徐繼山　孫林

地?zé)崮苁菑V泛分布于地球內(nèi)部的一種清潔能源。對(duì)于地?zé)嵫芯空邅碚f，面臨的最大困難并不是如何找到它，而是如何把它開采出來。地?zé)崮芗炔皇俏镔|(zhì)，也沒有顯著的運(yùn)動(dòng)，它是地下物質(zhì)的熱的存在狀態(tài)。我們無法像開采煤炭、石油、天然氣那樣直接去開采它，而不得不借助工程的、技術(shù)的間接手段來獲取它所蘊(yùn)藏的能量。為此，工程師們克服了重重困難，想出了種種辦法，但萬變不離其宗，都離不開一個(gè)核心技術(shù)——鉆井。鉆井是一種利用機(jī)械設(shè)備或人工手段，從地面向地下將地層鉆成孔洞的工作方法。鉆出來的井孔有大有小、能深能淺，要根據(jù)地?zé)崽锏念愋鸵虻刂埔?、?duì)“型”下鉆。

地?zé)崮苜x存于地下天然介質(zhì)中，比如水、巖漿或者其他巖層。當(dāng)?shù)責(zé)釡囟确浅８邥r(shí)，會(huì)像鍋爐一樣將流經(jīng)其附近的地下水燒開，地下水就變成了水蒸汽，再從地表冒出來，這就是蒸汽型地?zé)帷Ｈ缑绹纳w瑟爾斯、意大利的拉德瑞羅和我國西藏的羊八井等地的地?zé)崽锞褪钦羝偷責(zé)崽铩?/p>

蒸汽是推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一動(dòng)力源，正好可以用來發(fā)電。要開采這類地?zé)?，就需要用到蒸汽井——它的口徑要大一些，這樣才能盡可能多地收集地?zé)嵴羝?。從鉆井中引出蒸汽送入汽輪機(jī)，推動(dòng)葉輪和轉(zhuǎn)子，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而完成發(fā)電過程。在火力發(fā)電廠，需要通過燃燒煤炭或天然氣將液態(tài)的水轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的水蒸汽，而此類地?zé)崽锩俺鰜淼木褪钦羝?，相?dāng)于“跳”過了這一步，直接進(jìn)入發(fā)電步驟，從而大大節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。不過，天然的未必是完美的。由于地下蒸汽的來源比較復(fù)雜，常含有二氧化碳、硫化氫等氣體，容易腐蝕設(shè)備，所以需要做一定的凈化處理。我國最大的地?zé)犭娬尽虬司責(zé)犭娬?，現(xiàn)裝機(jī)容量1.3萬千瓦，自1975年始建至今，為我國的能源事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。近年來，受結(jié)垢、腐蝕等問題困擾，羊八井地?zé)犭娬境霈F(xiàn)了一定程度的降效減產(chǎn)，這成為亟待解決的技術(shù)難題。

西藏拉薩市羊八井地?zé)犭娬?/p>

地?zé)崮苜x存在液態(tài)水中，其賦存區(qū)就被稱作“熱水型地?zé)崽铩?，冰島的雷可雅未克、墨西哥的賽羅普列托、法國的莫倫和匈牙利盆地，以及我國大部分的地?zé)崽锒紝儆谶@一類。熱水型地?zé)崽锟梢赃M(jìn)一步按照溫度劃分，即高溫型（大于150℃）、中溫型（90～150℃）和低溫型（小于90℃）地?zé)崽铩?/p>

相比蒸汽型地?zé)?，?duì)熱水型地?zé)岬拈_發(fā)和利用稍微麻煩些，尤其是低于100℃的地?zé)崴＿@是因?yàn)闊崴偷責(zé)崽餆o法直接變成蒸汽。隨著地?zé)崴仙鼤?huì)與上部溫度較低的地層發(fā)生熱交換，從而損失熱量。當(dāng)水抽采到達(dá)地表時(shí)，原本就不太熱的水也變成溫水了。那么，如何應(yīng)對(duì)呢？目前有兩種方法：方法一是減壓擴(kuò)容法，將地?zé)崴椴傻綌U(kuò)容器中，利用真空機(jī)將擴(kuò)容器抽成真空，熱水的沸點(diǎn)降低，瞬間汽化，然后將蒸汽送入汽輪機(jī)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、安全，但容易結(jié)垢，單機(jī)容量也只有300千瓦左右。方法二是中間工質(zhì)法?！爸虚g工質(zhì)”就是沸點(diǎn)比較低的物質(zhì)，如氯乙烷、正丁烷、異丁烷和氟利昂等。地下熱水通過換熱器加熱這些物質(zhì)，把熱傳遞給它們，讓它們變成氣體，再推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。

