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藺文靜淺談我國地熱資源勘探開發(fā)利用歷史、問題及建議
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2021-10-26 10:21:33瀏覽次數(shù):1989
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(tǒng)地地熱資源勘查、開發(fā)與研究工作,先后經(jīng)歷了初創(chuàng)階段、初步發(fā)展階段、重要進展階段以及地熱資源市場化等幾個發(fā)展階段,本文在查閱國內(nèi)地熱資源調(diào)查、評價相關(guān)報告以及文獻的基礎(chǔ)上,簡要回顧了我國以往地熱工作幾個發(fā)展階段的相關(guān)工作,重點對我國目前地熱資源勘查和開發(fā)中存在的主要問題進行了系統(tǒng)的總結(jié),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。歷史上對地熱資源的開發(fā)利用大多限于對溫泉的直接利用上,且主要用于醫(yī)療和洗浴方面。新中國成立以后我國進行了系統(tǒng)地地熱資源勘查與開發(fā),將我國的地熱資源開發(fā)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(jīng)費減少,地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開發(fā)利用規(guī)劃、熱儲工程學(xué)研究等幾乎處于停滯狀態(tài)。近些年來,隨著我國經(jīng)濟持續(xù)續(xù)高速增長,為應(yīng)對能源危機、促進我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展,地熱資源的勘查、開發(fā)、利用又一次引起了國家相關(guān)部門的重視,一些全國性的地熱資源調(diào)查評價項目紛紛上馬,地熱資源的開發(fā)利用即將掀起新一輪的熱潮。本文將在查閱國內(nèi)地熱資源調(diào)查、評價相關(guān)報告以及文獻的基礎(chǔ)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(fā)中存在的主要問題進行全面的分析,提出今后一段時間內(nèi)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(diào)查、評價及其開發(fā)利用區(qū)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(qū)、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(tǒng)地地熱資源勘查與開發(fā),將我國的地熱資源開發(fā)利用推向了一個新階段。根據(jù)1999年國土資源部地質(zhì)環(huán)境司組織全國各省、自治區(qū)、直轄市區(qū)國土資源部門開展的“中國地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃”提供的資料(表1),全國現(xiàn)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(yī)療、旅游、養(yǎng)殖、種植以及發(fā)電等,為區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻。
我國地熱資源勘探與大規(guī)模開發(fā)利用始于上世紀中葉,關(guān)于其發(fā)展階段,陳墨香等[1]曾做過系統(tǒng)地總結(jié),大致將我國地熱資源勘查與開發(fā)利用的過程劃分為初創(chuàng)、初步發(fā)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(chuàng)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(zhì)普查找礦工作的開展,為建立和擴建溫泉療養(yǎng)院,我國開始對溫泉進行調(diào)查,在若干溫泉區(qū)進行了地質(zhì)勘探,根據(jù)所獲得的資料對某些地區(qū)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(gòu)造的研究,中國科學(xué)院地質(zhì)研究所和地礦部地質(zhì)力學(xué)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(zhì)測試和鉆井測溫裝置,地質(zhì)力學(xué)所在包括房山花崗巖巖體在內(nèi)的若干地點測得了較準確的傳導(dǎo)地溫梯度數(shù)據(jù),地質(zhì)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(fā)展階段
由于地熱能作為一種新能源在國際上逐漸興起以及我國著名地質(zhì)學(xué)家李四光教授的倡導(dǎo),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(qū)域地熱資源普查、地熱資源開發(fā)利用、地熱基礎(chǔ)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(qū)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(xué)院青藏高原綜合科學(xué)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(tǒng)而全面[2]。在地下熱能的開發(fā)利用方面,在這一階段開始進行地熱發(fā)電站的建設(shè)。1975年開始布鉆勘探的西藏羊八井地熱田,是我國大陸經(jīng)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(fā)過程。在地熱其他利用方面,北京、天津和西安等地區(qū)相繼開展了低溫熱水溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、療養(yǎng)-洗浴和取暖等地熱綜合利用的試驗研究。在地熱基礎(chǔ)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(fā)表了我國第一批大地熱流數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)的解釋[3];以板塊構(gòu)造觀點,討論了西藏高原現(xiàn)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(xué)方法,探討了海底擴張的驅(qū)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(chǔ)上,有了重要的進展[4-11],主要表現(xiàn)為:(1)在地熱上有重要意義的地區(qū)或地質(zhì)構(gòu)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?qū)ζ錆摿ψ髁朔治龊驮u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(yōu)勢和我國社會發(fā)展與經(jīng)濟技術(shù)進步,上世紀90年代以來,掀起地熱資源開發(fā)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(tǒng)的區(qū)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(xué)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(fā)區(qū)采取的必要的政府干預(yù)手段,效果仍不十分明顯。因此,通過地熱資源與開發(fā)利用區(qū)劃勢在必行。
