高新民，楊 甫

(1.陜西省煤炭學會，陜西 西安 710001；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；3.陜西省煤田地質集團有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

地熱資源是人類發(fā)現(xiàn)的僅次于太陽能的第二大可再生清潔能源，分為水熱型、干熱巖型、異常地層壓力型和巖漿巖型4類。在目前技術經濟條件下，世界各國重點研究和開發(fā)的是水熱型和干熱巖型地熱資源。水熱型地熱資源是淺層地熱資源；干熱巖型是中深層地熱資源，是不含或僅含少量流體的高溫巖體，主要由地殼中的各種變質或結晶巖組成[1]。根據地殼結構和成因機理不同劃分為高熱流酸性巖體型、強烈構造活動帶型、沉積盆地型和近代火山型4種類型[2]。據文獻[1]所述，保守估計地殼中埋深3～10 km的干熱巖所含的能量是全球煤炭、石油和天然氣蘊藏能量的30倍。

1 國內外地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 國外地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

應用領域：干熱巖地熱能與風能、太陽能相比，更加穩(wěn)定，應用領域更加廣泛，既可用于發(fā)電，也可用于工業(yè)生產、醫(yī)療制藥、民用供熱、制冷、養(yǎng)殖等領域[3]，如圖1所示。

圖1 地熱能分級利用林德爾圖

利用現(xiàn)狀：1970年美國洛斯阿拉莫斯國家重點實驗室提出具有商業(yè)用途的高溫巖體地熱資源的開發(fā)概念和思路，研發(fā)出利用干熱巖地熱發(fā)電技術，至今已近50 a，發(fā)達國家在干熱巖地質勘查、資源潛力評價、儲量計算方法，靶區(qū)選定技術、高溫巖體鉆井技術、儲層改造技術、微震、失蹤監(jiān)測技術及發(fā)電傳熱技術等方面進行了積極探索，取得了重大進展。截止目前，美國、英國、法國、瑞士、日本、澳大利亞、冰島等發(fā)達國家先后建成和在建約有25個試驗性質的干熱巖發(fā)電供熱示范工程，累計發(fā)電(裝機)能力12 MW(1.2萬kW)[4-5]，見表1。

表1 部分干熱巖地熱資源發(fā)電項目統(tǒng)計

1.2 我國地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀

資源儲量：我國地熱資源豐富，地熱資源總量約占全球地熱資源總量的7.9%，應用領域與國外基本沒有差別。中國地質調查局初步測算淺層水熱型地熱資源量折合標準煤12 500億t，其中，中低溫(<150 ℃)地熱資源量折合標準煤12 300億t，可采量折合標準煤18.5億t/a，發(fā)電潛力150萬kW；埋深3～10 km范圍內干熱巖地熱資源量折合標準煤860萬億t[6]。

淺層水熱型地熱開發(fā)利用成果顯著：我國淺層水熱型地熱資源的開發(fā)利用起步較早，經歷了起步階段(1949—1977)、發(fā)展階段(1978—1999)、走向世界階段(2000—至今)，如圖2所示。從2000年起，地質勘查、形成機理研究、靶區(qū)圈定、井網布局以及技術裝備研發(fā)到直接利用等位居世界領先水平，取得了4個第一的重大成就，即“中國地熱直接利用的年利用能量世界第一(2000年31 403 MMJ/a)”“中國地熱直接利用的設備容量世界第一(2015年17 870 MW)”“中國地源熱泵年利用淺層地熱能量世界第一(2015年100 311 MMJ/a)”“中國地熱供暖世界第一(2015年33 710 MMJ/a)”[7]。

