地球是一個(gè)直徑為6000多千米的實(shí)心球體，從地面到地球中心的距離比從北京到海南島2倍的距離還要遠(yuǎn)。地球由地殼、地幔、地核三部分構(gòu)成，整個(gè)結(jié)構(gòu)就猶如一顆半熟的雞蛋：蛋殼好比地球的地殼，其物質(zhì)狀態(tài)為固態(tài);蛋白好比地球的地幔;蛋黃好比地球的地核，物質(zhì)狀態(tài)為液態(tài)。地表以下平均每100米溫度升高約3℃。科學(xué)家研究顯示：地核與地幔邊界的溫度大約為3700℃，而地核內(nèi)部溫度可能高達(dá)5000℃，幾乎與太陽表面一樣熾熱。因此，地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著驚人的熱量，其中一部分地?zé)豳Y源便以干熱巖的形式埋藏于其中。
一、干熱巖是什么?
早期，干熱巖通常是指溫度高于200℃，埋藏于距地面2000米以下的無裂隙的巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體。伴隨著干熱巖勘測(cè)和開發(fā)的深入，干熱巖的概念有了更為廣泛的外延。只要巖體溫度高，埋藏深度合理，內(nèi)含流體較少(或不含流體)，能用各種技術(shù)手段提取其中的熱量，均可稱為干熱巖。
干熱巖屬于地?zé)豳Y源的一種，被譽(yù)為“來自地球母親的溫暖”。地?zé)豳Y源是一種來自地球內(nèi)部的熱能資源，溫泉便是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ牡責(zé)豳Y源。關(guān)于地?zé)岬膩碓矗卸喾N假說。一種假說認(rèn)為，地?zé)嶂饕獊碓从诘厍騼?nèi)部放射性元素衰變釋放出的熱能。還有一種假說認(rèn)為，地?zé)醽碓从诘厍蜃赞D(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能以及化學(xué)反應(yīng)、巖礦結(jié)晶釋放的熱能。而在地球的發(fā)展演化過程中，產(chǎn)生的熱能總量超過地球散逸的熱能，巨大的地?zé)崮鼙銉?chǔ)存于地球內(nèi)部，等待人們?nèi)ラ_發(fā)。
相比當(dāng)前已開發(fā)利用的各類能源，干熱巖具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。與煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源相比，干熱巖是一種清潔的可再生能源，不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的有害物質(zhì)。與太陽能、風(fēng)能、核能等新能源相比，干熱巖的穩(wěn)定性好，不受季節(jié)氣候晝夜條件的限制。此外，干熱巖的成本低，干熱巖發(fā)電的成本僅為風(fēng)力發(fā)電的一半，只有太陽能發(fā)電的十分之一，和煤炭發(fā)電的成本相當(dāng)。
干熱巖是無處不在的資源，分布幾乎遍及全球，從理論上說，隨著地球向深部的地?zé)嵩鰷兀魏蔚貐^(qū)達(dá)到一定深度都可以開發(fā)出干熱巖，因此干熱巖又被稱為是無處不在的資源。但就現(xiàn)階段來看，由于技術(shù)和手段等限制，干熱巖資源專指埋深較淺、溫度較高、有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱巖體。因此，當(dāng)前的干熱巖開發(fā)更多地著眼于這些地區(qū)，它們位于全球板塊或構(gòu)造地體的邊緣，構(gòu)造活動(dòng)劇烈，是地球釋放內(nèi)部能量的主要區(qū)域，地?zé)豳Y源十分豐富。
我國(guó)干熱巖分布廣泛，特別是東北地區(qū)、華北平原、東南沿海地區(qū)、西北地區(qū)均具有豐富的干熱巖資源，具有很大的開發(fā)潛力。以高溫干熱巖體的發(fā)現(xiàn)地青海共和盆地為例，其干熱巖理論資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤6303.05億噸，以其2%作為可開采資源量計(jì)算，折合的標(biāo)準(zhǔn)煤是中國(guó)2016年能源消耗的3倍。
干熱巖不但儲(chǔ)量豐富，還可以循環(huán)利用。開發(fā)干熱巖時(shí)，加熱產(chǎn)生水蒸氣的過程會(huì)使巖石溫度降低，但地心的熾熱巖漿會(huì)重新加熱這些巖石，從而實(shí)現(xiàn)干熱巖的周期性循環(huán)利用。
二、“石頭”也可發(fā)出電來?
