中國地熱勘探開發利用的第二個春天已經到來

天津地熱國際研討會側記

來源:中國自然資源報 作者:田雪蓮 范基姣 關曉琳 發布時間:2018-10-17

 9月20日-21日,中國地質調查局水文地質環境地質調查中心、吉林大學、中國地質大學(武漢)主辦的地熱國際研討會在“中國溫泉之都”天津召開。來自中國、美國、法國、新西蘭等國家的200多位地熱專家,分享了地熱資源勘查開發利用的典型案例和最新科研成果,共同探討了地熱開發利用現狀與趨勢,為正在崛起的地熱產業注入新活力。

 多樣化、高效梯級利用:世界地熱能開發利用水平逐年提高 

 地熱能是蘊藏在地球內部的熱能,通常分為淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖型地熱能。國際能源署(IEA)、中國科學院和中國工程院等機構的研究報告顯示,世界地熱能基礎資源總量為1.25×1027焦耳(折合4.27×108億噸標準煤)。其中,埋深在5000米以淺的地熱能基礎資源量為1.45×1026焦耳(折合4.95×107億噸標準煤)。地熱能以其清潔、高效、可再生的優勢,在未來清潔能源發展中占有重要地位,有望成為能源結構轉型的新方向。目前,全球有效開發利用地熱資源的國家已達80多個。地熱能開發利用方式呈現多樣化、高效梯級利用的特點——直接利用(供暖、康養、旅游、種養殖等)和發電。

 在直接利用方面,截至2015年底,世界開發利用淺層地熱能的地源熱泵總裝機容量約為5萬兆瓦,占世界地熱能直接利用總裝機容量的71%左右;水熱型地熱能供暖裝機容量為7556兆瓦,占世界地熱能直接利用總裝機容量的10.7%。

 地熱能發電是地熱能利用的重要方式。2015年,世界水熱型地熱能發電裝機容量為1.26萬兆瓦。冰島地熱發電量占到全國總發電總量的30%,而且全國90%的房屋采用地熱供暖。美國地熱發電裝機容量已達3500多兆瓦,正在實施的地熱能前沿瞭望臺工作計劃到2050年將實現為1億家庭提供綠色用電。

 目前,干熱巖型地熱能的開發利用正處于試驗研究階段,它是未來地熱能發展的重要領域。美國、法國等國家經過近40年的探索,在干熱巖勘查評價、熱儲改造和發電試驗等方面取得了重要進展,積累了一定經驗。相比而言我國起步較晚,2012 年,科技部設立國家高新技術研究發展計劃( 863計劃),開啟了中國干熱巖的專項研究;中國地質調查局和青海省地勘局在青海共和盆地組織開展了干熱巖調查評價。

 中低溫地熱供暖為主、發電為輔:中國地熱能產業體系已現雛形 

 在政策引導和市場需求推動下,中國地熱資源利用已經形成了以中低溫地熱供暖等為主、發電為輔的格局。尤其是在水熱型地熱能利用方面,以年均10%的速度增長,已連續多年位居世界首位。截至2017年底,水熱型地熱資源供暖建筑面積超過1.5億平方米,淺層地熱能實現供暖(制冷)建筑面積超過5億平方米。

 中國地質調查局水文地質環境地質部副主任吳愛民系統闡釋了中國地調局聯合國家能源局、中國科學院和國務院發展研究中心等機構發布的《中國地熱能發展報告(2018)》白皮書。他介紹說, “十二五”期間,中國地質調查局組織全國60多個單位3000多名技術人員,完成了全國地熱資源調查,對淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖型地熱能資源分別進行評價。結果顯示,我國大陸336個主要城市淺層地熱能年可采資源量折合7億噸標準煤,可實現供暖(制冷)建筑面積320億平方米;水熱型地熱能年可采資源量折合18.65億噸標準煤;初步估算中國大陸埋深3~10千米干熱巖型地熱能基礎資源量折合856萬億噸標準煤,其中埋深在5500米以淺的基礎資源量折合106萬億噸標準煤。鑒于干熱巖型地熱能勘查開發難度和技術發展趨勢,埋深在5500米以淺的干熱巖型地熱能將是未來15~30年中國地熱能勘查開發研究的重點領域。

