地热资源的特点与可持续开发利用

  资源与环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件, 资源环境与可持续发展已成为人类共同面临的重大问题。近一个世纪以来, 全世界的人口增长了2 倍, 能源和天然资源的消费增长了10 倍,对人类的生存和可持续发展都提出了严峻的考验。

 

  地热资源作为一种清洁可再生能源, 在人们环保意识越来越强烈的今天, 也受到越来越多的关注。2004 年8 月, 在意大利佛罗伦萨举行的第32届地质大会上, 就专门设置“ T09.06 地热田” 第278 专题讨论地热资源。地热能在世界范围内的广泛应用, 是因为它不仅是一种不会对环境造成污染的能源, 而且在于它的使用不受时间和气候的限制。

 

  1  地热资源的基本特性与特点

 

  1.1  地热资源的基本特性

 

  地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下, 能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石中的热能量、地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地球是一个巨大的热库, 从地面越往下温度越高, 正常增温梯度为每1000m 增加25 ℃～ 30 ℃。

 

  由于构造原因, 地球表面的热流量分布不均, 部分地区大于正常梯度时就形成地热异常。从全球地质构造观点看, 大于150 ℃的高温地热资源带, 主要出现在地壳表层各大板块的边缘、碰撞带、开裂部位和坳陷区。

 

  地热田储存资源量大, 水源虽来自大气降水,但水的径流缓慢, 形成热水的周期可达数千年, 甚至上万年, 与地下冷水一般一年左右的循环周期有明显不同。地热资源赋存在一定地质构造部位, 有明显的矿产资源属性, 具有矿产资源和水资源的双重性, 是集热、矿、水三位一体的清洁、宝贵、可利用的矿产资源。

 

  2.2  地热资源的特点

 

  (1) 地热能是一种清洁能源。我们所说的“清洁” 是指地热能是相对其它能源对环境污染最小的一种能源, 特别是由于地热开发利用技术的提高,用高温地热田发电所产生的二氧化碳的排放量, 较常规化石能源发电要小得多。

 

  (2) 地热资源是一种可再生、可持续使用的能源。在地热源体系里, 地热水通过对流的方式实现能量的传递, 属于可再生范畴。我们所说的地热资源的可持续利用, 是以一个国家或地区的概念, 在一个相当长的时间内来统一规划利用地热资源, 不论是用于发电或是直接热利用, 使得新开发的地热系统可以取代逐步被淘汰的旧系统。

 

  (3) 地热资源的利用不受其它因素的影响。地热资源的利用可以不受天气、季节的影响, 每一天每一刻均可连续使用。即使在常规维修检查时, 地热源电站仍可持续发电。相反, 其它形式的能源或多或少要受一定的外部变化的影响。因此, 对于装机容量相同的新能源发电站来说, 地热电站的年发电量, 要高于风能发电场、光伏电站等。

 

  2  我国地热资源概况与开发利用现状

 

  我国是一个地热资源丰富的国家, 据黄尚瑶等人资料统计〔2〕, 全国水温在25 ℃以上的温泉总数为2796 处, 其中有2004 处分布在我国中西部地区, 包括晋、蒙、豫、鄂、湘、桂、陕、宁、甘、青、新、川、渝、黔、滇、藏16 个省、市、自治区, 占全国71.7 %。我国中西部地区拥有温泉资源的市县数为455 个, 是全国市县总数(681 个)的2/3 。此外, 在我国迄今发现的水温≥100 ℃(或当地沸点)的93 处沸泉中, 有81 处集中分布在西藏、滇西及川西地区, 分别为45 、27 及9 处,其中包括世界罕见的间歇喷泉。据宾德智资料〔3〕,我国西南部地区地热资源最为丰富, 已探明可利用的地热总量占全国51.05 %, 中南地区占15.89 %。

 

  在西藏的羊八井已探获329 ℃的高温地热资源, 在台湾的北投已打出294 ℃的高温地热井。在云南的腾冲-梁河一带, 其地热显示可与西藏羊八井相媲美, 根据热海热田浅孔测温资料, 地表20多米深处水温高达145 ℃。我国地热资源的地理分布恰好与当地的经济布局, 大、中城市的规划区相匹配, 有利于地热资源的因地制宜平博·PINNACLE中国规模开发和利用。如在环渤海经济区, 经过勘查已发现近百处地热田, 其中京津保三角地区就有30 多处地热田可供近期开发利用(马殿辉等, 2000), 地热资源埋藏浅(600 ～ 2000m), 多数在1000m 左右, 井口温度多在70 ℃～ 90 ℃之间, 储量大, 储层多,单块地热田最大面积可达600km2 , 热能利用潜力在500MW 以上。我国地热资源潜能巨大, 地下3000m 以内可以直接利用的经济型地热资源约为1353 亿t 标煤当量, 仅天然温泉释放的热量每年大约为360 万t 标煤当量。

 

