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藺文靜淺談我國地熱資源勘探開發利用歷史、問題及建議

  摘  要:作為一種重要的可再生能源,我國自建國以來以來就進行了系統地地熱資源勘查開發與研究工作,先后經歷了初創階段、初步發展階段、重要進展階段以及地熱資源市場化等幾個發展階段,本文在查閱國內地熱資源調查、評價相關報告以及文獻的基礎上,簡要回顧了我國以往地熱工作幾個發展階段的相關工作,重點對我國目前地熱資源勘查開發中存在的主要問題進行了系統的總結,最后,提出了今后我國地熱工作的重點工作方向。
  
  我國是世界上利用地熱資源較早的國家之一,至今已有2000多年的悠久歷史。歷史上對地熱資源開發利用大多限于對溫泉直接利用上,且主要用于醫療和洗浴方面。新中國成立以后我國進行了系統地地熱資源勘查開發,將我國的地熱資源開發利用推向了一個新階段。然而,自上世紀九十年代以后,由于對地熱資源勘探等研究經費減少,地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開發利用規劃熱儲工程學研究等幾乎處于停滯狀態。近些年來,隨著我國經濟持續續高速增長,為應對能源危機、促進我國可再生能源事業的發展,地熱資源的勘查開發、利用又一次引起了國家相關部門的重視,一些全國性的地熱資源調查評價項目紛紛上馬,地熱資源的開發利用即將掀起新一輪的熱潮。本文將在查閱國內地熱資源調查、評價相關報告以及文獻的基礎上,回顧我國以往地熱研究工作,并試圖對我國目前地熱資源勘查和開發中存在的主要問題進行全面的分析,提出今后一段時間內我國地熱工作的重點工作方向,為即將開始的全國地熱資源調查、評價及其開發利用區劃提供參考。
 
  1我國地熱工作研究程度
  我國是世界上地熱資源儲量較大的國家之一,尤其是中低溫地熱資源,廣泛分布于我國東南沿海、西南地區、膠東半島、遼東半島和大面積分布的沉積盆地。新中國成立以后我國進行了系統地地熱資源勘查與開發,將我國的地熱資源開發利用推向了一個新階段。根據1999年國土資源部地質環境司組織全國各省、自治區、直轄市區國土資源部門開展的“中國地熱資源開發利用規劃”提供的資料(表1),全國現有溫泉約2710余眼,地熱井約2239余眼,地熱田約275余處,地熱水開采量約3.5億m3/a,主要用于采暖、洗浴、醫療旅游養殖種植以及發電等,為區域社會經濟發展做出了重要的貢獻。
  我國地熱資源勘探與大規模開發利用始于上世紀中葉,關于其發展階段,陳墨香等[1]曾做過系統地總結,大致將我國地熱資源勘查與開發利用的過程劃分為初創、初步發展、重要進展等幾個階段,各階段的主要工作簡要回顧如下。
  1.1 初創階段
  我國是溫泉廣布和熱水利用歷史悠久的國家,1949年之后,隨著地質普查找礦工作的開展,為建立和擴建溫泉療養院,我國開始對溫泉進行調查,在若干溫泉區進行了地質勘探,根據所獲得的資料對某些地區溫泉分布特點和其形成機制作了初步的分析和討論,并首次新編了全國溫泉分布圖。為配合大地構造的研究,中國科學院地質研究所和地礦部地質力學研究所于20世紀60年代初期先后開始研制巖石熱物理性質測試和鉆井測溫裝置,地質力學所在包括房山花崗巖巖體在內的若干地點測得了較準確的傳導地溫梯度數據,地質所估算得松遼盆地3個熱流值。這個時期,投入地熱工作的力量有限,工作進展緩慢,處于起步階段。
  1.2 初步發展階段
  由于地熱能作為一種新能源國際上逐漸興起以及我國著名地質學家李四光教授的倡導,地熱資源于60年代末至70年代初在我國引起廣泛的注意,促進了我國地熱研究工作的開展,區域地熱資源普查、地熱資源開發利用、地熱基礎理論方面都取得了顯著的進展。
