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干热岩利用的基础知识



一、为什么要开发干热岩地热资源


随着常规能源的不断消耗,可再生能源日益受到人类的青睐。在可再生能源中,地热能的容量最大,而且地热发电提供的是基本负荷,但是由于诸多因素,开发滞后,尤其是对潜力大、开发难的干热岩的应用,中国更是从研究到开发,都刚刚起步。干热岩的发展优势主要体现在:1、资源量巨大、分布广泛。据初步估算,全国水热型(即温泉型)地热资源量折合1.25万亿吨标准煤,而埋深万米以内的干热岩资源量折合856万亿吨标准煤,是前者的700倍。2、几乎为零排放。无废气和其他流体或固体废弃物,可维持对环境最低水平的影响。3、开发系统安全。没有爆炸危险,更不会引起灾难性事故或伤害性污染。4、热能连续性好。与其他可再生能源相比,只有干热岩发电可以提供不间断的优质电力供应,不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响。5、经济实惠,商业价值可预期。


二、干热岩资源与增强型地热系统


    干热岩的应用必须具备两个条件:一方面必须拥有干热岩资源(简称HDR),它是一种存在于地壳上部3千至1万米的深处,具有传导热量、干的、不透水的岩体,它是一种热能资源,一般温度大于200度。另一方面要利用干热岩,必须建立增强型地热系统(简称EGS),它是取得和利用这些热能的一种技术。增强型地热系统的关键是如何在几千米地下不渗透的干热岩体内形成热交换系统,使注入的水在排放时温度达到要求,能用于发电和综合利用。其过程将采用到水压致裂法和化学激发法等关键技术,确保储热层性能良好稳定。有关研究提出:能用于商业的EGS的热储应满足下列条件:1、生产井的出水率每秒大于50升;2、出井口水温大于150度;3、总有效热交换面积大于两百万平方米;4、岩石体积大于两亿立方米;5、流体阻力小于0.1兆帕;6、水损耗小于10%。据计算满足以上条件的一组对井,每秒能生产电能3.5兆瓦,也就是可以装一台3500千瓦的发电机。如果岩石层厚度为1千米的话,它对应的地面区域面积大概是300亩。



三、中国的干热岩地热资源及发展增强型地热系统的前景


中国干热岩资源探测与开发研究工作刚刚起步,面临一系列问题,基础地热测量工作相对薄弱;地热资源探测深度浅、勘查程度低,资源禀赋不清;地热资源探测技术瓶颈问题依旧存在,缺乏系统的地热资源探测技术体系;干热型地热资源探测开发工作起步较晚,相关技术落后于世界水平30多年。按2017年初国家发展改革委、国家能源局、国土资源部发布的《地热能开发利用“十三五”规划》,对干热岩的定位都处于试验和攻克关键基础技术阶段.可喜的是近几年,干热岩事业受到越来越多人的关注和参与。根据权威部门调查评价的结果,我国青藏高原占有中国大陆地区最多的干热岩资源量,温度也最高;其次是华北和东南沿海;以及东北、云南等地。

  

    2017年我国科学家在青海共和盆地3705米深处钻获236℃的高温干热岩体。这是我国首次发现大规模可利用干热岩资源。共和盆地位于青藏高原腹地,这次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。目前相关部门在东北、山东、福建等地也正在开展干热岩科学钻探工作,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。目前我国在钻井、压裂、微地震监测、数值模拟等方面的技术有了较大的提高。在高温科学钻探技术、大面积人工热储压裂技术、人工热储裂隙跟踪技术等方面的研发也正加大力度展开。相信在不长的时间内,与世界先进水平的差距会逐步缩小。



四、国外干热岩应用研究、开发现状


美国是世界上最早对干热岩进行研究的国家。1974年,美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室在美国新墨西哥州的芬顿山钻了第一眼深井,拉开了干热岩研究的序幕。美国、日本、澳大利亚、法国、德国、瑞典、英国等国家均建立了干热岩开发工程,其中,法德英等国联合开发的法国苏尔士项目在吸取其他项目失败教训的基础上,成为到目前为止较为成功的干热岩示范工程,安装了总功率为1.5兆瓦的发电机组,发出电力并入当地两万伏电网。法国苏尔士项目开发研究较为成熟,已用实践证明了干热岩开发的可行性,多年开发积累了丰富的场地试验数据,并在钻井、储层激发、流体循环测试和储层监测方面取得许多成功经验,泵等设备经不断改进工艺较为成熟,对全球其他干热岩开发项目具有指导作用。


尽管如此成绩,即使从全球范围内来看,美国和欧洲一些发达国家和地区的干热岩资源利用仍处于起步试验阶段,远未达到商业利用的程度,仍然面临许多要解决的技术难题,各项工艺技术参数的确立,仍然需要大量实验结果来对比,要实现规模化、商业化的应用仍然需要漫长一段时间。


近年来,我国将绿色发展提升到前所未有的高度。干热岩作为最具应用价值和利用潜力的清洁能源,必将在优化能源结构,防治大气污染,改善人民生活,促进经济社会生态环境科学、协调发展等方面发挥更加重要的作用。尽管目前我国干热岩开发还处于起步阶段,技术基础和理论尚未突破,面临的困难也很多,但只要我们加大理论研究和技术攻关,积极开展示范工程,终将形成我国干热岩地热开发自主化技术体系,并实现大规模高效利用。

 


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