青海干热岩地热资源潜力分析——基于贵德县干热岩地热资源调查研究

马维明，罗永统，马　英，张学德（青海省地质调查局，青海西宁810001）

青海干热岩地热资源潜力分析
——基于贵德县干热岩地热资源调查研究

马维明*，罗永统，马英，张学德
（青海省地质调查局，青海西宁810001）

2014年4月，青海共和盆地首次发现可大规模利用的干热岩资源。基于贵德县干热岩地热资源勘查研究项目实施，介绍了干热岩的基本特征、开发利用潜在价值，探讨了我省干热岩地热资源区域地质背景条件和评价方法。

干热岩；区域地质；评价方法

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，随着人类对能源需求的不断增长，可再生且无污染的能源倍受人们关注。在有利的地区，开发利用无污染无破坏的新能源——干热岩，成了很多地区积极开展试验研究的新课题。地热能的开发利用近年来得到了较快的发展，前景十分诱人，被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。

2014年4月，青海省中深层地热能勘查取得重大突破，共和盆地中北部地下2230m处勘查到埋藏浅、温度高的干热岩，这是中国首次发现的可大规模利用的干热岩资源。

共和盆地位于青藏高原腹地，这次钻获的干热岩岩体在共和盆地底部广泛分布，仅钻孔控制干热岩面积已达150km2，潜力巨大。由于黄河横穿共和盆地，同时盆地内地下水资源丰富，每天泄入黄河的地下水达20×104m3以上，丰富的水源保障了干热岩资源广阔的开发利用前景。

干热岩是一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭，青海地区干热岩地热资源的发现，不仅对我国开展干热岩资源的深入研究，争夺新一轮能源制高点具有重要意义，而且对改变地区能源结构和对经济、社会的发展具有深远的现实意义。

1　干热岩的基本特征

干热岩（HDR）是一种普遍埋藏于距地表2～10km以深，温度为150℃～650℃的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，是一种可用于高温发电的清洁资源。在学术界，干热岩有时被称为“热干岩”，其英文名称为“Hot Dry Rock”。

干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等。一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。干热岩主要被用来提取其内部的热量，因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。

干热岩也是一种高温地热资源，其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型和岩浆型的地热资源。从现阶段来说，干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

2　我国干热岩地热资源区域地质背景

地热资源的生成与地球岩石圈板块发生、发展、演化及其相伴的地壳热状态、热历史有着密切的内在联系，特别是与构造引力场、热动力场有着直接的联系。全球性地热带一般沿地壳各大板块边界分布，高热流的部位常在俯冲带的前端。中、新生代造山带一般为地壳变动剧烈的地区，也是地热异常区；而板块内部地壳稳定部位，如古老地盾地台区，地热状况较为平淡，地温低，变化小。从全球地质构造观点来看，大于150℃的高温地热资源带基本上都出现在地壳表层各大板块的边缘，如板块的碰撞带，板块开裂部位和现代裂谷带。小于150℃的中、低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地地区。

我国地处亚欧板块的东南部，东濒太平洋西缘构造活动带，受太平洋板块和菲律宾板块的挤压作用。我国西部为地中海构造带的延续部分，除东边太平洋板块对其有影响之外，又叠加上南部印度板块强烈碰撞作用，而亚欧板块则产生向南的阻挡作用，在这三方面的应力作用下，形成我国西部独特的构造格局（黄少鹏等，1995）。

按照热流—构造分区，通常地热活动强度随远离板块边界而减弱。中国西部的滇西地区及东部台湾中央山脉两侧，分别处于印度板块与欧亚板块、欧亚板块与菲律宾板块的边界及其相邻地区，均是当今世界上构造活动最强烈的地区之一，具有产生强烈水热活动和孕育高温水热系统必要的地质构造条件和热背景。靠近此带，地热活动强烈；远离此带，地热活动逐渐减弱。我国西南部的地热活动呈南强北弱、西强东弱；东部区的地热活动呈东强西弱之势，明显的反映了这一特点。

