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我国中深层地热资源赋存特征、发展现状及展望
2022-9-1 10:16:52

摘要:地热资源具有储量大、能源利用效率高、运行成本低和节能减排等优点,是唯一不受天气、季节变化影响的地球本土可再生清洁能源,对于实现双碳目标有重要意义。为了解中深层地热资源赋存特征和发展现状,系统梳理了国外中深层高温地热资源的发展历程和最新进展,并与我国中深层地热资源开发情况进行对比分析,以期为我国中深层地热资源开发利用提供借鉴和启示。总体来讲,我国传统水热型地热资源潜力巨大且开发程度不高,具有很大的开发空间;针对我国地热流体中伴生矿产资源的相关开发依然存在着稀有元素分布特征不清、潜力不明、整体开发利用程度不高等问题,应在评估地热流体中伴生矿产资源潜力基础上,进一步加强地热流体中伴生矿产资源的综合开发利用;随着矿产资源开采深度的加大和高温地热带周边相关工程建设的开展,高温热害成为不可忽视的问题。但目前深部矿井和工程建设中“热害资源化”的研究相对不足,造成了地热资源的浪费,应在“热害资源化”潜力评估的基础上,进一步推动“矿-热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用。


1.我国中深层地热资源开发利用现状

1.1 我国传统水热型地热资源开发和发展过程

20世纪50年代末,著名地质学家李四光先生便倡导开发深部地热资源,组建了我国第一个地热研究组。在60年代建立了地热实验室和地热深井观测点,促使地热能的利用从医疗扩大到了工、农业等领域,同时开始了地热发电的可行性研究在李四光先生的倡导下,在北京、河北和西藏等地重点开展了地热资源普查工作,进一步推动了我国地热资源的全面开发利用。从20世纪70年代开始我国先后在广东丰顺县和西藏羊八井建立了地热电站。羊八井地热电站是西藏第一座高温地热发电站,现有装机容量25.18 MW。在20世纪90年代初期,发电量曾占拉萨电网的40%(夏季)至60%(冬季),被誉为是青藏高原上的一颗明珠。截至2020年6月,羊八井地热电厂累计发电34.1亿kW·h,为西藏社会经济发展和节能减排作出了重要贡献。

我国西藏、云南腾冲和川西等地具有丰富的地热能,尤其是西藏地区各类地热显示区(点)600余处,发电潜力约为3000 MW,居全国之首。2017年由国家发改委、国家能源局和国土资源部三部委联合发布的《地热能开发利用“十三五”规划》明确提出“在西藏地区有序启动 400 MW装机容量规划或建设工作”的目标。我国传统水热型地热资源发电潜力为6700 MW,在全球排第3位,但目前总装机容量仅为34.89 MW,排世界第19位,跟资源总量明显不符,具有很大的开发空间。基于此,2021年9月国家发改委、国家能源局、财政部和自然资源部等八部委联合发布《关于促进地热能开发利用的若干意见》,指出:到2025年,在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目,全国地热能发电装机容量比2020年翻一番;到2035年,地热能发电装机容量力争比2025年翻一番。

1.2 国内EGS高温地热资源开发和发展过程

我国EGS高温地热资源勘探和开发等工作起步较晚,1993年中国地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所在北京房山开展了干热岩发电相关试验工作,开启了我国干热岩研究初步探索阶段。2007年中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm公司联合开展了“中国工程型地热系统资源潜力评价的研究”国际交流项目,在我国西藏、云南、四川、福建、广东、海南初步进行资料收集、分析测试和模型研究等工作,完成了靶区选取和潜力评价工作。2012年,针对干热型地热资源开发过程等关键技术问题,吉林大学、中科院广州能源研究所、清华大学和天津大学等科研院校联合申报了国家高技术研究发展计划“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”,创建了大尺寸高温高压干热岩水力压裂实验室模拟系统,提出了中国首部干热岩靶区定位行业规程,为我国的干热型地热资源勘探开发提供了相关理论依据和技术支撑。

2013年中国地质调查局重点在福建漳州、广东阳江和雷琼断陷盆地等地开展了干热岩资源潜力评价与示范靶区项目。2014年,青海省水工环地质调查院在青海共和盆地恰卜地区实施的ZKD23井,2866 m的井底温度达181 ℃,为我国首次发现的优质干热型高温地热资源;2017年,在地热地质调查和地球物理勘探等工作基础上,中国地质调查局和青海省国土资源厅共同组织在青海共和盆地实施了GR1和GR2井,其中GR1井底温度达236 ℃,是我国迄今为止钻获的温度最高的干热型地热资源,取得了我国干热型地热资源勘查的突破。近年来,国内其他地区也陆续开展了高温干热型地热资源勘查工作。2018年,李德威在海南澄迈实施了琼北花东1R井,历时66 d,于2018年3月在井深4387 m处钻获超过185 ℃的干热岩资源。琼北花东1R井是我国东部第一口成功实施且具有独立知识产权的干热岩参数井,对我国干热型高温地热资源的开发利用具有里程碑式意义。2018年6月江苏地质调查院组织实施了“江苏省干热岩资源调查评价项目”,在苏北盆地圈定了干热型高温地热资源靶位,并于2021年1月在兴化市城北成功实施了“苏热1井”,孔深约为4700 m,钻获温度约155 ℃,证实了苏北盆地含有丰富干热岩资源。2022年元旦后,“苏热1井”已预备进行热储层压裂实验,准备打造干热岩勘查开发试验示范基地。