目前，人們對(duì)干熱巖的開發(fā)利用，主要集中在干熱巖發(fā)電。干熱巖開發(fā)利用的核心是建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS工程)。首先從地表往干熱巖體中打一眼井(注水井)，將井口封閉后，注入高壓清水，此時(shí)井底能夠產(chǎn)生非常高的壓力，該壓力足以將致密的巖石壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)，或?qū)r體中的天然裂隙擴(kuò)張形成更大的裂縫;隨著清水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴(kuò)大，并相互連通，最終形成一個(gè)體積龐大的人工熱儲(chǔ)(類似一個(gè)巨大的鳥窩)。在距注水井合理的位置再鉆幾眼采出井，通過控制井眼軌跡，使采出井能夠貫穿壓裂縫網(wǎng)。整個(gè)EGS工程，通過注水井(回灌井)將低溫水注入到人工產(chǎn)生的、張開且連通的縫網(wǎng)中，低溫水與高溫巖體接觸被加熱，然后通過采出井便將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面，取出的水、汽溫度可達(dá)150～200℃，通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電，冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。整個(gè)過程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。
以法國(guó)東部阿爾薩斯地區(qū)的一座干熱巖發(fā)電站為例，工作人員在這里鉆了三眼深井，一直鉆到地表5000米以下的基巖中。發(fā)電時(shí)，用水泵以每秒100升的速度從中間的注水井向地下灌冷水，這些冷水被干熱巖加熱成約200℃高溫的水蒸氣，從另外兩眼生產(chǎn)井抽出地面，送入一個(gè)熱交換器，并在熱交換器中驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程消耗的總電量，只相當(dāng)于發(fā)電站發(fā)電量的20%。
增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開發(fā)和利用主要是建造兩個(gè)子系統(tǒng)：地下人工儲(chǔ)層和地面發(fā)電系統(tǒng)，二者都需要多項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用和集成。其中，創(chuàng)建地下人工儲(chǔ)層是目前研究的焦點(diǎn)。
三、我國(guó)干熱巖勘查開發(fā)現(xiàn)狀
我國(guó)干熱巖資源潛力巨大，開發(fā)前景廣闊，是極具潛力的戰(zhàn)略能源，但是我國(guó)干熱巖勘查與開發(fā)起步晚，在干熱巖形成機(jī)制、分布情況、熱儲(chǔ)特征、評(píng)價(jià)方法、勘查開發(fā)技術(shù)等領(lǐng)域仍存在較多尚未解決的問題。
為推動(dòng)我國(guó)干熱巖勘查開發(fā)，2013年以來，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局先后在東南沿海地區(qū)、松遼平原地區(qū)、華北地區(qū)和青藏高原等重點(diǎn)地區(qū)實(shí)施了干熱巖勘查。2014年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與原青海省國(guó)土資源廳共同組織實(shí)施的青海共和盆地干熱巖勘查鉆獲干熱巖，填補(bǔ)了我國(guó)一直沒有勘查發(fā)現(xiàn)干熱巖資源的空白。2017年5月在共和縣恰卜恰鎮(zhèn)完井的GR1干熱巖勘探孔再獲溫度新高，取得了一批重要成果，為我國(guó)進(jìn)一步開展干熱巖勘查開發(fā)研究打下了重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局圍繞國(guó)家清潔能源需求，加大力度在青海共和推進(jìn)干熱巖資源的試驗(yàn)性開發(fā)。
干熱巖開發(fā)利用的技術(shù)原理雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在大量的技術(shù)性難題，例如在干熱巖中鉆井，對(duì)鉆桿、鉆頭的壽命以及具有“鉆井血液”之稱的泥漿穩(wěn)定性都是極大的挑戰(zhàn);而地層中含有大量的礦物質(zhì)，在干熱巖開發(fā)中，被氣化的礦物質(zhì)會(huì)重新在井壁結(jié)垢，類似血管中的“血栓”，沉積時(shí)間一久很容易將開采通道堵死。面對(duì)眾多的技術(shù)性難題，科研人員唯有加快技術(shù)探索的步伐，才能在這場(chǎng)國(guó)際能源競(jìng)賽中拔得頭籌!