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來自地球深部的綠色能源

發布時間:2020年04月27日
來源:中國礦業報(2020-04-22) 作者:賀云超,翁煒,吳爍(自然資源部中國地質調查局北京探礦工程研

地球是一個直徑為6000多千米的實心球體,從地面到地球中心的距離比從北京到海南島2倍的距離還要遠。地球由地殼、地幔、地核三部分構成,整個結構就猶如一顆半熟的雞蛋:蛋殼好比地球的地殼,其物質狀態為固態;蛋白好比地球的地幔;蛋黃好比地球的地核,物質狀態為液態。地表以下平均每100米溫度升高約3℃。科學家研究顯示:地核與地幔邊界的溫度大約為3700℃,而地核內部溫度可能高達5000℃,幾乎與太陽表面一樣熾熱。因此,地球內部蘊藏著驚人的熱量,其中一部分地熱資源便以干熱巖的形式埋藏于其中。

一、干熱巖是什么?

早期,干熱巖通常是指溫度高于200℃,埋藏于距地面2000米以下的無裂隙的巖體,主要是各種變質巖或結晶巖類巖體。伴隨著干熱巖勘測和開發的深入,干熱巖的概念有了更為廣泛的外延。只要巖體溫度高,埋藏深度合理,內含流體較少(或不含流體),能用各種技術手段提取其中的熱量,均可稱為干熱巖。

干熱巖屬于地熱資源的一種,被譽為“來自地球母親的溫暖”。地熱資源是一種來自地球內部的熱能資源,溫泉便是我們日常生活中最熟悉的地熱資源。關于地熱的來源,有多種假說。一種假說認為,地熱主要來源于地球內部放射性元素衰變釋放出的熱能。還有一種假說認為,地熱來源于地球自轉產生的旋轉能以及化學反應、巖礦結晶釋放的熱能。而在地球的發展演化過程中,產生的熱能總量超過地球散逸的熱能,巨大的地熱能便儲存于地球內部,等待人們去開發。

相比當前已開發利用的各類能源,干熱巖具有無可比擬的優勢。與煤炭、石油和天然氣等傳統化石能源相比,干熱巖是一種清潔的可再生能源,不會產生污染環境的有害物質。與太陽能、風能、核能等新能源相比,干熱巖的穩定性好,不受季節氣候晝夜條件的限制。此外,干熱巖的成本低,干熱巖發電的成本僅為風力發電的一半,只有太陽能發電的十分之一,和煤炭發電的成本相當。

干熱巖是無處不在的資源,分布幾乎遍及全球,從理論上說,隨著地球向深部的地熱增溫,任何地區達到一定深度都可以開發出干熱巖,因此干熱巖又被稱為是無處不在的資源。但就現階段來看,由于技術和手段等限制,干熱巖資源專指埋深較淺、溫度較高、有開發經濟價值的熱巖體。因此,當前的干熱巖開發更多地著眼于這些地區,它們位于全球板塊或構造地體的邊緣,構造活動劇烈,是地球釋放內部能量的主要區域,地熱資源十分豐富。

我國干熱巖分布廣泛,特別是東北地區、華北平原、東南沿海地區、西北地區均具有豐富的干熱巖資源,具有很大的開發潛力。以高溫干熱巖體的發現地青海共和盆地為例,其干熱巖理論資源量折合標準煤6303.05億噸,以其2%作為可開采資源量計算,折合的標準煤是中國2016年能源消耗的3倍。

干熱巖不但儲量豐富,還可以循環利用。開發干熱巖時,加熱產生水蒸氣的過程會使巖石溫度降低,但地心的熾熱巖漿會重新加熱這些巖石,從而實現干熱巖的周期性循環利用。

二、“石頭”也可發出電來?

目前,人們對干熱巖的開發利用,主要集中在干熱巖發電。干熱巖開發利用的核心是建立增強型地熱系統(EGS工程)。首先從地表往干熱巖體中打一眼井(注水井),將井口封閉后,注入高壓清水,此時井底能夠產生非常高的壓力,該壓力足以將致密的巖石壓裂形成復雜縫網,或將巖體中的天然裂隙擴張形成更大的裂縫;隨著清水的不斷注入,裂縫不斷增加、擴大,并相互連通,最終形成一個體積龐大的人工熱儲(類似一個巨大的鳥窩)。在距注水井合理的位置再鉆幾眼采出井,通過控制井眼軌跡,使采出井能夠貫穿壓裂縫網。整個EGS工程,通過注水井(回灌井)將低溫水注入到人工產生的、張開且連通的縫網中,低溫水與高溫巖體接觸被加熱,然后通過采出井便將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面,取出的水、汽溫度可達150~200℃,通過熱交換及地面循環裝置用于發電,冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統循環使用。整個過程都是在一個封閉的系統內進行。

以法國東部阿爾薩斯地區的一座干熱巖發電站為例,工作人員在這里鉆了三眼深井,一直鉆到地表5000米以下的基巖中。發電時,用水泵以每秒100升的速度從中間的注水井向地下灌冷水,這些冷水被干熱巖加熱成約200℃高溫的水蒸氣,從另外兩眼生產井抽出地面,送入一個熱交換器,并在熱交換器中驅動渦輪機發電。整個轉換過程消耗的總電量,只相當于發電站發電量的20%。

增強型地熱系統的開發和利用主要是建造兩個子系統:地下人工儲層和地面發電系統,二者都需要多項技術的運用和集成。其中,創建地下人工儲層是目前研究的焦點。

三、我國干熱巖勘查開發現狀

我國干熱巖資源潛力巨大,開發前景廣闊,是極具潛力的戰略能源,但是我國干熱巖勘查與開發起步晚,在干熱巖形成機制、分布情況、熱儲特征、評價方法、勘查開發技術等領域仍存在較多尚未解決的問題。

為推動我國干熱巖勘查開發,2013年以來,中國地質調查局先后在東南沿海地區、松遼平原地區、華北地區和青藏高原等重點地區實施了干熱巖勘查。2014年,中國地質調查局與原青海省國土資源廳共同組織實施的青海共和盆地干熱巖勘查鉆獲干熱巖,填補了我國一直沒有勘查發現干熱巖資源的空白。2017年5月在共和縣恰卜恰鎮完井的GR1干熱巖勘探孔再獲溫度新高,取得了一批重要成果,為我國進一步開展干熱巖勘查開發研究打下了重要基礎。在此基礎上,中國地質調查局圍繞國家清潔能源需求,加大力度在青海共和推進干熱巖資源的試驗性開發。

干熱巖開發利用的技術原理雖然簡單,但實際應用過程中仍存在大量的技術性難題,例如在干熱巖中鉆井,對鉆桿、鉆頭的壽命以及具有“鉆井血液”之稱的泥漿穩定性都是極大的挑戰;而地層中含有大量的礦物質,在干熱巖開發中,被氣化的礦物質會重新在井壁結垢,類似血管中的“血栓”,沉積時間一久很容易將開采通道堵死。面對眾多的技術性難題,科研人員唯有加快技術探索的步伐,才能在這場國際能源競賽中拔得頭籌!

[責任編輯:dc]

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