钻地取热暖人间

徐继山　孙林

地热能是广泛分布于地球内部的一种清洁能源。对于地热研究者来说，面临的最大困难并不是如何找到它，而是如何把它开采出来。地热能既不是物质，也没有显著的运动，它是地下物质的热的存在状态。我们无法像开采煤炭、石油、天然气那样直接去开采它，而不得不借助工程的、技术的间接手段来获取它所蕴藏的能量。为此，工程师们克服了重重困难，想出了种种办法，但万变不离其宗，都离不开一个核心技术——钻井。钻井是一种利用机械设备或人工手段，从地面向地下将地层钻成孔洞的工作方法。钻出来的井孔有大有小、能深能浅，要根据地热田的类型因地制宜、对“型”下钻。

地热能赋存于地下天然介质中，比如水、岩浆或者其他岩层。当地热温度非常高时，会像锅炉一样将流经其附近的地下水烧开，地下水就变成了水蒸汽，再从地表冒出来，这就是蒸汽型地热。如美国的盖瑟尔斯、意大利的拉德瑞罗和我国西藏的羊八井等地的地热田就是蒸汽型地热田。

蒸汽是推动汽轮机转动的第一动力源，正好可以用来发电。要开采这类地热，就需要用到蒸汽井——它的口径要大一些，这样才能尽可能多地收集地热蒸汽。从钻井中引出蒸汽送入汽轮机，推动叶轮和转子，将机械能转化为电能，从而完成发电过程。在火力发电厂，需要通过燃烧煤炭或天然气将液态的水转化成气态的水蒸汽，而此类地热田冒出来的就是蒸汽，相当于“跳”过了这一步，直接进入发电步骤，从而大大节约了时间和经济成本。不过，天然的未必是完美的。由于地下蒸汽的来源比较复杂，常含有二氧化碳、硫化氢等气体，容易腐蚀设备，所以需要做一定的净化处理。我国最大的地热电站——羊八井地热电站，现装机容量1.3万千瓦，自1975年始建至今，为我国的能源事业做出了重要贡献。近年来，受结垢、腐蚀等问题困扰，羊八井地热电站出现了一定程度的降效减产，这成为亟待解决的技术难题。

西藏拉萨市羊八井地热电站

地热能赋存在液态水中，其赋存区就被称作“热水型地热田”，冰岛的雷可雅未克、墨西哥的赛罗普列托、法国的莫伦和匈牙利盆地，以及我国大部分的地热田都属于这一类。热水型地热田可以进一步按照温度划分，即高温型（大于150℃）、中温型（90～150℃）和低温型（小于90℃）地热田。

相比蒸汽型地热，对热水型地热的开发和利用稍微麻烦些，尤其是低于100℃的地热水。这是因为热水型地热田无法直接变成蒸汽。随着地热水上升，它会与上部温度较低的地层发生热交换，从而损失热量。当水抽采到达地表时，原本就不太热的水也变成温水了。那么，如何应对呢？目前有两种方法：方法一是减压扩容法，将地热水抽采到扩容器中，利用真空机将扩容器抽成真空，热水的沸点降低，瞬间汽化，然后将蒸汽送入汽轮机。这种方法的优点是简单、安全，但容易结垢，单机容量也只有300千瓦左右。方法二是中间工质法。“中间工质”就是沸点比較低的物质，如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟利昂等。地下热水通过换热器加热这些物质，把热传递给它们，让它们变成气体，再推动汽轮机运转，从而实现发电的目的。

值得一提的是，1970年我国在广东丰顺建成了第一座地热电站。该地素有“温泉之乡”的美誉，虽然温泉广布，但地热水温最高也就90℃左右。当时，我国科研人员采用的是减压扩容法，自主完成了中低温发电试验，这标志着我国地热事业的肇始。

地压型地热是承受着较高地层压力的地热能赋存形式，它的埋深在2至3千米之间，一般发育在滨海沉积盆地中，比如墨西哥湾、我国沿海平原等地区。这一类地热具有较高的温度和压力，这与其封闭的形成环境有关。以滨海地区为例，它的地层一般由砂质和泥质的地层组成，海平面升升降降，连续沉积了颗粒较粗的巨厚地层，覆盖在下面的泥质沉积层上。当上面沉积的地层的质量超过下伏地层的承重能力时，砂体就会下沉，形成一个闭合的区块——块内含有大量的水，块的边界又隔水，在很长的地质时期内大量的地热就贮存在这里，不易散失出去。

此类地热水的温度一般为150～180℃，最高甚至可达260℃，通过钻孔钻取出来，其水压高达28～42兆帕。在这类地热田中，除了热能之外，往往还贮存着甲烷、乙烷和丙烷等烷烃气体，可以当作副产品回收利用。所以，地压型地热通常有三宝：动能、热能和化学能。需要说明的是，这类资源十分宝贵。由于该类地热水处于自我封闭的环境中——虽然积累了内在能量，但也限制了外在水源补给，用一点便少一点。那么，要不要开采呢？我国新设立的雄安新区就是一个样板示范区，在地热开采中及时、科学地回灌地下水，采多少补多少，采哪里补哪里，实现了抽蓄平衡。所以，保护不是最终目的，而是为了更好地开发与利用。