據(jù)相關(guān)統(tǒng)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。
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(jīng)費減少,地熱資源的形成機理研究、地熱資源勘探方法、開發(fā)利用規(guī)劃、熱儲工程學(xué)研究等幾乎處于停滯狀態(tài)。地熱資源勘查和開發(fā)中存在以下主要問題:
目前,全國大部分地區(qū)尚未開展系統(tǒng)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(qū)的中低溫地熱資源,基本未開展正規(guī)的地熱勘探。全國地熱資源總量是個概數(shù),至今尚未取得公認的統(tǒng)一數(shù)據(jù)。經(jīng)過資源儲量管理部門審批可作為進一步勘查或開發(fā)利用規(guī)劃的地熱田103處,約占已發(fā)現(xiàn)地熱田的1/3??辈樵u價滯后于開發(fā)利用,嚴重影響了地熱資源勘查開發(fā)規(guī)劃的制定、資源的利用以及地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)是由各種所有制經(jīng)濟主體參與和推動,基礎(chǔ)地熱地質(zhì)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(jīng)濟利益,對于服務(wù)于各級政府的地熱資源規(guī)劃的評價、論證和區(qū)域性地熱田資源勘查評價等基礎(chǔ)性、區(qū)域性、全國性勘查工作,單憑市場無法解決。地熱資源開發(fā)是高風(fēng)險、高投入、高收益的產(chǎn)業(yè),如果不將區(qū)域資源論證清楚,把地熱資源的地質(zhì)基礎(chǔ)做好,就不能正確地引導(dǎo)地熱資源開發(fā)利用,政府管理部門不可能做到科學(xué)管理。部分地熱田已打成地熱井數(shù)十眼,形成相當?shù)拈_發(fā)規(guī)模,但整個地熱田資源狀況尚未進行評價,開發(fā)管理缺乏科學(xué)依據(jù),處于盲目開采狀態(tài)。
另外,在地熱基礎(chǔ)理論研究方面,如地熱回灌技術(shù)、干熱巖開發(fā)利用技術(shù)、地熱資源綜合開發(fā)利用技術(shù)以及深部地熱勘探技術(shù)等都幾乎處于停滯狀態(tài)。
2.2 地熱資源開發(fā)利用水平低,資源浪費現(xiàn)象嚴重
地熱資源開發(fā)利用規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)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(fā)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(chǎn)生了周圍環(huán)境和地下水的熱污染和化學(xué)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(fā)展,但需進一步完善
沉積盆地傳導(dǎo)型地熱資源評價方法有了長足的發(fā)展,這些方法有熱儲法、解析模型法、類比法和數(shù)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(xué)者已經(jīng)在考慮彈性儲量,但是彈性儲量與允許開采量之間的關(guān)系仍缺乏認識,但在實際中,所開采的地熱資源絕大部分應(yīng)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(shè)條件,使得評價結(jié)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(jīng)驗方法,缺乏理論基礎(chǔ)。數(shù)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(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、熱物理參數(shù)、水位(壓力)和開采動態(tài)的情況,多數(shù)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(jié)果的準確性有較大影響。經(jīng)濟社會環(huán)境效益評估是一項較新的工作,在一些地方,如溫泉之鄉(xiāng),有較成功的經(jīng)驗,但在區(qū)域上推廣還需要進一步探索。另外,傳統(tǒng)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(jīng)濟的發(fā)展,作為一種可再生能源,除了在能源角度具有巨大的開發(fā)利用潛力外,地熱資源越來越顯示了其在醫(yī)療、景觀以及旅游等行業(yè)的利用前景,現(xiàn)行的地熱資源評價結(jié)果已不能滿足社會各行業(yè)對地熱資源開發(fā)的需求,因此,對傳統(tǒng)地熱資源評價方法進行梳理和總結(jié),形成一套切合實際的評價方法,是當務(wù)之急。
2.4 地熱資源開發(fā)缺乏科學(xué)指導(dǎo),嚴重影響地熱資源的可持續(xù)利用
部分地區(qū)地熱井過于集中,過量開采現(xiàn)象嚴重,只采不補,造成地熱水位、水溫持續(xù)下降,嚴重影響地熱資源的可持續(xù)利用,局部地區(qū)還出現(xiàn)地面沉降等問題(圖1)。根據(jù)天津塘沽、大港的監(jiān)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(fā)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(xù)發(fā)展。
2.5 對地熱資源開發(fā)利用的監(jiān)督管理力度及技術(shù)支撐力度不夠
地熱資源是一種礦產(chǎn)資源,應(yīng)由國土資源地礦行政主管部門統(tǒng)一管理。但在有些地區(qū),地熱資源管理設(shè)在其它部門。有些地區(qū)把地熱資源混同于普通水資源進行管理,重復(fù)發(fā)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(shè)立了專門的地熱管理處,負責對地熱資源進行統(tǒng)一監(jiān)管。有相當一部分地區(qū)的地熱管理工作偏重于發(fā)證和收費,而對地熱資源的科學(xué)開采和合理利用方面的監(jiān)管不力。