圖2 中國地熱直接利用及地源熱泵40年發(fā)展歷程

干熱巖地熱潛力巨大：中國地質調查局的測算，埋深3～10 km范圍內干熱巖地熱資源折合標煤860萬億t(美國為570萬億t)。我國干熱巖地熱資源研發(fā)利用雖然較發(fā)達國家起步晚近20 a，但借鑒發(fā)達國家的技術經驗，發(fā)展迅速，在近30 a里突破了干熱巖地熱利用的關鍵技術瓶頸，在開發(fā)潛力評價、資源靶區(qū)定位、大型水力壓裂模擬、壓裂液和化學激發(fā)劑研制、儲層改造評價系統(tǒng)、地下“熱-水-化-力”(THCM)數值模擬軟件系統(tǒng)開發(fā)等方面取得重大突破[8]。2018年全國干熱巖地熱開發(fā)利用示范工程完井12個[9]，見表2。其中，青海共和盆地7個、貴德盆地4個、福建漳州1個。青海共和盆地恰卜恰DR4井孔深3 102 m，孔底溫度180 ℃，實驗成功發(fā)電；DR3井孔深2 927 m，孔底溫度181 ℃，試驗成功為醫(yī)院供熱。2015年5月21日中國地質調查局在福建漳州龍海市東泗鄉(xiāng)清泉林場實施了干熱巖科學鉆探深井試驗，鉆孔深度4 000 m，孔底溫度109 ℃，目前封孔監(jiān)測。以上試驗示范工程隊促進我國研究解決尚未完全掌握的干熱巖鉆井、儲層激發(fā)、流體循環(huán)等關鍵技術，為加快我國干熱巖地熱開發(fā)利用提供了科學依據。

表2 我國干熱巖試驗示范井統(tǒng)計

2 陜西省地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀及對策

2.1 陜西省地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀

陜西省地熱資源開發(fā)利用特點是兩個滯后，一是陜西省總體開發(fā)利用滯后于全國；二是陜西省干熱巖地熱開發(fā)利用滯后于淺層水熱型地熱開發(fā)利用。

淺層水熱型地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀：陜西省淺層水熱型地熱研發(fā)利用始于2005年，至今已有15 a，在淺層水熱型地熱研發(fā)利用作了卓有成效的工作。

依據地質勘查資料劃分了淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)；地埋管地源熱泵適宜和較適宜區(qū)在陜北和關中，陜南僅分布在漢中盆地的河谷階地區(qū)；地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜和較適宜區(qū)分布在渭河、漢江、丹江等較大的河流漫灘及低階地區(qū)域[10]，見表3。

表3 陜西省淺層地熱適宜區(qū)及供熱/制冷面積統(tǒng)計

采用體積法和比擬法對關中水熱型地熱資源進行了評價，總熱量為323萬兆千卡，折合標煤4 610億t，為陜西省探明煤炭資源量的2.7倍，關中盆地不同構造單元淺層水熱型地熱資源分布，如圖3所示?？衫脽崃?93萬兆千卡，折合標煤2 758億t，為陜西省探明煤炭資源量的1.61倍，可利用率59.83%，為關中盆地水熱型地熱開發(fā)利用提供了科學依據。

圖3 關中盆地不同構造單元淺層水熱型地熱資源分布

對陜西省十個地級城市規(guī)劃區(qū)和楊凌示范區(qū)淺層水熱型地熱開發(fā)利用進行了規(guī)劃，見表4。規(guī)劃的總熱容量達到1.50千兆千焦/℃，換熱功率為6 830萬kW，折合標準煤為6 717萬t。以開發(fā)利用效率35%來計算，可以節(jié)約標準煤2 343萬t，產生經濟效益82.01億元，可以減少二氧化碳排放量為5 591.80萬t、粉塵排放量18.75萬t，節(jié)省環(huán)境治理費用70.67億元，有力地推動了陜西省淺層水熱型地熱開發(fā)利用。

表4 關中水熱型地熱資源開發(fā)利用統(tǒng)計

建成了一批水熱型地熱開發(fā)利用示范工程，見表5。為規(guī)?；_發(fā)利用、井網布局、開發(fā)技術參數、技術設備及管理優(yōu)化積累了經驗。