  近年来, 随着社会经济发展、科学技术进步和人们对地热资源认识的提高, 出现了地热资源开发利用的热潮。天津市地热开发利用势头迅猛, 仅塘沽池地区就开凿了26 眼地热井。北京市珠市口大街的328 号位置, 成功地开发出一口深1400m 的地热井, 井口水温52 ℃;在北京良乡地区凿成3口日出水量2000L 、水温55 ℃的地热井。京津地区冬季地热采暖面积超过了400 万m2 。陕西省咸阳市近两年来积极开发热资源, 已打成9 口地热井, 井深1600 ～ 1800m , 井口水温65 ～ 104 ℃。河北省深州市已完成4 口地热井, 出水温度达到83 ℃。山东省一些大中城市, 如济南市、青岛市、威海市、泰安市、聊城市等相继开发利用地热水。

 

  西藏羊八井电厂是我国装机容量最大的地热电厂,运营20 年来, 累计向拉萨市供电11 亿kWh , 占拉萨电网电量的45 %以上;阿里地热资源的开发也实现了服务于当地经济的目的。据不完全统计,我国地热供热利用总量已超过了2282MW , 仅次于美国。

 

  但是, 我国地热资源开发利用在取得了很大成绩的同时, 还存在一些问题:我国地热开发利用总量很少, 还不到可利用量的千分之一;绝大多数地热开发利用水平很低, 仍然处在自发、分散和粗放经营的阶段, 甚至个别地方还存在着盲目开采的现象;资源利用单一, 浪费严重;重开发轻保护, 导致地面下沉和环境严重污染。

 

  3  地热资源的可持续开发利用

 

  为了加快地热资源的开发, 必须认真贯彻“正

 

  确处理经济发展同人口、资源、环境的关系, 资源开发和节约并举, 把节约放在首位, 提高资源利用效率” 的指导思想, 合理利用地热资源, 取得更好的经济、环境和社会效益。为此, 在地热资源开发中应重视以下几个问题。

 

  3.1  搞好科学规划、加强前期地质论证工作, 避免盲目开发搞地热资源开发, 首先要在地质勘查的基础

 

  上, 根据资源的储量、质量、性质、区位特点, 以及区域经济发展的需求, 优化资源配置并做出科学合理的利用规划;然后按照规划因地制宜地制定出分步实施的方案;再根据实施方案进行正规的设计, 施工和设备选购。这样, 就改变了过去一些地方出现的, 未搞清资源情况就开工上项目的盲目开采现象, 从而避免了资源、资金的浪费和环境污染。

 

  近年来, 各地地质队伍采用先进技术方法进行综合勘查, 综合解释, 切实开展前期地质论证工作, 在进行充分论证的基础上, 确定探采结合的地热井井位。实践表明, 在多数情况下是成功的, 尤其是在石油部门打过油气探井的地方打地热井, 因有油气探井试油、试水成果, 成功率较高。因此,有的地方根据石油探井提供的有关信息, 包括含水层岩性、厚度、渗透性、水温、水化学等资料, 选定井位, 对地热资源的勘探开发起到了重要指导作用。有些地区的油气探井虽曾打出地热水, 但多已封井, 如四川大邑县花水湾的一眼废弃探井, 经专家进行可行性论证后被打开, 获得水温近70 ℃、自流量达7000m3 /d 的自流热水。而在一些地方,如成都凤凰山, 由于地质构造复杂, 勘查技术手段有限, 致使钻探工作失利, 大量资金流失。目前,就地热勘探工作的发展势头看, 各地地热井越打越深, 不仅在地热异常区打井, 在非异常区也打, 风险很大。因此, 为提高钻井成功率, 最大限度地减少钻探风险, 做好前期地质论证工作取得必要的地质依据, 是十分重要的。

 

  3.2  合理开发, 综合利用, 有效保护, 实现地热资源的可持续开发地热资源开发利用的范围很广, 是由其多功能特点决定的, 所以在地热开发利用中, 要合理开发, 按不同的用途, 综合利用资源, 进行梯级利用, 最大限度地提高资源利用效率, 从而获得高的经济效益。

 

  地热资源是可再生的能源资源, 同时又是有限的资源, 其补给的过程是极其缓慢的。在合理开发地热资源的同时, 还要注意保护好地热资源。在我国中西部的一些地热田, 如羊八井、西安、昆明、郑州等地, 由于过量开采而引起水位持续下降, 有的地方已导致资源枯竭, 严重影响到地热田的寿命。羊八井地热田于1991 年所测地面最大沉降值达176.6mm , 生产井的汽化面已下降20 ～ 45m ,92 ℃泉、河心沸泉等地表地热显示消失了, 热水湖不热了。西安东南郊地区水位已降至井口以下120m 左右, 昆明地热田水位以年均1m 的速度持续下降。为保持地热井水量和水压的稳定及防止地热尾水对环境的影响, 一方面要加强管理, 采取限量打井、限制开采量等措施, 合理开采, 有效保护;另一方面, 需结合地热田具体条件, 反复进行回灌试验取得可靠参数, 开采与回灌要同时考虑,以确保地热资源的可持续开发。

