人类社会的发展离不开能源。从旧石器时代人类利用火开始,到工业革命以来煤、石油、天然气等化石能源的大量开采利用,再到近代原子能的发现,可以说,能源的发展和进步,彻底改变了人类社会的生产模式、生活方式,为人类物质水平的提高提供了基础,是人类社会文明发展和进步的标志之一。进入21世纪以来,随着化石能源的逐渐枯竭以及人类居住的地球环境日益恶化,开发高效而清洁的绿色新能源已成为人类面临的重要课题。在新能源对未来人类发展日益重要的今天,一种沉眠于我们脚下、储量巨大的清洁能源逐渐进入我们的视野,这就是干热岩。

众所周知,我们脚下的地球内部蕴含着巨大的能量,地心温度高达约6 000℃。地球通过火山、地震、地热等方式源源不断地释放着内部能量,我们所熟悉的温泉正是地球温和释放能量的一种方式。

干热岩则是地球内部热能的一种赋存介质。自20世纪70年代美国 Los Alamos国家实验室提出干热岩地热能的概念以来,干热岩的定义也在不断发展,目前普遍认同的干热岩是一种不含水和蒸气、埋深3~10千米、温度为150~650℃的致密热岩体。另外,考虑其客观性、科学性、可行性和经济性,干热岩的基本含义可分为广义干热岩和狭义干热岩两类。广义干热岩主要考虑其客观性和科学性,不强调干热岩地热能开发的经济性和可行性,认为是流体含量很少、温度为150~400℃的储热岩石。狭义干热岩除客观性和科学性外,必须考虑地热能发电的经济性和可行性,主要指流体含量少、埋深为3~8千米、温度为200~350℃的储热岩石。其岩性主要是各种变质岩或结晶岩体,较常见的干热岩体有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩,等等。

干热岩资源的开发主要是利用增强型地热系统来提取其内部的热量。增强型地热系统通过水力压裂等工程手段在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工地热储层,从其中长期地、经济地采出相当数量热能的人工地热系统,其原理是从地表往深埋地下的干热岩体中打一眼井（回灌井）,封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水,产生非常高的压力,在岩体致密无裂隙的情况下,高压水会使岩体垂直于最小地应力的方向产生许多裂缝。

若岩体中本来就有少量天然节理,这些高压水会使之扩充成为更大的裂缝。当然,这些裂缝的方向要受地应力系统的影响。随着低温水的不断注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通,最终形成一个人工地热储层。在距回灌井合理的位置处钻几口井并贯通人工地热储层,这些井用来回收高温水、汽,称之为生产井。注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换,产生了高温高压水或水汽混合物。从贯通人工地热储层的生产井中提取高温蒸汽到地面后,通过热交换及地面循环装置用于发电和综合利用。利用之后的温水又通过回灌井注入到地下干热岩体中, 从而达到循环利用的目的。

较常规地热资源而言,干热岩是更加清洁的一种新能源。地热水中通常含有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质,干热岩则不存在这个问题。发电和发热的综合利用是干热岩目前的主要开发利用方式。同火电、水电相比,干热岩几乎是零排放的,且开发安全,持续性好,一旦技术成熟,经济实用也将成为它的另一枚标签。另外,干热岩开发过程中可以从地球内部获得源源不断的热能补充,其绿色能源之名,名副其实。可以预见,随着不可再生化石能源的减少,未来干热岩的开发利用将极有可能为我国减排缓解大气污染和新一轮能源结构调整做出重大贡献。

目前,人们对干热岩的开发利用,主要是发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响,且不受季节、气候制约。因为干热岩发电既不像火电那样向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物,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,所以干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。

同时,干热岩因其得天独厚的较高温度,一旦成功开采出来,将是冬季供暖的良好热源。干热岩供暖技术具有普遍适用性、绿色环保、运行成本低、安全可靠等优点。

干热岩开发利用,需要借助大量水循环,每次提取地热资源时,都要给地下人造热储进行注水,在循环过程中还要对流失的水不断进行补充。因此,充足的水源供应是开发利用干热岩的一项重要条件。当然,目前也有专家正在研究用超临界的二氧化碳作为循环液。这种方法可以避免水溶液注入可能产生的一系列问题,同时实现二氧化碳的资源化。不过,这项研究才刚刚起步,仍面临不少技术难题。

未来干热岩的开发利用应遵循地热梯级利用原则,根据热水或蒸汽的不同温度逐级利用,更能达到充分、高效的目的。具体梯级利用分级方式如下：

200~400℃ 直接发电及综合利用;

150~200℃ 双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;

100~150℃ 双循环发电,供暖、制冷,工业干燥,脱水加工,回收盐类、罐头食品;

