第 49 卷 第 6 期
地球科学
2 0 2 4 年6月
http://www.earth⁃science.net
Earth Science
Vol. 49
Jun.
No. 6
2 0 2 4
https://doi.org/ 10.3799/dqkx.2023.047
干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
许天福 1 ，文冬光 2 ，袁益龙 1*
1. 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林长春 130021
2. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，天津 300304
摘
要：为推动我国干热岩地热开发取得新突破，形成一批干热岩开发示范区域，支撑国家能源结构调整和“双碳”目标实现，
总结归纳了推进干热岩商业化开发的底层技术、关键技术以及前沿和颠覆性技术 . 根据国内外干热岩勘查、开发利用现状，结
合青海共和干热岩试采科技攻坚战实践，将干热岩地热资源评价与选址、干热岩高效低成本钻井技术、干热岩地热利用技术定
为底层技术；干热岩体精细勘查与刻画、高效复杂裂隙网络储层建造技术、有效微地震控制技术、裂缝网络连通与储层表征技
术定为关键核心技术；井下液体爆炸造缝技术、井下原位高效换热发电技术、CO 2 等不同工质换热发电技术列为前沿和颠覆性
技术 .
关键词：干热岩；增强型地热系统；工程示范；研究进展；技术挑战；环境地质学 .
中图分类号：P641.2
文章编号：1000-2383(2024)06-2131-17
收稿日期：2022-12-26
Technical Challenges and Strategy of Geothermal Energy Development from
Hot Dry Rock
Xu Tianfu1 ，Wen Dongguang2 ，Yuan Yilong1*
1. Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130021，China
2. Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，China Geological Survey，Tianjin，300304，China
Abstract: In this paper it summarizes the base technologies, key technologies, and game-changing technologies to promote the
commercialization of hot dry rock (HDR) geothermal resources. The development of these technologies is very conducive to
making new breakthroughs in HDR geothermal development, forming a batch of HDR exploitation demonstration areas, and
supporting the adjustment of national energy structure and the realization of the "dual-carbon target" in China. According to the
present situation of exploration, development and utilization of HDR at home and abroad, combined with the practice of scientific
and technological exploration of HDR in Gonghe basin, the evaluation and site selection, efficient and low-cost drilling and
geothermal utilization of HDR geothermal resources are defined as the base technologies. The key technologies include highresolution exploration and characterization of HDR, efficient and complex fracture network reservoir creation, effective microseismic control, fracture network connectivity and reservoir characterization. The game-changing technologies include downhole
liquid explosion fracture creation, downhole in-situ efficient heat transfer and power generation, CO 2 and other working fluid for
基金项目：国家自然科学基金项目(Nos.42372283,42130303).
作者简介：许 天 福（1962-），男 ，教 授 ，博 士 ，主 要 从 事 干 热 岩 地 热 能 开 发 利 用 和 二 氧 化 碳 地 质 封 存 研 究 . ORCID ：0000⁃0002⁃1125⁃5653.
E⁃mail：tianfu_xu@jlu. edu. cn
* 通讯作者：袁 益 龙 ,副 教 授 ，博 士 ，主 要 从 事 地 下 复 杂 环 境 水 - 热 - 应 力 - 化 学 耦 合 模 拟 程 序 开 发 及 应 用 研 究 . ORCID: 0000⁃0002⁃1372⁃
3019. E⁃mail: yuanyl14@mails. jlu. edu. cn
引用格式：许天福，文冬光，袁益龙，2024. 干热岩地热能开发技术挑战与发展战略 . 地球科学，49（6）：2131-2147.
Citation：Xu Tianfu，Wen Dongguang，Yuan Yilong，2024.Technical Challenges and Strategy of Geothermal Energy Development from Hot Dry
Rock.Earth Science，49（6）：2131-2147.
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地球科学
第 49 卷
high-efficient power generation.
Key words: hot dry rock; enhanced geothermal system; field demonstration; research progress; technical challenge; environmental
geology.
0
（如 温 度 较 高 的 富 水 岩 层）内 也 可 以 经 过 适 当 的 改
引言
造 扩 容 ，形 成 增 强 型 地 热 系 统 加 以 利 用（许 天 福 等 ，
干 热 岩（hot dry rock，HDR）地 热 资 源 储 量 巨
大 ，具 有 非 常 大 的 开 发 潜 力（李 德 威 和 王 焰 新 ，
2015；许 天 福 等 ，2016；李 根 生 等 ，2022）. 据 统 计 ，地
球上可供人类开采利用的干热岩资源量是地球上
所 有 石 油 、天 然 气 和 煤 炭 资 源 总 量 的 30 倍（MIT，
2006）. 蔺文静等（2012）对我国高温干热岩的资源储
量评估表明，中国大陆 3~10 km 深处干热岩资源量
总 计 2.52×1025 J，合 856 万 亿 吨 标 准 煤 ，若 按 2% 的
可开采资源量计算，相当于我国 2021 年能源消耗总
量 的 3 200 倍 . 汪 集 旸 等（2012）指 出 ，我 国 有 利 的 干
热 岩 开 发 靶 区 包 括 青 藏 高 原 、云 南 西 部（腾 冲）、东
南 沿 海（浙 闽 粤）、东 北（松 辽 盆 地）、华 北（渤 海 湾 盆
地）、鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑等地区 .
开发干热岩地热资源的主要方法是增强型地
热 系 统（enhanced geothermal system，EGS），即 通
过 水 力 压 裂 手 段 ，在 高 温 岩 体 内 形 成 复 杂 裂 隙 网 络
的 渗 流 通 道 ，为 载 热 工 质（水）的 运 移 和 热 交 换 提 供
2016，2018）.
干热岩地热资源是极具开发前景的战略性接
替 能 源 ，目 前 世 界 上 和 我 国 的 干 热 岩 地 热 开 发 均 处
于 现 场 试 验 的 研 发 阶 段（巩 亮 等 ，2022；李 根 生 等 ，
2022；张 二 勇 ，2022）. 国 际 上 经 过 近 50 年 的 研 发 与
培 育 ，随 着 干 热 岩 地 热 资 源 商 业 开 发 前 景 进 一 步 明
朗 ，越 来 越 多 的 国 家 加 入 了 全 球 干 热 岩 勘 查 开 发 的
行列 . 欧美多个国家先后启动了增强型地热系统技
术 研 发 与 工 程 建 设 ，如 美 国 Fenton Hill（Laughlin
et al.， 1983） 和 FORGE （Xing et al.， 2022a，
2022b）、法 国 Soultz（Horálek et al.，2010）、中 国 共
和 盆 地（Xu et al.，2018；Lei et al.，2020；张 二 勇 ，
2022）等，部分 EGS 进入了试验性运行发电阶段 . 据
统计，目前全球在建与投入运行发电的 EGS 工程达
到 30 多个，实现了运行发电的 EGS 工程有 16 个，其
中还有 5 处正在运行发电（巩亮等，2022；李根生等，
空 间 和 接 触 面 ，将 地 下 深 部 低 孔 低 渗 高 温 岩 体 建 造
2022）. 还有更多的 EGS 工程尚在前期论证中（尹欣
成具有较高渗透性较多热交换面的人工地热储层
欣等，2021；李根生等，2022；Zhu et al.，2023）.
（图 1），并 从 中 长 期 经 济 地 采 出 相 当 数 量 的 热 能 以
虽 然 国 际 上 已 成 功 建 立 了 多 个 EGS 开 发 示 范
供利用（许天福等，2016；巩亮等，2022）. 随着研究的
工 程 ，但 受 限 于 EGS 产 业 化 开 发 的 关 键 技 术 ，目 前
不 断 深 入 ，增 强 型 地 热 系 统 的 概 念 也 不 仅 仅 局 限 于
还 未 形 成 可 复 制 、具 有 商 业 推 广 潜 力 的 干 热 岩 地 热
干 热 岩 地 热 资 源 的 开 发 ，在 一 些 传 统 的 地 热 储 层
工程开发模式（许天福等，2018）. 为更好推动我国干
图1
Fig.1
增强型地热系统开发示意图
Schematic of enhanced geothermal system
a. 储层建造；b. 热能提取；巩亮等（2022）
第6期
许天福等：干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
2133
热 岩 地 热 开 发 取 得 新 突 破 ，建 设 形 成 一 批 干 热 岩 开
2016）. 为 此 ，美 国 能 源 部 近 几 年 资 助 了 几 个 相 关
发 示 范 区 域 ，支 撑 国 家 能 源 结 构 调 整 和“ 双 碳 ”目 标
EGS 示 范 项 目（如 Desert Peak、Geysers、Raft River
实 现 ，根 据 国 内 外 干 热 岩 勘 查 、开 发 利 用 现 状 ，结 合
等），这 种 方 式 可 快 速 增 加 现 有 水 热 田 的 地 热 发 电
青 海 共 和 干 热 岩 试 采 科 技 攻 坚 战 实 践（张 二 勇 ，
能 力（Lu 2018；Yuan et al.，2020；Fagan et al.，
2022），本 文 总 结 归 纳 了 推 进 干 热 岩 商 业 化 开 发 的
2022）. 美 国 FORGE 计 划 和 EGS Collab 项 目 的 实
底 层 技 术 、关 键 核 心 技 术 以 及 前 沿 和 颠 覆 性 技 术 ，
施 ，旨 在 填 补 EGS 现 今 面 临 的 重 要 科 学 认 识 空 白 ，
并对国内外的相关技术现状及干热岩发展战略进
突破限制 EGS 产业化开发的挑战性技术，最终形成
行了对比评估 .