 

  3.3  发展地热资源的直接利用、梯级利用和景观保护我国大部分地区地热资源丰富, 类型齐全, 分布广泛, 且多为中低温;高温地热资源仅分布在西藏、滇西和川西地区。据统计, 我国已经调查的2004 处温泉中, 有1580 处水温介于25 ℃～ 60 ℃之间, 占温泉总数的78.8 %。因此认为, 在我国地热资源的开发利用方面, 以发展中低温地热资源的非发电利用, 即直接利用为宜, 如在纺织、印染、造纸、空调、制冷、鱼类加工、奶制品、麦种、蔬菜、水果等烘干, 孵化、繁育良种, 温室种植、水产养殖、繁育水浮莲, 灌溉农田、发展农村沼气,化学提取以及采暖、沐浴、疗养、旅游、热供水、饮用等方面开展综合利用, 以满足广大用户的需求。目前, 在我国的一些地热区, 地热采暖后尾水的温度多在30 ℃ ～ 40 ℃之间, 尚未充分利用就被大量排出, 说明目前资源浪费的现象是较为普遍的。建议按不同温度开展地热资源的梯级利用, 即根据“因地制宜, 物尽其用” 的原则, 发挥资源优势, 减少浪费, 提高地热利用率。

 

  对一些高温温泉、沸泉以及间歇喷泉来说, 发电利用并不是地热开发利用的唯一方向。比如间歇喷泉, 它是在特定的地质构造背景下形成的, 在世界范围内仅发现数处, 如美国黄石公园的老实泉、冰岛大喷泉以及我国西藏的搭格架、谷露、查布和川西的热坑(茶洛)等, 均属十分罕见的奇特景观。滇西腾冲是我国大陆唯一保存完好的火山温泉区, 拥有罕见的火山、地热景观及珍贵的医疗矿泉水资源。发展上述地热景观的非电利用, 对于保护这类自然“瑰宝” 更具有深远意义。如在这类地区开展以发电为目的的地热勘查工作, 建立电站, 势必会破坏在漫长的地质发展过程中形成的地热景观, 这在我国西部的地热开发中是有过教训的, 其后果将不堪设想。因此, 建议有关部门尽快立法,使大自然赋予人类的来之不易的地热景观得以保护下来, 留传后代。

 

  3.4  采用先进科学技术, 建好示范点, 形成规模,推进地热利用产业化发展合理地开发利用地热资源, 必须有相当先进的开发利用技术手段, 以期达到在节能、保护环境的基础上, 充分发挥地热工程效益的目的。目前, 我国无论是在地下勘探、储量评价, 还是在开发利用、设备与仪表制造等方面, 在技术上与国外都有很大差距, 这就要求我国的有关部门和企业, 狠下功夫, 提高技术水平, 推广新技术、新材料、新工艺, 逐步淘汰落后的设备和工艺, 使我国地热开发的总体水平逐渐接近世界先进水平。

 

  提高技术水平的重要途径, 是加快地热利用产业化建设。采用先进技术, 必须做好示范试点工作, 通过示范培育典型, 然后以点带面, 不断总结经验, 逐步扩大规模。示范点的建立应与当地的资源条件和开发条件结合起来, 形成不同的类型, 如高温地热发电、中低温地热采暖、养殖和种植、疗养和旅游等。所有的示范点应具有规模效益, 应当是科学规划、合理开发、综合利用的典型, 是地热资源节约、高效运用的典型, 是实行系列化、规模化和产业化的典型。

 

  3.5  按法律、法规严格管理

 

  首先, 从资源管理人手, 严格按照《矿产资源法》及其配套法规的要求, 调整好地热资源勘查、地热储备与开发强度的关系, 优化资源配置。要认真贯彻落实《中华人民共和国节约能源法》, 规范地热能源的开发利用。地热供热工程从设计、施工到生产运行, 要建立健全规范的生产管理体系和服务体系, 建立开采、回灌体系, 地热田监测体系,并按相应的法规严格管理, 确保资源能够科学规划、合理开发, 高效持续利用。其次, 要加强地热、节能的科学管理。地热装备系统都应配置计量和控制仪表, 并应逐步使用计算机自动监控系统。

 

  有条件的地方, 要进行地热利用节能技术经济评价, 开展地区间技术咨询、信息服务和人才培训等工作。第三, 要加强部门间、行业间的协调。地热的开发利用涉及许多部门和行业, 只有在各部门和各行业的支持和配合下, 才能使我国的地热事业高速健康发展。

 

  综上所述, 地热能是一种应用前景十分广阔的新能源。通过长期的利用实践, 人们认识到在地热资源的开发利用中, 应根据资源条件, 贯彻因地制宜, 合理开采, 避免浪费, 综合利用, 提高热能利用率的方针。随着我国社会经济的发展, 地热能的开发水平逐步提高, 已从单一的粗放型利用向综合的集约化利用发展, 它必将为我国的经济发展做出更大的贡献。