地热开发利用要向深层进军

介绍

　　我国地热直接利用规模虽然稳居世界首位，但受限于绝大部分地区处于板块内部，东部用能旺盛区尚无规模中高温地热资源发现，地热发电产业发展缓慢。基于对我国地热资源分布特征和开发利用情况的分析，地热若要在能源转型中发挥更及其重要的作用，未来需要持续加强基础理论研究和原始技术创新、攻关高温钻完井等关键技术，向品位更高、应用场景范围更广的深层地热资源进军。

　　地热资源是重要的非碳基可再次生产的能源，具有本土能源、稳定可靠、绿色低碳等优势。21世纪以来，我国地热直接利用规模稳居世界首位，特别是中深层地热供暖利用迅速增加，成为中国在世界地热产业中的鲜明特色。

　　但受限于绝大部分地区处于板块内部，东部用能旺盛区尚无规模中高温地热资源发现，我国地热发电产业发展缓慢。地热若要在能源转型中发挥更重要的作用，未来需要向品位更高、应用场景范围更广的深层地热资源进军，攻关高温钻完井等关键技术，推进“地热＋”多能源协同，加大示范项目建设和应用市场培育力度。实现地热资源科学、高效、可持续开发，对保障国家能源安全、加快构建清洁低碳安全高效的能源体系具备极其重大的战略意义和现实意义。

　　随着全世界绿色低碳转型进程加速，以及可再次生产的能源开发技术不断突破和规模应用，地热产业高质量发展进入“快车道”。2021年，国家发展改革委等八部门印发《关于促进地热能开发利用的若干意见》，提出“到2025年，地热供暖（制冷）面积比2020年增加50%，全国地热发电装机容量比2020年翻一番；到2035年，地热供暖（制冷）面积及地热发电装机容量力争比2025年翻一番”目标。2022年6月，国家发展改革委、国家能源局等九部门联合发布《可再次生产的能源发展“十四五”规划》，提出“积极地推进地热规模化开发”，涉及中深层地热供暖制冷、浅层地热开发和地热发电等方面。

　　我国是世界第一大地热直接利用国，浅层和中深层地热的直接利用规模均居世界首位。2023年世界地热大会公布的多个方面数据显示，中国地热直接利用装机规模在全球占比达57.8%、利用热量在全球占比达56.1%。通过理论创新和技术突破，我国地热实现工程规模化应用，特别是中深层水热型地热资源供暖利用规模持续扩大，在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了及其重要的作用。在干热岩及增强型地热系统开发方面，相继开展了钻探、热储改造及试验性发电相关工作。

　　现阶段，我国地热发电虽然发展较缓，但因其具备稳定基础载荷和调峰载荷的双重作用，有望在未来以新能源为主体的新型电力系统中发挥更大作用。

　　受构造背景、岩浆活动、水文地质条件、地层发育等因素的综合影响，我国地热资源分布有着非常明显的规律性和地带性。从我国地热资源分布与用能需求的匹配来看，高温水热型地热资源集中分布于青藏高原及周边地区，但由于当地人口和工业规模较小，对地热开发需求不旺盛，在某些特定的程度上限制了地热发电的发展。中低温水热型地热资源广泛分布于中东部地区，该区域集中了我国超过90%的人口，用能需求旺盛。目前，中东部地区发现的规模优质地热资源以适宜供暖的中低温水热型地热资源为主。随着近年来我国大力推进北方冬季清洁取暖，地热供暖产业高质量发展迅猛。

　　我国是世界上开发利用地热资源最早的国家之一，温泉利用可追溯至先秦时期。20世纪70年代我国将地热资源进行开发利用，最初借鉴国外经验重点探索地热发电技术，变成全球第8个采用地热发电的国家，仅在上世纪70年代就建成了7处中低温地热发电站，但后期没形成持续的产业投入。同期，我国陆续勘探发现了近300处地热田，地热能直接利用开始起步，为我国地热产业奠定了良好基础。