  上世紀70年代以來,我國在20多個省區開展地熱資源普查和考察,累積了一批資料,其中尤以中國科學院青藏高原綜合科學考察隊于1973-1976年對西藏高原地熱活動地表熱顯示的考察最為系統而全面[2]。在地下熱能的開發利用方面,在這一階段開始進行地熱發電站的建設。1975年開始布鉆勘探西藏羊八井地熱田,是我國大陸經勘探證實的第一個高溫地熱田,于1977年建立了一座裝機容量為1MWe的示范性電站。羊八井地熱電站的成功運行,鼓舞了國家和地方的能源決策部門,加速該熱田的開發過程。在地熱其他利用方面,北京天津和西安等地區相繼開展了低溫熱水溫室種植水產養殖、療養-洗浴和取暖等地熱綜合利用的試驗研究。在地熱基礎理論研究方面,初步分析了華北平原地溫分布的特點和局部地熱異常的形成機制,發表了我國第一批大地熱流數據并作出相應的解釋[3];以板塊構造觀點,討論了西藏高原現代強烈水熱活動的機制,首次提出喜馬拉雅地熱帶的概念性模式;用流體力學方法,探討了海底擴張的驅動機制,大陸巖石圈的熱模式和地饅熱柱上涌等問題。
  1.3 重要進展階段
  進入上世紀80年代,我國地熱研究在前期工作的基礎上,有了重要的進展[4-11],主要表現為:(1)在地熱上有重要意義的地區或地質構造單元有計劃地進行了研究;(2)有重點地開展了地熱資源勘探研究,對我國地熱資源分布特點,或對其潛力作了分析和評估;(3)地熱研究地域由陸地向海洋擴展;(4)礦山地熱和油田地熱工作進一步開展。
  1.4 地熱資源市場化階段
  由于地熱資源的自身優勢和我國社會發展與經濟技術進步,上世紀90年代以來,掀起地熱資源開發熱潮,地熱井的深度越來越大(最深已過4000m),范圍也遠遠超出了“地熱異常”的概念,具有十分明顯的市場特征[12]。這期間的勘查工作多圍繞井點進行,未進行全面系統的區域性勘查評價工作。由于地熱資源勘查與開采的市場化,造成了不科學的無序開采局面和資源的極大浪費。雖然天津北京、西安等主要開發區采取的必要的政府干預手段,效果仍不十分明顯。因此,通過地熱資源與開發利用區劃勢在必行。
  據相關統計,目前我國已勘探的熱田有103處,提交的可采地熱資源量(B+D級)為33283.473×104m3/a,初步評價的熱田214個,D+C級熱水可采資源量約5×108m3/a。
  1999年國土資源大調查開展以來,中國地質調查局先后組織實施了寧夏銀川平原、北京市城區陜西關中盆地,魯北地區等地地熱資源勘查評價工作。
 
  2 存在的問題
  自上世紀九十年代以后,由于對地熱資源勘探等研究經費減少,地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開發利用規劃熱儲工程學研究等幾乎處于停滯狀態。地熱資源勘查和開發中存在以下主要問題:
  2.1 國家對地熱資源勘查投入嚴重不足,全國地熱資源勘查評價及研究水平程度低
  目前,全國大部分地區尚未開展系統全面的地熱資源勘查評價工作,特別是我國西部及華北平原地區的中低溫地熱資源,基本未開展正規的地熱勘探。全國地熱資源總量是個概數,至今尚未取得公認的統一數據。經過資源儲量管理部門審批可作為進一步勘查或開發利用規劃地熱田103處,約占已發現地熱田的1/3。勘查評價滯后于開發利用,嚴重影響了地熱資源勘查開發規劃的制定、資源的利用以及地熱產業發展。尤其是自上世紀90年代以來,國家在地熱資源勘查方面基本上沒有投入。近年來地熱勘查開發是由各種所有制經濟主體參與和推動,基礎地熱地質勘查工作薄弱,后備資源不足,地熱市場供需矛盾日益突出。因市場機制追求的是直接經濟利益,對于服務于各級政府的地熱資源規劃的評價、論證和區域性地熱田資源勘查評價等基礎性、區域性、全國性勘查工作,單憑市場無法解決。地熱資源開發是高風險、高投入、高收益的產業,如果不將區域資源論證清楚,把地熱資源的地質基礎做好,就不能正確地引導地熱資源開發利用,政府管理部門不可能做到科學管理。部分地熱田已打成地熱井數十眼,形成相當的開發規模,但整個地熱田資源狀況尚未進行評價,開發管理缺乏科學依據,處于盲目開采狀態。
  另外,在地熱基礎理論研究方面,如地熱回灌技術干熱巖開發利用技術、地熱資源綜合開發利用技術以及深部地熱勘探技術等都幾乎處于停滯狀態。
  2.2 地熱資源開發利用水平低,資源浪費現象嚴重