     在上世紀70年代我國著名地質學家李四光倡議開展“地熱會戰”的京津冀區域,正憑借地熱資源稟賦和開發基礎,成為中國最大的地熱城市群。截至2015年底,京津冀年利用淺層地熱能建筑物供暖制冷面積為8500萬平方米,約占全國的20%。天津市是中國中低溫地熱資源利用最好的城市之一,現有地熱開采井466眼,地熱供暖面積3500萬平方米,占全市集中供暖面積的8%,主要用于供暖、生活用水和特殊用途等。河北省雄縣供暖建筑面積達460萬平方米,滿足縣城95%以上的冬季供暖需求,創建了中國首個供暖“無煙城”,形成了水熱型地熱能規模化開發利用“雄縣模式”。

 盡管我國地熱能產業體系初步形成,但我國地熱能發展也存在不充分、不協調的深層次問題,亟待解決。

 一是對地熱能資源勘查評價和科學研究不充分。我國進行過兩次全國性地熱能資源評價,僅對少數地熱田進行了系統勘查,研究基礎薄弱,分省、分盆地資源評價結果精度較低,與發達國家相比存在明顯差距。二是對地熱能產業發展初期扶持的政策不充分。目前,中央和地方政府出臺了一些財政和價格鼓勵政策,對加快淺層地熱能開發利用及促進北方地區清潔供暖具有積極的引導作用,但政策不完善,執行不到位、不充分。三是地熱能產業發展不協調問題依然突出。四是地熱能資源管理制度不協調,缺乏具體可落地的管理手段和措施。

 增強型地熱系統:國際干熱巖勘探開發的前沿成果令人耳目一新 

 增強型地熱系統(EGS),即通過水力壓裂等儲層改造手段從低滲透率、低孔隙度的高溫巖體中提取熱量的工程,是從地球深部抽取地熱能量的一個復雜過程。從1973年美國芬頓山EGS項目至今,已有8個國家形成了31項EGS示范工程,累計發電裝機容量約為12.2兆瓦。

 深部地熱探測與干熱巖資源開發正成為全球地熱資源開發的熱點和制高點,也成為這次研討會廣泛熱議的話題。

 本次地熱國際研討會吸引了美國地質調查局地質礦產能源與地球物理科學中心主任科林·威廉姆斯、美國地熱能前沿瞭望臺(FORGE)計劃干熱巖項目首席科學家約瑟夫·摩爾、法國蘇爾茨干熱巖商業化發電項目首席科學家阿爾伯特·金特爾等國際知名專家,他們結合干熱巖勘探開發工程案例,介紹了地熱(干熱巖)EGS場地勘查選址、鉆完井、高溫測井、壓裂造儲、大地熱流數據收集、地熱田三維建模、注采開發誘發微震等技術問題以及研究新成果和新認識。

 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心張森琦分享的干熱巖勘查成果令人振奮。2013 年以來,中國地質調查局與青海省聯合推進青海重點地區干熱巖型地熱能勘查,在共和盆地圈定出14處隱伏干熱巖體,在盆地外圍圈定出4處干熱巖體,總面積3092平方公里。在其中一處干熱巖體——恰卜恰干熱巖體實施的勘探孔,3705米孔底深處的溫度達到236℃。

 與會各國專家表示,干熱巖勘查與開發需要攻克許多難題,以美國地熱能前沿瞭望臺“FORGE”計劃為例,主要有:高溫結晶巖中的水平井鉆進技術、低成本鉆進技術、硬巖鉆探新型完井方法和裂隙網絡壓裂技術、利用原生裂隙的應力場調整方法、誘發地震的預測和管控、熱—力學—化學模型、微震事件與有效儲層改造的平衡等。

 在高溫鉆井方面,國外已形成了可滿足260℃的完整的高溫鉆完井技術體系;美國等國家在探索試驗激光鉆井、熱熔鉆井、脈沖放電鉆井等技術,其中任何一種技術開發成功,都將引起干熱巖鉆井的革命性變化,明顯降低鉆井成本。

 在高溫固井和高溫測井方面,國外形成了適用溫度高達350℃的固井核心技術,而且主要掌握在斯倫貝謝等幾大國際油服公司手中。據悉,相關儀器設備如高溫測井儀器售價高昂,外國公司不對外銷售儀器,僅提供技術服務,而且服務價格很高。

 在地熱監測方面,實驗性項目主要集中在地熱井流體監測、熱儲改造誘發微地震監測、地熱開采環境影響監測等方面。法國公司在萊茵地塹地區實施的蘇爾茨增強型地熱系統采用光纖傳感技術進行了持續多年的溫度監測,取得許多新認識。

