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产业技术前沿
蔺文静浅谈我国地热资源勘探开发利用历史、问题及建议
来源:地大热能 2015-10-13
  摘  要:作为一种重要的可再生能源,我国自建国以来以来就进行了系统地地热资源勘查、开发与研究工作,先后经历了初创阶段、初步发展阶段、重要进展阶段以及地热资源市场化等几个发展阶段,本文在查阅国内地热资源调查、评价相关报告以及文献的基础上,简要回顾了我国以往地热工作几个发展阶段的相关工作,重点对我国目前地热资源勘查和开发中存在的主要问题进行了系统的总结,最后,提出了今后我国地热工作的重点工作方向。
  
  我国是世界上利用地热资源较早的国家之一,至今已有2000多年的悠久历史。历史上对地热资源的开发利用大多限于对温泉的直接利用上,且主要用于医疗和洗浴方面。新中国成立以后我国进行了系统地地热资源勘查与开发,将我国的地热资源开发利用推向了一个新阶段。然而,自上世纪九十年代以后,由于对地热资源勘探等研究经费减少,地热资源的形成机理研究、地热资源勘探方法、开发利用规划、热储工程学研究等几乎处于停滞状态。近些年来,随着我国经济持续续高速增长,为应对能源危机、促进我国可再生能源事业的发展,地热资源的勘查、开发、利用又一次引起了国家相关部门的重视,一些全国性的地热资源调查评价项目纷纷上马,地热资源的开发利用即将掀起新一轮的热潮。本文将在查阅国内地热资源调查、评价相关报告以及文献的基础上,回顾我国以往地热研究工作,并试图对我国目前地热资源勘查和开发中存在的主要问题进行全面的分析,提出今后一段时间内我国地热工作的重点工作方向,为即将开始的全国地热资源调查、评价及其开发利用区划提供参考。
 
  1我国地热工作研究程度
  我国是世界上地热资源储量较大的国家之一,尤其是中低温地热资源,广泛分布于我国东南沿海、西南地区、胶东半岛、辽东半岛和大面积分布的沉积盆地。新中国成立以后我国进行了系统地地热资源勘查与开发,将我国的地热资源开发利用推向了一个新阶段。根据1999年国土资源部地质环境司组织全国各省、自治区、直辖市区国土资源部门开展的“中国地热资源开发利用规划”提供的资料(表1),全国现有温泉约2710余眼,地热井约2239余眼,地热田约275余处,地热水开采量约3.5亿m3/a,主要用于采暖、洗浴、医疗、旅游、养殖、种植以及发电等,为区域社会经济发展做出了重要的贡献。
  我国地热资源勘探与大规模开发利用始于上世纪中叶,关于其发展阶段,陈墨香等[1]曾做过系统地总结,大致将我国地热资源勘查与开发利用的过程划分为初创、初步发展、重要进展等几个阶段,各阶段的主要工作简要回顾如下。
  1.1 初创阶段
  我国是温泉广布和热水利用历史悠久的国家,1949年之后,随着地质普查找矿工作的开展,为建立和扩建温泉疗养院,我国开始对温泉进行调查,在若干温泉区进行了地质勘探,根据所获得的资料对某些地区温泉分布特点和其形成机制作了初步的分析和讨论,并首次新编了全国温泉分布图。为配合大地构造的研究,中国科学院地质研究所和地矿部地质力学研究所于20世纪60年代初期先后开始研制岩石热物理性质测试和钻井测温装置,地质力学所在包括房山花岗岩岩体在内的若干地点测得了较准确的传导地温梯度数据,地质所估算得松辽盆地3个热流值。这个时期,投入地热工作的力量有限,工作进展缓慢,处于起步阶段。
  1.2 初步发展阶段
  由于地热能作为一种新能源在国际上逐渐兴起以及我国着名地质学家李四光教授的倡导,地热资源于60年代末至70年代初在我国引起广泛的注意,促进了我国地热研究工作的开展,区域地热资源普查、地热资源开发利用、地热基础理论方面都取得了显着的进展。
