不過眼睛總是會騙人，實際情況或許出乎大家意料。地球其實是一個外冷內熱的小火球，內部蘊含著很高的熱量。雖然不能與太陽這種大火球相比，但據(jù)估計地球中心的溫度也達到了驚人的6000 。

　　地球內部結構  圖片來源：flickr/ Argonne’s Advanced Photon Source

　　有學者認為地球熱量來源主要有三個，一是地球內部放射性元素衰變產生的熱量，二是地球內部致密物質下沉到地心時重力勢能轉化成的熱量，三是地球形成時尚未散失的熱量。總而言之，這些都是地球自身產生的熱量。

　　這些能量能不能被人類利用起來？今天，就給大家介紹一種“未來能源”——干熱巖。

　　地下除了溫泉，巖石也很熱啊

　　雖然地心高溫，但是據(jù)資料顯示，地表年平均溫度只有15 左右。這是因為從地心到地表熱量逐漸散失，溫度越來越低，這也讓地層中出現(xiàn)了地溫梯度。在靠近地表的區(qū)域，平均地溫梯度是3 /100m，即每深入地下100 m，溫度就升高3 ；反過來，每向地表靠近100m，溫度降低3 。

　　發(fā)現(xiàn)這些來自地下的熱量后，人類就想加以利用，將其稱為地熱資源，并按照產出方式分為水熱型地熱資源和干熱型地熱資源。

　　水熱型地熱資源可以簡單理解為地下熱水。溫泉就屬于水熱型地熱資源，這是地下熱水冒出地表后的產物。還有一些地下熱水并不冒出地表，而是一直封存于地下。水熱型地熱資源的應用實例，除了泡溫泉之外，在國內比較著名的就是西藏羊八井地熱田了，1977年我國就在此建了一座地熱發(fā)電站，并取得了良好效益。

　　泡溫泉就是利用的水熱型地熱資源  圖片來源：wikipedia

　　相應的，干熱型地熱資源可以理解為雖然地下的巖層很熱，但沒有水或者只存在很少的水。一般是指埋藏于地殼3~10 km 深處、溫度高于180 （也有學者認為是150 或者200 ）的高溫巖體，因此干熱型地熱資源也被稱為干熱巖。

　　之所以強調3~10 km這個深度，倒不是說更深的就不熱了，而是因為更深的地方我們夠不著了。目前人類最深的鉆井記錄是蘇聯(lián)的科拉超深井，花了20年時間才達到12.2 km，而且耗資巨大。因此我們一般只關注那些地溫梯度比較高，即挖得不深就能很熱的地方，這里投入產出比比較高。中國的干熱巖資源主要集中在西藏羊八井地區(qū)、云南騰沖地區(qū)以及青海共和盆地等地。

　　中國干熱巖資源分布圖  圖片來源：參考文獻[13]

　　干熱巖的資源量是相當可觀的。據(jù)麻省理工學院保守估計，地殼中可開采的干熱巖儲量接近1.3 10^27 J，可供全球使用大約2.17億年。而中國大陸3~10 km 深度的干熱巖資源據(jù)統(tǒng)計約為2.52 10^25 J，大致相當于860萬億噸的標準煤。根據(jù)中國2021年的能源消費總量52.4億噸標準煤計算，如果這部分干熱巖可以實現(xiàn)2%的開采率，那么將能夠維持中國3282年的能源供給。

　　不過，干熱巖這種資源這么好，怎么還不開采利用呢？ 

　　能量誘人，開采不易

　　雖然干熱巖資源的前景非常誘人，但開采起來困難極大，直到上世紀70年代才有了較大的理論突破。1970年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室提出了增強型地熱系統(tǒng)（Enhanced geothermal system， EGS）的概念，基本原理大概是這樣的：向地熱儲層中打兩個井，注入井和生產井。向注入井中注入冷水，等冷水流經地熱儲層被加熱后，再用生產井把熱水抽上來，然后就能用這熱水供暖或發(fā)電了，用完還可以將這些水導入地下循環(huán)利用。

　　EGS工程示意圖   圖片來源：作者自制

　　這個方案乍聽起來簡便劃算，等于說讓冷水去地熱儲層串門后，就能帶著熱量滿載而歸了，但實際存在很多工程技術上的難題。比如干熱巖資源所處的地層往往又熱又硬，鉆井難度大、成本高；又比如干熱巖儲層可能致密不透水，注入的冷水無法向鉆井周邊擴散吸熱，難以流到生產井被抽出。