值得一提的是，1970年我國在廣東豐順建成了第一座地?zé)犭娬?。該地素有“溫泉之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，雖然溫泉廣布，但地?zé)崴疁刈罡咭簿?0℃左右。當(dāng)時(shí)，我國科研人員采用的是減壓擴(kuò)容法，自主完成了中低溫發(fā)電試驗(yàn)，這標(biāo)志著我國地?zé)崾聵I(yè)的肇始。

地壓型地?zé)崾浅惺苤^高地層壓力的地?zé)崮苜x存形式，它的埋深在2至3千米之間，一般發(fā)育在濱海沉積盆地中，比如墨西哥灣、我國沿海平原等地區(qū)。這一類地?zé)峋哂休^高的溫度和壓力，這與其封閉的形成環(huán)境有關(guān)。以濱海地區(qū)為例，它的地層一般由砂質(zhì)和泥質(zhì)的地層組成，海平面升升降降，連續(xù)沉積了顆粒較粗的巨厚地層，覆蓋在下面的泥質(zhì)沉積層上。當(dāng)上面沉積的地層的質(zhì)量超過下伏地層的承重能力時(shí)，砂體就會(huì)下沉，形成一個(gè)閉合的區(qū)塊——塊內(nèi)含有大量的水，塊的邊界又隔水，在很長的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)大量的地?zé)峋唾A存在這里，不易散失出去。

此類地?zé)崴臏囟纫话銥?50～180℃，最高甚至可達(dá)260℃，通過鉆孔鉆取出來，其水壓高達(dá)28～42兆帕。在這類地?zé)崽镏校藷崮苤?，往往還貯存著甲烷、乙烷和丙烷等烷烴氣體，可以當(dāng)作副產(chǎn)品回收利用。所以，地壓型地?zé)嵬ǔＳ腥龑殻簞?dòng)能、熱能和化學(xué)能。需要說明的是，這類資源十分寶貴。由于該類地?zé)崴幱谧晕曳忾]的環(huán)境中——雖然積累了內(nèi)在能量，但也限制了外在水源補(bǔ)給，用一點(diǎn)便少一點(diǎn)。那么，要不要開采呢？我國新設(shè)立的雄安新區(qū)就是一個(gè)樣板示范區(qū)，在地?zé)衢_采中及時(shí)、科學(xué)地回灌地下水，采多少補(bǔ)多少，采哪里補(bǔ)哪里，實(shí)現(xiàn)了抽蓄平衡。所以，保護(hù)不是最終目的，而是為了更好地開發(fā)與利用。

雄安新區(qū)的地?zé)徙@井工程規(guī)劃

干熱巖是指埋藏在地下的不存在熱水和蒸汽的熱儲(chǔ)巖體，即“又干又熱”的巖體。在地球松散表土層的下面就是巖石圈，這些巖層都有一定的熱量，但它們并不都是干熱巖?！案蔁釒r”的名號(hào)雖然聽起來干巴巴的，但是它比其他類型的地?zé)崮芨鼉?yōu)秀。因?yàn)槠渌責(zé)崽镫S著開采時(shí)間的延長，地溫會(huì)逐年下降，而干熱巖往往與更深的巖體相連，深部的熱量能夠源源不斷地傳導(dǎo)上來，從而延長其開采壽命。干熱巖具有溫度高和埋深淺的特點(diǎn)，溫度一般要高于200℃，埋深在幾千米以內(nèi)。如果埋藏得太深，即使溫度很高，也會(huì)失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

對(duì)此類地?zé)岬拈_發(fā)利用，需要用到回灌井和生產(chǎn)井。先鉆一口回灌井到深部的干熱巖中，利用壓力泵注水，把深部的高溫巖體壓碎，這些碎裂空間就成了水的“儲(chǔ)存空間”。再鉆一口生產(chǎn)井，使之與碎巖區(qū)相交。這樣就構(gòu)成一個(gè)閉合的回路：冷水從回灌井進(jìn)入深部碎巖區(qū)，在流動(dòng)中吸收干熱巖的熱量，再通過生產(chǎn)井抽取出來，最終送入工廠發(fā)電或供熱。2014年，我國在青海共和盆地首次鉆探獲得深度為3705米、最高溫度236℃的干熱巖，標(biāo)志著我國具備了開發(fā)干熱巖資源的能力。據(jù)估算，我國已探明的干熱巖型地?zé)崽飪?chǔ)量，能夠滿足幾千年發(fā)展的能源需求，而當(dāng)前干熱巖型地?zé)崮苋蕴幱诔跫?jí)開發(fā)階段。

干熱巖開發(fā)示意圖

還有一類蘊(yùn)藏著巨大能源的地?zé)狍w，那就是巖漿。巖漿是深部熔融態(tài)或半熔融態(tài)的巖石，它是上地幔的重要組成物質(zhì)，埋藏得非常深，但在一定地質(zhì)條件下會(huì)侵入上面的地層里，形成侵入巖體；或者在地殼薄弱處噴發(fā)出來，形成火山。這些巖漿在地下的溫度是相當(dāng)高的，即使噴出地表，其溫度也有600～1500℃。這類地?zé)崽锎罅糠植荚诨鹕交顒?dòng)區(qū)。