地熱棄水回灌或者采用對井開采(一個開采井對應(yīng)一個回灌井)是目前世界上實施地熱資源保護和可持續(xù)開發(fā)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(jié)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(jīng)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(xù)時間較短,尤其是松散孔隙熱儲層的回灌,由于產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物化學(xué)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(shù)示范與試驗工作,為我國地熱資源科學(xué)有序開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。
2.7 淺層地溫能的開發(fā)利用起步較晚,地源熱泵技術(shù)研究和應(yīng)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(yīng)鼓勵開發(fā)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(tǒng)能源利用方式低60%以上。據(jù)相關(guān)統(tǒng)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(fā)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(tǒng)淺層地溫能的開發(fā)利用技術(shù)[14]。2000年以來淺層地溫能開發(fā)利用的熱泵技術(shù)在全國得到普遍推廣,京津地區(qū)發(fā)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(shù)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(yīng)用工程的基礎(chǔ)上,制訂了國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005),迫切需要國土資源部門制定相關(guān)規(guī)程、規(guī)范與之配套。
2.8 由于資金、技術(shù)等原因,干熱巖利用技術(shù)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(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的巖體。干熱巖技術(shù)就是開發(fā)利用干熱巖來抽取地下熱能的技術(shù),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(fā)生熱交換,產(chǎn)生高溫高壓超臨界水或水汽混合物,然后從生產(chǎn)井中提取高溫蒸氣,用于地熱發(fā)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(fā)過程中,干熱巖的利用技術(shù)也已日趨成熟,顯現(xiàn)出了巨大的利用價值,開發(fā)前景十分看好。然而,目前干熱巖的研究開發(fā)工作主要在一些發(fā)達國家展開,我國由于資金和技術(shù)等原因,僅由國家地震局地殼應(yīng)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(qū)開展過部分干熱巖開發(fā)利用的試驗研究工作。
另外,缺少統(tǒng)一的地熱資源信息系統(tǒng),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(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng),為科學(xué)規(guī)劃與指導(dǎo)我國地熱資源勘查開發(fā)有序發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。
3 建議
改革開放以來,我國經(jīng)濟持續(xù)續(xù)高速增長、外貿(mào)大幅躍進、貿(mào)易順差持續(xù)擴大,與此同時,困擾中國經(jīng)濟長遠發(fā)展的一大暗礁,能源危機,已悄然而然地進一步惡化,如何應(yīng)對能源危機已成為我國社會經(jīng)濟發(fā)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(fā)利用前景。開展相關(guān)地熱基礎(chǔ)理論研究以及調(diào)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的勘查開發(fā)和利用的步伐,促進我國可再生能源事業(yè)的發(fā)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(fā)利用,建議在今后幾年內(nèi)重點開展以下工作:
(1)開展區(qū)域地熱資源調(diào)查評價與區(qū)劃工作,通過區(qū)域地熱資源調(diào)查,查明我國地熱資源分布和開發(fā)利用現(xiàn)狀,進行區(qū)域地熱資源現(xiàn)狀評價及開發(fā)利用區(qū)劃,提出地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用和保護區(qū)劃意見。
(2)開展區(qū)域淺層地溫能開發(fā)利用適宜性調(diào)查評價工作,充分分析研究我國區(qū)域氣候特征、水資源條件、地質(zhì)環(huán)境等基礎(chǔ)條件,以重點經(jīng)濟帶或人口密集區(qū)為重點工作區(qū),確定不同水資源及地質(zhì)背景下地下水水源熱泵與土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用條件與適用范圍,進行適宜性分析。
(3)開展地熱資源科學(xué)利用關(guān)鍵技術(shù)及基礎(chǔ)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(shù)、中低溫地熱資源梯級綜合利用模式、干熱巖開發(fā)利用科學(xué)鉆探及試驗、淺層地熱能開發(fā)利用環(huán)境響應(yīng),等。
4 結(jié)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(fā)利用對于緩解我國能源緊張的局面、保護環(huán)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(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》等相關(guān)文件的發(fā)布,我國即將掀起地熱資源調(diào)查評價和勘查的新熱潮,以上有關(guān)問題的解決將會大大促進我國熱儲工程學(xué)的發(fā)展,為地熱資源在我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略過程中發(fā)揮巨大作用奠定基礎(chǔ)。
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