2017年12月28日，我國第一口干熱巖開發(fā)試驗井在海南瓊北地區(qū)首鉆開機；2018年3月19日，深度為4387米的干熱巖開發(fā)實驗井圓滿完鉆，鉆獲超過185℃的高溫優(yōu)質(zhì)干熱巖。這是我國第一個進入開發(fā)階段的干熱巖鉆井成功案例，對我國干熱巖地熱能的開發(fā)利用具有里程碑式的意義。
2013年法德聯(lián)合研究的蘇茨電站的增強型地熱系統(tǒng)已成功運行 2.2 兆瓦機組，并計劃增建1.5 兆瓦機組，是目前世界上最為成功的增強型地熱系統(tǒng)示范項目。
國際干熱巖開發(fā)總體遠未達商業(yè)利用階段
干熱巖是全球公認的高效低碳清潔能源，也被稱成為增強型地熱系統(tǒng)，或稱工程型地熱系統(tǒng)，是一般溫度大于200℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。干熱巖在開發(fā)過程中主要通過熱交換介質(zhì)循環(huán)來實現(xiàn)熱量的提取，即注入涼水來吸收巖體熱量，轉(zhuǎn)化成蒸汽，再抽取到地表進行利用，開發(fā)過程中幾乎不產(chǎn)生氮硫氧化等污染物。和傳統(tǒng)水熱型的地熱相比，干熱巖是以固體形態(tài)存在的高溫巖石，溫度更高，能量資源更豐富。
作為一種新興的戰(zhàn)略性接替能源，干熱巖開發(fā)利用方向廣泛，可以用于發(fā)電、供暖、強化石油開采等方面。作為地熱資源中的佼佼者，干熱巖被認為是最具應(yīng)用價值和利用潛力的清潔能源，如能實現(xiàn)技術(shù)突破，規(guī)?；_發(fā)利用干熱巖將有效降低溫室效應(yīng)和酸雨對環(huán)境的影響。干熱巖主要分布在新火山活動區(qū)或地殼已經(jīng)變薄的地區(qū)，具有清潔、可再生、利用系數(shù)高和二氧化碳排放低的優(yōu)勢。加快勘查開發(fā)干熱巖資源，對于推動世界能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進綠色發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。歐美發(fā)達國家已經(jīng)開展了 40余年的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)培育，實現(xiàn)了開采技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。
從利用情況來看，干熱巖除了具有水熱型地熱資源的用途，如：用于建筑物取暖、制冷等外，利用干熱巖發(fā)電是目前世界上的主要利用方式。干熱巖發(fā)電不僅具有零排放的優(yōu)點，而且具有熱發(fā)電連續(xù)性能好、不受季節(jié)制約、利用率高等優(yōu)點。干熱巖發(fā)電成本是風力發(fā)電的1/2，太陽能發(fā)電的1/10。1974 年，美國在新墨西哥州啟動了世界上第一個干熱巖利用項目，拉開了干熱巖研究的序幕，至今已有 40 多年的歷史。美國、英國、法國、德國、瑞士、日本、澳大利亞、冰島等國均投入巨資，建立專門研發(fā)干熱巖發(fā)電技術(shù)的機構(gòu)。從全球范圍干熱巖利用情況來看，歐美一些發(fā)達國家的干熱巖資源利用仍處于起步實驗階段，遠未達到商業(yè)利用的階段。美國規(guī)劃到2030年實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，到2050年實現(xiàn)干熱巖發(fā)電裝機容量1億千瓦。國際能源署預(yù)計 2050年全球增強型地熱系統(tǒng)發(fā)電將達到 10 億瓦。