　　20世纪末，基于我国地热资源禀赋和国情，地热直接利用产业逐渐形成，供暖利用得到加快速度进行发展。21世纪以来，地热产业进入加快速度进行发展期，根据历届世界地热大会的统计数据，我国地热直接利用规模自2004年以来一直稳居世界第一，且所占份额持续不断的增加。特别是在旺盛的清洁供暖需求导向下，逐渐形成了以供暖（制冷）为主的发展路径，成为国际地热产业高质量发展的新样板。截至2022年底，我国地热直接利用折合装机容量100219.8兆瓦。其中，中深层水热型地热供暖利用折合装机容量50030兆瓦，占比49.94%，成为最主要的利用方式；浅层地热供暖（制冷）折合装机容量42320兆瓦，占比42.24%。地热年利用热量达828882万亿焦耳，占我国一次能源消费比重达5‰，相当于年替代标准煤2832万吨、减排二氧化碳7052万吨。地热利用在能源结构转型、绿色低碳发展中的作用日益凸显。

　　截至2022年底，我国浅层地热供暖（制冷）能力累计达到8.1亿平方米/年，基本形成完善的技术体系，进入规模化应用阶段，主要利用区域分布在东部平原地区，其中环渤海地区发展最好，其次为长江中下游平原。中深层地热供暖面积累计达到5.82亿平方米，其中70%以上集中在河北、河南、山东、天津、陕西、山西等地，在北方清洁供暖和大气污染防治中发挥了重要作用。

　　2022年，国家发展改革委等九部门发布《可再次生产的能源发展“十四五”规划》，提出到2025年，地热供暖等非电利用规模超过每年6000万吨标准煤。地热产业规模持续快速扩大，向资源品质更高、应用场景范围更广的深层地热资源领域进军成为必然趋势。

　　深层地热资源理论研究、开发利用技术等处于国际学术前沿，我国研究起步较晚，但近5年设立的地热领域国家重点研发计划项目大部分瞄准深层地热或干热岩领域，已奠定了一定的研究基础。但与国际上有代表性的深层地热前沿技术相比，我国在地热地质、地球物理和地球化学领域处于并跑阶段；在干热岩压裂及开采等方面处于跟跑阶段。

　　近年来，我国地热勘探开发技术不断成熟，初步形成了中深层水热型地热资源勘探开发技术体系。在地热勘探方面，形成了聚焦隆起、凸起区寻找优质碳酸盐岩地热资源的勘探思路和不同尺度的选区评价方法。在地热开发方面，形成了以三维地质建模为手段的热储评价技术、以多场耦合传热机理为基础的地热可持续开发技术及“取热不耗水”配套关键工程技术。

　　与常规油气圈闭成藏不同，地热资源分布广泛、不受圈闭控制，但具有局部富集的特征。富集需要有利的热源、热储和盖层配置。对水热型地热资源，还要具备水源和地热水运移通道。地热系统以热源为中心，包含热生成—运移聚集—保持所需要的地质要素和地质作用，寻找热量聚集的“甜点”是地热资源勘探的重点。基于地热系统成因机制的认识，科研人员形成了适合我国东部沉积盆地地热资源禀赋的“上山（潜山）”找水勘探思路，聚焦隆起、凸起区寻找优质碳酸盐岩地热资源。

　　“取热不耗水”技术是目前中深层水热型地热供暖最成熟的技术方法，热源侧地热水和用户侧循环水为两套独立循环系统，通过间接换热提取地热水中的热量，热交换后的地热水完全同层回灌，整个系统闭式循环，保障可持续开发。其中关键技术环节包括丛式井井网部署、开采井防砂完井、地面水质处理、回灌井防堵解堵等。

　　近年来，我国产学研界不断加大科研投入力度，提高地热勘探开发技术水平，探索地热高效利用方式，推动了地热产业加快速度进行发展。中国石化通过理论技术创新和规模推广应用，发展成为中国最大的中深层地热利用企业，截至2023年底地热供暖能力突破1亿平方米。建立了全城地热供暖的“雄县模式”，替代了县城100余座燃煤供热锅炉，打造了我国首座地热清洁供暖无烟示范城。雄安新区成为全世界地热集中供暖的样板，已建成供暖能力超1000万平方米。2021年7月雄安地热项目列入国际可再次生产的能源机构全球推广项目名录。以雄安新区地热高质量开发利用为支点，京津冀地区中深层地热供暖能力已超过2亿平方米。