1
干热岩地热能开发进展与动态
1.1
国外进展与动态
干 热 岩 地 热 开 发 在 世 界 上 已 有 近 50 年 的 研 究
历 史 ，但 以 往 主 要 局 限 在 美 国 、英 国 、法 国 、德 国 、瑞
士、日本、澳大利亚等少数国家（许天福等，2012）. 从
1974 年 Fenton Hill 首个干热岩 EGS 示范工程至今，
全 球 累 计 建 设 EGS 示 范 工 程 60 余 项 ，干 热 岩 地 热
资 源 的 优 越 性 和 开 发 可 行 性 逐 渐 得 到 国 际 认 可（巩
亮 等 ，2022；李 根 生 等 ，2022；张 二 勇 ，2022）. 目 前 ，
EGS 产 业 化 面 临 的 最 大 技 术 挑 战 是 如 何 实 现 经 济
可 持 续 开 发 ，这 主 要 受 控 于 现 有 的 储 层 改 造 和 维 护
可 复 制 、具 有 商 业 推 广 潜 力 的 干 热 岩 地 热 工 程 开 发
模 式（Xing et al.，2022a，2022b）. 目 前 ，该 项 目 已 完
成 包 括 高 温 钻 井 工 具 、新 型 储 层 刺 激 改 造 和 完 井 技
术 、裂 缝 网 络 的 监 测 和 管 理 、诱 发 地 震 的 预 测 、应 力
管理和数值模拟等关键技术的前期研发工作（Kraal
et al.，2021；解 经 宇 等 2022）. 此 外 ，工 程 现 场 已 完
成 大 斜 度 水 平 井 钻 井（16A（78）⁃32），初 步 开 展 了 水
平 井 分 段 压 裂 技 术 现 场 测 试（图 2），有 望 取 得 较 好
的 干 热 岩 储 层 缝 网 建 造 效 果（Hu et al.，2022；Xing
et al.，2022a）.
2013 年 ，欧 盟 委 员 会 启 动 了“ 地 平 线 2020（Ho⁃
rizon 2020）”计划，该计划资助的地热相关项目共 11
项 ，总 预 算 达 1.34 亿 欧 元 ，皆 在 推 动 欧 洲 更 为 全 面
技 术 难 以 成 功 建 立 大 规 模 、经 济 可 持 续 的 地 下 热 交
的 地 热 资 源 开 发 利 用 .2018 年 ，欧 洲 深 部 地 热 技 术
换 系 统（Pandey et al.，2018）. 国 际 上 针 对 这 些 技 术
与 创 新 平 台（ETIP⁃DG）发 布 了 欧 洲 深 部 地 热 能 实
难题，开展了一系列前沿研究计划 .
2006 年 ，受 美 国 能 源 部 资 助 ，麻 省 理 工 学 院
（MIT）组 建 的 独 立 专 家 评 估 委 员 会 对 EGS 进 行 了
综 合 分 析 研 究 ，以 全 面 评 估 地 热 能 作 为 美 国 未 来 主
要 能 源 的 潜 力（MIT，2006）. 评 估 结 果 显 示 ，实 现 干
施 计 划 ，投 入 9.36 亿 欧 元 用 于 支 持 深 部 地 热 资 源 开
发 所 需 的 相 关 前 沿 技 术 和 装 备 研 发 ，皆 在 推 动 地 热
资源开发利用以满足欧洲大部分的热力和电力
需求 .
1.2
国内进展与动态
热岩地热资源的产业化开发将革新全球能源结
我 国 干 热 岩 地 热 开 发 研 究 起 步 较 晚 ，早 期 一 些
构 .2015 年 ，美 国 能 源 部（U.S. DOE）启 动“FORGE
科研单位和高等院校在这方面做了理论探讨并开
（地热能研究前沿瞭望台）计划”，累计投入超过 2 亿
展 了 有 关 室 内 试 验 研 究（赵 阳 升 等 ，2009，2010；冉
美元，旨在促进和鼓励全球地热研究团体对 EGS 的
恒 谦 和 冯 起 赠 ，2010；孙 知 新 等 ，2011）.2012 年 国 家
革 命 性 研 究 ，最 终 为 地 热 行 业 提 供 一 系 列 可 复 制 的
高 技 术 研 究 发 展 计 划（
“863”计 划）启 动 了“ 干 热 岩
EGS 技术解决方案及产业化路径（许天福等，2016；
热 能 开 发 与 综 合 利 用 关 键 技 术 研 究 ”项 目（许 天 福
Xing et al.，2022a）.2016 年，美国能源部启动了为期
等，2012）. 在吉林大学、天津大学、清华大学、中国科
3 年 的 EGS 合 作 实 验 室 项 目（EGS Collab），投 入
学 院 广 州 能 源 所 、中 国 地 质 科 学 院 水 文 环 境 地 质 研
900 万 美 元 ，利 用 可 进 入 的 浅 部 地 下 实 验 室 提 高 对
究 所 、中 国 科 学 院 地 质 研 究 所 及 大 庆 油 田 井 下 分 公
岩 体 压 裂 响 应 规 律 的 认 识 ，提 供 中 等 规 模（10 m 尺
司 等 单 位 的 协 作 下 ，2015 年 项 目 执 行 完 成 . 项 目 的
度）的 实 验 平 台 来 验 证 和 发 展 热 - 水 - 力 - 化
实施从理论上和实验室里论证了干热岩体积压裂
（THMC）模 拟 方 法 ，并 开 发 新 型 压 裂 监 测 工 具
的 工 艺 流 程 和 资 源 开 发 的 可 行 性 ，也 因 此 增 强 了 国
（Chen and Huang，2019）. 另 一 方 面 ，为 了 降 低 干 热
内科研机构与企事业单位对干热岩资源开发的兴
岩 开 发 成 本 ，美 国 提 出 基 于 现 有 水 热 型 地 热 系 统 的
趣 和 信 心 . 此 外 ，部 分 EGS 单 项 技 术 研 究 成 果 为 我
边 缘 和 深 部 进 行 储 层 建 造 ，可 快 速 实 现 经 济 效 益 ，
国 进 行 干 热 岩 地 热 资 源 开 发 提 供 了 理 论 支 撑（许 天
并 不 断 发 展 和 积 累 地 热 储 层 建 造 技 术（许 天 福 等 ，
福等，2016，2018）.
地球科学
2134
图2
Fig.2
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第 49 卷
美国 FORGE 场地工程概况
An overview of EGS site at FORGE, USA
图片引自 FORGE 网站（https：//utahforge.com/）
2013 年 ，中 国 地 质 调 查 局 发 布“ 全 国 干 热 岩 勘
（2019—2021 年）以 实 现 干 热 岩 试 验 性 发 电 为 目 标，
查 与 开 发 示 范 实 施 方 案（2013—2030）”，并 在 多 处
在 干 热 岩 成 因 机 制 、探 测 、钻 探 、储 层 建 造 、监 测 、循
高 热 流 地 区 开 展 了 干 热 岩 资 源 勘 查 工 作 ，表 明 国 内
环 连 通 等 方 面 取 得 系 列 进 展 ，成 功 实 现 干 热 岩 试 验
干热岩资源调查评价与开发研究进入实质性阶
性 发 电（Chen et al.， 2021a， 2021b； Xie et al.，
段 .2017 年 9 月，青海省自然资源部门在青海共和盆
2021；张二勇，2022）.