中國干熱巖資源豐富，約占全球資源量的 1/6，經(jīng)過初步評價，全國陸域干熱巖資源量為856萬億噸標準煤，其中可采資源量達17萬億噸標準煤，與美國相當。四大類型干熱巖主要分布在青藏高原、關(guān)中、咸陽、貴德、共和、東北、騰沖、長白山、五大連池和東南沿海等地區(qū)，青藏高原南部資源量******，約占總資源量的 1/5。初步估算，中國深度位于3.5～7.5 千米之間的干熱巖儲量按 2%的可開采資源量計算，相當于 4.28 萬億噸標準煤。中國干熱巖資源的溫度以大于150℃為主，占總資源量的55%。據(jù)中國工程院預(yù)測，到 2050年中國干熱巖發(fā)電裝機容量將達 1.5 萬兆瓦，連同常規(guī)地熱發(fā)電總裝機容量可達 1.6 萬兆瓦，占全國發(fā)電總裝機容量的 1%。
歐洲干熱巖開發(fā)技術(shù)處于領(lǐng)先地位
技術(shù)開發(fā)及集成示范研究是實現(xiàn)干熱巖商業(yè)化開發(fā)的必經(jīng)之路。
美、德、法、澳等發(fā)達國家在干熱巖勘查與開發(fā)研究方面投入巨資，甚至將其納入國家開發(fā)計劃，并且在礦業(yè)權(quán)使用、土地和水資源利用、發(fā)電價格等方面給予優(yōu)惠和補助。位于法國的蘇茨電站在商業(yè)運行之前 20多年間的勘探、鉆井等高風險階段，主要依賴歐盟科研基金和德法兩國的國家科研基金投入，總數(shù)高達 8000萬歐元。美國能源部于 2014 年投入 3100 萬美元，啟動建設(shè)尖端研究、鉆井和技術(shù)測試的增強型地熱系統(tǒng)（EGS）地下實驗室。
國際增強型地熱系統(tǒng)研究已擴展至 EGS邊緣或深部。國際******干熱巖開發(fā)技術(shù)是 EGS技術(shù)。EGS 是采用人工形成地熱儲層的方法，從低滲透性巖體中經(jīng)濟地采出深層熱能的人工地熱系統(tǒng)。EGS 由地下熱儲層建造系統(tǒng)和地面發(fā)電供熱系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成。通過注水（或其他流體）井用冷水加壓致裂方法建立高滲透性人工熱儲層；冷水流過熱儲層，滲進巖石的縫隙吸收熱量，再通過生產(chǎn)井將 200℃以上的水或蒸汽抽出；熱水采出后進入地面發(fā)電供熱系統(tǒng)，冷卻后的水則被再次注人地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。以二氧化碳替代水作為循環(huán)液體的研究，國際上剛剛起步。40多年來，美、德、法、澳等發(fā)達國家先后建立了 28 個試驗性質(zhì)的 EGS 工程，目前運行的有 12 個。
美國 EGS研究擴展至現(xiàn)有 EGS 的邊緣或深部，通過擴展水熱儲層以增加水熱田發(fā)電能力。美國能源部連續(xù)資助了幾個 EGS示范項目，主要包括幾個高熱焓的隱伏性水熱型地熱系統(tǒng)，項目于2002年開始，2013 年結(jié)束。世界上******的蒸汽地熱田是美國的蓋瑟爾斯地熱田，現(xiàn)發(fā)電裝機容量為825兆瓦。2011年10月開始進行了為期約1年的水力壓裂測試，井底注入壓力遠低于巖體破裂壓力，期望通過低壓冷水注入引起儲層熱收縮和剪切破壞增加儲層滲透率。壓力回應(yīng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在深部高溫巖體中成功建立了新的裂隙儲層，生產(chǎn)測試估計新儲層熱提取率約 5 兆瓦。 地熱田目前由美國地熱公司進行運作，于 2007 年發(fā)電，發(fā)電功率 10.5兆瓦~11.5 兆瓦。
2013年法德聯(lián)合研究的蘇茨電站的 EGS 已成功運行 2.2 兆瓦機組，并計劃增建1.5 兆瓦機組，是目前世界上最為成功的 EGS 示范項目。同年，德國在萊茵盆地南部的蘭道地熱電站 3 兆瓦機組成功發(fā)電，其利用循環(huán)出160℃地熱流體雙工質(zhì)發(fā)電，年運行超過 8200 小時，年利用率高達 93%；同時，德國因斯海姆EGS地熱電站 5 兆瓦機組也利用循環(huán)出 160℃地熱流體雙工質(zhì)系統(tǒng)成功發(fā)電。