　　在我国地热产业取得长足发展的同时，受限于资源条件和技术水平，中深层地热资源开发规模要逐步扩大、有效动用，仍面临以下挑战。

　　地质条件复杂。我国及邻区是全球显生宙地质结构和发展历史最复杂的地区。相比北美以加拿大地盾为中心，大陆逐渐向外围增生，主体在晚前寒武纪之前已形成；我国受古亚洲洋、特提斯、太平洋三大全球性动力体系的作用，主要板块在印支期至晚侏罗世—早白垩世才完成拼合。漫长的地质演化及周缘与多个板块的长期相互作用，使得我国不同区域深部动力学过程不同，多阶段的地球动力体系叠加、复合，盆地类型多样、结构复杂。

　　资源富集机理不清。地热资源分布受深部动力学背景和构造活动控制明显，复杂的大地构造背景和演化过程导致我国地热系统类型多、成因复杂，资源条件差异大、非均质性强。我国大部分地区远离板块边缘，大地热流值较低，新生代岩浆活动较弱，板缘高温地热资源富集理论不适用，不同类型地热系统构成要素形成机制及主控因素不清、干热岩高品质资源分布规律不明，资源预测缺乏成熟的理论指导，增加了地热资源勘探开发难度。

　　工程技术不适应。我国人口密集、用能旺盛的中东部地区板块内部高温地热资源埋深大、工程地质条件复杂、勘探开发工程技术难度大。对比美国不同深度地层温度，我国大陆中东部地区地层温度普遍较低。以5500米深度为例，美国西部大部分地区温度均超过175摄氏度，而我国除西藏、青海共和盆地、琼北等少数地区外，普遍在75~150摄氏度，要获取高温地热资源需要钻探的深度更深。深层热储尤其是干热岩具有高温、高硬度、高应力、高致密的“四高”特征，热储高效换热裂缝网络创建及井下取热等关键技术是世界性难题，我国尚在探索阶段。

　　加强基础理论研究，摸清我国地热资源家底。以华北、松辽、江汉、鄂尔多斯、苏北等盆地（平原）为重点，尽快查明水热型地热田的地质条件、热储特征、地热资源潜力，评价可采资源潜力，为合理开发利用提供依据。加快深部地热资源探测和开发技术攻关，为干热岩型地热规模化、商业化开发利用做好准备。

　　加强多技术综合应用，提高地热勘探的精度和效率。目前我国开展了大量综合物探方法的地热勘探项目，取得较好成果。地热勘探涉及多个学科领域，未来的发展方向是将多个技术手段综合应用，并将人工智能、大数据分析等技术引入地热勘探中，实现对大量勘探数据的高效处理和分析，更准确地确定地热资源的分布和性质，提高勘探效率和准确性。

　　向资源品质更高、应用范围更广的深层地热领域进军。我国需结合资源与用能特点，深化高温地热资源成因理论研究，特别是厘清我国中东部深层优质地热资源的富集机理与分布规律，丰富和发展地热勘探理论体系，以指导优质资源勘探突破。干热岩资源储量巨大，相较高温水热型地热资源分布范围更广，应用前景广阔，是深层地热领域的重点突破方向。一旦取得突破有望大幅拓展我国地热资源有利区的范围，可用于地热发电、工业利用、高温制冷等领域。干热岩增强型地热系统工程开发利用难度大，可转移和创新应用目前的油气资源勘查、钻完井、储层改造等技术，开展干热岩多分支井、鱼骨井、最大储层接触钻井等复杂结构井，以及复杂立体缝网造储、U形井换热等技术攻关，力争突破干热岩高效开采瓶颈，实现采热效果最大化和干热岩资源高效、稳定、安全供能。

　　推进“地热＋”多能源协同，因地制宜培育利用示范区。通过地热梯级综合利用、油田余热综合利用等模式逐步扩大现有区域和油田企业地热利用规模。开展地热与其他能源的协同开发利用，促进地热与太阳能、风能等清洁能源的互补发展，建立“地热＋”多能源协同示范区，探索太阳能-地热供暖、风能-地热发电等多能源协同利用技术，实现能源的高效利用和综合效益提升。地热与多元可再次生产的能源耦合技术探讨研究方向大多分布在在分布式能源站集成技术、太阳能-地热耦合发电技术，以及以风能、水能为主要耦合能源的多微网与配电网耦合技术，要加快地热能多能耦合研发技术和创新应用，推动地热利用提质升级。建立政府、项目建设方、科研院所、高校、企业等多方合作机制，促进科研创新成果的转化和应用。