中国大陆的大地热流的整体空间展布趋势可以归结为：西部“南高北低”，东部“东高西低”，中部“北高南低”（汪洋等，2001）。

3　干热岩地热资源分布特征

据资料统计，干热岩的分布几乎遍及全球，它是无处不在的资源（Duchane，1997）。世界各大陆地下都有干热岩资源。不过，干热岩开发利用潜力最大的地方，还是那些新的火山活动区，或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。

我国地热资源丰富。经科学测算，有国内专家认为，中国大陆3～10km深处干热岩资源总计为2.09× 107EJ，合7.149×1014t标准煤，若按2%可开采资源量计算，相当于中国大陆2010年能源消耗总量的4400倍。

从我国干热岩地热资源的温度上看，3～10km深度内，小于75℃的干热岩资源占总资源量的2%；75℃～150℃的占43%；大于150℃的占55%。由于干热岩温度随着埋藏深度的增加而升高，资源量也与深度呈正比。

从区域分布上看，青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%，温度也最高；其次是华北（含鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑）和东南沿海中生代岩浆活动区（浙江、福建、广东），分别占总资源量的8.6%和8.2%；东北（松辽盆地）占5.2%；云南西部干热岩温度较高，但面积有限，占总资源量的3.8%。

判断某个地方是否有干热岩利用潜力，最明显的标志是看地热梯度是否有异常，或地下一定深处（2000～5000m）温度是否达150℃以上。

4　干热岩的开发利用价值

干热岩的储量十分丰富，它所储存的热能约为已探明的地热资源总量的30%，比蒸汽、热水和地压型资源要大得多（袁银梅，2006；杨吉龙等，2001）。一些发达国家已进行干热岩的开发研究和试验，目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。美国、法国、德国等多家科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。

干热岩位于地壳深部，岩体致密、渗透性极低且不含水，因此开采利用主要是通过热交换介质循环来实现热量的提取。

4.1开发利用原理

干热岩发电的基本原理是：通过深井（注水井）将高压水注入地下2000～6000m的岩层，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（生产井）（相距约200～600m左右为宜）将岩石裂隙中的高温水或水汽混合物提取到地面；取出的水、汽温度可达150℃～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电和综合利用；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用（如图1所示）。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

4.2关键技术

采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。经过多年研究与探索，常用的地下热交换系统的模式主要有3种。

人工高压裂隙模式：最早由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

天然裂隙模式：由英国卡门波矿产学校提出，即充分利用地下已有的裂隙网络。当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换的更充分。

天然裂隙—断层模式：由欧洲苏茨（Soultz）干热岩工程中的研究人员提出。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。

4.3开发优势

（1）干热岩地热能是巨大的，在许多国家存在并广泛分布。干热岩蕴藏的热能十分丰富，比蒸汽型、热水型和地压型地热资源大得多，比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。这些能量是所有热液地热资源评估能量的800倍还多，是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多（Tester，et al.1989）。

（2）干热岩是一种洁净的新能源，开采使用中，没有废气（CO、SO、NO）、粉尘等污染物的排放，也没有其他流体或固体废弃物，干热岩地热资源系统可以维持对环境最低水平的影响。

（3）干热岩的热能开发利用中，也不像水电那样，因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。

（4）干热岩地热开发系统是安全的，没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染。它适合于基本负荷或高峰负荷的电力供应，是能源计划中最理想的组成部分。

（5）干热岩地热开发可以提供不间断的电力供应，不受季节、昼夜等自然条件的影响。

（6）开发性价比高，美国等国家的高温岩体地热前期开发试验已充分说明，高、中等地温梯度的高温岩体地热发电电价具有很高的商业竞争能力。

5　青海干热岩地热资源区域地质背景条件

5.1地层岩性

青海贵德盆地为一新生代断陷盆地。基底主要是中生界三叠系，次为盆地四周零星分布的前震旦系、二叠系及印支期花岗岩体。盆地内主要为新生界的新近系、古近系和中生界的白垩系及侏罗系地层所占据，次为第四系中下更新统和全新统。