  上世纪70年代以来,我国在20多个省区开展地热资源普查和考察,累积了一批资料,其中尤以中国科学院青藏高原综合科学考察队于1973-1976年对西藏高原地热活动地表热显示的考察最为系统而全面[2]。在地下热能的开发利用方面,在这一阶段开始进行地热发电站的建设。1975年开始布钻勘探的西藏羊八井地热田,是我国大陆经勘探证实的第一个高温地热田,于1977年建立了一座装机容量为1MWe的示范性电站。羊八井地热电站的成功运行,鼓舞了国家和地方的能源决策部门,加速该热田的开发过程。在地热其他利用方面,北京、天津和西安等地区相继开展了低温热水温室种植、水产养殖、疗养-洗浴和取暖等地热综合利用的试验研究。在地热基础理论研究方面,初步分析了华北平原地温分布的特点和局部地热异常的形成机制,发表了我国第一批大地热流数据并作出相应的解释[3];以板块构造观点,讨论了西藏高原现代强烈水热活动的机制,首次提出喜马拉雅地热带的概念性模式;用流体力学方法,探讨了海底扩张的驱动机制,大陆岩石圈的热模式和地馒热柱上涌等问题。
  1.3 重要进展阶段
  进入上世纪80年代,我国地热研究在前期工作的基础上,有了重要的进展[4-11],主要表现为:(1)在地热上有重要意义的地区或地质构造单元有计划地进行了研究;(2)有重点地开展了地热资源勘探研究,对我国地热资源分布特点,或对其潜力作了分析和评估;(3)地热研究地域由陆地向海洋扩展;(4)矿山地热和油田地热工作进一步开展。
  1.4 地热资源市场化阶段
  由于地热资源的自身优势和我国社会发展与经济技术进步,上世纪90年代以来,掀起地热资源开发热潮,地热井的深度越来越大(最深已过4000m),范围也远远超出了“地热异常”的概念,具有十分明显的市场特征[12]。这期间的勘查工作多围绕井点进行,未进行全面系统的区域性勘查评价工作。由于地热资源勘查与开采的市场化,造成了不科学的无序开采局面和资源的极大浪费。虽然天津、北京、西安等主要开发区采取的必要的政府干预手段,效果仍不十分明显。因此,通过地热资源与开发利用区划势在必行。
  据相关统计,目前我国已勘探的热田有103处,提交的可采地热资源量(B+D级)为33283.473×104m3/a,初步评价的热田214个,D+C级热水可采资源量约5×108m3/a。
  1999年国土资源大调查开展以来,中国地质调查局先后组织实施了宁夏银川平原、北京市城区陕西关中盆地,鲁北地区等地地热资源勘查评价工作。
 
  2 存在的问题
  自上世纪九十年代以后,由于对地热资源勘探等研究经费减少,地热资源的形成机理研究、地热资源勘探方法、开发利用规划、热储工程学研究等几乎处于停滞状态。地热资源勘查和开发中存在以下主要问题:
  2.1 国家对地热资源勘查投入严重不足,全国地热资源勘查评价及研究水平程度低
  目前,全国大部分地区尚未开展系统全面的地热资源勘查评价工作,特别是我国西部及华北平原地区的中低温地热资源,基本未开展正规的地热勘探。全国地热资源总量是个概数,至今尚未取得公认的统一数据。经过资源储量管理部门审批可作为进一步勘查或开发利用规划的地热田103处,约占已发现地热田的1/3。勘查评价滞后于开发利用,严重影响了地热资源勘查开发规划的制定、资源的利用以及地热产业发展。尤其是自上世纪90年代以来,国家在地热资源勘查方面基本上没有投入。近年来地热勘查开发是由各种所有制经济主体参与和推动,基础地热地质勘查工作薄弱,后备资源不足,地热市场供需矛盾日益突出。因市场机制追求的是直接经济利益,对于服务于各级政府的地热资源规划的评价、论证和区域性地热田资源勘查评价等基础性、区域性、全国性勘查工作,单凭市场无法解决。地热资源开发是高风险、高投入、高收益的产业,如果不将区域资源论证清楚,把地热资源的地质基础做好,就不能正确地引导地热资源开发利用,政府管理部门不可能做到科学管理。部分地热田已打成地热井数十眼,形成相当的开发规模,但整个地热田资源状况尚未进行评价,开发管理缺乏科学依据,处于盲目开采状态。
  另外,在地热基础理论研究方面,如地热回灌技术、干热岩开发利用技术、地热资源综合开发利用技术以及深部地热勘探技术等都几乎处于停滞状态。
  2.2 地热资源开发利用水平低,资源浪费现象严重