50~100℃ 供暖,温室,家庭用热水,工业干燥。

干热岩开发在世界上已有40多年的研究历史。美国位于新墨西哥州芬顿山（Fenton Hill）干热岩项目是世界上第一次利用干热岩资源的项目,该项目验证了在人工干预下对干热岩中热量的开采是可行的,为地热能的开发开创了新方向。受芬顿山项目成果鼓舞,英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等发达国家也开展了一系列干热岩研究和开发项目,如英国的Rosemanowes项目、日本的Hijori项目和瑞士的Basel项目,其中最为成功的是在法国Soultz建立的欧洲示范性干热岩地热发电厂。该工程最大的成就是在2010年建成了世界上第一个增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems,简称EGS）示范电站,目前装机容量2.5兆瓦,在项目最终完成后装机容量将达到6兆瓦。目前Soultz干热岩电站已经持续运行7年,证实了EGS有望成为一种可持续清洁的发电技术。

进入21世纪以后,美国将干热岩资源的发展重点转向了现有水热型地热系统的边缘和深部,以降低开发成本,并可快速实现经济效益。为此,美国能源部近几年资助了几个相关的EGS示范项目（如Desert Peak、Geysers、Raft River等）,这种方式可以快速增加水热田的发电能力。2006年,美国由麻省理工学院完成的《地热能的未来——21世纪增强型地热系统对美国的影响》,旨在确定地热能潜力可否满足美国的未来能源需求。报告指出,通过使用EGS这一先进技术,到2050年地热能可提供10万兆瓦以上的电力。美国已认识到干热岩地热资源的巨大潜力,将促进用于干热岩资源开发的EGS技术成为最重要的新能源技术之一。2009年,美国经济复苏与再投资法案中有4亿美元用于EGS技术的研发。美国能源部地热技术处（GTO）的任务之一就是负责监管与EGS相关的研发工作和现场示范项目,目的是通过资助关键研发技术和重点示范项目,改善EGS技术的性能和降低干热岩地热开发成本,从而利用这个潜力巨大的新型地热资源进行发电。2013年,GTO发布了其目前和未来EGS研发投入战略的路线图,该路线图描述了技术研究路径及相应的时间表,要在2020年前建造一个具有发电量可达5兆瓦的储层,在2030年前将单位地热发电成本降至6美分/千瓦时。美国能源部于2014年7月17日宣布为地热能研究的前沿观测计划（FORGE）,将选择一个场地作为EGS尖端技术研究、钻井和技术测试的地下实验室,最终可以通过该场地实现工业规模EGS经济可行的路径。

我国干热岩资源开发研究起步较晚,初期仅少数科研单位在这方面做了理论探讨并参与了干热岩国际合作。2007年中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm公司签订了2年的合作协议,开展了“中国工程型地热系统资源潜力的研究”国际交流项目,中澳专家联合在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查,采集样品,并进行了一系列分析测试、模型研究等工作。2012年国家高技术研究发展计划（“863计划”）启动了“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目。在吉林大学、天津大学、清华大学、中国科学院广州能源所、中国地质科学院水文环境地质研究所、中国科学院地质研究所及大庆油田井下分公司等单位的协作下,在EGS单向技术研究方面取得了进展,项目成果为我国进行干热岩和深部地热开发提供了技术支撑,促进了对于地热开发中能源利用效率的评价和认识。

与此同时,国土资源系统也开展了许多干热岩资源勘查工作。2014年和2015年国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、松辽盆地、海南等地区进行了干热岩资源地质勘查,并在青海贵德和共和、山东利津、福建漳州、四川康定等地相继开展干热岩初步钻探。

2017年,青海地勘人员在青海共和盆地3 705米深处钻获236℃的高温干热岩体,这是我国首次发现大规模可利用的干热岩资源。

干热岩资源的勘查开发涉及到地热地质、热储工程、地球化学、地球物理、钻探测井、储层建造等多个学科及技术,虽然近年来各方面的技术都有了较大提升,但在干热岩热能开发与综合利用技术方面还面临很多瓶颈,如干热岩资源探测、高温钻探、人工压裂及探测评价等方面。为了克服技术难点,需要对部分国外先进技术进行引进消化,通过国家的支持和多学科的联合攻关,促进我国干热岩资源开发与综合利用事业的发展。

干热岩地球物理探测技术。干热岩资源的勘探是开发和利用的基础,目前的地球物理地热探测以间接探测为主,和直接探测储层温度尚有一定距离。应对比不同地球物理方法在地热勘查中的应用及效果,研究其各自的应用范围及适用条件,发展已有方法的同时探寻可以直接测量温度的技术手段,逐步实现对于地下温度解释的三维化、精细化,并对不同地热资源类型选取有效的勘查方式,提高地球物理探测结果的可靠性,这是今后地热地球物理探测的攻关方向。