  地熱資源開發利用規模化、產業化水平不高,熱能利用率低、資源浪費比較嚴重。相當一部分天然溫泉水沒有充分利用,被白白浪費;井采地熱水回收率低,利用方式單一,棄水量大、溫度高。由于梯級開發利用和“一采一灌”的開采回灌制度沒有得到普遍實施,廢棄了大量的高溫、高礦化度地熱水,不僅造成資源浪費,還由此產生了周圍環境和地下水的熱污染和化學污染。在一些采取直供、直排供暖方式的單位,其熱能利用率僅為20%-30%,嚴重浪費了地熱資源。
  2.3 地熱資源評價方法有了長足的發展,但需進一步完善
  沉積盆地傳導型地熱資源評價方法有了長足的發展,這些方法有熱儲法、解析模型法、類比法和數值模型方法等,這些方法各有長處,但也存在一些不足之處。如熱儲法過去只考慮了靜儲量,對于彈性儲量的考慮偏少,雖然目前有不少學者已經在考慮彈性儲量,但是彈性儲量與允許開采量之間的關系仍缺乏認識,但在實際中,所開采的地熱資源絕大部分應屬于彈性儲量的。解析模型方法需要大量的抽水試驗資料,且需要滿足模型的前提假設條件,使得評價結果與實際有一定的出入,尤其在大型地熱田評價中,出入較大。類比法屬于經驗方法,缺乏理論基礎。數值模型方法屬于評價精度較高的一種方法,但其要求比較清楚地掌握熱儲層結構、物理參數、熱物理參數、水位(壓力)和開采動態的情況,多數地方實施起來比較困難,也不利于進行實時的資源評價。在允許開采量的評價中,最大合理降深的確定存在著不同的觀點和認識,對評價結果的準確性有較大影響。經濟社會環境效益評估是一項較新的工作,在一些地方,如溫泉之鄉,有較成功的經驗,但在區域上推廣還需要進一步探索。另外,傳統的地熱資源評價方法僅從資源量角度對地熱資源進行評價,隨著社會經濟的發展,作為一種可再生能源,除了在能源角度具有巨大的開發利用潛力外,地熱資源越來越顯示了其在醫療、景觀以及旅游等行業的利用前景,現行的地熱資源評價結果已不能滿足社會各行業對地熱資源開發的需求,因此,對傳統地熱資源評價方法進行梳理和總結,形成一套切合實際的評價方法,是當務之急。
  2.4 地熱資源開發缺乏科學指導,嚴重影響地熱資源的可持續利用
  部分地區地熱井過于集中,過量開采現象嚴重,只采不補,造成地熱水位、水溫持續下降,嚴重影響地熱資源的可持續利用,局部地區還出現地面沉降等問題(圖1)。根據天津塘沽、大港的監測資料,地熱開采造成的地面沉降約為6-10mm/a。因此,必須加強熱礦水開發的論證和勘查工作,對地熱井進行合理布局,限量開采,有效保護,持續發展。
  2.5 對地熱資源開發利用的監督管理力度及技術支撐力度不夠
  地熱資源是一種礦產資源,應由國土資源地礦行政主管部門統一管理。但在有些地區,地熱資源管理設在其它部門。有些地區把地熱資源混同于普通水資源進行管理,重復發證,造成地熱資源管理的混亂。目前,全國僅有北京天津、西安等市在國土資源部門設立了專門的地熱管理處,負責對地熱資源進行統一監管。有相當一部分地區的地熱管理工作偏重于發證和收費,而對地熱資源的科學開采和合理利用方面的監管不力。
  2.6 缺乏科學的松散孔隙型熱儲回灌技術,制約了地熱棄水回灌的實施
  地熱棄水回灌或者采用對井開采(一個開采井對應一個回灌井)是目前世界上實施地熱資源保護和可持續開發利用的重要手段。我國在上世紀90年代至今,分別在天津和西安以及北京等市進行了回灌試驗[14],試驗結果表明,實施地熱棄水回灌對維持熱儲壓力、減少污染具有較好效果,天津和西安管理部門甚至已經制定了地熱開采井施工與回灌井必須配套的政策。然而,回灌的持續時間較短,尤其是松散孔隙熱儲層的回灌,由于產生的物理、化學和生物化學堵塞問題難于解決,從而使回灌量減少,最終無法實施。因此,需要盡快開展地熱棄水回灌技術示范與試驗工作,為我國地熱資源科學有序開發利用提供科學依據。
  2.7 淺層地溫能的開發利用起步較晚,地源熱泵技術研究和應用推廣有待加強