  地热资源开发利用规模化、产业化水平不高,热能利用率低、资源浪费比较严重。相当一部分天然温泉水没有充分利用,被白白浪费;井采地热水回收率低,利用方式单一,弃水量大、温度高。由于梯级开发利用和“一采一灌”的开采回灌制度没有得到普遍实施,废弃了大量的高温、高矿化度地热水,不仅造成资源浪费,还由此产生了周围环境和地下水的热污染和化学污染。在一些采取直供、直排供暖方式的单位,其热能利用率仅为20%-30%,严重浪费了地热资源。
  2.3 地热资源评价方法有了长足的发展,但需进一步完善
  沉积盆地传导型地热资源评价方法有了长足的发展,这些方法有热储法、解析模型法、类比法和数值模型方法等,这些方法各有长处,但也存在一些不足之处。如热储法过去只考虑了静储量,对于弹性储量的考虑偏少,虽然目前有不少学者已经在考虑弹性储量,但是弹性储量与允许开采量之间的关系仍缺乏认识,但在实际中,所开采的地热资源绝大部分应属于弹性储量的。解析模型方法需要大量的抽水试验资料,且需要满足模型的前提假设条件,使得评价结果与实际有一定的出入,尤其在大型地热田评价中,出入较大。类比法属于经验方法,缺乏理论基础。数值模型方法属于评价精度较高的一种方法,但其要求比较清楚地掌握热储层结构、物理参数、热物理参数、水位(压力)和开采动态的情况,多数地方实施起来比较困难,也不利于进行实时的资源评价。在允许开采量的评价中,最大合理降深的确定存在着不同的观点和认识,对评价结果的准确性有较大影响。经济社会环境效益评估是一项较新的工作,在一些地方,如温泉之乡,有较成功的经验,但在区域上推广还需要进一步探索。另外,传统的地热资源评价方法仅从资源量角度对地热资源进行评价,随着社会经济的发展,作为一种可再生能源,除了在能源角度具有巨大的开发利用潜力外,地热资源越来越显示了其在医疗、景观以及旅游等行业的利用前景,现行的地热资源评价结果已不能满足社会各行业对地热资源开发的需求,因此,对传统地热资源评价方法进行梳理和总结,形成一套切合实际的评价方法,是当务之急。
  2.4 地热资源开发缺乏科学指导,严重影响地热资源的可持续利用
  部分地区地热井过于集中,过量开采现象严重,只采不补,造成地热水位、水温持续下降,严重影响地热资源的可持续利用,局部地区还出现地面沉降等问题(图1)。根据天津塘沽、大港的监测资料,地热开采造成的地面沉降约为6-10mm/a。因此,必须加强热矿水开发的论证和勘查工作,对地热井进行合理布局,限量开采,有效保护,持续发展。
  2.5 对地热资源开发利用的监督管理力度及技术支撑力度不够
  地热资源是一种矿产资源,应由国土资源地矿行政主管部门统一管理。但在有些地区,地热资源管理设在其它部门。有些地区把地热资源混同于普通水资源进行管理,重复发证,造成地热资源管理的混乱。目前,全国仅有北京、天津、西安等市在国土资源部门设立了专门的地热管理处,负责对地热资源进行统一监管。有相当一部分地区的地热管理工作偏重于发证和收费,而对地热资源的科学开采和合理利用方面的监管不力。
  2.6 缺乏科学的松散孔隙型热储回灌技术,制约了地热弃水回灌的实施
  地热弃水回灌或者采用对井开采(一个开采井对应一个回灌井)是目前世界上实施地热资源保护和可持续开发利用的重要手段。我国在上世纪90年代至今,分别在天津和西安以及北京等市进行了回灌试验[14],试验结果表明,实施地热弃水回灌对维持热储压力、减少污染具有较好效果,天津和西安管理部门甚至已经制定了地热开采井施工与回灌井必须配套的政策。然而,回灌的持续时间较短,尤其是松散孔隙热储层的回灌,由于产生的物理、化学和生物化学堵塞问题难于解决,从而使回灌量减少,最终无法实施。因此,需要尽快开展地热弃水回灌技术示范与试验工作,为我国地热资源科学有序开发利用提供科学依据。
  2.7 浅层地温能的开发利用起步较晚,地源热泵技术研究和应用推广有待加强