高温钻探技术。国外深层地热资源成井工艺及相关技术的研究相对较早,技术也较为成熟。普遍选用耐高温专用钻头和辅助破岩工具,并采用空气钻井、泡沫钻井等技术来提高钻速,解决井漏问题。钻井液介质正在向耐高温、低固相、污染小的方向发展,固井水泥在耐高温,低密度,隔热保温性能上基本能够满足需要。另外,国外随钻测量的电子设备目前的测量温度上限一般低于200℃,使得定向钻进较为困难,是高温深钻需要解决的问题。我国有报道的科研深钻较少,其中超过5 000米的仅有位于江苏东海的5 000米科研深钻和正在开展的位于松辽盆地的设计深度6 400米的深钻。除了技术和经济的困难外,目前高温深钻的主要困难是材料问题。另外,随着EGS的提出且越来越受到关注,地热资源钻井工程技术发展趋势向着更高温度、更深层领域发展,研发耐温能力更强的工具、仪器和井筒工作流体以及特殊井结构,是今后大规模开发地热资源的迫切需求。

人工储层改造技术。人工储层改造是开采干热岩资源的必要手段,当前的主要技术手段是水力压裂。在研究过程中发现,在结晶岩体中的水力压裂过程与沉积型岩体中的相应过程有很大区别,成功的工程实例较少,基本上达不到所需流量,或循环工质的回收率过低且在试生产的过程中裂隙系统持续扩展导致热突破或更低的回收率。干热岩水力压裂过程的基本原理和应用技术都有待进一步发展。

微震监测及示踪技术。微震方法是监测裂隙系统生成扩展的最主要手段,在多个干热岩示范工程中得到应用,其有效性已得到广泛承认。目前该方法的主要可改进方面是其数据反演方法,属于干热岩开发研究的热点之一。我国在该方法的研究起步较晚,主要应用于石油天然气、矿山等行业,在软、硬件等方面与发达国家均有较大差距。另外,通过示踪剂实验,可以考察EGS系统的水力联系和注水回收率,研究复杂结构面和裂缝处的精确突破曲线,可获得断裂面面积和裂缝间距,可考察流径与温度分布,进而设计和分析非等温注水回流示踪现场试验,这是研究评价EGS系统的重要技术。适宜的示踪剂应当具备检出成本很低、检出极限低、热稳定性好、地层岩体上的吸附度低、价格较低廉等特点。目前,国际上所使用的示踪剂品类单一,对新型功能型示踪剂研究不足,亟待开展试验。

2017年,国土资源部会同教育部、中国科学院、中国地震局,联合中石油和中石化等部门,向科技部提交了《地球深部探测重大科技项目》建议书,该项目的实施将进一步完善我国深部地热成因与分布规律的地球动力学理论,形成地热资源探测与开发利用的技术体系,对推进我国干热岩资源的规模化开发利用具有重大的现实意义。

尽快出台规划,指导勘查开发。尽快出台《中国干热岩发展规划》,强化规划对全国干热岩资源勘查开发的指导作用,加强目标监测考核,落实目标、实施效果等干热岩开发监测评估指标,规范有序推进干热岩资源的勘查和科学开发利用,确保规划目标的实现。

加大勘查力度,摸清资源家底。干热岩资源勘察开发利用的各个环节均与其赋存特点等有着密切的关系,由于我国面积大、地质条件复杂、不同区域干热岩分布特点差异明显。为了满足国家对干热岩规模化开发利用的需求,开展全国性的干热岩资源调查评价与勘查开发试验工作,获得面向国家宏观决策的精细化资源评估数据和面向工程应用的针对性资源参数及关键技术显得非常迫切和重要。

加强科技攻关,追踪国际技术。结合干热岩资源的技术特点,以国家目标为宏观导向,从国家发展和安全的战略高度,审时度势,以绿色低碳为方向,确定干热岩科技工作的总体部署,加大投入,加强技术集成、滚动发展,形成我国具有自主知识产权的干热岩资源开发技术系列,保障干热岩开发技术向高效率、集成化、分布式利用健康发展,让中国地热在能源革命中真正起到重要的作用。

建设示范工程,技术引领推广。实施干热岩资源勘查开发示范工程建设,突出工程的基础研究平台与示范带动引领作用,为区域干热岩资源勘查与开发利用提供成功典范。

完善融资机制,鼓励商业开发。充分发挥中央、地方、部门与企业的积极性,按照“政府引导、企业跟进、优势互补、合作共赢”的工作思路,实现干热岩资源勘查开发主体的多元化,鼓励中央大型企业和私营企业投资干热岩资源的开发利用,推动地热产业市场的商业化进程。