地 3 705 m 深度钻获温度超 200 ℃的高温干热岩体，
此外，河北省煤田地质局 2019 年组织实施的干
2
探测分布面积达 3 000 km ，实现了我国干热岩资源
热 岩 勘 查 项 目 ，在 唐 山 海 港 经 济 开 发 区 3 965 m 深
勘 查 重 大 突 破（Xu et al.，2018；张 二 勇 ，2022；
度 钻 获 了 温 度 为 150 ℃ 的 干 热 岩 体（张 保 建 等 ，
Zhong et al.，2022）. 结 果 表 明 ，我 国 干 热 岩 地 热 资
2020；张 云 等 ，2022）. 这 是 目 前 京 津 冀 地 区 钻 获 埋
源 储 量 巨 大 ，实 现 干 热 岩 资 源 的 安 全 高 效 开 发 ，将
藏 较 浅 的 干 热 岩 ，实 现 了 我 国 中 东 部 地 区 干 热 岩 勘
在 科 技 、经 济 和 社 会 发 展 中 具 有 重 要 的 作 用 和 战 略
查 的 重 大 突 破 ，这 对 于 河 北 省 乃 至 京 津 冀 地 区 优 化
地位 .
能 源 结 构 、改 善 大 气 环 境 、打 好 污 染 防 治 攻 坚 战 ，将
基 于 上 述 成 果 ，国 家 能 源 局 等 部 门 发 布 的《中
国 地 热 能 发 展 报 告（2018）》特 别 指 出 ：干 热 岩 型 地
热 能 是 未 来 地 热 能 发 展 的 重 要 领 域 ，急 需 建 设 青 海
共 和 干 热 岩 型 地 热 能 勘 查 和 试 验 性 开 发 工 程 .2019
年 开 始 实 施“ 干 热 岩 能 量 获 取 及 利 用 关 键 科 学 问 题
研 究 ”国 家 重 点 研 发 项 目 ，吉 林 大 学 牵 头 联 合 11 家
来 自 高 等 院 校 、中 国 科 学 院 、中 国 地 调 局 、中 国 石 化
及 国 家 电 网 等 地 热 领 域 优 势 单 位 ，皆 在 解 决 我 国 干
热 岩 能 量 赋 存 、获 取 、传 递 理 论 研 究 和 自 主 创 新 能
力 ，将 为 我 国 共 和 盆 地 首 个 干 热 岩 示 范 基 地 建 设 提
供 理 论 和 技 术 支 撑（Xu et al.，2021）. 最 近 ，中 国 地
质 调 查 局 在 青 海 共 和 盆 地 组 织 实 施 了“ 干 热 岩 资 源
调查与勘查试采示范工程”
（图 3）. 工 程 第 一 阶 段
发 挥 积 极 的 支 撑 作 用 ，对 京 津 冀 乃 至 环 渤 海 地 区 干
热岩勘查将具有重要的借鉴意义 .
2
干热岩地热能开发技术挑战与评估
根 据 国 内 外 干 热 岩 勘 查 、开 发 利 用 现 状（MIT，
2006；Lu，2018；许 天 福 等 ，2018；尹 欣 欣 等 ，2021；
李 根 生 等 ，2022；解 经 宇 等 ，2022），结 合 青 海 共 和 干
热 岩 试 采 科 技 攻 坚 战 实 践（Chen et al.，2021a，
2021b；Xu et al.，2021；张二勇，2022），总结归纳了
推 进 干 热 岩 商 业 化 开 发 的 底 层 技 术 、关 键 核 心 技 术
以 及 前 沿 和 颠 覆 性 技 术（图 4），以 期 为 我 国 接 下 来
的干热岩勘探开发工作提供借鉴 .
许天福等：干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
第6期
图3
Fig.3
青海共和盆地干热岩示范工程现场(据 Xie et al., 2021)
HDR demonstration project site in the Gonghe basin, Qinghai Province(Xie et al., 2021)
图4
Fig.4
2.1
2.1.1
2135
干热岩地热开发技术结构树
Technical structure tree of HDR geothermal development
济 开 发 区 3 965 m 深 度 钻 获 了 温 度 为 150 ℃ 的 干 热
底层技术
2013 年 起 始 ，
岩体（张保建等，2020；张云等，2022）. 通过对国内外
中国地质调查局启动了我国干热岩资源潜力评价
已 发 现 干 热 岩 资 源 进 行 综 合 分 析 ，结 合 中 国 地 质 构
与 示 范 靶 区 研 究 项 目 ，重 点 开 展 了 东 南 沿 海 地 区 干
造 背 景 ，可 将 中 国 干 热 岩 资 源 分 为 高 放 射 性 产 热
热 岩 勘 查 靶 区 选 址 与 科 学 钻 探 等 工 作 ，针 对 福 建 漳
型 、沉 积 盆 地 型 、近 代 火 山 型 和 强 烈 构 造 活 动 带 型
州 、湖 南 汝 城 、广 东 阳 江 新 州 、雷 琼 断 陷 盆 地 、海 南
等 4 种 成 因 类 型（甘 浩 男 等 ，2015；王 贵 玲 等 ，2020；
陵水以及广东惠州黄沙洞等重点靶区开展了系统
蔺 文 静 等 ，2021）. 其 中 ：
（1）高 放 射 性 产 热 型 干 热 岩
的 地 热 地 质 调 查 、地 球 物 理 勘 查 等 工 作（王 贵 玲 等 ，
资 源 主 要 分 布 于 华 南 地 区 ，区 内 干 热 岩 资 源 的 勘 查
2020；蔺 文 静 等 ，2021）.2017 年 ，青 海 省 自 然 资 源 部
应 重 点 考 虑 燕 山 晚 期 花 岗 岩 储 层 、一 定 厚 度 的 保 温
门 在 青 海 共 和 盆 地 3 705 m 深 度 钻 获 236 ℃ 的 高 温
盖层以及深大断裂导热作用；
（2）沉 积 盆 地 型 干 热
干 热 岩 体 ，探 测 分 布 面 积 达 3 000 km ，实 现 了 我 国
岩 资 源 主 要 分 布 于 东 部 的 华 北 、松 辽 等 盆 地 ，盆 地
干 热 岩 资 源 勘 查 重 大 突 破（Xu et al.，2018；张 二
区 干 热 岩 资 源 的 勘 查 应 重 点 考 虑 上 覆 盖 层 厚 度 、基
勇 ，2022；Zhong et al.，2022）.2019 年 ，河 北 省 煤 田
岩隆起高度及其对区域地温场的影响；
（3）近 代 火
地 质 局 组 织 实 施 的 干 热 岩 勘 查 项 目 ，在 唐 山 海 港 经
山 型 干 热 岩 资 源 主 要 分 布 于 腾 冲 、雷 琼 、长 白 山 以
干热岩地热资源评价与选址
2
地球科学
2136
第 49 卷
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及 大 同 等 近 代 火 山 群 分 布 区 ，应 结 合 区 域 地 质 构 造
合 钻 井 等（Wu et al.， 2019； Rossi et al.， 2020；
背 景 、热 异 常 区 分 布 特 征 、深 部 地 球 物 理 探 测 等 多
Wang et al.，2020）. 青 海 共 和 干 热 岩 科 技 攻 坚 战 通
种 手 段 判 断 地 壳 浅 部 低 速 区 的 性 质 ，为 该 类 型 干 热
过 现 场 实 践 ，研 制 耐 高 温 钻 具 ，采 用 井 下 动 力 复 合
岩资源的探测提供依据；
（4）强 烈 构 造 活 动 带 型 干
钻 进 工 艺 、耐 240 ℃ 高 温 环 保 型 清 水 聚 合 物 泥 浆 体
热岩资源与保持着较高辐射热的活动断裂内酸性
系 和 泥 浆 强 制 冷 系 统 ，初 步 形 成 了“ 转 盘 + 涡 轮 钻
侵 入 体 有 关 ，干 热 型 地 热 资 源 与 水 热 型 地 热 系 统 同
具+孕镶金刚石钻头”
“转盘+旋冲钻具+强保径
源 共 生 的 特 征 十 分 明 显 ，温 泉 的 群 居 性 与 成 规 模 的
牙轮钻头”
“转盘+液动冲击器+强保径牙轮钻头”
水热型地热田是寻找该类型干热岩资源的重要标
和“ 转 盘 + 螺 杆 + 强 保 径 牙 轮 钻 头 ”的 干 热 岩 冲 击
志（蔺文静等，2021）.
回 转 复 合 钻 进 工 艺 体 系 ，有 效 降 低 了 干 热 岩 高 温 硬
今 后 针 对 不 同 类 型 ：火 山 型（如 吉 林 长 白 山 、云
岩 钻 探 风 险 . 相 比 国 外 钻 井 技 术 进 展 ，我 国 高 温 条
南 腾 冲 、黑 龙 江 五 大 连 池）、花 岗 岩 型（如 福 建 、广
件 下 干 热 岩 井 眼 轨 迹 控 制 技 术（大 斜 度 水 平 钻 井）
东、江 西）、盆 地 型（如 东 北 、华 北、苏 中）等 干 热 岩 地
需 要 进 一 步 研 究 完 善 ，耐 高 温 长 寿 命 钻 头 、高 效 破
热 资 源（王 贵 玲 等 ，2020；蔺 文 静 等 ，2021；刘 德 民
岩 工 艺 和 工 具 需 要 继 续 攻 关 ，高 效 低 成 本 钻 探 技 术
等 ，2022；余 毅 和 马 艺 媛 ，2022），需 要 进 一 步 结 合 地
装 备 需 要 进 一 步 完 善 ，进 而 提 高 钻 速 ，缩 短 周 期 ，降
质 、地 球 物 理 和 地 球 化 学 等 多 种 方 法 ，对 具 有 干 热
低钻井成本 .
