【编者按】
地热能，一种具有广阔开发前景的新能源。本刊持续关注地热能产业发展的新动态、新成果，已采访汪集暘、曹耀峰院士，发表《地热，温暖中国》《地热发展要解决规划痛点》，另特约汪集暘院士解读《中国地热能发展报告2018》。本期特邀谢和平院士撰文，关注粤港澳大湾区地热能的开发利用。
粤港澳的地热风口
地热能是粤港澳大湾区切实可利用的绿色能源。
○ 文／谢和平
2月18日，《粤港澳大湾区发展规划纲要》公布，提出深化内地与港澳的合作，至2035年将粤港澳大湾区全面建成宜居宜业宜游的国际一流湾区。能源尤其是绿色能源，无疑是实现这一目标不可或缺的支撑。
粤港澳大湾区地热资源储量大、分布广，发展前景广阔，市场潜力巨大。积极开发利用地热能，对缓解粤港澳大湾区能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。
地质条件特殊
地质条件特殊
粤港澳大湾区地处欧亚板块、太平洋板块和菲律宾板块的交汇部位。在板块运动过程中，长期受到大洋板块的俯冲作用，导致冷的大洋岩石圈板块下沉，热的地幔物质上升，从而使东南沿海地区上地幔具有类似于大洋岩石圈地幔的高热状态，形成华南“热—构造区”，为东南沿海地热带的形成提供了稳定的热源。已有布格重力异常资料表明，粤港澳大湾区附近基底抬升过程十分显著，沉积盖层由北向南逐渐变薄。
粤港澳大湾区中新代以来以隆起为主的构造活动频繁，形成了一系列规模宏大的深、大断裂。有三组主要构造线，以东北走向的断裂带最为发育，恩平—新丰断裂带深切地壳20千米。三组构造线在粤港澳大湾区中部切割交汇，为地表水的深循环和深部热地幔物质上涌提供了优势通道，为地热异常区的形成创造了条件。
研究区内地层发育类型繁杂。广泛出露有中—晚元古代、震旦纪、白垩纪和第四纪地层，最为显著的特征是花岗岩广布。燕山期岩浆侵入活动尤其剧烈，与太平洋板块同期俯冲相耦合，因此花岗岩由老到新呈东北方向向沿海迁移。花岗岩来源于大陆地壳，更加容易富集放射性元素（U、Th、40K）。这些元素具有一定丰度，半衰期长，产热量高。岩石的放射性生热，也是大地热流的重要来源。在各期次岩体生热率中，燕山期生热率最高，峰值区为3.65~4.53μw/m3，为高产热花岗岩，具有显著干热岩意义。同时，花岗岩作为一种脆性物质，在新构造运动中容易发育裂隙破碎带成为地表热泉的出露通道。花岗岩在广州、深圳、江门的出露面积占城市面积40%以上，是重要的地层类型。
获取粤港澳大湾区附近15组地热参数测井数据，利用软件ArcGIS10.2中Kriging插值方法生成大湾区大地热流分布图，大地热流值高低悬殊，介于63.5~83.04Mw/m2，平均值为73.89Mw/m2，高于中国南方大地热流平均值64.2Mw/m2，为明显的地热异常区域。在大湾区内部，以东西向深大断裂为界，北缘（肇庆、广州北部）为低热流区，热流值仅在63.5~70Mw/m2间；南部区域存在一个以深圳、香港、珠海、澳门为中心的高热流区，热流值在80Mw/m2以上，为潜在高热能地带。
通过相同方法获取的粤港澳大湾区地温梯度分布图可知，受大地热流背景控制，由北向南地温梯度逐渐升高，介于2.68℃~3.17℃/100m间，平均值为2.84℃/100m，而中国南方平均值为2.41℃/100m。总体而言，粤港澳大湾区为地层增温较快的区域。尤其是在江门地区，存在一个地温快速增高区，地温梯度在2.9℃/100m以上。造成这种差异的原因估计与地下热水的强烈活动有关，仅江门地区出露的热泉就有7处，说明裂隙高度发育，垂直渗透性好，地下热水上涌快而热量消耗小，对经过岩层增温显著。
综上所述，粤港澳大湾区为大地热流高值区，具有明显的地热异常现象。大湾区内部以东西向深切断裂为界，南部地区地热价值比北部高，且在燕山期花岗岩集中分布区形成高值中心。
开发利用空间大
《地热能开发利用“十三五”规划》指出，到2020年地热供暖制冷面积累计达到16亿平方米，地热发电装机容量约达到530兆瓦。要实现这一目标，需要各地以地热田为基本单元，统一勘查开发，提高开发利用程度。
粤港澳大湾区地热资源充沛，温泉众多，可开发利用潜力巨大。仅广东省就是分布密度仅次于西藏和云南的全国第三大地热资源大省。目前，已发现的天然地热点数量约占全国1/10。广东省地质局地热资源评价结果显示，广东地热水可开采量达每年15亿吨左右，其热能相当于460万吨标准煤燃烧所产生的热量。干热岩型地热资源储量更丰富。
初步评价结果显示，水热型地热资源总量为1.83×1017千焦，折合标准煤62.4亿吨，2~5千米深度内干热岩地热资源总量为4×1017千焦，折合标准煤135.6亿吨，干热岩资源潜力十分巨大。5千米深度内，地热资源总量共计5.83×1017千焦，折合标准煤198亿吨，最终能够为经济发展提供的能源总量折合标准煤为59.4亿吨。在大湾区未来经济发展中，地热能可以促进清洁能源使用的比例大幅度提高，能源利用结构进一步优化。假设这些清洁绿色能源全部被利用，可以减排40.39亿吨的CO2，生态效益显著。
