,克服深层地热资源勘探开发的难点瓶颈;要将基础研究、技术创新、孵化应用、管理创新相结合,形成产研互促、良性循环的科技攻关模式,有效降本提效;要加强地热领域研究顶层设计,统筹相关高校、科研单位和企业科研力量,形成跨部门、跨领域的产学研创新联合体,建设高层次研发平台和创新团队。

4 地热勘探开发技术发展方向

2022年,国家发改委等九部门发布《可再生能源发展“十四五”规划》,提出到2025年,地热能供暖等非电利用规模达到6 000万吨标准煤以上。地热产业规模将持续快速扩大,向资源品质更高、应用范围更广的深层地热资源领域进军是必然趋势。深层地热资源理论研究、开发利用技术等属国际学术技术前沿,我国研究起步较晚,但近五年设立的地热领域国家重点研发计划项目中大部分瞄准深层地热或干热岩领域,已经奠定了一定研究基础。但与国际上代表性的深层地热前沿技术相比(表1),我国在地热地质、地球物理和地球化学领域处于并跑阶段;在干热岩压裂及开采等方面处于跟跑阶段,仅在青海共和等地初步开展了干热岩勘查试采,资源利用尚无规模开发实践。

为切实推进我国地热能产业快速发展,还需要加强以下方面的研究:

(1)加强基础理论研究,摸清中国地热能资源家底。加强地热资源富集机理与分布规律研究,开展全国地热能资源调查评价。以华北、松辽、江汉、鄂尔多斯、苏北等盆地(平原)为重点,尽快查明水热型地热田的地质条件、热储特征、地热资源潜力,评价可采资源潜力,为合理开发利用提供依据。加快深部地热能资源探测和开发技术攻关,为干热岩型地热能规模化、商业化开发利用做好准备。

(2)加强多技术综合应用,提高地热勘探的精度和效率。目前我国开展了大量的综合物探方法的地热勘探项目,取得了较好的成果。地热勘探涉及多个学科领域,包括地质学、地球物理学、地球化学、计算机科学等。未来的发展方向是将多个技术手段综合应用,并将人工智能、大数据分析等技术引入到地热勘探中,实现对大量勘探数据的高效处理和分析,更准确地确定地热资源的分布和性质,提高勘探效率和准确性。

(3)向资源品质更高、应用范围更广的深层地热领域进军。水热型地热资源开发已经发展了100多年,技术比较成熟;而EGS所能开发的深层高温地热资源量巨大,相应得到了各国的重视。以美欧等国为代表的各国相继开展了一系列的EGS示范工程建设,以期在深层高温地热资源开发中有更大的突破。我国需结合资源与用能特点,深化高温地热资源成因理论,特别是厘清我国中东部深层优质地热资源的富集机理与分布规律,丰富和发展地热勘探理论体系,以指导优质资源勘探突破。干热岩资源储量巨大,相较于高温水热型地热资源分布范围更广,应用前景广阔,是深层地热领域的重点突破方向。一旦取得突破有望大幅拓展我国地热资源有利区范围,可用于地热发电、工业利用、高温制冷等领域。干热岩EGS工程开发利用难度大,可转移和创新应用目前的油气资源勘查、钻完井、储层改造等技术,开展干热岩多分支井、鱼骨井、最大储层接触钻井(maximum reservoir contact, MRC)等复杂结构井技术,复杂立体缝网造储技术、“U”型井换热技术等攻关,力争突破干热岩高效开采瓶颈,实现采热效果最大化和干热岩资源高效、稳定、安全供能。

(4)推进“地热+”多能协同,因地制宜培育利用示范区。通过地热能梯级综合利用、油田余热综合利用等模式进一步扩大现有区域和油田企业地热利用规模。开展地热能与其他能源的协同开发利用,促进地热能与太阳能、风能等清洁能源的互补发展,建立“地热+”多能协同示范区,探索太阳能-地热供暖、风能-地热发电等多能源协同利用技术,实现能源的高效利用和综合效益的提升。国际代表性的地热与多元可再生能源耦合技术研究方向主要集中在分布式能源站集成技术、太阳能-地热耦合发电技术,以及以风电、水电为主要耦合能源的多微网与配电网耦合技术,要加快地热能多能耦合技术研发和创新应用,推动地热利用提质升级。建立政府、项目建设方与科研院所、高校、企业等的多方合作机制,促进科研创新成果的转化和应用。