澳大利亞在2003年開展了干熱巖地熱開發(fā)利用試驗項目，在井深 4500 米處獲得干熱巖溫度高達 270℃，并進行了水循環(huán)與發(fā)電試驗。2003 年 9 月完成了第一口注水井，通過注水在花崗巖巖體上壓裂并形成了一系列永久的連通裂隙。澳大利亞私營公司還投資了另外一個EGS工程。2004 年，澳大利亞政府在《保證澳大利亞未來能源安全》白皮書中，將 EGS列為以澳大利亞為市場領(lǐng)導的技術(shù)，并承諾對地熱勘探（研究）、評估（概念驗證）、示范工程提供支持。2006年，澳大利亞建造了一座干熱巖發(fā)電站，2009年發(fā)電功率達到 100 兆瓦，成為示范電站。
國際能源署也組織實施了為期4年（1997~2001 年）的干熱巖行動計劃，是“地熱執(zhí)行協(xié)議”中一個重大計劃。該計劃由日本的新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織擔任總執(zhí)行機構(gòu)，參與該計劃的國家和組織有澳大利亞、德國、日本、瑞士、英國、美國以及歐共體。
中國地質(zhì)調(diào)查局已在我國部分地區(qū)進行了干熱巖地熱資源調(diào)查。2012年，我國啟動了“863計劃”干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究項目，部分科研單位開展了初步的理論研究。2013年，我國制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，計劃于2030年前后實現(xiàn)干熱巖地熱發(fā)電的商業(yè)化運營。近幾年，國土資源系統(tǒng)在松遼盆地、東南沿海、青海共和及貴德、四川康定等地開展了干熱巖資源調(diào)查，圈定了干熱巖開發(fā)利用有利目標區(qū)，包括東南沿海地區(qū)、藏南黔西地區(qū)、大同盆地、松遼平原、環(huán)渤海地區(qū)等地區(qū)。
從國際經(jīng)驗看我國干熱巖資源開發(fā)利用
美、英、澳等國家雖然實現(xiàn)了干熱巖實驗性發(fā)電，但目前尚未能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)發(fā)電。2001年，美國能源部啟動增強地熱系統(tǒng)干熱巖開發(fā)試驗計劃，預(yù)期在 2030 年實現(xiàn)干熱巖地熱發(fā)電商業(yè)化運營，到 2050 年發(fā)電量超過10兆瓦。美國盡管早在1974年就開始研究地熱發(fā)電，但是進展緩慢，目前地熱發(fā)電的比例僅為0.4%。德法合作的蘇茨電站始于1987年的歐共體（歐盟）干熱巖科研項目，在2013年實現(xiàn)了穩(wěn)定發(fā)電并成功投入商業(yè)化持續(xù)運行，被國際地熱界認為是干熱巖走向商業(yè)化開采的重要里程碑。但蘇茨電站投資回報率并不高，商業(yè)化運行前 ，20多年依賴政府和科研資金投入，商業(yè)化運行后，經(jīng)濟上僅可以覆蓋運營方對于電站商業(yè)投資部分的還本付息。EGS 實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)關(guān)鍵在于能夠獲得經(jīng)濟有效的多重儲層建造技術(shù)，以保證有足夠體積的熱儲滿足長期地熱開發(fā)。
目前全世界已安裝的常規(guī)地熱發(fā)電裝機容量已達1.3萬兆瓦以上，而中國只有27 兆瓦左右，與發(fā)達國家還有很大差距。中國自上世紀 90年代開始對干熱巖資源進行調(diào)查研究。由于基礎(chǔ)地質(zhì)工作薄弱、勘查技術(shù)體系不健全、熱能利用效率低等問題，目前干熱巖研究處在由調(diào)查評價、勘查和實踐探索階段進入試驗開發(fā)階段。中國干熱巖勘查開發(fā)亟待破解資源評價與選址、高溫和深部鉆探、儲層改造、地球物理勘查技術(shù)、微震和示蹤等監(jiān)測技術(shù)、流體流動和儲層測試、儲層性能評價等難題。干熱巖開發(fā)前景廣闊，有望成為中國新能源增長點，但也面臨巨大挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合國際經(jīng)驗提出如下建議：