2.我国中深部地热资源开发展望及建议

2.1 我国中深部地热资源的开发过程中,传统水热型地热资源开发是基础,EGS相关技术突破是关键,在水热型地热资源开发基础上的EGS将更有成效性

在全球的四大地热带中,我国主要位于环太平洋地热带与地中海-喜马拉雅地热带的交汇部位。在特殊的背景下,产生了与青藏高原陆-陆碰撞背景下隆升过程密切相关且以熔融体/岩浆囊为主要热源的高温地热系统,如青藏高原腹地藏南及其东缘川西等地区;与岩石圈减薄过程构造-岩浆活动密切相关且以区域地幔热异常/花岗岩放射性生热为主要热源的东南沿海中低温地热系统,如福建漳州和广州佛冈等地区;与古潜山/伸展断陷构造密切相关且以地幔热源/基岩放射性生热为主要热源的沉积盆地型层控中低温地热系统,如华北盆地、江汉盆地和松辽盆地等位于我国中东部的中/新生代沉积盆地;与近代火山活动密切相关且以岩浆囊/次火山岩为主要热源的高温地热系统,如滇西和台湾中央山脉两侧火山活动区。目前,我国中低温水热型地热资源相关地区主要应用于取暖、医疗康养和农业种植等方面。高温水热型地热资源主要集中在青藏高原腹地藏南、云南滇西腾冲和青藏高原东缘川西等区域,是我国地热发电的主要地区。要达到“全国地热能发电装机容量比2020年翻一番”的目标,我国中深部地热资源的开发过程中,青藏高原腹地藏南和东缘川西地区、云南滇西等重点区域传统水热型高温地热资源的开发是基础。

虽然近年来,我国相继在共和盆地、海南澄迈和苏北盆地等地成功开展了一系列EGS高温地热资源勘查工作,取得了喜人的成绩,但依然在人工压裂建储和流体循环等方面存在诸多关键技术和经济性问题,导致了EGS高温地热资源商业化发电依然任重道远。目前,鉴于我国传统水热型地热资源潜力巨大且开发程度不高,但我国发电技术成熟,传统水热型地热资源开发依然具有优势,是我国中深部地热资源开发的基础。

2002年,美国在Raft river对现有的废弃地热井进行EGS改造,容量超过10 MW,有效降低了成本并提高了开采能力,成功实现了商业发电。其成果表明采用EGS相关技术在现有的水热型地热田中建立人造热储,并与天然热储相连可以增加其生产能力,可迅速获得经济效益。我国高温地热资源具有干热型地热系统和水热型地热系统共存的特征,如曾在羊八井施工的ZK4002钻孔,在1850 m处无地热流体且温度高达329.8 ℃。因此,在水热型地热资源开发基础上利用EGS开发高温地热资源将更有成效性。

2.2在评估地热流体中伴生矿产资源潜力基础上,进一步加强其综合开发利用

自1951年中国科学院西藏工作队调查了那曲附近错马拉热泉型雄黄点以来,西藏地勘局、地科院矿床地质研究所和地质力学研究所等单位先后在西藏开展水热矿床的工作郑绵平等与雒洋冰等在青藏高原盐湖相关研究工作中关注到了地热水与盐湖之间的成因联系,认为青藏高原特种盐湖中钾盐、镁盐、锂、锶、硼及芒硝矿为主体的矿产富集区与火山-地热水系统具有很高的相关性,地热水是青藏高原盐湖钾盐、铯、铷、锂、硼等矿床的主要物质来源。郑绵平等曾重点对谷露、塔格架和色米等含铯硅华区开展了地表地质调查和水文地球化学等研究,发现了含铯硅华主要为含铯蛋白石(含铯的二氧化硅胶体),认为西藏谷露、塔格架和色米等地热田中含铯硅华是一种新的工业铯矿床。多吉等首次报导了与热泉在空间上和成因上有密切联系的马攸木金矿床。作为西藏首例独立岩金矿床,马攸木金矿周围地热活动强烈,古泉华发育普遍含金(最高含金达18.72 g∙t-1)。其主要经过了热液期、风化期和沉积期等三个成矿期次,深部地下热水通过深循环沿构造上升,对金元素的矿化富集起到了关键性作用。