那么，巖漿可以用來發(fā)電嗎？這個(gè)想法近乎科幻，但現(xiàn)實(shí)中還真有一處巖漿鉆井，它就是位于冰島克拉夫拉地?zé)崽锏腎DDP-1鉆井。想要把鉆孔打進(jìn)巖漿，并不是一“鉆”永逸的事，這需要攻克三個(gè)超高級(jí)的技術(shù)難題，即超高溫、超高壓和超高黏。其難度在于：一方面，深部高溫再加上鉆頭與圍巖的摩擦熱容易造成鉆具損壞；另一方面，高壓作用會(huì)使深部各種高溫氣體和流體一股腦地噴涌出來，一旦打通巖漿，巖漿就會(huì)沿著鉆孔噴出來，它的高黏性促使其流速減慢，重新凝結(jié)成巖而堵塞鉆孔。對(duì)此，工程人員采用循環(huán)冷卻技術(shù)——給鉆頭及整個(gè)井身降溫，反復(fù)試驗(yàn)多年，終于在2009年成功打進(jìn)巖漿的“巢穴”。據(jù)悉，IDDP-1鉆井井口溫度高達(dá)450℃，創(chuàng)造了世界鉆井最高溫度的奇跡。

冰島IDDP-1 巖漿鉆井

我國地?zé)崮茉捶N類多樣且儲(chǔ)量巨大，高溫地?zé)嶂饕植荚谇嗖馗咴推渌笮蜕矫}地區(qū)，那里地廣人稀，主要用于發(fā)電。在人口聚集的平原和盆地地區(qū)，地?zé)崽锊皇歉邿岬?，而是溫?zé)岬?，雖然不能用來發(fā)電，但是用于取暖是非常適宜的。更重要的是，這種中低溫的地?zé)崽锓植际謴V泛，幾乎覆蓋了所有的平原和盆地。所以，從居民需求來看，中低溫型地?zé)崮茉撮_發(fā)也具有十分重要的民生價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

地源熱泵技術(shù)就是開發(fā)淺層地?zé)崮茉吹囊话牙?。所謂“淺層”，主要是指200米以內(nèi)的地層。在這個(gè)深度范圍內(nèi)的地層，既受大氣和陽光的外在影響，又能接受來自深部地?zé)岬膬?nèi)在影響，處在一個(gè)冬暖夏涼的平衡緩沖帶中。地源熱泵實(shí)際上是一種中央空調(diào)系統(tǒng)，它將室內(nèi)的水（自來水）注入地下，與地下土層或水體發(fā)生冷熱交換——夏季把室內(nèi)的熱量釋放到地下，冬季則把地下的熱量傳導(dǎo)上來，通過水循環(huán)，完成冬季取暖和夏季制冷的雙重效果。值得一提的是，我國在利用地?zé)岵膳矫骈L期居于世界之首。地處華北平原的北京、天津、河北、山東、河南等地都是地?zé)岵膳幂^好的地區(qū)，尤其是天津，一直走在全國前列。比如，天津奧林匹克中心就采用了地?zé)峁┡到y(tǒng)，大大節(jié)約了能源。

上文介紹了6種地?zé)崮茉醇捌溟_發(fā)利用技術(shù)。除了用于發(fā)電、取暖之外，地?zé)崮苓€可應(yīng)用于溫室種植養(yǎng)殖、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健、休閑旅游等領(lǐng)域，可見地?zé)崮軣崃o限、潛能巨大。隨著科學(xué)、技術(shù)、工程的不斷進(jìn)步，地?zé)嵝袠I(yè)也如雨后春筍般快速發(fā)展。在黨的二十大報(bào)告中，習(xí)近平總書記再次強(qiáng)調(diào)了“雙碳”目標(biāo)和“藍(lán)天”保衛(wèi)戰(zhàn)， 向地下進(jìn)軍，開發(fā)地?zé)崮茉?，就是要還天空以湛藍(lán)、還自然以凈潔、給人民以溫暖。我們要秉持“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念，積極應(yīng)對(duì)地?zé)嵫芯颗c開發(fā)，用不竭的能源為中國式現(xiàn)代化發(fā)展注入無窮的動(dòng)力！

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177123、42042054、41302249、42130706）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFA0716000）、中國石油-北京大學(xué)基礎(chǔ)研究合作項(xiàng)目、中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2023Y02、2022ZX01、2021KCSZ34Y、2020YB20、2019YJSJG011）、全國煤炭行業(yè)高等教育教學(xué)改革研究課題（2021MXJG179）、國家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)地質(zhì)工程項(xiàng)目支持。