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    干熱巖利用的基礎知識



    一、為什么要開發干熱巖地熱資源


    隨著常規能源的不斷消耗,可再生能源日益受到人類的青睞。在可再生能源中,地熱能的容量最大,而且地熱發電提供的是基本負荷,但是由于諸多因素,開發滯后,尤其是對潛力大、開發難的干熱巖的應用,中國更是從研究到開發,都剛剛起步。干熱巖的發展優勢主要體現在:1、資源量巨大、分布廣泛。據初步估算,全國水熱型(即溫泉型)地熱資源量折合1.25萬億噸標準煤,而埋深萬米以內的干熱巖資源量折合856萬億噸標準煤,是前者的700倍。2、幾乎為零排放。無廢氣和其他流體或固體廢棄物,可維持對環境最低水平的影響。3、開發系統安全。沒有爆炸危險,更不會引起災難性事故或傷害性污染。4、熱能連續性好。與其他可再生能源相比,只有干熱巖發電可以提供不間斷的優質電力供應,不受季節、氣候、晝夜等自然條件的影響。5、經濟實惠,商業價值可預期。


    二、干熱巖資源與增強型地熱系統


        干熱巖的應用必須具備兩個條件:一方面必須擁有干熱巖資源(簡稱HDR),它是一種存在于地殼上部3千至1萬米的深處,具有傳導熱量、干的、不透水的巖體,它是一種熱能資源,一般溫度大于200度。另一方面要利用干熱巖,必須建立增強型地熱系統(簡稱EGS),它是取得和利用這些熱能的一種技術。增強型地熱系統的關鍵是如何在幾千米地下不滲透的干熱巖體內形成熱交換系統,使注入的水在排放時溫度達到要求,能用于發電和綜合利用。其過程將采用到水壓致裂法和化學激發法等關鍵技術,確保儲熱層性能良好穩定。有關研究提出:能用于商業的EGS的熱儲應滿足下列條件:1、生產井的出水率每秒大于50升;2、出井口水溫大于150度;3、總有效熱交換面積大于兩百萬平方米;4、巖石體積大于兩億立方米;5、流體阻力小于0.1兆帕;6、水損耗小于10%。據計算滿足以上條件的一組對井,每秒能生產電能3.5兆瓦,也就是可以裝一臺3500千瓦的發電機。如果巖石層厚度為1千米的話,它對應的地面區域面積大概是300畝。



    三、中國的干熱巖地熱資源及發展增強型地熱系統的前景


    中國干熱巖資源探測與開發研究工作剛剛起步,面臨一系列問題,基礎地熱測量工作相對薄弱;地熱資源探測深度淺、勘查程度低,資源稟賦不清;地熱資源探測技術瓶頸問題依舊存在,缺乏系統的地熱資源探測技術體系;干熱型地熱資源探測開發工作起步較晚,相關技術落后于世界水平30多年。按2017年初國家發展改革委、國家能源局、國土資源部發布的《地熱能開發利用“十三五”規劃》,對干熱巖的定位都處于試驗和攻克關鍵基礎技術階段.可喜的是近幾年,干熱巖事業受到越來越多人的關注和參與。根據權威部門調查評價的結果,我國青藏高原占有中國大陸地區最多的干熱巖資源量,溫度也最高;其次是華北和東南沿海;以及東北、云南等地。

      

        2017年我國科學家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體。這是我國首次發現大規模可利用干熱巖資源。共和盆地位于青藏高原腹地,這次鉆獲的干熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分布范圍廣的特點,填補了我國一直沒有勘查發現干熱巖資源的空白。目前相關部門在東北、山東、福建等地也正在開展干熱巖科學鉆探工作,進一步研究深部干熱巖賦存特征和成因機制,評價干熱巖資源潛力。目前我國在鉆井、壓裂、微地震監測、數值模擬等方面的技術有了較大的提高。在高溫科學鉆探技術、大面積人工熱儲壓裂技術、人工熱儲裂隙跟蹤技術等方面的研發也正加大力度展開。相信在不長的時間內,與世界先進水平的差距會逐步縮小。



    四、國外干熱巖應用研究、開發現狀


    美國是世界上最早對干熱巖進行研究的國家。1974年,美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室在美國新墨西哥州的芬頓山鉆了第一眼深井,拉開了干熱巖研究的序幕。美國、日本、澳大利亞、法國、德國、瑞典、英國等國家均建立了干熱巖開發工程,其中,法德英等國聯合開發的法國蘇爾士項目在吸取其他項目失敗教訓的基礎上,成為到目前為止較為成功的干熱巖示范工程,安裝了總功率為1.5兆瓦的發電機組,發出電力并入當地兩萬伏電網。法國蘇爾士項目開發研究較為成熟,已用實踐證明了干熱巖開發的可行性,多年開發積累了豐富的場地試驗數據,并在鉆井、儲層激發、流體循環測試和儲層監測方面取得許多成功經驗,泵等設備經不斷改進工藝較為成熟,對全球其他干熱巖開發項目具有指導作用。


    盡管如此成績,即使從全球范圍內來看,美國和歐洲一些發達國家和地區的干熱巖資源利用仍處于起步試驗階段,遠未達到商業利用的程度,仍然面臨許多要解決的技術難題,各項工藝技術參數的確立,仍然需要大量實驗結果來對比,要實現規模化、商業化的應用仍然需要漫長一段時間。


    近年來,我國將綠色發展提升到前所未有的高度。干熱巖作為最具應用價值和利用潛力的清潔能源,必將在優化能源結構,防治大氣污染,改善人民生活,促進經濟社會生態環境科學、協調發展等方面發揮更加重要的作用。盡管目前我國干熱巖開發還處于起步階段,技術基礎和理論尚未突破,面臨的困難也很多,但只要我們加大理論研究和技術攻關,積極開展示范工程,終將形成我國干熱巖地熱開發自主化技術體系,并實現大規模高效利用。

     


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