岩地热开发潜力的远景区开展地热地质调查和资
2.1.3
源 评 价 工 作（如 计 算 地 温 梯 度 ，预 测 某 深 度 处 温 度 ，
统 热 力 参 数 进 行 优 化 ，确 定 蒸 发 器 最 佳 出 口 温 度 ，
测 量 地 应 力 场 ，确 定 地 质 特 征 、岩 性 、构 造 、断 裂 和
按 照 对 热 能“ 品 位 ”使 用 原 则 ，确 定 冷 凝 器 出 水 温
地震活动等），探测裂缝中流体，圈定有利区和靶区 .
度 ，实 现 最 大 发 电 效 率 的 同 时 开 展 地 热 梯 级 利 用
最 近 ，基 于 地 质 、地 球 物 理 和 地 球 化 学 联 合 的 干 热
（Yari，2010；黄 璜 等 ，2021）. 目 前 ，干 热 岩 地 热 利 用
岩靶区优选方法在美国 FORGE 场地进行了成功应
多采用有机朗肯循环（ORC）发电 ，利用低沸点的流
用 ，获 取 了 有 关 地 下 应 力 、原 生 裂 隙 分 布 特 征 、储 层
体（如 正 丁 皖 、异 丁 烧 、氯 乙 皖 、氨 和 二 氧 化 碳 等）等
渗 透 性 、地 温 梯 度 、岩 石 物 性 参 数 等 重 要 数 据 ，准 确
作 为 循 环 工 质 进 行 发 电（Mokhtari et al.，2016）. 有
圈 定 了 目 标 干 热 岩 储 层（Joseph et al.，2019，2020；
机 朗 肯 循 环 发 电 设 备 相 对 成 熟 ，国 际 上 较 知 名 的 制
Simmons et al.，2021）. 综 合 来 看 ，我 国 干 热 岩 地 热
造 厂 商 包 括 美 国 Ormat、意 大 利 Turboden 等 ，但 国
资 源 靶 区 优 选 、资 源 量 精 确 评 价 等 技 术 相 对 薄 弱
内 地 热 发 电 技 术 相 对 落 后 . 此 外 ，现 有 模 式 换 热 能
（李 胜 涛 等 ，2018），现 有 指 标 体 系 和 评 价 方 法 尚 不
力有限，
“直井井群”
“水平井”
“ 丛 式 井 组 ”等 不 同 干
完 善 ，对 干 热 岩 资 源 靶 区 定 位 技 术 、资 源 量 精 准 评
热 岩 开 发 模 式 产 能 效 果 及 影 响 因 素 尚 不 清 楚（Xu
价需进一步研究 .
et al.，2018；张 杰 和 谢 经 轩 ，2021；康 民 强 和 朱 启
2.1.2
干热岩地热利用技术
根据工程需求对系
干热岩埋藏
华 ，2022），无 法 有 效 增 加 过 流 面 积 、换 热 面 积 和 改
深 ，岩 体 坚 硬 且 温 度 高 ，钻 进 过 程 面 临 速 度 低 、工 具
造 体 积 利 用 率 ，这 些 潜 在 的 影 响 干 热 岩 高 效 开 发 的
寿 命 短 、井 壁 不 稳 定 等 难 题 ，且 钻 进 过 程 中 充 满 不
因素需要进一步研究 .
确 定 性 ，严 重 影 响 钻 完 井 作 业 进 度 与 成 本（文 冬 光
2.2
等，2022）. 此外，需要克服硬质岩层与耐磨性地层的
2.2.1
钻 进 、套 管 柱 的 热 膨 胀 、泥 浆 漏 失 和 高 温 等 问 题（张
查 是 开 展 深 部 地 热 探 测 的 主 要 手 段（杨 冶 等 ，2019；
凯，2020）. 最近，美国 FORGE 场地攻克了高温硬岩
张 森 琦 等 ，2021；刘 德 民 等 ，2022），透 明 化 、三 维 可
大斜度水平钻井，钻井层位干热岩温度接近 200 ℃，
视 化 、定 量 化 勘 探 目 标 是 地 球 物 理 探 测 技 术 的 发 展
表 明 国 外 已 具 备 抗 高 温 的 随 钻 测 控 技 术（定 向 钻 井
趋势 . 地球物理方法适宜于查明各种断裂的方向和
技 术），为 干 热 岩 水 平 井 分 段 压 裂 和 大 体 积 储 层 建
性 质 ，圈 定 地 下 深 部 热 储 的 位 置 ，确 定 与 地 下 热 水
造 奠 定 了 基 础（Xing et al.，2022a，2022b）. 此 外 ，为
有 关 的 地 质 构 造 ，调 查 火 成 岩 体 的 分 布 、规 模 和 性
了 进 一 步 提 高 干 热 岩 钻 井 效 率 ，目 前 国 内 外 正 在 开
质 ，监 测 地 下 水 和 热 储 的 水 文 地 质 变 化 特 征 及 判 断
始 研 究 替 代 传 统 破 岩 机 制 的 钻 井 技 术 ，如 气 体 钻
地下热水的分布与埋藏状况等 . 对于深部地热资源
井 、激 光 钻 井 、化 学 钻 井 、液 氮 射 流 钻 井 、热 机 械 联
和 相 对 复 杂 的 地 热 系 统 ，源 、储 、盖 和 通 处 于“ 黑 箱 ”
干热岩高效低成本钻井技术
关键核心技术
干热岩场地精细勘查与刻画
地球物理勘
第6期
许天福等：干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
2137
之 中 ，拓 展 探 究 重 、磁 、电 、震 、测 等 多 场 源 综 合 深 部
续性的地震活动监测和施加缓解措施等探索实践
地热探测技术方法仍是国内外地热资源勘查技术
（Porter et al.，2019；尹 欣 欣 等 ，2021）. 例 如 芬 兰 赫
领 域 的 研 究 前 沿（赵 贵 福 等 ，2016；杨 冶 等 ，2019；
尔辛基阿尔托大学（Aalto University）城市校区干热
Makoye et al.，2022），构建深部地热地质结构“透明
岩 开 发 项 目 ，当 红 绿 灯 系 统 出 现 橙 色 警 告 时 ，会 采
化 ”有 效 探 测 的 地 球 物 理 勘 查 技 术 体 系 ，以 及 深 部
用 减 少 流 体 注 入 量 等 调 整 注 入 参 数 等 方 式 ，有 效 避
热储温度预测与地质地球物理建模等关键技术需
免 了 较 大 的 诱 发 地 震 事 件（Ader et al.，2020）. 需 要
求迫切 .
注 意 的 是 ，这 些 缓 解 诱 发 地 震 灾 害 风 险 的 技 术 有 效
2.2.2
高效复杂裂隙网络储层建造技术
深部干
性仍有待更多的现场检验 .
热 岩 热 储 渗 透 率 极 低 ，使 用 适 当 的 渗 透 率 增 强 技 术
相 比 天 然 地 震 极 高 的 预 测 难 度 ，干 热 岩 开 发 流
对在注入井和生产井之间实现有效的流体循环至
体 注 入 诱 发 地 震 活 动 的 预 测 难 度 明 显 降 低 ，这 是 由
关 重 要 . 目 前 ，常 用 的 是 水 力 压 裂、热 开 裂 和 化 学 刺
于 地 热 储 层 的 流 体 注 入 过 程 是 可 控 的 ，也 可 更 多 地
激 技 术 ，其 中 水 力 压 裂 因 快 速 、可 控 性 良 好 而 被 广
获 取 施 工 参 数 和 井 下 物 理 化 学 状 态（尹 欣 欣 等 ，
泛 采 用（Yuan et al.，2020；李 根 生 等 ，2022）；即 通
2021）. 今 后 在 高 效 微 地 震 控 制 方 面 ，需 要 深 入 分 析
过 高 压 流 体 的 注 入 ，破 坏 高 温 岩 体 原 有 的 地 应 力
干 热 岩 水 力 裂 缝 起 裂 与 扩 展 机 理 ，通 过 三 维 地 震 、
场 ，从 而 激 活 已 有 裂 隙 并 产 生 新 裂 隙 ，增 加 岩 体 导
成像测井等高精度勘查手段精细刻画场地深部地
流 和 热 交 换 能 力 ，改 善 注 入 井 和 生 产 井 的 连 通 性 .