贵德盆地周边山区零星分布有前震旦系片麻岩组；古生界海相二叠系钙质砾状长石粗砂岩及灰色层状结晶灰岩；中生界海相三叠系的板岩变质砂岩互层，上部为长石质砂岩夹页岩；中生界侏罗系为砂岩、页岩、泥岩夹煤层；白垩系为薄层状砾岩、砂岩等岩层。

新近系中上新统沉积整个盆地，是组成贵德构造盆地的主要地层。

中新统西宁组和上新统贵德组岩层在贵德盆地河谷平原区埋深在20～65m以下，总厚为10～42m左右，产状平缓，一般1°～3°，由盆地四周向中心倾斜。

第四系下更新统岩层仅保留在盆地内低山丘陵顶部；中更新统岩层见于扎仓寺冲沟岸边；上更新统岩层分布于黄河及支沟三级以上的阶地上；全新统岩层分布于现代河床及低阶地上。

另外，区内火成岩仅见印支期花岗岩，集中位于温泉西侧北西西压扭性断裂上盘，构成断层崖。花岗岩为淡红色粗粒斑状花岗岩和细晶花岗岩及花岗闪长岩，侵入于三叠系砂板岩中，呈岩体或岩墙产出。

从地温场演化角度来看，新近系、第四系岩层导热率小，导热性差，起到一种隔热保温的作用，使得近、晚期岩浆活动所产生的热量和来自于地壳深部的地球内热，不会迅速消失，而在热容量较大的地层中保存下来，形成热岩层。

5.2地质构造

贵德断陷盆地位于祁吕贺山字型构造的前弧西翼褶皱带与河西系的阿米夏江—日月山—榆木次山隆起带的复合部位。

（1）祁吕贺兰山字型构造体系：见于盆地北部拉脊山。野牛山南坡延至盆地东北扎马山至出图规模大，影响深，成组出现，由一系列北西、北西西向压性、压扭性断裂和褶皱组成，将前寒武系到新近系地层全部卷入进来。发动时期早，侏罗纪后期有过强烈活动。

（2）河西系：总体走向北北西18°左右，由断裂及中生代酸性侵入岩组成。断裂时断时续，呈雁行排列。破碎带宽达100m，属压性并顺扭，垂直压扭结构面为与之配套的张性断裂。挽近以来，该体系活动强烈，控制了盆地的东西边缘，伴之祁吕系的活动，使山区沿袭既定的格局持续上升，而凹陷区相对沉降，贵德盆地则是隆起带中的次一级构造沉降区。据有关资料，形成于白垩纪早期影响到新近系中、上新统，甚至第四系中、下更新统。

综合以上分析，根据贵德地区干热岩地热资源区域地质背景条件、地处地理位置和水源优越条件，借助发达国家干热岩地热资源勘查研究和开发利用的成熟经验，青海地区干热岩地热资源发展潜力巨大。

6　干热岩地热资源评价方法

对于干热岩地热资源评价，目前我国还缺乏一套统一的评价及勘查方法标准。现借鉴国内外的初步研究成果，参考国内《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010），探讨干热岩地热资源潜力的评价方法。

干热岩与浅部水热型地热资源潜力评价的区别主要有3方面：

（1）深部地质信息较少，地质上的不确定性增加，往往无法确切给出地层的分布情况，且岩石物性、热物理参数都会随着温度和压力的变化而不同。

（2）在研究深度达到10km时，在地温场预测时需考虑不同层段的热流贡献。

（3）干热岩孔渗性差，通常在地温场描述和储量评价中可不考虑地下水的影响。

基于上述干热岩地热资源的特点，选用计算厚度的平均值作为总体干热岩资源估算值，以弥补地层分布资料的不足。温度场预测中考虑岩石生热率对热流的贡献，同时假定岩体中不含水。