(5)研究和争取支持政策,形成优势发展环境。国家层面应建立健全地热政策法规体系,加强地热技术研发和产业发展规划的顶层设计、实施监管和政策支持。出台地热产业的财税、金融、用地等优惠政策,鼓励各类资本向地热产业投资和发展。推动将地热能纳入可再生能源消费总量统计,实施地热能利用项目碳资产认证。加强地热能的宣传推广和示范应用,提高社会对地热能的认知和接受程度。加强地热产业监管和保护,规范地热矿业权设置和管理,建立完善准入制度和监管机制,促进地热产业健康、规范、可持续发展。

5 结论

(1)地热资源是重要的非碳基可再生能源,实现地热能科学、高效、可持续开发,对保障国家能源安全、加快实现“双碳”目标具有重要的战略意义和现实意义。我国地热能直接利用已实现规模发展,截至2022年底我国地热直接利用折合装机容量100 219.80 MW。其中,中深层水热型地热供暖是目前地热直接利用的最主要方式,在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用。

(2)我国已初步形成了中深层水热型地热资源勘探开发技术体系。在地热勘探方面,形成了聚焦隆起、凸起区寻找优质碳酸盐岩地热资源的勘探思路和不同尺度的选区评价方法。在地热开发方面,形成了以三维地质建模为手段的热储评价技术、以多场耦合传热机理为基础的地热可持续开发技术以及“取热不耗水”配套关键工程技术。

(3)开发品质更高、应用场景更广的深层地热资源是未来地热产业发展趋势,要持续加强基础理论研究和原始技术创新,尽快摸清我国深层地热资源家底,攻关高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热和干热岩EGS工程等关键技术,推进“地热+”多能协同。

(4)国家层面需要出台相应的法律法规和支持政策,完善管理制度体系,为地热产业健康、规范、可持续发展营造良好的环境。

参考文献

[1] 地热能术语: NB/T 10097—2018[S]. 北京: 中国石化出版社, 2018.

[2] 庞忠和, 罗霁, 程远志, 中国深层地热能开采的地质条件评价[J]. 地学前缘, 2020, 27(1): 134-151.

[3] 地热资源地质勘查规范: GB/T 11615—2010[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.

[4] 自然资源部中国地质调查局, 国家能源局新能源和可再生能源司, 中国科学院科技战略咨询研究院, 中国地热能发展报告2018[M]. 北京: 中国石化出版社, 2018.

[5] PORTER M E, CHRISTIAN H M K. Unlocking the potential of geothermal energy: strategic implications for Iceland, Other Nations and the International Community[C]// Iceland geothermal conference. Reykjavik: International Geothermal Association (IGA), 2016: 21-26.

[6] ADELE M, ELISA C, MARTINA R G, et al. Geothermal heating and cooling production, 2023 worldwide review[C]// Proceedings world geothermal congress 2023. Beijing: China Petroleum and Chemical Corporation, 2023: 63-68.

[7] 丁仲礼. 全国人民代表大会常务委员会执法检查组关于检查《中华人民共和国可再生能源法》实施情况的报告[J]. 中华人民共和国全国人民代表大会常务委员会公报, 2020(1): 144-151.

[8] 黄尚瑶, 王钧, 汪集旸. 关于地热带分类及地热田模型[J]. 水文地质工程地质, 1983(5): 1-7.

[9] 滕吉文, 张永谦, 阮小敏. 发展可再生能源和新能源与必须深层次思考的几个科学问题: 非化石能源发展的必由之路[J]. 地球物理学进展, 2010, 25(4): 1115-1152.

[10] 何治亮, 冯建赟, 张英, 试论中国地热单元分级分类评价体系[J]. 地学前缘, 2017, 24(3): 168-179.

[11] 蔺文静, 刘志明, 王婉丽, 中国地热资源及其潜力评估[J]. 中国地质, 2013, 40(1): 312-321.

[12] 王贵玲, 张薇, 梁继运, 中国地热资源潜力评价[J]. 地球学报, 2017, 38(4): 449-459, 134.