將干熱巖與EGS研究作為科技攻堅方向。經(jīng)過 20多年的探索與研究，我國已經(jīng)在干熱巖勘查開發(fā)的原理和技術(shù)方面取得了不少自主創(chuàng)新成果。將干熱巖研究作為科技攻堅方向，有望通過 3～5 年時間，取得理論突破，查明干熱巖資源，突破開發(fā)利用的核心技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模化利用。在完成青海共和盆地首個 EGS 示范工程建設(shè)基礎(chǔ)上，推進東南沿海、華北平原、松嫩平原地區(qū) EGS 示范工程建設(shè)，攻關(guān)資源靶區(qū)定位、水力壓裂儲層改造、微地震裂隙監(jiān)測、熱流循環(huán)示蹤監(jiān)控等技術(shù)，建立起一套技術(shù)先進、經(jīng)濟高效的干熱巖資源勘查開發(fā)技術(shù)體系。
建立合作多贏勘查開發(fā)模式。積極與美、法、澳等國家合作開展干熱巖調(diào)查評價國際大科學計劃，建立互惠合作聯(lián)盟，追蹤國際先進技術(shù)，引進國外高端人才，縮短研發(fā)時間。目前干熱巖資源勘查開發(fā)研究方面技術(shù)力量分散、尚未形成合力，在很大程度上制約了干熱巖的勘查開發(fā)研究工作。建議與地方政府、企業(yè)和科研院所合作，加強理論研究和關(guān)鍵技術(shù)研究，使投資多元化，分擔風險與收益。例如：利用具備干熱巖研發(fā)條件的中國大陸科學鉆井，進行干熱巖發(fā)電試驗。與此同時，加大共和盆地干熱巖勘查研究投入，與地方政府、青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院、青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局、科研機構(gòu)、大型企業(yè)等開展聯(lián)合攻關(guān)研究，早日實現(xiàn)干熱巖發(fā)電。
加快干熱巖開發(fā)利用進程。制定干熱巖開發(fā)利用中長期規(guī)劃和計劃。加大資金和政策支持，力爭實現(xiàn)跨越式發(fā)展。建議分三步走：第一階段（2018-2020年）：查明我國高放射性花崗巖型、近代火山型、沉積盆地型以及強烈活動帶型等四種類型干熱巖資源成因機制，形成干熱巖勘查技術(shù)體系，評價東南沿海地區(qū)、青藏高原東北緣、東北近代火山區(qū)、西南典型地區(qū)等重點區(qū)干熱巖資源潛力，建立 2-3 處干熱巖勘查開發(fā)綜合研究基地，實現(xiàn)干熱巖試驗發(fā)電，推廣經(jīng)驗。第二階段（2020-2035 年）：率先突破干熱巖儲藏建造、壓裂技術(shù)、鉆井工藝等方面技術(shù)難關(guān)，形成干熱巖資源開發(fā)技術(shù)體系，降低未來工程的建設(shè)成本和運行成本，實現(xiàn)干熱巖發(fā)電的商業(yè)性運營。第三階段（2035-2050 年）：通過政策扶持，鼓勵干熱巖推廣應(yīng)用，助推我國清潔低碳能源體系構(gòu)建。
干熱巖資源開發(fā)原理
從地表往干熱巖中打一眼井（注入井），封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水, 在巖體致密無裂隙的情況下, 高壓水會使巖體大致垂直最小地應(yīng)力的方向產(chǎn)生許多裂縫。隨著低溫水的不斷注入, 裂縫不斷增加、擴大并相互連通，最終形成一個大致呈面狀的人工干熱巖熱儲構(gòu)造。在距注入井合理的位置處，鉆幾口井并貫通人工熱儲構(gòu)造, 這些井用來回收高溫水、汽, 稱之為生產(chǎn)井。注入的水沿著裂隙運動并與周邊的巖石發(fā)生熱交換, 產(chǎn)生了溫度高達200℃~300℃的高溫高壓水或水汽混合物。從貫通人工熱儲構(gòu)造的生產(chǎn)井中提取高溫蒸汽, 用于地熱發(fā)電和綜合利用。利用之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中, 從而達到循環(huán)利用的目的。