雄安新区的地热钻井工程规划

干热岩是指埋藏在地下的不存在热水和蒸汽的热储岩体，即“又干又热”的岩体。在地球松散表土层的下面就是岩石圈，这些岩层都有一定的热量，但它们并不都是干热岩。“干热岩”的名号虽然听起来干巴巴的，但是它比其他类型的地热能更优秀。因为其他地热田随着开采时间的延长，地温会逐年下降，而干热岩往往与更深的岩体相连，深部的热量能够源源不断地传导上来，从而延长其开采寿命。干热岩具有温度高和埋深浅的特点，温度一般要高于200℃，埋深在几千米以内。如果埋藏得太深，即使温度很高，也会失去经济价值。

对此类地热的开发利用，需要用到回灌井和生产井。先钻一口回灌井到深部的干热岩中，利用压力泵注水，把深部的高温岩体压碎，这些碎裂空间就成了水的“储存空间”。再钻一口生产井，使之与碎岩区相交。这样就构成一个闭合的回路：冷水从回灌井进入深部碎岩区，在流动中吸收干热岩的热量，再通过生产井抽取出来，最终送入工厂发电或供热。2014年，我国在青海共和盆地首次钻探获得深度为3705米、最高温度236℃的干热岩，标志着我国具备了开发干热岩资源的能力。据估算，我国已探明的干热岩型地热田储量，能够满足几千年发展的能源需求，而当前干热岩型地热能仍处于初级开发阶段。

干热岩开发示意图

还有一类蕴藏着巨大能源的地热体，那就是岩浆。岩浆是深部熔融态或半熔融态的岩石，它是上地幔的重要组成物质，埋藏得非常深，但在一定地质条件下会侵入上面的地层里，形成侵入岩体；或者在地壳薄弱处喷发出来，形成火山。这些岩浆在地下的温度是相当高的，即使喷出地表，其温度也有600～1500℃。这类地热田大量分布在火山活动区。

那么，岩浆可以用来发电吗？这个想法近乎科幻，但现实中还真有一处岩浆钻井，它就是位于冰岛克拉夫拉地热田的IDDP-1钻井。想要把钻孔打进岩浆，并不是一“钻”永逸的事，这需要攻克三个超高级的技术难题，即超高温、超高压和超高黏。其难度在于：一方面，深部高温再加上钻头与围岩的摩擦热容易造成钻具损坏；另一方面，高压作用会使深部各种高温气体和流体一股脑地喷涌出来，一旦打通岩浆，岩浆就会沿着钻孔喷出来，它的高黏性促使其流速减慢，重新凝结成岩而堵塞钻孔。对此，工程人员采用循环冷却技术——给钻头及整个井身降温，反复试验多年，终于在2009年成功打进岩浆的“巢穴”。据悉，IDDP-1钻井井口温度高达450℃，创造了世界钻井最高温度的奇迹。

冰岛IDDP-1 岩浆钻井

我国地热能源种类多样且储量巨大，高温地热主要分布在青藏高原和其他大型山脈地区，那里地广人稀，主要用于发电。在人口聚集的平原和盆地地区，地热田不是高热的，而是温热的，虽然不能用来发电，但是用于取暖是非常适宜的。更重要的是，这种中低温的地热田分布十分广泛，几乎覆盖了所有的平原和盆地。所以，从居民需求来看，中低温型地热能源开发也具有十分重要的民生价值和现实意义。

地源热泵技术就是开发浅层地热能源的一把利器。所谓“浅层”，主要是指200米以内的地层。在这个深度范围内的地层，既受大气和阳光的外在影响，又能接受来自深部地热的内在影响，处在一个冬暖夏凉的平衡缓冲带中。地源热泵实际上是一种中央空调系统，它将室内的水（自来水）注入地下，与地下土层或水体发生冷热交换——夏季把室内的热量释放到地下，冬季则把地下的热量传导上来，通过水循环，完成冬季取暖和夏季制冷的双重效果。值得一提的是，我国在利用地热采暖方面长期居于世界之首。地处华北平原的北京、天津、河北、山东、河南等地都是地热采暖利用较好的地区，尤其是天津，一直走在全国前列。比如，天津奥林匹克中心就采用了地热供暖系统，大大节约了能源。

上文介绍了6种地热能源及其开发利用技术。除了用于发电、取暖之外，地热能还可应用于温室种植养殖、工业生产、医疗保健、休闲旅游等领域，可见地热能热力无限、潜能巨大。随着科学、技术、工程的不断进步，地热行业也如雨后春笋般快速发展。在党的二十大报告中，习近平总书记再次强调了“双碳”目标和“蓝天”保卫战， 向地下进军，开发地热能源，就是要还天空以湛蓝、还自然以净洁、给人民以温暖。我们要秉持“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念，积极应对地热研究与开发，用不竭的能源为中国式现代化发展注入无穷的动力！

致谢

感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054、41302249、42130706）、国家重点研发计划项目（2021YFA0716000）、中国石油-北京大学基础研究合作项目、中国矿业大学教学研究项目（2023Y02、2022ZX01、2021KCSZ34Y、2020YB20、2019YJSJG011）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题（2021MXJG179）、国家一流专业建设点地质工程项目支持。