[13] 王婉丽, 王贵玲, 朱喜, 中国省会城市浅层地热能开发利用条件及潜力评价[J]. 中国地质, 2017, 44(6): 1062-1073.

[14] 张薇, 王贵玲, 刘峰, 中国沉积盆地型地热资源特征[J]. 中国地质, 2019, 46(2): 255-268.

[15] 王贵玲, 刘彦广, 朱喜, 中国地热资源现状及发展趋势[J]. 地学前缘, 2020, 27(1): 1-9.

[16] 汪集旸, 胡圣标, 庞忠和, 中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J]. 科技导报, 2012, 30(32): 25-31.

[17] 郑克棪. 中国地热利用: 虽已享誉世界但仍大有可为[J]. 中国电业, 2020(10): 23-25.

[18] GUO X S, DANG L Q, LIU S L, et al. High-quality development of geothermal industry in China[C]// Proceedings world geothermal congress 2023. Beijing: China Petroleum and Chemical Corporation, 2023: 102-106.

[19] 张英, 冯建赟, 何治亮, 地热系统类型划分与主控因素分析[J]. 地学前缘, 2017, 24(3): 190-198.

[20] 王贵玲, 蔺文静. 我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式[J]. 地质学报, 2020, 94(7): 1923-1937.

[21] PANG Z H, PANG J M, KONG Y L, et al. Large karstic geothermal reservoirs in sedimentary basins in China: genesis, energy potential and optimal exploitation[C]// Proceedings of the world geothermal congress 2015. Melbourne: International Geothermal Association, 2015: 1-5.

[22] 史猛, 康凤新, 张杰, 胶东半岛不同构造单元深部热流分流聚热模式[J]. 地质学报, 2021, 95(5): 1594-1605.

[23] WANG X W, MAO X, MAO X P, et al. Characteristics and classification of the geothermal gradient in the Beijing-Tianjin-Hebei Plain, China[J]. Mathematical Geosciences, 2020, 52: 783-800.

[24] 庞忠和, 孔彦龙, 庞菊梅, 雄安新区地热资源与开发利用研究[J]. 中国科学院院刊, 2017, 32(11): 1224-1230.

[25] 王贵玲, 张薇, 蔺文静, 京津冀地区地热资源成藏模式与潜力研究[J]. 中国地质, 2017, 44(6): 1074-1085.

[26] 任纪舜, 赵磊, 李崇, 中国大地构造研究之思考: 中国地质学家的责任与担当[J]. 中国地质, 2017, 44(1): 33-43.

[27] 任纪舜. 论中国大陆岩石圈构造的基本特征[J]. 中国区域地质, 1991(4): 289-293.

[28] 潘桂棠, 肖庆辉, 陆松年, 中国大地构造单元划分[J]. 中国地质, 2009, 36(1): 1-28, 255.

[29] 吴福元, 葛文春, 孙德有, 中国东部岩石圈减薄研究中的几个问题[J]. 地学前缘, 2003, 10(3): 51-60.

[30] 李江海, 李维波, 周肖贝, 全球沉积盆地结构与构造演化特征: 洲际纬向超长剖面对比研究[J]. 大地构造与成矿学, 2014, 38(1): 1-11.

[31] BLACKWELL D, RICHARDS M, FRONE Z, et al. Temperature-at-depth maps for the conterminous US and geothermal resource estimates[C]// GRC Transactions. San Diego: GRC, 2011: 346-349.

[32] 李根生, 武晓光, 宋先知, 干热岩地热资源开采技术现状与挑战[J]. 石油科学通报, 2022, 7(3): 343-364.

[33] US Department of Energy. GeoVision: harnessing the heat beneath our feet[R]. Washington DC: US Department of Energy, 2019.

[34] FRIDLEIFSSON G Ó, ELDERS W A, ZIERENBERG R A, et al. The Iceland Deep Drilling Project 4.5 km deep well, IDDP-2, in the seawater recharged Reykjanes geothermal field in SW Iceland has successfully reached its supercritical target[J]. Scientific Drilling, 2017, 23: 1-12.

[35] European Technology and Innovation Platform for Deep Geothermal ETIP-DG. Implementation roadmap on deep geothermal[R]. Brussels: ETIP-DG, 2019.

基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFA0716004)