  存在于地下岩土空间的浅层地热温度能,是一种可再生能源,无任何污染,利用水或其他流体作为载体运输和利用浅层地温能,不仅可以供热、取暖,还可用来制冷,应鼓励开发利用浅层地热能。在利用地温能的过程中,地源热泵消耗1度电的能量,可以得到相当于4度电左右的热量或冷量,其采暖运行费用比传统能源利用方式低60%以上。据相关统计,在全世界地热直接利用中,热泵利用已占地热利用的56.5%,而我国浅层地温能的开发利用起步较晚,20世纪90年代开始推广和研究地源热泵系统浅层地温能的开发利用技术[14]。2000年以来浅层地温能开发利用的热泵技术在全国得到普遍推广,京津地区发展最快。北京每年以15%-20%的速度增长,目前全市采用这种技术的供暖建筑面积已超过500万m3,在“十一五”期间,北京市计划再增加3000万m3浅层地热供暖建筑面积。目前,在已有的热泵应用工程的基础上,制订了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005),迫切需要国土资源部门制定相关规程、规范与之配套。
  2.8 由于资金、技术等原因,干热岩利用技术方面的研究尚没有起步
  干热岩是埋藏于地面1km以下、温度大于200℃的、内部不存在流体或仅有少量地下流体的岩体。干热岩技术就是开发利用干热岩来抽取地下热能的技术,其原理是从地表往干热岩中打一眼井,注入温度较低的水,注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换,产生高温高压超临界水或水汽混合物,然后从生产井中提取高温蒸气,用于地热发电和综合利用。干热岩的研究始于20世纪70年代,迄今为止只近30年。在这短短30年里的研究与开发过程中,干热岩的利用技术也已日趋成熟,显现出了巨大的利用价值,开发前景十分看好。然而,目前干热岩的研究开发工作主要在一些发达国家展开,我国由于资金和技术等原因,仅由国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所于1993-1995年期间在北京西南房山区开展过部分干热岩开发利用的试验研究工作。
  另外,缺少统一的地热资源信息系统,管理手段落后,信息反馈不灵,管理自动化和信息化程度较低。急需建立全国性的地热资源信息数据库和管理系统,为科学规划与指导我国地热资源勘查开发有序发展提供基础资料。
 
  3 建议
  改革开放以来,我国经济持续续高速增长、外贸大幅跃进、贸易顺差持续扩大,与此同时,困扰中国经济长远发展的一大暗礁,能源危机,已悄然而然地进一步恶化,如何应对能源危机已成为我国社会经济发展必须面对的一项课题。作为一种可再生能源,地热资源具有广阔的开发利用前景。开展相关地热基础理论研究以及调查评价工作对于从根本上解决上述问题,加快我国地热新能源的勘查开发和利用的步伐,促进我国可再生能源事业的发展,缓解所面临的能源危机具有重要的意义。为促进我国地热资源的合理开发利用,建议在今后几年内重点开展以下工作:
  (1)开展区域地热资源调查评价与区划工作,通过区域地热资源调查,查明我国地热资源分布和开发利用现状,进行区域地热资源现状评价及开发利用区划,提出地热资源可持续开发利用和保护区划意见。
  (2)开展区域浅层地温能开发利用适宜性调查评价工作,充分分析研究我国区域气候特征、水资源条件、地质环境等基础条件,以重点经济带或人口密集区为重点工作区,确定不同水资源及地质背景下地下水水源热泵与土壤源热泵系统的应用条件与适用范围,进行适宜性分析。
  (3)开展地热资源科学利用关键技术及基础理论研究,如地热资源评价方法、沉积盆地型热储地热回灌技术、中低温地热资源梯级综合利用模式、干热岩开发利用科学钻探及试验、浅层地热能开发利用环境响应,等。
 
  4 结语
  我国是世界上地热资源储量较大的国家之一,作为一种清洁能源,地热资源的开发利用对于缓解我国能源紧张的局面、保护环境等都具有重要的意义。随着国家《可再生能源法》的颁布实施,以及《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》等相关文件的发布,我国即将掀起地热资源调查评价和勘查的新热潮,以上有关问题的解决将会大大促进我国热储工程学的发展,为地热资源在我国实施可持续发展战略过程中发挥巨大作用奠定基础。

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