粤港澳大湾区地热资源主要集中在佛山、中山和江门接壤地区、深圳东北部和香港东部，单位面积上地热资源为35.4万吨标煤/平方千米，地热高值区能够达到51.9万吨标煤/平方千米，建议为地热勘查与开采的重点区域。
国家已经明确将广东佛山市三水区列为整体推进浅层地热能供暖（制冷）项目建设的重点地区，而将广东省列为中低温地热发电项目建设的重点省区。在珠海、中山规划建设集约化地热能开发与综合利用示范基地的建议已提上日程。在政策支持下，有望进一步推动地热发电技术研发，促进地热能梯级开发，推动浅层地热能利用。惠州地区干热岩勘查研究也有望开展，从而促进大湾区清洁能源产业发展。
多领域存在挑战
众所周知，地下地质条件复杂，地下资源探测难度大，钻探风险大，从勘探到开发周期长，首期勘探投资费用高。而政府支持力度不足，热电转化方式相对单一，中低温地热开发难度高的现实问题，让地热能勘探开发项目集资困难。可以说，地热勘探、开发、利用等领域都存在巨大挑战，亟待突破。粤港澳大湾区地热开发也不例外。
首先，干热岩型地热开发基础理论研究不足。由于干热岩资源的地质赋存环境复杂，干热岩地热储层的水力压裂致裂改造难度大、复杂程度高。现有的干热岩地热开采广泛采用的水力压裂理论及技术体系，难以满足我国干热岩资源开发的需要。
例如，水力压裂是个复杂的力学问题，核心理论基础是断裂力学。由于复杂的岩体结构与地应力特征，储层岩体压裂裂缝扩展实际上是一种复合型破断过程。因为没有三维断裂力学理论，目前多采用简化的压裂理论模型来近似分析模拟：把裂缝简化为二维平面裂缝，岩体对象要么是二维平面要么是三维立体。现有给出的水力压裂裂隙网络都是假想的描述，而实际的干热岩等储层压裂破坏过程是三维的、大尺度、多裂隙、高强度的破坏和能量释放的过程。显然，现有的压裂理论和模型无法真实反映水力压裂的破裂过程。
发展适合我国东南沿海地区干热岩地热资源开发的自主创新理论及技术体系，对于完善我国东南沿海地区能源结构具有重要的战略意义。
其次，现有技术无法实现干热岩地热资源的高效开发利用。必须发展深部岩体力学新理论，形成干热岩地热能开采变革性技术。针对目前地热能利用整体规划水平低的问题，提升地热能勘查技术，为地方政府制定低碳能源可持续发展政策、进行城市规划提供支撑，最终实现地热能的合理、高效开发利用和能源存储。
再次，中低温地热能热伏发电理论及技术有待突破。热伏发电将彻底改变传统地热能的开发模式，提高地热能开采效率，降低地热能发电成本。为地热能热伏发电的商业化开采提供理论保障，扫除技术屏障，需要全面探索研发高温特别是中低温地热能开采的温差发电理论与技术。
多项工作有进展
学界和企业界等在地热能勘探、监测、评估以及开发利用方面开展了多项工作，取得了一些进展。
笔者和所在的深圳大学深地科学与绿色能源研究院重点攻克地热能高效开发领域的基础理论研究，攻克热伏材料制备、热伏发电机设计的关键技术难题，建立干热岩体破裂理论，改善现有地热能勘探、开采技术，解决地热能开发利用的理论、技术、应用难题，在深圳建成了国际领先的地热能利用科学及应用技术示范基地，减少深圳对化石能源的依赖，优化能源结构。
例如，在干热岩型地热开发基础理论方面，我们在2014年12月10日举行的香山科学会议上首次提出了三维体破裂的概念、理论与技术构想。
三维体破裂指三维岩体在载荷作用下，内部孔隙、层理裂隙、人工裂隙互相作用和贯通。形成新的三维裂隙网络系统这一破坏力学过程，是岩体大尺度、多裂隙、高强度的破坏和能量释放的过程。针对压裂主裂缝三维空间内扭曲扩展的事实，我们提出了最大平均主应力准则，克服了现有理论不能预测裂缝扭转扩展以及预测强度困难的缺点。
再比如，在干热岩型地热开发技术研究方面，常规水力压裂技术产生缝网难度大，不得不采用大排量、高强度的压裂方式。目前，国际上有学者认为水力压裂可能诱发地震。疲劳水力压裂因其可减少诱发地震、易产生缝网、降低起裂压力等优势正逐渐得到重视。然而干热岩（致密储层）的疲劳机理和模型尚不清楚，制约了疲劳水力压裂技术研发。我们的课题组率先探索干热岩（致密储层）脆裂和变频疲劳机理并研发变革性技术，提出了干热岩开发的气动脆裂与高频疲劳破断新原理及技术。
我们希望借助粤港澳大湾区蓬勃发展之势，到2020年初步实现地热能热伏发电所需高性能热电材料宏量制备技术突破，完成干热岩体破裂理论、干热岩三维断层动力学理论框架搭建，初步形成浅层地热能开采新技术。到2025年完成地热能热伏发电单元的研制，初步完成热伏发电机设计理论研究，构建地热能储层体破裂理论体系，初步形成干热岩开采新技术，建成地热能开发利用国家级研究中心。到2030年建立整套干热岩开发理论，构建深圳、惠州、梅州等地热能综合利用研发基地，打造粤港澳大湾区地热能梯级利用示范工程，形成成熟的地热能勘探、开采、利用全套技术，并进行商业化推广。