　　盡管我們可以通過水力壓裂技術（注入高壓水破壞儲層結構，在其中形成裂隙網絡）來改善儲層的滲透率，但由于地下操作看不見摸不著，高壓水注下去后，難以保證裂隙就只按我們想要的方向發(fā)展，萬一它向遠離生產井的方向發(fā)展，那我們注入的水就收不上來了。

　　水力壓裂技術示意圖，向地下注入高壓水溶液，利用高壓使得巖層中產生裂隙，目前頁巖油采集也主要使用本技術   圖片來源：Wikipedia

　　1973年，美國開啟了Fenton Hill干熱巖試驗項目，首次進行了EGS的工程嘗試。雖然這個項目最終因鉆井設備缺陷以及工程成本巨大等原因失敗了，但也證實了EGS技術上的可行性，對干熱巖地熱開采起到了至關重要的推進作用。此后英國、法國、德國、澳大利亞以及日本等相繼開展了一系列的EGS 工程嘗試，其中由法、英、德三國于Soultz聯(lián)合開展的EGS系統(tǒng)是目前世界上較為成功的EGS示范項目，于2008年實現(xiàn)了干熱巖地熱發(fā)電。

　　在歐洲的EGS技術成功后，美國、韓國和中國等國家也加速了這方面研究。美國能源部于2015 年4 月開始實施了“給地球插上插頭”的干熱巖“地熱能前沿瞭望臺研究計劃”（FORGE），計劃在2050 年將EGS 發(fā)電的總裝機容量提高到10 萬兆瓦，相當于4個三峽大壩。

　　韓國于2016 年啟動了國內第一個EGS 項目嘗試—Pohang EGS，其最終目標是期望實現(xiàn)1 兆瓦（MWe ）的發(fā)電示范。但在該項目啟動后，2017年在項目所在地附近發(fā)生了一次5.5級地震，有研究認為可能是這個項目向地下注水時誘發(fā)了地震，因此這個項目被迫停止。

　　韓國2017年浦項地震一角，這是該國近年來最大的地震之一，被懷疑很可能與EGS有關。  圖片來源：wikipedia

　　中國科學家2017年5月在青海共和盆地東部的GR1 地熱井3705 米深處鉆獲了236 的高溫巖體，這是國內首次發(fā)現(xiàn)的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體；2022年1月，在共和盆地成功實現(xiàn)國內首次干熱巖試驗性發(fā)電并網，取得歷史性重大突破。

　　共和盆地干熱巖壓裂與定向鉆探現(xiàn)場  圖片來源：中國地質調查局

　　除了傳統(tǒng)的EGS方法外，還有學者另辟蹊徑。其中值得一提的就是我國學者創(chuàng)新提出的重力熱管技術，原理很巧妙：把一根導熱性極好的管道插入到干熱巖地層中，然后熱管就會自動把熱量傳導上來。不過由于距離很長，只用熱管的話可能采熱效率不佳，為此我們可以向管中注入氨水，氨水受熱后容易汽化，可以很方便地把熱量以蒸汽的形式帶上來，進一步提高了采熱率。

　　《中國科學報》2022年1月報道了中國地質調查局與中科院廣州能源研究所合作創(chuàng)新研制的國內最長的4200米重力熱管采熱試驗裝置。在雄安新區(qū)為期3個月的現(xiàn)場采熱試驗顯示，單井短時采熱功率可達1.3兆瓦，平均采熱功率800千瓦，長期穩(wěn)定運行可支撐供暖面積超2萬平方米。這一技術突破也是我國科技工作者對世界地熱資源開采事業(yè)的一大貢獻。

　　重力熱管技術示意圖  圖片來源：作者自制

干熱巖開采的隱患，怎么解決？

　　有人擔憂干熱巖開采可能引發(fā)的問題。一是誘發(fā)地震，如前文提到的韓國地震。不過，事實上這里的地震問題主要是水力壓裂導致的，其他使用水力壓裂技術的工作比如頁巖氣開采等也可能引發(fā)類似的問題。而已有研究指出水力壓裂對3級以上地震活動影響有限，同時水力壓裂誘發(fā)的微地震可能有助于釋放累積的地應力或能量，降低大震風險。此外還有學者認為水力壓裂導致的地震是可以控制的。