　　研究和争取支持政策，形成优势发展环境。国家层面应建立健全地热政策法规体系，加强地热研发技术和产业高质量发展规划的顶层设计、实施监管和政策支持。出台地热产业的财税、金融、用地等优惠政策，鼓励各类资本进入地热产业领域。推动将地热纳入可再次生产的能源消费总量统计，实施地热利用项目碳资产认证。加强地热的宣传推广和示范应用，提高社会对地热的认知和接受程度。加强地热产业监管和保护，规范地热矿业权设置和管理，建立完善准入制度和监督管理机制，促进地热产业健康、规范、可持续发展。

　　2000~2022年我国地热供暖（制冷）面积示意图 2022年我国地热直接利用结构图

　　地热作为清洁低碳可再次生产的能源，在全球应对气候平均状态随时间的变化、能源结构转型升级的大背景下广受关注。与浅层（埋深200米以浅）和中深层（埋深200~3000米）地热资源相比，深层地热资源（埋深3000~10000米）分布更广、温度更高、应用场景更多，但勘探开发难度更大。

　　近年来，欧美国家和地区通过大量且持续的地热领域国家专项计划和现场试验工程，汇聚全国或全地区范围优势人才进行跨学科、多领域联合研究，在深层资源探测评价、高温钻井与储改增产、伴生矿产资源联产等方面开展创新性研发，水平井分段压裂等大量先进油气技术被引进和应用。针对深层地热主体—干热岩资源开发的增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）被列入《麻省理工科技评论》评出的“2024年十大突破性技术”。

　　美国早在1973年就在Fenton Hill建立了EGS现场试验基地，并持续资助了The Geysers、Raft River、Newberry等多个EGS项目，在选址评价、采热和压裂技术等方面走在世界前列。2015年启动的地热能前沿瞭望台计划（FORGE）旨在建立一个现场实验室来开展EGS的前沿研究，以及钻探和技术测试，以形成可复制的方法技术，促进干热岩资源产业化开发。2019年，美国能源部发布《地热愿景：驾驭我们脚下的热能》报告，提出2050年美国地热发电规模扩大20倍，发电量将占美国总发电量的8.5%。

　　欧洲是地热能工业化利用的起源地，冰岛、意大利、德国和法国等国都拥有丰富的资源和成熟的产业。2014年启动的欧盟“地平线）”战略资助深层地热创新技术方法，以及材料和设备的开发、测试、示范及部署，大力推动对增强型地热系统和深部超高温地热资源的开发，以及与电和伴生矿产资源的联产。2015年欧盟委员会建立的深部地热技术与创新平台（ETIP-DG）覆盖了深部地热能的勘查、生产和利用整个产业链，旨在利用地热资源满足重要的热力需求和大部分的电力需求。2019年ETIP-DG发布《深层地热能实施路线年深层地热能可满足欧洲电力需求的50%和供热需求的80%，有望改变欧盟电力供应结构。

　　技术创新是地热资源高效勘探开发和地热产业高水平发展的必经之路。欧美国家和地区在地热领域长期持续大量投入，基础理论与关键技术的研发成果和经验值得借鉴。但我国深层地热地质背景复杂，资源富集机理不清、埋藏深度大、工程地质条件复杂，开发难度更大，不能照抄照搬国外的地热勘探开发理论技术。要形成中国特色的深层地热规模化开发新局面，还有非常长的路要走。

　　需要认识不一样地质构造区深层地热资源形成和赋存条件，明确优质资源的富集机理与分布规律；在探测评价和开发利用关键核心技术与装备上取得突破，实现技术创新，突破经济高效勘探开发技术瓶颈；加强现场试验和示范基地建设，基础研究、技术创新、孵化应用、管理创新相结合，形成产研互促、良性循环的科技攻关模式，有效降本提效；加强地热领域研究顶层设计，统筹相关高校、科研单位和企业的科研力量，形成跨部门、跨领域的产学研创新联合体，建设高层次研发平台和创新团队。

　　4月8日，我国首口超5000米深层地热科学探井——福深热1井成功钻探至5200米，刷新我国地热科学探井最深纪录。该井位于海南省海口市，采用多项自主创新技术，属于深层干热岩地热井，井底温度超过188摄氏度。张 英 供图