开发干热岩型地热资源：实现碳中和目标与能源结构转型的关键途径

开发地热资源是加快能源结构转型、成功实现碳中和目标的重要途径之一。世界银行2024年1月发布的《地热能：揭示社会经济效益》报告指出，地热能发电在我国冰岛、西藏等一些国家和地区的能源结构中发挥着关键作用。 1]。

目前地热资源类型包括蒸汽型、水热型、地热型、干热岩型等，前三者总储量有限且再生速度慢，无法实现大规模发电应用。因此，干热岩地热资源的开发是当前地热资源应用研究的关键。

增强型地热系统（EGS）是利用工程技术建设的人工地热系统，用于开发干热岩地热资源或加强低渗透储热地热能的开发利用。它是被包括EGS在内的《麻省理工科技评论》评为“2024年十大突破性技术”之一，其原理是利用基于水力措施的人工技术，对高温、低温的干热岩体进行改造。提高其渗透性和流体流动性，进而带动低温工质流动，通过转化形成蓄热岩体。裂纹网络提取并利用热能。

1 国外强化地热系统发展现状

美国、德国、法国、日本、澳大利亚等国家都开展了EGS研究，并建立了多个研究和试验基地。目前，全球在建和运营的EGS项目有30个，已运营5个，总装机容量为12.2兆瓦。

美国是世界上最早开始研究和利用EGS的国家。早在1973年，美国就在芬顿山建立了EGS示范研究点。截至目前，美国已在EGS开展了Raft River项目和Newberry项目。其中，Raft River项目在热回收技术方面处于世界前沿，Newberry项目在压裂技术方面处于世界前沿。

2015年，美国能源部（DOE）启动了“地热能前沿观测站”（FORGE）计划，旨在建立一个现场实验场，开展干热岩石以及钻探和技术的前沿研究测试形成可以降低工业发展的领域。风险和促进干热岩工业发展的严格、可复制的方法。 2022年9月，DOE公布了新的“能源地球镜头”，将EGS技术列为未来10年六大核心能源技术研究项目之一，以期实现2035年将地热能成本降低90%的目标。成本降至每兆瓦时 45 美元[3]。

同年，DOE还基于两党基础设施​​法案和FORGE计划框架，分别投资8400万美元和4400万美元用于与EGS相关的多个项目，并启动了“石油和天然气下的地热能示范项目”（GEODE）计划中，拟投资1.65亿美元推进地热能发电项目[4]。 2023年2月，DOE宣布将为7个试点项目提供高达7400万美元的资金，以测试EGS的效率和可扩展性[5]。

同年9月，DOE宣布分别资助布鲁克海文国家实验室领导的水泥基复合材料耦合化学力学中心（C4M）和太平洋西北国家实验室领导的地下信号和渗透性研究中心（CUSSP） 。研究 EGS 可持续复合材料的化学和机械性能，以及开发预测和控制 EGS 裂缝网络流动的技术 [6]。

同年 11 月，能源部宣布为 FORGE 的 13 个 ESG 项目再提供 4400 万美元资金。资助的研究方向包括自适应诱发地震活动监测器、测量热扫效率的现场规模实验、高温支撑剂和裸眼作业。多套管跳线封隔器、可重复解决方案和技术数据传输等[7]。

欧洲国家、澳大利亚、日本、韩国等国家也在EGS研发和部署方面开展了大量工作。例如，德国和法国在两国边境共同建设的苏尔茨项目于20世纪80年代末启动。经过欧盟研究框架计划的多轮支持，该项目已进入第三阶段，即开展EGS。发电并网长期循环测试和监测。项目建设1.5兆瓦强化地热系统示范电厂，进行长期水力循环测试和监测，并并网发电。澳大利亚哈瓦那项目实现1兆瓦并网发电。日本作为地热资源储量最大的国家之一，福岛核事故后进一步加强了ESG的研究和利用。韩国也于2010年在浦项开发了EGS。

值得注意的是，其中一些项目因诱发地震或其他地质问题而被迫暂停或终止。例如，Soultz项目曾引发最大2.7级地震，并一度因尺度问题而停止。为了防止结垢，随后增设了深井高压循环泵，维持一定的井口压力，有效解决了该问题，使该项目得以继续进行，成为全球较成功的EGS示范案例之一；然而，有些人被迫终止它。例如，2017年，在上次水力刺激试验后约2个月，韩国浦项发生了5.4级地震。据猜测，可能与浦项EGS项目有关，引发公众强烈反应，因此该项目也被迫终止[8]。