干熱巖資源應(yīng)用領(lǐng)域
干熱巖發(fā)電：從生產(chǎn)井提取到高溫水、蒸汽等中間介質(zhì)后,即可采用常規(guī)地熱發(fā)電的方式發(fā)電。其中，擴容法是將生產(chǎn)井中的熱水先輸送至擴容器, 通過減壓擴容產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機發(fā)電。應(yīng)用中間介質(zhì)法地熱發(fā)電，是注入井將低溫水輸入熱儲水庫中, 經(jīng)過高溫巖體加熱后在臨界狀態(tài)下以高溫水、汽的形式通過生產(chǎn)井回收發(fā)電。
采暖供熱：可以采用節(jié)能的地板輻射采暖系統(tǒng)或空調(diào)散熱系統(tǒng)作為室內(nèi)散熱方式。根據(jù)項目的大小及負荷，在項目用地深度2000米~3000米的地下安裝若干地下?lián)Q熱器和干熱巖換熱機組，再配備適當?shù)母蔁釒r設(shè)備用房，即可滿足冬季供暖。
制冷:可以采用室內(nèi)中央空調(diào)末端系統(tǒng)，在項目用地安裝若干地下?lián)Q熱器和干熱巖換熱機組，再加裝相應(yīng)容量的冷卻塔，即可提供夏季制冷等需求。
供應(yīng)生活熱水：干熱巖系統(tǒng)可以較為容易地獲得生活熱水供應(yīng)。通過干熱巖供熱系統(tǒng)工作，將地熱能用于加熱自來水，2000米深的換熱器及設(shè)備每天可提供200噸45℃熱水，用于洗浴等。
干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)
干熱巖資源靶區(qū)定位技術(shù)：應(yīng)選擇板塊碰撞地帶，包括海洋板塊和大陸板塊的碰撞帶（如日本群島和美洲的安第斯陸緣?。?、大陸和大陸板塊之間的碰撞帶（如印度洋板塊和歐亞板塊在喜馬拉雅山和中國云南等地的碰撞部位）、大陸內(nèi)部的斷陷盆地地區(qū)等。從巖石本身的物理性質(zhì)考慮，應(yīng)選擇密度大、熱傳導率高的花崗巖和花崗閃長巖類。找準優(yōu)質(zhì)干熱巖需要依托大地熱流圖使用綜合的物探方法，主要選用大地電磁測深和大比例尺的重力剖面測量，在重力圈定的有利構(gòu)造的基礎(chǔ)上尋找熱能相對富存的部位，再根據(jù)物探成果并結(jié)合水文地質(zhì)資料綜合分析，進一步縮小鉆孔優(yōu)選靶區(qū)的范圍，最終分析確定勘探孔的選址。
鉆井液技術(shù)：鉆進到300℃以上地層溫度，國內(nèi)外應(yīng)用較成功的是采用泡沫鉆井液體系，在鉆井過程中交替采用泡沫循環(huán)與注水冷卻措施，可以防止循環(huán)流體過熱導致液體汽化。
固井與完井技術(shù)：干熱巖完井一般可以采用裸眼完井，但對于上部套管及管外水泥環(huán)來說，要經(jīng)受高溫水（汽）的考驗。因此，在套管設(shè)計時應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力固井，并考慮套管的強度在高溫下衰退，尤其是采出井套管應(yīng)考慮更大的安全系數(shù)。
井眼軌道測量技術(shù)：這對于干熱巖鉆井非常關(guān)鍵，而對鉆定向井與水平井來說更是關(guān)鍵。采用單點測斜是既耐地層高溫又適應(yīng)較深干熱巖鉆進可用的測斜方式，還需要發(fā)展與單點測斜相適應(yīng)的井眼軌道控制技術(shù)。
破巖與提高鉆速技術(shù)：目前，牙輪鉆頭中金屬密封鉆頭抗溫性比普通鉆頭略高，可以適應(yīng)干熱巖地層鉆進。而定向鉆進等需要采用井下耐高溫螺桿動力鉆具，更高溫度下的鉆進需要采用渦輪鉆具。
壓裂改造技術(shù)：壓裂液的抗溫能力也影響干熱巖的壓裂改造，但可以在壓裂前用清水套管內(nèi)壓裂的方式冷卻巖石，再進行正常的壓裂即可。