质 结 构 ，建 立 多 场 耦 合 三 维 地 质 模 型 ，实 时 评 价 诱
化 学 激 发 技 术 也 受 到 了 广 泛 关 注 ，该 技 术 主 要 包 括
发 地 震 风 险 ；建 立 高 精 度 实 时 监 测 系 统 ，实 时 获 取
以 一 定 的 破 裂 压 力 把 酸 或 碱 溶 液 注 入 地 层 ，以 利 用
诱 发 地 震 信 息 ，指 导 水 力 压 裂 参 数（泵 注 压 力 ，排
化 学 溶 蚀 作 用 达 到 溶 解 裂 隙 表 面 可 溶 性 矿 物（如 方
量 ，累 积 注 水 体 积 等）调 整 ，采 取 压 裂 车 缓 停 泵 、扩
解 石 等）或 井 筒 附 近 沉 积 物 的 效 果（冯 波 等 ，2019；
大 单 元 泵 注 规 模 、连 续 泵 注 、精 准 控 制 排 量 等 工 程
郭清海等，2020）. 最近，美国 FORGE 场地开展了水
措 施 ，减 缓 诱 发 地 震 . 此 外 ，亟 待 建 立 干 热 岩 开 采 场
平 井 分 段 压 裂 技 术 研 发 和 现 场 测 试（Xing et al.，
地 安 全 性 和 灾 害 风 险 评 价 、多 学 科 的 地 震 监 测 网 络
2022a，2022b），期待有较好的干热岩储层缝网建造
和 分 析 技 术 、地 震 灾 害 风 险 管 控 红 绿 灯 系 统 等 技 术
效 果 ，该 项 技 术 的 进 一 步 突 破 很 可 能 是 未 来 实 现 干
体系（尹欣欣等，2021）.
热 岩 规 模 化 开 发 的 关 键 ，但 是 现 有 储 层 建 造 技 术 还
2.2.4
难以获得工业规模且经济可持续的地热能开采系
中 和 结 束 后 对 裂 隙 发 育/发 展 情 况 、空 间 分 布 、连 通
统 . 此 外 ，基 于 实 验 室 和 模 型 研 究 的 新 型 变 频 压 裂
状 况 、裂 隙 密 度 、裂 隙 走 向 等 要 素 进 行 识 别 、描 述 ，
技 术 、无 水 压 裂 技 术 等 也 被 不 断 提 出 ，并 取 得 很 好
估 算 储 层 激 发 体 积 和 流 体 分 布 ，是 评 价 人 工 流 体 通
的 实 验 室 测 试 效 果（Chen et al.，2021a；Xie et al.，
道连通与热量交换空间大小的重要工作 . 确定干热
2021；Hu et al.，2022；唐旭海等，2022）.
岩 储 层 裂 隙 结 构 最 直 接 的 方 法 为 井 下 成 像 ，即 利 用
2.2.3
水力压裂和注采循
超 声 波 成 像 、井 中 电 视 等 技 术 获 得 井 壁 裂 隙 影 像 ，
环 过 程 存 在 诱 发 地 震 的 风 险 ，严 重 制 约 干 热 岩 地 热
统 计 分 析 裂 隙 张 开 度 、发 育 方 位 的 概 率 分 布（Yuan
开 发 的 规 模 化 和 产 业 化（Kim et al.，2018；尹 欣 欣
et al.，2020；Xing et al.，2022c）. 若 钻 孔 数 量 较 多 ，
等，2021；解经宇等，2022）. 在诱发地震减灾措施上，
可通过地质统计学方法推测裂隙三维空间结构
目前已尝试采用在开采前进行地震风险评估与生
（Chugunova et al.，2017）. 受 限 于 干 热 岩 场 地 钻 孔
产许可（Wiemer et al.，2017）、建立诱发地震监测台
数 量 有 限 ，通 过 地 质 统 计 学 方 法 难 以 确 定 井 筒 外 三
网（Kwiatek et al.，2019）、采用实时风险管控技术系
维裂隙结构 . 由于干热岩储层建造过程中裂隙扩展
统 等 措 施 ，如 红 绿 灯 系 统（Baisch et al.，2019；Ader
产 生 微 地 震 ，因 此 可 通 过 监 测 、反 演 震 源 点 位 可 分
et al.，2020），发展了诱发地震前瞻性的统计预测和
析 裂 隙 发 育 过 程 和 规 模（Chen and Huang，2019；
物 理 预 测 方 法（Cloetingh et al.，2010；Luginbuhl
Rathnaweera et al.，2020）. 部分干热岩场地（澳大利
et al.，2018）. 对 于 缓 解 诱 发 地 震 灾 害 风 险 ，国 内 外
亚 Cooper basin）尝 试 基 于 电 阻 率 测 定 的 地 球 物 理
干热岩开发示范工程开展了面向限制地震发生的
方 法 ，确 定 储 层 裂 隙 内 部 结 构（Dorn et al.，2012）.
流 体 注 入 策 略 、及 时 对 注 采 策 略 进 行 验 证 校 准 、持
该 方 法 在 浅 层 裂 隙 介 质 中 应 用 效 果 较 好 ，但 随 着 储
高效微地震控制技术
裂缝网络连通与储层表征技术
压裂过程
地球科学
2138
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第 49 卷
层 埋 藏 深 度 增 加 ，电 法 勘 探 精 度 下 降 明 显 ，难 以 获
等 ，提 高 热 电 转 换 效 率 是 目 前 原 位 换 热 技 术 的 主 要
得高信噪比信息以准确分析干热岩体裂隙结构 . 此
瓶 颈（蒋 方 明 等 ，2017；卜 宪 标 等 ，2019；翟 丽 娟 ，
外 ，压 裂 过 程 模 拟 通 过 重 塑 储 层 建 造 过 程 中 流 体 -
2020）. 通 过 不 同 压 力 、地 层 条 件 下 裂 缝 水 循 环 流 动
应 力 耦 合 作 用 ，可 生 成 裂 隙 网 络（Follin et al.，
动力学过程与储层破碎带内的对流换热机理研究，
2014；Yuan et al.，2020）. 但在地质历史时期影响裂
突破干热岩井筒内循环换热介质流动方式的强制
隙 发 育 的 区 域 地 质 条 件 复 杂 ，受 温 度 时 空 变 化 、岩
循 环 换 热 取 热 关 键 技 术 ；研 制 兆 瓦 级 热 伏 发 电 颠 覆
层厚度不均匀性及地质时期多重应力的叠加影响，
性 技 术 与 样 机 装 备 ，实 现 最 佳 热 电 转 换 功 率 ，构 建
过程模拟通常只能描述高度概化条件下的裂隙发
可 复 制 的 干 热 岩 原 位 高 效 采 热 与 发 电 技 术 体 系 ，从
育 过 程 ，却 无 法 完 全 重 塑 小 尺 度 裂 隙 结 构 . 可 以 看
根源上解决干热岩水力压裂及规模化开发诱发的
出 ，单 一 方 法 使 用 并 不 能 很 好 满 足 干 热 岩 储 层 裂 缝
微震问题 .
网 络 表 征 . 因 此 ，基 于 测 井 、微 地 震 监 测 、地 应 力 观
2.3.3
测 结 果 ，结 合 物 理 模 拟 和 数 值 模 拟 计 算 ，建 立 储 层
易 实 现 超 临 界 状 态 ，具 有 良 好 的 流 动 性 和 热 交 换
孔 隙 度 和 渗 透 率 模 型 ，实 现 高 精 度 干 热 岩 储 层 缝 网
性，在透平中比水具有更高的热效率（Pruess，2006；
成 像 ，开 发 多 数 据 融 合 裂 隙 网 络 精 细 刻 画 与 表 征 方
Adams et al.，2014；崔国栋等，2022）. 根据室内实验
法需要进一步研究 . 结合青海共和现场干热岩示范
数据，超临界 CO 2 会改变岩石-流体反应的系统，作
工 程 经 验 ，需 要 进 一 步 优 化 交 替 注 采 、注 酸 溶 蚀 、成
为 发 电 循 环 介 质 ，持 续 改 善 储 层 渗 透 性 的 同 时 ，实
像 定 靶 、精 准 射 孔 等 工 艺 措 施 ，攻 克 平 面 裂 缝 展 布
现 部 分 地 质 封 存 ，同 时 CO 2 循 环 发 电 机 组 具 有 设 备
方 向 差 异 大 、层 段 连 通 不 均 匀 ，压 差 高 、流 量 低 、温
少 、机 组 热 惯 性 小 等 特 点 ，可 以 实 现 快 速 升 降 负 荷 ，
度 扰 动 大 的 技 术 难 题 ，以 强 化 干 热 岩 热 储 导 流 与 换
对 于 调 节 电 网 负 荷 波 动 、平 衡 供 给 侧 和 需 求 侧 、实
热效果 .