近年来,在低碳转型过程中,锂矿资源作为新能源领域重要的电池原材料受到了高度关注。素有“白色石油”之称的锂矿,先后被欧盟、美国和中国等国家列为战略性矿产目录中。目前发现的锂矿床最主要的有卤水型、伟晶岩型和沉积岩型这3种类型,而卤水型锂矿床是其中最为重要的类型,占全球锂资源的78.3%。据估算,卤水型锂可解决全球3/4的锂资源需求,而其锂的来源(如玻利维亚乌尤尼盐湖及美国银峰盐湖和西尔斯盐湖等与地热水的活动密切相关。因此,越来越多的研究者关注到了与地热水相关的锂资源。在西藏科技厅重点研发计划《西藏地热水中的锂稀有金属资源调查及提取技术研究》项目的支持下,多吉等系统调查了西藏富锂温泉并开展了相关地球化学分析,从东向西划分了11个地热型锂资源异常带,随后开展了地热水中锂元素的提取实验。整体来讲,西藏富锂温泉受高温地热区和活动构造控制,锂浓度大于20 mg∙L-1,赋存于地下热水中,水化学组成简单,易于提取。

综上所述,地热田中深部地热流体中富含钾、铯、锂和硼等元素,部分地热田中相关元素已富集到工业品位,有些甚至达到矿床级别,形成了地热水相关的新类型的矿床。加州能源局曾在2021年3月发布的关于美国第二大地热田——萨尔顿海地热田的相关研究报告中预测,萨尔顿海地热田中碳酸锂的年供应量将超过60万吨,有巨大的经济效益。据不完全统计,青藏高原西藏高温地热田(如卡乌曲灿沸泉、拉不朗沸泉和拉旺孜热泉等)中锂含量达到或超过20 mg∙L-1的有数十处,初步估算通过地热流体排出的锂资源大约有4281 t之多。因此,进一步开发深部地热流体中伴生矿产资源迫在眉睫。但目前来讲,我国地热流体中伴生矿产资源相关开发依然存在着稀有元素分布特征不清、潜力不明、整体开发利用程度不高等问题。针对以上存在问题,应加强地热水中稀有金属形成规律和超常富集机理研究,并针对性地研发相关勘查和提取技术,在评估地热流体中伴生矿产资源潜力基础上,进一步加强地热流体中伴生矿产资源的综合开发利用。

2.3矿山资源开发和工程建设中常遇到高温“热害”,“矿-热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用等有待于进一步发展和加强

近年来,随着矿产资源开采深度的加大和高温地热带周边相关工程建设的开展,高温热害成为了不可忽视的的问题。根据《煤炭安全规程》的规定,生产矿井采掘面工作面温度不得超过26 ℃,当工作面温度超过30 ℃时,则必须停止工作;TB 10003—2013《铁路隧道设计规范》规定施工隧道内温度不宜大于28 ℃;但有时遇到的温度远远超过了上述标准的温度范围,如:徐州沛县龙谷镇三尖河煤矿的700 m开采深度处岩温为37.7 ℃,980 m深处岩温高达46.5 ℃,矿井突水水温更是达到了50 ℃。日本安房公路隧道长4.35 km,线路通过火山带,坑道涌水温度最高达75 ℃。我国的拉林铁路桑珠岭隧道,最大埋深为1347 m,在开挖1号横洞时出现了高地温问题,最高温度达86.7 ℃,洞内岩温达74.5 ℃。目前正在修建的川藏铁路雅安—林芝段穿越数条大型地热活跃带,构造条件极为复杂,也面临高温热害规避和防护等方面挑战。此外,随着滇藏、新藏铁路规划和建设,其穿越高温地热带时,高温热害将成为修建过程中面临的主要地质灾害之一。

在处理此类热害问题时,往往以防护为主,忽视了热害的资源属性,如何将热害资源利用起来“变害为宝”值得思考和探索。曾有部分矿区进行了热害资源化利用的尝试,如我国张双楼煤矿开采过程中在1000 m深度时遇到了43.7 ℃的岩温,使用热泵技术将热害资源利用起来后,工作面温度降低了7 ℃,同时每年可节省燃煤11790 t。2009年,德国Castle Freudenstein地热项目成功投产,该项目利用当地矿井水的地热能为Castle Freudenstein供暖和制冷。

总体来讲,矿山资源开发和工程建设中常遇到高温“热害”,但针对深部矿井和工程建设中“热害资源化”的研究相对不足,造成了地热资源的浪费。因此,需要进一步开展矿山资源开发和工程建设中高温“热害”评估工作,并积极发展热害资源化利用技术,推动“矿-热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用。

3.结论



(1)我国中深部地热资源的开发过程中,传统水热型地热资源利用是基础,EGS相关技术突破是关键,在水热型地热资源开发基础上的EGS将更有成效性。

(2)我国部分地区的地热流体中富集稀有元素,但目前存在地热流体中伴生矿产资源分布特征不清、潜力不明等问题,应加强地热水中稀有元素形成规律和超常富集机理研究,进一步开展深部地热流体中伴生矿产资源的综合开发利用。

(3)矿山资源开发和工程建设中常遇到高温“热害”,需要进一步开展矿山资源开发和工程建设中高温“热害”评估工作,并积极发展热害资源化利用技术,推动“矿-热共采”及工程建设中的“热害资源化”利用。




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