采取体积法估算贵德地区干热岩资源储量公式：

Q=ρ×Cp×V（T-T0）

式中：Q——干热岩资源储量；

ρ——岩石密度（贵德地区以花岗闪长岩为主要岩石其范围2.5～3.3）；

Cp——岩石比热容（以花岗闪长岩为主要岩石取2457kj/kg℃）；

V——计算区岩体体积（计算深度从2～10km）；

T——所计算深度的岩石温度；

T0——浅部恒温带温度（恒温带温度可取8℃）。

目前，对于深度大于5～10km的温度不能直接进行测量时，可采用间接的方法推算出来。在稳态热流状态下的深部温度可用下式推算：

T=T0+（q0Z）/K-AZ/2K

式中：T0——地表温度；

q0——地表热流值；

A0——地表生热率；

Z、K——各层段的厚度和热导率；

A、Z——底部生热率和计算点地层的总厚度。

干热岩资源的估算还需要以下数据：岩石热导率、岩石生热率、大地热流值、放射性元素集中层的厚度。根据我国目前已有的相关工作及资料积累程度：

岩石热导率：目前研究岩石热导率只是通过钻孔取样，在室内测试。国内外研究结果在4～10km的岩石平均为2.1～2.5W/mK。

岩石生热率：单位体积岩石在单位时间内，由其所含放射性元素衰变而产生的热量。贵德地热资源属岩浆岩地区，所含放射性元素较高，考虑前人对研究柴达木盆地的热生成率研究，数据为0.67～1.0较为合理。

大地热流值：根据前人对青海地区钻孔资料统计，6km深度，大地热流值平均62mW/m2。

放射性元素层厚度：贵德地区为花岗闪长岩，其放射性元素集中层的厚度变化不大，估算中可统一取10km。

另根据钻探实际温度进行校对，估算其钻孔的开采热能资源量。

Q=ρw×Cw×q（t-t0）

式中：Q——钻孔开采热水或蒸汽资源量，kJ/d；

ρ——热水密度；

Cw——水或蒸汽的比热容，水，4.2kJ/kg℃；

q——热水流量或蒸气体积，m3/d；

t——钻孔出水（蒸汽）的温度，℃；

t0——恒温带温度，℃。

尽管以目前的技术水平还无法使干热岩这种潜在洁净能源完全为人们所开发利用，但这份大自然的丰厚馈赠在能源日益紧张的今天无疑是非常诱人的。相信随着相关技术的逐步成熟，青海干热岩地热资源定会给全国人民的生活带来巨大的帮助。

［1］黄少鹏.我国大陆地区大地热流与地壳厚度的变化［J］.地球物理学报，1992.

［2］石金华.20世纪地热利用技术的变迁：地热发电［J］.国外油田工程，2001.

［3］万志军，赵阳升，康建荣.高温岩体地热资源模拟与预测方法［J］.岩石力学与工程学报，2005.

［4］汪集旸，黄少鹏.中国大陆地质热流数据统计分析［J］.科学通报，1998.

［5］杨吉龙，胡克.干热岩（HDR）资源研究与开发技术综述［J］.世界地质，2001.

［6］殷秀兰，董颖.我国干热岩地热资源潜力刍议［J］.科研论坛，2008.

［7］袁银梅.地热资料及其利用［J］.科研论坛，2006.

［8］汪洋，邓晋福，汪集旸，熊亮萍.中国大陆热流分布特征及热构造分区［J］.中国科学院研究生院学报，2001.

P314

A

1004-5716（2016）04-0111-04

2015-03-31

马维明（1987-），男（回族），青海西宁人，助理工程师，现从事地质矿产科研及管理工作。