现多能源互补具有重要意义 .
2.3
2.4
2.3.1
前沿和颠覆性技术
井下液体爆炸造缝技术
CO 2 等 不 同 工 质 换 热 发 电 技 术
CO 2 比 水 容
技术水平评估
通过将液体炸药
国际上干热岩地热能开发研究走在最前沿的
挤 入 水 力 压 裂 主 裂 缝 中 并 实 施 爆 破 ，利 用 爆 炸 所 产
是美国能源部 2015 年启动的“地热能研究前沿瞭望
生 的 应 力 波 冲 击 地 层 ，以 及 高 温 高 压 的 爆 生 气 体 快
台”计划（FORGE 计划），该计划致力于有关先进仪
速 膨 胀 载 荷 作 用 使 地 层 产 生 微 裂 缝 ，沿 地 层 主 裂 缝
器 开 发 、数 据 收 集 以 及 实 时 的 数 据 分 享 等 . 其 研 究
两 壁 周 围 产 生 和 形 成 新 的 微 裂 缝 网 络 ，并 沟 通 更 多
和开展的重点是加强对控制干热岩成功的关键机
的 天 然 裂 缝 ，改 变 地 层 裂 缝 周 围 的 岩 石 基 质 空 隙 ，
制 的 了 解 ，特 别 是 如 何 创 造 和 维 持 地 下 深 部 岩 体 裂
实 现 更 大 范 围 的 微 裂 缝 网 络 区 ，达 到 改 善 地 层 渗 透
隙 网 络 、如 何 实 现 工 业 规 模 且 经 济 可 持 续 的 地 热 能
性 的 目 的 . 目 前 ，井 下 爆 炸 造 缝 技 术 在 国 内 外 已 成
开 采 系 统 、开 发 可 复 制 的 技 术 方 法 以 减 少 工 业 投 资
功 应 用 于 油 气 增 产 领 域 ，且 取 得 了 较 好 的 增 产 效 果
风 险 并 促 进 干 热 岩 商 业 化 、创 新 钻 进 和 储 层 刺 激 技
（丁雁生等，2001；吴晋军，2011；刘长印等，2014）. 然
术 、实 现 地 球 物 理 和 地 球 化 学 信 息 的 持 续 监 测 、发
而 ，将 井 下 爆 炸 造 缝 技 术 应 用 于 干 热 岩 储 层 建 造 尚
展动态储层模型以帮助场地管理团队预测和验证
处 于 实 验 室 探 索 阶 段 ，理 论 模 型 、工 艺 设 计 及 工 程
储 层 的 性 能 等 . 目 前 ，该 项 目 已 完 成 包 括 高 温 钻 井
安 全 保 障 等 方 面 仍 不 够 完 善 ，远 不 能 进 行 现 场 工 艺
工 具 、新 型 储 层 刺 激 改 造 和 完 井 技 术 、裂 缝 网 络 的
的 真 正 指 导（郭 威 等 ，2017；黄 江 北 ，2020；Jeong et
监 测 和 管 理 、诱 发 地 震 的 预 测 、应 力 管 理 和 数 值 模
al.，2020）. 进 一 步 妥 善 解 决 井 内 爆 炸 安 全 问 题 ，避
拟等关键技术的研发工作 . 工程现场已完成大斜度
免井筒损毁是今后干热岩爆炸造缝技术成功应用
水 平 井 钻 井 ，开 展 了 水 平 井 分 段 压 裂 技 术 现 场 测
的 关 键 ，有 助 于 解 决 干 热 岩 水 力 压 裂 泵 压 过 高 、压
试，有望取得较好的干热岩储层缝网建造效果 .
不开或改造区域过小的问题 .
2.3.2
井下原位高效换热发电技术
国 内“ 十 三·五 ”科 技 部 启 动 了 国 家 重 点 研 发 计
目前原位换
划“ 干 热 岩 能 量 获 取 及 利 用 关 键 科 学 问 题 研 究
热 技 术 包 括 同 轴 单 井 换 热 、重 力 热 管 和 水 平 井 换 热
（2019—2023）”，目 标 是 掌 握 干 热 岩 裂 缝 网 络 形 成
许天福等：干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
第6期
2139
机 制 与 控 制 方 法 ，揭 示 储 层 裂 隙 网 络 中 多 场 耦 合 的
压 裂 造 储 、流 动 取 热 等 环 节 的 重 大 问 题 和 挑 战 ，探
能 量 传 递 与 转 换 机 理 ，突 破 干 热 岩 能 量 评 价 、获 取
索干热岩柔性压裂造储和高效开采综合调控方法，
及 利 用 关 键 技 术 ，构 建 可 复 制 的 干 热 岩 开 发 利 用 技
为我国干热岩地热高效开采提供理论和方法 . 蒋方
术体系 . 中国地质调查局组建自然资源部地热与干
明 等（2017）研 发 了 超 长 重 力 热 管 ，在 河 北 唐 山 马 头
热 岩 开 发 科 技 创 新 中 心 ，在 干 热 岩 探 测 、深 部 高 温
营一口地热深井内完成安装并开展了长达 4 个月的
钻 探 、储 层 高 效 建 造 等 技 术 领 域 取 得 了 长 足 进 展 ，
采 热 试 验 ，在 世 界 范 围 首 次 实 现 中 深 层 地 热 资 源
并组织实施了青海共和盆地干热岩试验性开发工
“ 只 取 热 、不 取 水 ”的“ 无 泵 式 ”开 采 ，取 得 了 中 深 层
程 ，成 功 实 现 干 热 岩 试 验 性 发 电 ，为 下 一 步 干 热 岩
地 热 开 发 技 术 重 大 突 破 ，为 地 热 资 源 利 用 开 辟 了 新
规 模 化 和 产 业 化 开 发 奠 定 了 理 论 基 础（张 二 勇 ，
模式、新路径 .
2022）. 最 近 ，我 国 干 热 岩 研 究 领 域 首 个 国 家 自 然 科
综 合 以 上 分 析 ，对 比 了 国 内 外 干 热 岩 开 发 相 关
学 基 金 重 大 项 目“ 干 热 岩 地 热 资 源 开 采 机 理 与 方
技 术 发 展 差 距（表 1）. 整 体 来 看 ，我 国 干 热 岩 地 热 开
法 ”启 动 ，聚 焦 干 热 岩 地 热 资 源 开 采 中 的 钻 井 建 井 、
发 研 究 与 国 际 相 比 ，在 多 个 单 项 技 术 开 发 方 面 不 断
缩 短 与 国 际 水 平 的 差 距 ，理 论 和 实 验 室 研 究 已 经 处
表1
Table 1
国内外干热岩开发相关技术发展差距对比
Comparison of technological development gap of
HDR at home and abroad
前沿颠覆性技术
干热岩地热能开发战略与政策评估
3.1
人才培养及科研机构
展差距
情况
干热岩地热资源评价与选址
同步
产业化
干热岩高效低成本钻井
在缩小
产业化
目前干热岩地热资源开发利用正处于试验研
干热岩地热利用
在缩小
产业化
究 阶 段 ，集 中 于 美 国 、法 国 、德 国 等 发 达 国 家 . 截 至
干热岩场地精细勘查与刻画
在缩小
中试
高效的裂隙网络储层建造
在缩小
中试
目 前 ，国 际 上 累 计 建 设 EGS 示 范 工 程 60 余 项（尹 欣
有效微地震控制技术
同步
中试
裂缝网络连通-储层表征
同步
中试
井下液体爆炸造缝
同步
实验室
科 研 团 队 . 国 内 干 热 岩 研 究 起 步 于 2012 年 ，经 过 10
井下原位高效换热发电
同步
中试
年 的 不 断 探 索 ，近 些 年 涌 现 出 一 大 批 专 业 人 才 和 技
CO 2 等不同工质换热发电
同步
实验室
术 团 队 ，先 后 建 成 与 干 热 岩 地 热 能 勘 查 开 发 领 域 有
表2
Table 2
序号
3
技术
技术项目
关键核心技术
跟跑转向并跑阶段 .