2、我国强化地热系统发展现状

我国目前是世界上新增地热资源容量最大的国家，地热资源丰富。增强型地热技术可以有效减少建筑领域与制冷/供暖相关的能源消耗和碳排放。

“十二五”之前，我国主要开展干热岩相关的基础实验和理论研究。 “十二五”期间，中国地质调查局组织开展了我国大陆地区干热岩资源评价。 “十三五”期间，在全国干热岩资源调查评价的基础上，先后在东南沿海、山东利津、青海共和、长白山东北部、江苏北部和山西大同地区。钻探干热岩现场10多个，取得多项突破。

2015年5月，中国地质调查局在福建漳州组织实施了我国首次干热岩科学钻探，标志着我国国家干热岩实践的正式开始[9]。 2020年，我国成功实施首次干热岩水库安全大规模建设，有效改造体积超过1000万立方米。 2021年6月，河北省唐山市马头营隆起区干热岩开发关键技术研究与示范项目实现干热岩试验发电。这是我国首次实现干热岩实验发电，初步建立了我国干热岩实验发电。形成热岩地质调查、资源评价、物探、钻井、压裂、监测、发电等勘探开发全流程技术体系[10]。

3 强化地热系统技术前沿

目前，EGS的前沿研究方向大致可分为干热岩勘探、开发和热能利用三大方向[11]。

干热岩勘探技术方面，主要集中于干热岩形成机理、调查评价方法以及具体勘探技术等方面的研究。传统的宏观评价已不再适应干热地热资源精细化开发的需求。要发展基于大数据和人工智能技术的定量资源评价和分布预测模型，通过可视化高精度三维地质模型对地热资源进行评价。开展综合评价和预测。勘探方面，开发融合重、磁、电、震等多种信息的深层地热探测技术和方法，以及高温高压测井技术和材料。

干热岩开发技术包括钻井、水库建设、水库监测与维护、地震防治等。其中，水库建设是核心，涉及干热岩热能的提取和储存，包括干热岩人工压裂技术热岩储层、干热岩开采数值模拟技术、高效井筒热流体开采技术、深层地热与矿产资源资源协同开采技术等具体技术方向。利用二氧化碳、液氮等新介质进行储存，以及井内闭路换热等新的热能提取工艺也是水库建设的重点。

干热岩热能利用技术包括热电转换技术、多能互补利用技术、深层地热能储存技术等。在热电转换方面，由于目前干热岩发电大多采用单一发电方式，生产容量低，设备易腐蚀，易结垢。因此，需要开发高效发电热力循环系统、原位发电新技术、热电转换新材料。在多能源互补利用方面，可按照需求温度从高到低的顺序，开展地热发电、供暖、洗浴、养殖等多层次利用项目。深层地热能存储涉及光/风等其他形式能源的热转换技术、储热及调节技术等。

除上述方向外，为了克服当前EGS发展受地理和地质条件限制的缺点，使EGS能够在更广泛的陆地环境中应用，美国FORGE计划和欧盟等项目计划DEEEPEGS项目也在探索EGS系统的大规模应用。大规模、可复制的商业化路径将使EGS逐步摆脱对油藏原位地质环境的依赖。

4. 增强型地热系统的问题

总体而言，EGS仍处于起步阶段，尚未实现规模化、商业化运营。主要原因是受到成本和技术的限制[12]。

从成本来看，目前EGS的成本约为每兆瓦时500美元，是核电、光伏、煤电等其他发电方式成本的十倍以上。

从技术上来说，主要问题包括：

参考

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[1] 世界银行。出版物：地热能：揭示社会经济效益。

[2] 麻省理工学院技术评论。增强型地热系统：2024 年 10 项突破性技术。

[3] 美国能源部能源效率与可再生能源办公室。增强的地热系统。

[4] 美国能源部能源效率与可再生能源办公室。资助通知：石油和天然气地热能示范工程（GEODE）。

[5] 美国能源部。拜登-哈里斯政府宣布拨款 7400 万美元用于推进增强型地热系统。

[6] 美国能源部。美国能源部宣布斥资 2.64 亿美元进行能源地球计划。

[7] 美国能源部能源效率与可再生能源办公室。美国能源部宣布 13 个项目将获得高达 4400 万美元的增强型地热系统创新资金。

[8] 文东光,张二勇,王桂玲,等.干热岩勘探开发进展与展望[J].水文地质与工程地质, 2023, 50(04): 1-13.

[9]中国地质调查局。我国首个干热岩科学钻孔正式钻成。

[10]光明网．我国首次实现干热岩石发电实验。

[11] 龚亮，韩东旭，陈铮，等．强化地热系统关键技术研究现状及发展趋势[J].天然气工业，2022，42（07）：135-159。

[12] 康方超，唐春安，李迎春，等。强化地热系统研究现状:挑战与机遇[J].工程科学学报, 2022, 44 (10): 1767-1777.