 政策激勵科技創新:典型國家地熱發展的有益經驗值得借鑒 

 會議報告顯示,世界主要資源國促進地熱能產業可持續發展的許多激勵政策和具體做法,對我國推進地熱能產業加快發展具有重要的借鑒意義。

 一是立法先行,理順地熱能管理體制機制。為了支持地熱能產業發展,發達國家普遍通過立法來確立地熱能法律屬性,明確管理權責主體,理順政府管理體制機制。

 二是政策激勵,推進地熱能規模化開發利用。發達國家地熱能產業發展具有鮮明的政府引導與政策引領特征。美國、德國等國家均出臺了包括稅收抵免在內的多項稅收優惠政策,對地熱能開發利用項目給予一定比例的財政補貼。

 三是科技創新,推動地熱能高效勘探開發利用。世界地熱能發展典型國家均重視科技創新,通過加大科研經費投入、設立重大科技研發計劃、組織聯合研發團隊等方式,持續推動地熱能勘探開發利用顛覆性技術攻關,助力地熱能產業提質增效。

 四是國際合作,助力發展中國家地熱能較快發展。發展中國家也高度重視地熱能產業發展,通過吸引國外資金和先進技術開發利用本國地熱能。

 產學研用協同攻關:打造中國地熱能全產業鏈 

 我國地熱能資源雄厚,市場空間廣闊,發展趨勢良好,是極具發展潛力的朝陽產業。如何用好地熱能這一“充電寶”,構建地熱能全產業鏈,為我國高質量綠色發展和生態文明建設高質量發展注入“能量”,是行業內外一直關注且迫切需要解決的問題。專家們在演講中紛紛對此提出建議。

 中國科學院院士汪集旸在報告中拋出了“地球充電/熱寶”新概念,引起與會者極大興趣。他認為,可以將棄風棄光所產生的能量,以及分散在城市中的發電廠、污水處理廠余熱等各種“廢熱”能量集中起來儲存于地下并按需求取出加以利用。這種地熱與其他可再生能源互補綜合利用、實現較高能源使用效率的“地熱+”模式,為我國北方地區可再生能源綜合利用提供了新思路。

 吉林大學許天福教授特別對我國干熱巖地熱產業發展提出建議。他說,干熱巖資源潛力大,研發周期長,政府要加大投入,以高校與科研院所為依托,與企業緊密合作,實現“產學研用”聯合攻關。在我國西部青海、西藏地區,加強高溫花崗巖型干熱巖EGS工程示范基地建設,使我國在該技術領域盡快達到國際同等水平。在我國東部華北平原、松遼盆地等地區,推進沉積盆地型干熱巖示范基地建設。依托EGS示范基地,實現干熱巖開發利用關鍵技術的集成及驗證,研發單井封閉性干熱巖高效換熱開發技術等。

 自然資源部中國地質調查局副局長王昆在講話中提出的三項重點工作可謂及時回應了人們的關切。他表示,中國地調局將重點對目前還不具備商業開發條件、技術尚不成熟的深部地熱能和干熱巖組織科技攻關,近期重點開展3個方面工作:

 一是加快推進深部地熱資源勘查。中國地調局將深部地熱勘查開發擺在與天然氣水合物勘查開發同等重要的戰略位置,加大資金投入和工作力度,部署開展全國深部地熱資源勘查。根據北方地區冬季清潔供暖的需要,優先啟動北方主要城市深部熱儲探測,推進地熱資源高效開發利用。

 二是實施干熱巖資源勘查與試驗性開發科技攻堅戰。以青海共和盆地為試驗區,聯合地方政府、企業和科研院所,多方協作,研究熱源機制,突破干熱巖探測、高溫硬巖鉆探、儲層建造、發電等關鍵技術,力爭實現試驗性發電,建成中國首個干熱巖勘查開發示范工程和研究基地,為中國干熱巖商業化、產業化開發積累經驗。

 三是搭建地熱勘查開發科技創新平臺,深化國際合作交流。組織實施地球深部探測計劃,打造雄安新區和青海共和地熱資源勘查開發國際交流合作平臺,建立地熱勘查開發國家級重點實驗室,聯合發起國際地熱大科學計劃。

 中國地熱勘探開發利用的第二個春天已經到來。

中外專家一起查看天津地熱勘探井巖芯

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