技术发
技术类型
底层技术
于 国 际 并 跑 阶 段 ，干 热 岩 地 热 示 范 工 程 建 设 逐 渐 从
国外已培养了大批干热岩地热研究的专业人才和
国内干热岩地热能勘查开发领域相关实验室
Laboratory related to HDR geothermal energy exploration and development in China
依托单位
实验室名称
类别
1
欣等，2021；李根生等，2022）. 通过不断的工程实践，
油气资源与探测国家重点实验室
中国石油大学(北京)
油气藏地质及开发工程国家重点实验室
成都理工大学、西南石油大学
3
岩土力学与工程国家重点实验室
中国科学院武汉岩土力学研究所
4
自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心
中国地质调查局水文地质环境地质研究所
5
地下水资源与环境教育部重点实验室
吉林大学
6
地球信息探测仪器教育部重点实验室
吉林大学
7
国家地球物理探测仪器工程技术研究中心
吉林大学
8
地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心
吉林大学
2
9
国家级
热科学与动力工程教育部重点实验室
清华大学
10
中低温热能高效利用教育部重点实验室
天津大学
省部级
11
可再生能源重点实验室
中国科学院广州能源研究所
12
中国石化深部地质与资源重点实验室
中国石化石油勘探开发研究院
13
自然资源部深部地热资源重点实验室
中国地质大学(武汉)
14
深地科学与地热能开发利用重点实验室
深圳大学
地球科学
2140
第 49 卷
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关 的 实 验 室 共 计 14 家（表 2），其 中 3 个 国 家 重 点 实
并跑，为最终领跑奠定基础 .
验 室 和 11 个 省 部 级 重 点 实 验 室 . 吉 林 大 学 研 究 团
3.2
发展策略与规划
队 ，联 合 清 华 大 学 、天 津 大 学 、中 科 院 广 州 能 源 所 承
美国能源部计划通过技术革新，在 2030 年使增
担 完 成 了 首 个 干 热 岩 领 域 国 家“863”项 目“ 干 热 岩
强 型 地 热 系 统 平 准 化 能 源 成 本 降 低 至 6 美 分/
热 能 开 发 与 综 合 利 用 关 键 技 术 研 究 ”，填 补 了 我 国
kWh.2021 年 美 国 能 源 部 发 布 的 地 热 能 市 场 分 析 报
干 热 岩 开 发 利 用 研 究 的 空 白（许 天 福 等 ，2012，
告 中 明 确 指 出 ：在 现 行 地 热 能 勘 探 和 开 发 技 术 支 撑
2016），并 于 2019 年 继 续 联 合 11 家 来 自 高 等 院 校 、
下，美国地热发电量年增长率将维持在 2% 以下，到
中 国 科 学 院 、中 国 地 调 局 、中 国 石 化 及 国 家 电 网 等
2050 年 地 热 发 电 量 约 为 6 GWe；若 能 形 成 持 续 、稳
干热岩研究领域优势单位继续承担科技部重点研
定 、经 济 的 增 强 型 地 热 系 统 技 术 体 系 ，2050 年 有 望
发 计 划“ 干 热 岩 能 量 获 取 及 利 用 关 键 科 学 问 题 研
将 地 热 发 电 量 提 升 至 60 GWe. 欧 盟 战 略 能 源 计 划
究 ”，有 望 完 成 试 验 性 开 发 与 示 范（Chen et al.，
署（SET⁃Plan 2016）声明：通过勘探技术、钻井技术、
2021b；Xie et al.，2021；Xu et al.，2021），实现国际
储 层 改 造 技 术 、地 热 能 高 效 利 用 技 术 变 革 ，到 2025
表3
Table 3
近 5 年中国和欧美等国干热岩地热相关科技研发计划项目对比
Comparison of HDR geothermal related science and technology R&D projects between China, Europe and America in
recent 5 years
科技计划
研发项目名称
资金投入
目标
DEEPEGS
Deployment of DEEP En⁃
hanced Geothermal Sys⁃
研发与示范不同地质条件下地热储层建造技术体
4 400 万欧元
tems for sustainable energy
系 ，提 升 增 强 型 地 热 系 统 在 欧 洲 全 区 可 再 生 能 源 贡
献度
business
DESCRAMBLE
欧盟 Horizon 2020
Drilling in dEep, Super⁃
CRiTical AMBient of con⁃
1 560 万欧元
研发高温高压(超临界)环境下新型钻井技术
tinentaL Europe
DESTRESS
DEmonstration of Soft
stimulation TReatments of
2 500 万欧元
研 发 经 济 可 行 、环 境 友 好 深 部 地 热 能 开 发 技 术 ，提 升
增强型地热系统商业和社会价值
geothermal reservoirs
FORGE，
美国能源部 FORGE
Frontier Observatory for
Research in Geothermal
形 成 可 复 制 的 增 强 型 地 热 系 统 构 建 技 术 ，包 括 钻 井 、
>2 亿美元
储 层 改 造 、储 层 成 像 等 ，实 现 可 持 续 干 热 岩 型 地 热 资
源开发
Energy
利用成熟的地下实验设施提高对岩体压裂响应的认
美国能源部 EGS Collab
EGS Collab project
>900 万美元
识 及 提 供 中 等 规 模 的 实 验 平 台 来 验 证 热 -水 -力 -化 学
(THMC) 耦 合 模 拟 方 法 以 及 新 型 监 测 工 具 ，支 撑
FORGE 项目研究
科技部国家重点研发项目
中国地质调查局
国家自然科学基金重大项目
干热岩能量获取及利用关
键科学问题研究
干热岩资源调查与勘查试
采示范工程
干热岩地热资源开采机理
与方法
江苏省矿产资源总体规划(2021—2025 年) 江苏省干热岩开发利用
1 961 万元
>1 亿元
全 面 提 升 干 热 岩 勘 查 、储 层 改 造 、压 裂 监 测 、地 热 综
合利用理论与技术
建设中国首个干热岩开发示范基地，实现 1 MW 级发
电量
创 新 轴 -扭 冲 击 振 动 破 碎 高 温 干 热 岩 方 法 ，探 索 干 热
1 500 万元
岩 柔 性 压 裂 造 储 和 高 效 开 采 综 合 调 控 方 法 ，为 我 国
干热岩地热高效开采提供理论和方法
1.79 亿元
实 施 江 苏 干 热 岩 资 源 调 查 评 价 ，摸 清 江 苏 干 热 岩 资
源潜力，形成适宜江苏的干热岩勘查技术体系
注：
表中相关项目具体信息请参见网站https://utahforge.com/；
http://www.descramble-h2020.eu/；http://www.destress-h2020.eu/en/home/.
第6期
许天福等：干热岩地热能开发技术挑战与发展战略
2141
年，地热发电成本降至 10 欧分/kWh、供热成本降至
由 6.5 美分/kWh 降低至 3.7 美分/kWh；法国通过税
5 欧 分/kWh；到 2050 年 ，勘 探 和 钻 井 成 本 降 低 至
收法案，以每吨 CO 2 排放 44 欧元的税费标准征收碳
2015 年水平的 50%，地热利用效率提升 20%.
税，间接刺激地热能等非碳基能源发展 .
我 国 能 源 局 等 部 门 发 布 的《中 国 地 热 能 发 展 报
2020 年 9 月 1 日 起 施 行 的《中 华 人 民 共 和 国 资
告（2018）》特 别 指 出 ：干 热 岩 型 地 热 能 是 未 来 地 热
源 税 法》明 确 将 地 热 列 为 能 源 矿 产 ，要 求“ 按 原 矿
能 发 展 的 重 要 领 域 ，急 需 建 设 青 海 共 和 干 热 岩 型 地
1%~20% 或每立方米 1~30 元”的税率征税 . 然而，
热 能 勘 查 和 试 验 性 开 发 工 程 .2021 年 中 国 国 家 发 展
地 热 能 与 太 阳 能 、风 能 一 样 同 属 清 洁 可 再 生 能 源 ，
改 革 委 、国 家 能 源 局 、财 政 部 等 八 部 委 联 合 发 布“ 关
但目前没有财政税收补贴和优惠政策 . 显热这些政
于 促 进 地 热 能 开 发 利 用 若 干 意 见 ”. 意 见 指 出 ：在 坚
策 不 利 于 我 国 中 深 层（含 干 热 岩）地 热 能 的 规 模 化
持 统 一 规 划 、因 地 制 宜 、有 序 开 发 、清 洁 高 效 、节 水
开 发 利 用 ，期 望 有 关 部 门 尽 快 针 对 地 热 能 开 发 利 用
环保、鼓励创新原则下，到 2025 年，各地基本建立起
制 定 相 应 的 财 政 税 收 补 贴 和 优 惠 政 策 ，为 实 现“ 双
完善规范的地热能开发利用管理流程和全国地热
能开发利用信息统计和监测体系 . 根据资源情况和
市 场 需 求 ，在 京 津 冀 、山 西、山 东、陕 西、河 南、青 海、
碳”远景目标做出最大贡献 .
4
黑 龙 江 、吉 林 、辽 宁 等 区 域 稳 妥 推 进 中 深 层 地 热 能
供 暖 ；在 西 藏 、川 西 、滇 西 等 高 温 地 热 资 源 丰 富 地 区
组 织 建 设 中 高 温 地 热 能 发 电 工 程 ，鼓 励 有 条 件 的 地
方建设中低温和干热岩地热能发电工程 .
