地热能开发

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第1082页（3000字）

20世纪人类才开始逐渐认识地热资源，并利用它来发电和进行名目繁多的直接利用，而且开始用钻探办法去开采蕴藏在地层深处的巨大地热能源。因此，从科学利用角度讲，地热能确实是崭新的有待人类大力开发的新型能源。

地热能的利用，可分为地热发电和直接利用两类。据估计，全球地下岩石温度在360℃以上的地热能，约占总地热能的1．4%，其蒸汽热能可用来发电；岩石温度在80℃～150℃之间的中、低温地热能，约占总地热能的0．7%，可直接用于工业加工，供暖、医疗、农业生产、水产养殖等各领域。据美国计算，仅这部分热能就相当于目前美国所消耗热能的4000倍之多。

为提高地热利用率，现在许多国家采取梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，先供暖后养鱼等。

目前，广泛应用的地热能是地下蒸汽和地下热水。温泉就是靠地下热水沿着地岩自然缝隙逐步向地表移动，到达地球表面形成的。而在没有地岩自然缝隙的地方，地下热水只能聚集在含水性好的岩层里。这些地热资源可以通过地质普查、地球物理勘探、红外遥感等探测手段找到，根据实际情况，经过某种地质过程，例如通过钻井、地下爆炸成裂缝或打对井后地下沟通等办法，把热能聚集形成能源。这种可供经济开采利用的地区，叫做“地热田”。

地热田有两种，一种叫“水热地热田”，一种叫“干热岩体地热田”。

“水热地热田”，除了要有较高温度的热源和存留热量的储热层以外，上面还有一层不透水的“盖层”，防止热水从地下自然上升到地表，可以保存高温热能。地热田盖层里储存的如是热水，其温度一般为200℃～300℃，这种热水通过钻孔到地面后，由于压力降低，一部分热水蒸发成蒸汽。如果盖层只有蒸汽，没有热水，也可提供蒸汽利用。

“干热岩地热田”，是指地壳里既没有热水，也没有蒸汽的地区，尽管那里地岩体有高达数百氏度的高温，而不能将其热能提引到地面上来利用。“干热岩体地热”能源的利用比起水热地热”的能源利用，要复杂困难得多。但其热温度都比较高，也正是人们注视开发的目标。

在地核中，存在大量高温流体，就是所谓的“岩浆”，这种高温岩浆在地核高压的驱使下从地壳的裂缝发展到地表，就是火山。没有从地缝中进发出来的一部分高温加热地下水，就形成了前面说的水热型地热田的热水资源和蒸汽资源。而另一大部分岩浆带出的地热多储藏在干岩中。一般情况下，地深5．5公里处的温度达180℃，即可直接用于驱动蒸汽轮机进行发电；而在地深2．2公里处的温度为80℃左右，即可直接用于供热使用。在那些地热温度梯度超过正常地热梯度(每公里升高30℃)，而大于每公里深度40℃的地区的地热资源，就叫“干热岩体”地热资源。这种高温岩体受到岩浆的不断加热，形成一种“永久加热器”。这种干热岩体的地热开发，被科学家认为是具有战略意义的。

早在1970年，美国洛斯阿拉莫斯研究所的莫顿·史密斯就首先提出了利用高温岩体发电的设想。并从1972年正式进行干热岩体地热资源的开发研究。

美国最初的试验，是在新墨西哥州北部的费尔顿山区。首先从地表钻两口竖井，到达地底高温岩层，然后，稍微相对弯曲一段。两口井深均为4000米，分为上井和下井，在两井之间充满高温岩体，这些岩体之间又有许多裂缝，便于蒸汽通过。从下井向地深处压入冷水，经过高温岩体的加热，变成蒸汽，然后由上井提升取出。为了扩大、增加岩体的裂缝，还曾进行了炸药爆炸。这就叫作“J”形井注水顶蒸法，或叫“对井法”。

经实验结果证明，注入的冷水被200℃的高温岩体加热成蒸汽，经上井喷出，就可获得平均为2300千卡的热能。后来，美国在这个地区建造了一座60千瓦的干热岩体实验发电站。以后，美国作为第二期开发计划，又在别的地区，进行了类似的实验，并开始开发从4500米深、320℃的干热岩体地热田里提取数万千卡热能的实验。

美国还对其投资费用和使用寿命进行了推算，建站投资费用与轻水型核裂变反应堆电站相近，但发电成本要低得多，每度电仅为1．56美分(目前，煤、石油发电单位成本为6～8美分，太阳能已可降到8～10美分)，整个系统寿命约为20年。

干热岩体地热的开发利用，技术难度大、投资多，这是发展慢的主要原因。干热岩体所处的环境恶劣、深度深、温度高、岩石硬、渗透性差。必需要有成熟的钻援技术和耐高温高压性能好的各种工具、仪器设备，如：井下流体注入器、井体流孔取样器、高温电缆终端装置、高温高压传感器、三维地下传音器等成套设备。为增加干热岩体的渗透性，还需要进行地下爆破，这种地下爆破既要保证不损坏深井本体，又要有效增加岩体细微裂缝，就需要有高超的控制爆破的技术。特别是高温岩体越深，其温度越高，能量也越大，而勘探难度也越大，成本也就会剧增。因此，开发干热岩体地热能还有许多技术难关需要攻破。

对于干热岩体地热能的开发研究，国际上很重视，日本、意大利、前苏联等国也相继进行了这种研究。日本除参加了美国的干热岩体地热能开发第二期计划研究工作外，在通产省组织下，其工业技术院还在岐山阜县烧岳山麓进行了1000米深井实验，以后又在山形县肘折温泉附近进行1800米深井试验。1988年日本电力中央研究所完成了地热资源探测技术的研究，并在秋田县试验“水压破碎”技术获得成功，还计划开发从高温岩体中抽出热能发电技术。

前苏联除了研究干热岩体发电外，还研究直接利用干热岩体的热能供热。设计方案是打3000米左右的深井，用“对井法”冷水泵入人工破碎后的热岩区，加热到50℃～70℃，然后以水、汽混合形式提出，每小时可提供1500万千卡的热量，供城市工业用热和采暖用热。

英、法等西欧国家也分别进行了干热岩体热发电的开发实验。

另外，岩浆发电也引起一些国家的重视。利用岩浆地热发电是由美国首先提出的。美国能源部在1975～1981年间已进行了基础研究，1984年后又进行了工程验证研究，80年代末美国已选定岩浆发电试验场地，准备在加里福尼亚州的卡尔德拉地区打6000米深的地热井，以实现岩浆地热发电。据美国估算，仅美国的岩浆资源数量就可折合为250～2500亿桶石油，比美国矿物资源全部蕴藏量还多。1988年前，美国已在夏威夷岛一个熔岩湖进行了现场实验。

日本能源综合工学研究所未来能源研究小组，也于1988年提出了岩浆发电的总体技术方案，准备尽早投入岩浆地热资源开发。