　　二是影響地球壽命。地熱資源是地球自身熱量的一部分，我們自作主張拿走了地熱資源，有人擔心會是殺雞取卵。應該說地球內部的龐大熱量確實是地球還“活著”的象征，它是地球上多種地質活動比如火山和地震的動力來源，等哪一天它消耗用盡后，地球就可能會冷卻成月球那樣，變成沒有生機與活力的荒原。但大家對此其實不用太擔心，因為人類獲取的這一點熱量相對于整個地球而言實在是九牛一毛。而且即便人類不拿走，地球也要通過火山或地震來釋放自己的旺盛精力。

　　三是耗水量大，且影響生態(tài)環(huán)境。在EGS 儲層改造過程中，通常需要耗費數(shù)萬立方米的水資源，如前文提到的Soultz項目壓裂液用量就超過10萬立方米。而我國干熱巖資源主要分布在青海、西藏等水資源缺乏及生態(tài)脆弱的干旱地區(qū)，水力壓裂帶來的水資源浪費和生態(tài)破壞等問題不能忽視。對此有學者提出了用超臨界CO2充當壓裂液的方法，一來節(jié)約水資源，二來助力碳中和。目前是研究熱點，希望可以早日大規(guī)模應用于實踐。

　結語

　　總的來說，雖然很多國家都制定了開采干熱巖資源的宏偉計劃，但各國普遍還處于小規(guī)模的試驗探索階段。中國地質科學院研究員王貴玲直言：“（干熱巖開采技術）50年的時間沒有特別明顯的進展”。而中國因為起步較晚，技術積累方面相對更加薄弱。

　　但毋庸置疑的是，干熱巖是極富潛力的未來能源，儲量巨大，且綠色無污染，一旦在開采技術上實現(xiàn)了重大突破，就能很好地造福人類社會。

參考文獻:

[1] 雷治紅. 青海共和盆地干熱巖儲層特征及壓裂試驗模型研究[D]. 吉林:吉林大學,2020.

[2] 陰偉濤. 裂縫充填干熱巖體THM耦合響應及其應用[D]. 山西:太原理工大學,2020.

[3] SCIENTIFIC AMERICAN. Why is the earth's core so hot? And how do scientists measure its temperature? [EB/OL], https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-earths-core-so/,1997-10-06.

[4] Zhihong Lei, Yanjun Zhang, Senqi Zhang, Lei Fu, Zhongjun Hu, Ziwang Yu, Liangzhen Li, Jian Zhou. Electricity generation from a three-horizontal-well enhanced geothermal system in the Qiabuqia geothermal field, China: Slickwater fracturing treatments for different reservoir scenarios. Renewable Energy. Volume 145, 2020, Pages 65-83, ISSN 0960-1481.

[5] 國家統(tǒng)計局. 中華人民共和國2021年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[R]. 2022-02-28.

[6] 央視網.《透視新科技》20220612滾燙的巖石, 2022-06-12.

[7] 馮麗妃. 雄安新區(qū)完成4200米重力熱管采熱試驗[EB/OL], https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/1/367900.shtm, 2022-1-24.

[8] 蔣方明,黃文博,曹文炅.干熱巖熱能的熱管開采方案及其技術可行性研究[J].新能源進展,2017,5(06):426-434.

[9] 王堯,郭遲輝,呂承訓,孫月,劉江濤.國際水力壓裂與地震關系研究進展及地質工作建議[J/OL].地質通報:1-10[2022-07-31].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4648.p.20210326.1547.002.html.

[10] 藺文靜,劉志明,馬峰,劉春雷,王貴玲.我國陸區(qū)干熱巖資源潛力估算[J].地球學報,2012,33(05):807-811.

[11] 彭娜. 我國首次！海南州實現(xiàn)干熱巖試驗性發(fā)電并網[EB/OL], http://www.qinghai.gov.cn/zwgk/system/2022/01/22/010402038.shtml, 2022-01-22.

[12] 張欣瑋. 超臨界CO2壓裂頁巖復雜裂縫形成機理及等效滲流模型[D]. 重慶:重慶大學,2018.

[13] 王貴玲,劉彥廣,朱喜,張薇.中國地熱資源現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].地學前緣,2020,27(01):1-9.DOI:10.13745/j.esf.2020.1.1.

作者：肖易東 中國科學院地質與地球物理研究所