表5 陜西省淺層水熱型地熱開發(fā)利用部分示范工程

干熱巖地熱資源開發(fā)現(xiàn)狀：陜西省干熱巖地熱開發(fā)利用相對全國滯后，處在干熱巖賦存地質背景研究階段，從磁場特征、重力特征、莫霍面變化特征、構造斷裂特征(渭北地區(qū)構造單元)、基底結構特征、侵入巖分布特征、地熱場特征及地熱資源特征(區(qū)域大地熱流特征、地溫梯度特征及地溫場變化特征)等研究分析干熱巖儲層分布、儲層蓋層厚度，而地質構造對大地熱流變化、地溫梯度變化、地溫場變化的影響因素處于起步研究階段。

與全國干熱巖地熱開發(fā)利用對比，陜西省干熱巖地熱開發(fā)利用存在的主要問題有3方面。一是未在干熱巖賦存地質背景研究分析基礎上，編制全省干熱巖地質勘查規(guī)劃，并進行地質勘查，開發(fā)潛力評價、分布區(qū)域劃分、儲量計算(熱能)、靶區(qū)圈定；二是未進行干熱巖地熱開發(fā)利用技術裝備研發(fā)及編制干熱巖地熱開發(fā)利用發(fā)展規(guī)劃；三是無激勵干熱巖地熱開發(fā)利用政策措施等。

2.2 陜西省開發(fā)利用地熱資源的對策

開發(fā)利用地熱資源的意義：加快陜西省干熱巖地熱資源開發(fā)利用是踐行“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”發(fā)展理念，“節(jié)約優(yōu)先、立足國內、綠色低碳、創(chuàng)新驅動”能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。對保障國家“十三五”(2020年)清潔能源(非化石能源)在能源消費總量比重達到15%，單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降43%～45%，到2030年清潔能源在能源消費總量的比重達到20%，單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%的能源戰(zhàn)略目標，對促進陜西省能源生產消費結構調整、提高清潔能源在能源生產消費中的比重，保障陜西省2020年、2030年二氧化碳減排目標及實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護具有重要的戰(zhàn)略意義。

開發(fā)對策：①加快編制全省干熱巖資源地質勘查規(guī)劃，并在開展地質勘查基礎上，進行干熱巖地熱分布區(qū)域劃分、開發(fā)潛力評價、靶區(qū)圈定、儲量計算，為全省干熱巖地熱資源開發(fā)利用發(fā)展規(guī)劃提供依據。②依據陜西省干熱巖地熱賦存特點，強化開發(fā)利用技術研究，建立以陜投集團陜西省煤田地質集團公司地熱資源工程技術中心為主，有科研院所參加的陜西省干熱巖地熱資源開發(fā)利用技術研究聯(lián)盟，加快對干熱巖地熱開發(fā)利用基礎理論研究、關鍵技術攻關、技術裝備研制，為加快干熱巖地熱資源開發(fā)利用提供技術裝備支撐。③依據陜西省干熱巖地質構造特征、分布規(guī)律、劃分類型及圈定的靶區(qū)，分類建設干熱巖地熱開發(fā)利用示范工程，以取得適用陜西省干熱巖賦存特征的開發(fā)技術參數、井網布置方式及設備裝置，為規(guī)?；亻_發(fā)利用提供經驗。④全省應建立干熱巖地熱資源開發(fā)基金，宜從一次能源(化石能源)礦業(yè)權價款中按一定比例計算，以支持從事干熱巖地熱開發(fā)研究的科研院所的基礎理論研究、關鍵技術裝備攻關及示范工程建設；從事干熱巖地熱資源開發(fā)利用企業(yè)，宜免交資源稅，免繳所得稅3～5 a，減半繳納增值稅以扶持從事干熱巖地區(qū)開發(fā)利用的企業(yè)加快發(fā)展。

3 結語

陜西省地熱資源豐富，淺層水熱型地熱資源得到有效開發(fā)利用，干熱巖地熱資源發(fā)展相對滯后。應適時成立干熱巖地熱資源開發(fā)利用技術研究聯(lián)盟，通過技術創(chuàng)新和建設示范工程，引領陜西省干熱巖地熱資源開發(fā)利用，為促進陜西省能源生產消費結構調整，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展奠定基礎。