  存在于地下巖土空間的淺層地熱溫度能,是一種可再生能源,無任何污染,利用水或其他流體作為載體運輸和利用淺層地溫能,不僅可以供熱、取暖,還可用來制冷,應鼓勵開發利用淺層地熱能。在利用地溫能的過程中,地源熱泵消耗1度電的能量,可以得到相當于4度電左右的熱量或冷量,其采暖運行費用比傳統能源利用方式低60%以上。據相關統計,在全世界地熱直接利用中,熱泵利用已占地熱利用的56.5%,而我國淺層地溫能的開發利用起步較晚,20世紀90年代開始推廣和研究地源熱泵系統淺層地溫能的開發利用技術[14]。2000年以來淺層地溫能開發利用熱泵技術在全國得到普遍推廣,京津地區發展最快。北京每年以15%-20%的速度增長,目前全市采用這種技術的供暖建筑面積已超過500萬m3,在“十一五”期間,北京市計劃再增加3000萬m3淺層地熱供暖建筑面積。目前,在已有的熱泵應用工程的基礎上,制訂了國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》(GB 50366-2005),迫切需要國土資源部門制定相關規程、規范與之配套。
  2.8 由于資金、技術等原因,干熱巖利用技術方面的研究尚沒有起步
  干熱巖是埋藏于地面1km以下、溫度大于200℃的、內部不存在流體或僅有少量地下流體的巖體。干熱巖技術就是開發利用干熱巖來抽取地下熱能的技術,其原理是從地表往干熱巖中打一眼井,注入溫度較低的水,注入的水沿著裂隙運動并與周邊的巖石發生熱交換,產生高溫高壓超臨界水或水汽混合物,然后從生產井中提取高溫蒸氣,用于地熱發電和綜合利用。干熱巖的研究始于20世紀70年代,迄今為止只近30年。在這短短30年里的研究與開發過程中,干熱巖的利用技術也已日趨成熟,顯現出了巨大的利用價值,開發前景十分看好。然而,目前干熱巖的研究開發工作主要在一些發達國家展開,我國由于資金和技術等原因,僅由國家地震局地殼應力研究所和日本中央電力研究所于1993-1995年期間在北京西南房山區開展過部分干熱巖開發利用的試驗研究工作。
  另外,缺少統一的地熱資源信息系統,管理手段落后,信息反饋不靈,管理自動化和信息化程度較低。急需建立全國性的地熱資源信息數據庫和管理系統,為科學規劃與指導我國地熱資源勘查開發有序發展提供基礎資料。
 
  3 建議
  改革開放以來,我國經濟持續續高速增長、外貿大幅躍進、貿易順差持續擴大,與此同時,困擾中國經濟長遠發展的一大暗礁,能源危機,已悄然而然地進一步惡化,如何應對能源危機已成為我國社會經濟發展必須面對的一項課題。作為一種可再生能源,地熱資源具有廣闊的開發利用前景。開展相關地熱基礎理論研究以及調查評價工作對于從根本上解決上述問題,加快我國地熱新能源勘查開發和利用的步伐,促進我國可再生能源事業的發展,緩解所面臨的能源危機具有重要的意義。為促進我國地熱資源的合理開發利用,建議在今后幾年內重點開展以下工作:
  (1)開展區域地熱資源調查評價與區劃工作,通過區域地熱資源調查,查明我國地熱資源分布和開發利用現狀,進行區域地熱資源現狀評價及開發利用區劃,提出地熱資源可持續開發利用和保護區劃意見
  (2)開展區域淺層地溫能開發利用適宜性調查評價工作,充分分析研究我國區域氣候特征、水資源條件、地質環境等基礎條件,以重點經濟帶或人口密集區為重點工作區,確定不同水資源及地質背景下地下水水源熱泵土壤源熱泵系統的應用條件與適用范圍,進行適宜性分析。
  (3)開展地熱資源科學利用關鍵技術及基礎理論研究,如地熱資源評價方法、沉積盆地型熱儲地熱回灌技術、中低溫地熱資源梯級綜合利用模式、干熱巖開發利用科學鉆探及試驗、淺層地熱能開發利用環境響應,等。
 
  4 結語
  我國是世界上地熱資源儲量較大的國家之一,作為一種清潔能源,地熱資源的開發利用對于緩解我國能源緊張的局面、保護環境等都具有重要的意義。隨著國家《可再生能源法》的頒布實施,以及《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》等相關文件的發布,我國即將掀起地熱資源調查評價和勘查的新熱潮,以上有關問題的解決將會大大促進我國熱儲工程學的發展,為地熱資源在我國實施可持續發展戰略過程中發揮巨大作用奠定基礎。