对 比 可 以 看 出 ，中 国 地 热 能 发 展 战 略 和 规 划 方
面 以 社 会 需 求 为 导 向 ，通 过 政 治 支 持 和 财 政 支 持 、
全 民 参 与 等 方 式 ，促 进 地 热 能 开 发 利 用 量 的 提 升 ；
欧 美 等 国 以 降 低 地 热 开 发 成 本 为 导 向 ，通 过 企 业 与
科研院校合作，促进技术革新，提升地热利用效率 .
3.3
结论与建议
欧美等发达国家通过政府引导开展了关键技
术 研 发 和 大 量 工 程 实 践 ，皆 在 推 动 干 热 岩 地 热 资 源
的 商 业 化 开 发 ，目 前 已 形 成 较 完 备 的 干 热 岩 开 发 技
术 体 系 . 美 国 FORGE 计 划 的 实 施 ，有 望 填 补 EGS
现今面临的重要科学认识空白，突破限制 EGS 产业
化 开 发 的 挑 战 性 技 术 ，最 终 形 成 可 复 制 、具 有 商 业
推 广 潜 力 的 干 热 岩 地 热 工 程 开 发 模 式 . 然 而 ，我 国
干 热 岩 开 发 起 步 较 晚 ，在 技 术 水 平 、工 程 实 践 和 研
发 资 金 投 入 等 方 面 均 较 为 滞 后 ，前 沿 技 术 、知 识 产
科技计划与研发布局
权 方 面 受 到 一 定 制 约 ，特 别 是 大 体 积 水 力 压 裂（如
欧美等发达国家通过政府引导开展了关键技
水 平 井 分 段 压 裂）等 储 层 建 造 与 控 制 技 术 尚 不 成
术 研 发 和 大 量 工 程 实 践 ，在 干 热 岩 地 热 资 源 勘 查 开
熟 ，干 热 岩 开 发 示 范 工 程 建 设 相 对 落 后 ，迫 切 需 要
发 相 关 理 论 研 究 、技 术 装 备 研 发 、试 开 采 验 证 等 方
紧跟国际前沿开展相关研究和更多的示范 . 除技术
面 进 行 了 大 量 科 研 投 入 ，皆 在 推 动 干 热 岩 地 热 资 源
的 商 业 化 开 发 ，已 形 成 接 近 完 备 的 干 热 岩 开 发 技 术
体系（Fridleifsson et al.，2016）. 表 3 总结了近 5 年中
突 破 外 ，我 国 今 后 在 中 深 层 地 热 开 发 方 面 同 时 应 注
意以下问题 .
4.1
电热并举：西部发电，三北供暖
国和欧美等国干热岩地热相关科技研发计划项目
中 国 西 部 因 青 藏 高 原 特 殊 的 地 质 条 件 ，地 热 温
对 比 情 况 ，可 以 看 出 ，我 国 在 干 热 岩 地 热 方 向 的 科
度高，很多地方 4 000 m 深度以浅可获得 200 ℃的干
技 计 划 与 研 发 布 局 近 年 来 有 所 增 加 ，不 断 缩 小 与 欧
热 岩 体 . 如 青 海 共 和 盆 地 ，距 西 宁 两 小 时 车 程 交 通
美 发 达 国 家 研 发 投 入 的 差 距 ，有 望 在 干 热 岩 地 热 资
便 利 ，电 网 条 件 也 非 常 好 ；这 个 地 方 是 清 洁 能 源 走
源高效开发利用方面取得新的突破 .
廊 ，有 黄 河 龙 羊 峡 水 电 站 ，有 风 电 、有 太 阳 能 光 伏 和
3.4
光 热 发 电 . 如 共 和 盆 地 实 现 规 模 化 干 热 岩 开 发 ，将
财政税收与政策支持
美 国 2016 年 清 洁 能 源 税 率 为 30%，2021 年 税
率 降 低 至 26%，并 计 划 于 2023 年 降 低 至 22%，通 过
对水-风-光发电形成良性互补 . 风能和太阳能受
气 候 条 件 和 昼 夜 交 替 影 响 ，水 力 发 电 也 受 季 节 的 影
税 率 削 减 ，鼓 励 包 括 地 热 能 在 内 的 清 洁 能 源 发 展 .
响 . 干 热 岩 地 热 能 发 电 灵 活 随 时 可 启 用 ，对 电 网 可
欧 盟 国 家 清 洁 能 源 征 收 税 率 一 直 处 于 低 位 ，为
以 起 到 调 峰 的 作 用 ，所 以 在 经 济 计 算 上 干 热 岩 的 发
12%~15%，随着最新全球气候协议《格拉斯哥气候
电的价格要高、可以按调峰电价考虑 .
公 约》的 达 成 ，欧 盟 国 家 进 一 步 强 化 清 洁 能 源 财 政
华 北 平 原 如 河 北 马 头 营 ，180 ℃ 的 干 热 岩 体 要
激 励 政 策 .2021 年 德 国 将 地 热 等 清 洁 能 源 发 电 税 费
到 5 000 多 m 的 深 度 才 可 以 获 得（张 保 建 等 ，2020；
2142
地球科学
张 云 等 ，2022），钻 探 和 压 裂 的 成 本 高 ，发 电 效 益 低
甚至是没有效益的 . 开发干热岩可为居民区供暖、
工 厂 或 生 态 农 业 所 用 ，可 减 少 化 石 燃 料 的 使 用 ，有
效的解决大气污染和雾霾问题 . 我国的东北和西北
也 是 一 样 ，中 低 温 沉 积 盆 地 底 部 干 热 岩 经 过 储 层 改
造 ，进 行 供 暖 是 一 个 很 好 的 化 石 燃 料 替 代 选 项 . 此
外 ，我 国 三 北（华 北 、东 北 和 西 北）地 区 的 冬 季 供 暖
是 一 个 几 万 亿 的 产 业 ，中 低 温 干 热 岩 供 暖 具 有 巨 大
的经济和环境效益 .
4.2
第 49 卷
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中 深 层 地 热 能 开 发 是 一 个 技 术 密 集 型 系 统 ，对
Journal of Zhejiang University (Engineering Science),53
其工程开发需要先从机理分析和可行性上着手 . 然
而 ，由 于 地 下 深 部 储 层 工 况 的 复 杂 性 和 地 面 设 备 的
不 稳 定 性 ，机 理 研 究 往 往 与 实 际 应 用 脱 节 ，因 此 需
与 先 导 试 验 项 目 密 切 结 合 、互 相 指 导 ，开 展 产 学 - 研 结 合 发 展 模 式 ，在 不 断 往 复 中 提 高 认 知 、突
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破 关 键 技 术 ，提 升 中 深 层 地 热 能 的 经 济 开 发 和 应 用
Chen, Z., Xu, G. Q., Zhou, J., et al., 2021a. Fracture Network
价 值 ，加 快 我 国 能 源 结 构 调 整 和 转 型 ，构 建 清 洁 低
Volume Fracturing Technology in High ⁃ Temperature
碳 、安 全 高 效 的 能 源 体 系 ，为 我 国 实 现“ 双 碳 ”目 标
助力 .
4.3
国家增加研发和示范经费投入
世界范围内，干热岩开发的 EGS 仍处于初级阶
段 ，工 程 研 发 周 期 长 投 资 风 险 大 ，政 府 支 持 关 键 技
术 开 发 及 集 成 示 范 研 究 ，是 最 终 实 现 干 热 岩 资 源 可
持续商业化开发的必经之路 . 在吸取国外干热岩示
范 场 地 建 设 经 验 的 基 础 上 ，结 合 我 国 实 际 场 地 和 技
术 条 件 ，设 立 更 多 国 家 级 研 发 项 目 ，尽 快 建 设 更 多
干 热 岩 开 发 利 用 工 程 示 范 基 地 ，如 西 部 高 温 干 热 花
岗岩和三北中低温沉积盆地底部碳酸盐岩和火山
岩地热供暖示范基地等 .
干热岩地热能开发利用并不是轻而易举就可
以 实 现 的 ，要 稳 扎 稳 打 . 地 热 能 与 水 力 能 、太 阳 能 、
风 能 、核 能 一 样 是 非 碳 基 能 源 ，对 我 国 实 现 碳 中 和
目 标 具 有 重 要 意 义 . 因 此 ，在 干 热 岩 资 源 开 发 利 用
研 究 过 程 中 不 可 急 于 求 成 ，要 踏 踏 实 实 做 好 关 键 科
学问题与技术问题的攻关 . 一旦瓶颈问题得以解
决 ，可 以 预 见 ，干 热 岩 地 热 资 源 的 开 发 将 为 我 国 节
能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献 .
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