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干热岩开发利用向地球深处要清洁能源

发布时间:2020-02-15 14:39:00

干热岩开发利用:向地球深处要清洁能源

中国属于地热资源丰富的国家,开发潜力巨大。图片来源:百度图片

■本报 贡晓丽

刚刚过去的供暖季,陕西西咸新区沣西新城度过了一个不烧煤的温暖冬天。那是因为我国首个干热岩供热PPP项目在该新城启用,这项技术属于新型绿色供热技术。采用干热岩供热技术,能同时制热、制冷。更重要的是,供暖过程不产生污染,空气环境也有了保障。

中国属于地热资源丰富的国家,开发潜力巨大。早在1970年,当时的地质部部长李四光就曾高瞻远瞩地提出“地下是一个大热库,是人类开辟自然能源的一个新来源,就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”。而如今,地热能作为清洁能源中的一支,也得到了“十三五”规划的重视。

有能量的干热岩

所有的地热资源当中,最具潜力的恐怕要属干热岩型地热。可以说,站在地球的每一个角落,脚下几千米深处的岩石,都是热源。与传统化石能源相比,干热岩地热能是一种清洁可再生能源;与其他清洁能源相比,干热岩能够实现稳定、可靠且安全的能源供应。但也有专家认为,由于技术、设备等原因

,我国对干热岩的开发利用仍尚待时日。

干热岩也称增强型地热系统(EGS),或称工程型地热系统,是一般温度大于200摄氏度,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。在中科院院士汪集旸主笔的《中国大陆干热岩地热资源潜力评估》一文中,干热岩的定义如上。

干热岩的能量来自于地球内部的热能,理论上随着地球向深部的地热增温,任何地区达到一定深度都可以开发干热岩,因此干热岩的资源潜力非常巨大。但是,由于技术和手段等限制,我们现在开发利用的干热岩专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

在第五届中深层地热资源高效开发与利用会议上,了解到,干热岩绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩,可以是中新生代的变质岩,甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等。

“花岗岩、花岗闪长岩密度大、热传导率高,花岗岩本身含有较高浓度的放射性元素,放射性元素不断衰变并释放能量,从而增加热量供应,因此能够成为干热岩并提供大量能源。”北京市地质工程勘察院的工作人员王卓卓在提交的报告中写道。

开发干热岩资源的勘探主要是通过物探与化探等手段,找到干热岩体。物探方法有二维、三维地震,大地电磁测深,可控源大地电磁测深及重力及磁力等。

干热岩开发主要是通过打井。据中国地质科学院勘探技术研究所研究员冉恒谦介绍,一般的做法是从地表往干热岩中打一眼井(注入井),封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水。在岩体致密无裂隙的情况下,高压水会使岩体垂直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开裂,这些高压水使之扩充成更大的裂缝。随着低温水的不断注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通,最终形成一个呈面状的人工干热岩热储构造。在距注入井合理的位置处钻几口井并贯通人工热储构造,这些井用来回收高温水、汽,称之为生产井。

高温蒸汽和水用于地热发电和综合利用。利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中,从而达到循环利用的目的。注水井和生产井数量根据不同的情况而异,井的配置方式有两井模式、三井模式、五井模式等。据了解,根据各国试验站经验,一般采用一口注入井、两口生产井的三井模式。

规模利用尚待时日

作为一种新型的地热能源,干热岩是地热中开发相对较晚,开发难度相对较大,所需技术相对较高的一种地热能源,其与浅层地温能和常规地热能的特点各不相同。

浅层地温能埋藏深度一般较浅,在0~200米之间,属于低温地热资源,温度低于90℃,可直接利用;常规地热能埋藏在200~3000米深度,属于中温地热资源,温度在90℃~150℃,可直接利用或发电;干热岩埋藏在3000~10000米深度,属于高温地热资源,温度往往高于150℃,一般用于发电,也可直接利用。

王卓卓告诉,干热岩目前仍须探索的主要内容包括一项研究、两项技术。所谓一项研究,是指干热岩资源分布及潜力评估;两项技术是指综合地球物理勘查技术研究及干热岩钻探关键技术研究。

技术难点突出,包括两项吻合程度和四项钻探技术。两项吻合程度是指地热资源评价模型条件的确定与实际情况吻合程度以及物探勘查模型条件的确定与实际情况吻合程度;四项钻探技术是指高温下测斜仪器的稳定性、灵敏性,钻具系统(液动冲击器、钻头)的工作寿命,高温下钻井液的稳定性,大规模设备集成配套及钻探安全保证。

目前,我国在钻井、压裂、微地震监测、数值模拟等方面的技术虽然有了较大提升,但在建立干热岩开发利用技术体系方面还面临很多瓶颈。太原理工大学矿业工程学院教授赵阳升解释说,高温科学钻探技术、大面积人工热储压裂技术、人工热储裂隙跟踪技术等关键技术研究还需要进一步加大力度。

与国外上世纪70年代开始开展干热岩勘查与开发利用相比,我国对干热岩的开发利用相对较晚,因此实现大规模开发需要更多的投入,才能达到或赶超国际先进水平。

干热岩开发从未止步

虽然有很多技术难点待突破,我国的干热岩开发从未止步。

2014年,青海地勘人员在共和盆地成功钻获温度高达181℃的干热岩,这是我国首次发现大规模可利用干热岩资源。在深度3080米的井下,地勘人员钻获的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广的特点,填补了我国一直没有勘查发现干热岩资源的空白。

2015年5月,中国地质科学院水文地质环境地质研究所在福建省漳州龙海市东泗乡清泉林场实施干热岩科学钻探深井。钻探深度将达4000米,设计温度170℃,通过实施科学钻探,将进一步研究深部干热岩赋存特征和成因机制,评价干热岩资源潜力。

2015年6月,中国地质调查局水环中心与黑龙江省地质矿产局合作在五大连池新生代火山区尾山火山锥西侧实施干热岩勘探孔,基本查明五大连池尾山地区地热地质结构,随钻测温,定深采集岩心和相关样品,完钻后全孔段测井,评价干热岩资源。

最新的报告成果是广东阳江地区4~10 公里干热岩的温度范围约在170℃~220℃之间。中国地震局第一监测中心工作人员闫琳琳介绍说,这个成果来之不易。与该地区实测数据反演结果进行对比,综合推断该剖面中部存在一个高阻稳定地块,其深度大致在3~20千米范围内。

“我们当初的工作目标是浅部水热型地热资源,该研究结果是我们在浅部已有成果的基础上所做的进一步研究。而是否在该区开发干热岩有诸多因素需要考虑。”闫琳琳说。

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