干熱巖的勘探與應用

1干熱巖的利用巖石干熱巖是指埋深大于2000米，溫度超過150的高溫地下巖體。它的特點是巖石中幾乎沒有地下氣體。當然,這是比較寬泛的干熱巖概念。干熱巖的熱能賦存于各種變質巖或結晶巖類巖體中,較常見的干熱巖有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。干熱巖上一般覆蓋有沉積巖或土等隔熱層。干熱巖主要被用來提取其內部的熱量,因此其主要的工業指標是巖體內部的溫度。一個溫度超過150℃的地下高溫巖體的存在,一定會給周圍的地溫環境帶來很大的異常,所以許多研究人員也把地溫梯度是否超異常來研究地下是否存在干熱巖體。2干熱巖地熱資源目前,人們對干熱巖的開發利用,主要是發電。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發達國家已經掌握了干熱巖發電的基本原理和基本技術。干熱巖發電的基本原理是:通過深井將高壓水注入地下2000～6000m的巖層,使其滲透進入巖層的縫隙并吸收地熱能量;再通過另一個專用深井(相距約200～600m左右)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。見圖1。干熱巖存在于地殼淺層的某些構造區,是一種清潔的新能源。全球干熱巖蘊藏的熱能十分豐富,比蒸汽型、熱水型和地壓型地熱資源大得多,比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。干熱巖地熱資源與核能(裂變和聚變)、太陽能或者其它可再生的能源相比,具有如下優勢:(1)干熱巖地熱能是巨大的,在許多國家存在并廣泛分布。例如美國高等級地溫梯度的地熱資源約占全國面積的10%,中等地溫梯度大約占30%,低級地溫梯度約占60%。(2)干熱巖地熱資源的使用,沒有廢氣(CO2、SOx、NOx等)排放,也沒有其它流體或固體廢棄物,干熱巖地熱資源系統可以維持對環境最低水平的影響。(3)干熱巖地熱開發系統是安全的,沒有爆炸危險,更不會引起災難性事故或傷害性污染。它適合于基本負荷或高峰負荷的電力供應,是能源計劃中最理想的組成部分。(4)干熱巖地熱開發可以提供不間斷的電力供應,不受季節、晝夜等自然條件的影響。(5)美國、日本等國的高溫巖體地熱前期開發試驗已充分說明,高地溫梯度(80℃/km)的高溫巖體地熱發電電價,在今天已具有商業競爭能力;而對中等和低級地溫梯度的高溫巖體地熱資源,通過進一步改進開發技術,也可以與以化石能源為基礎的電價有商業競爭能力。3干熱巖的開發技術關鍵3.1地下水滲流模式水通過深井注入地下干熱巖體,滲透進入巖層的縫隙并吸收地熱能量,即在干熱巖體內形成熱交換。形成地下熱交換系統有如下3種模式。(1)人工高壓裂隙模式,最早由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出,即通過人工高壓注水到井底,干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙,水在這些裂隙間穿過,即可完成進水井和出水井所組成的水循環系統熱交換過程。(2)天然裂隙模式,由英國卡門波礦產學校(CamborneSchoolofMines)提出的,即充分利用地下已有的裂隙網絡。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發育,但另一方面當人工注水時,原先的裂隙會變寬或錯位更大,增強了裂隙間的透水性。在這種模式下,可進行熱交換的水量更大,而且熱量交換得更充分。(3)天然裂隙-斷層模式,由歐洲Soultz干熱巖工程中的研究人員提出。這種模式除了利用地下天然的裂隙,還利用天然的斷層系統,這兩者的疊加使得熱交換系統的滲透性更好。該模式的最大優勢也是最大的挑戰,即不需通過人工高壓裂隙的方式連接進水井和出水井,而是通過已經存在的斷層來連接位于進水井和出水井之間的裂隙系統。以上3種模式研究最多的是人工高壓裂隙模式,即靠人工建造具有充分尺度和相當壽命的、可以獲得各級溫度梯度的熱儲層。通過人工熱儲的致裂、監測和連通實現與地表的水流連通,形成地下熱交換系統。3.2熱電站蒸發利用從生產井提取到高溫水、蒸汽等中間介質后,即可采用常規地熱發電的方式發電,包括直接蒸汽法、擴容法以及中間介質法等。由于直接蒸汽法要求從井下取出高溫蒸汽,效率較低,因此應用較少。擴容法是將生產井中的熱水先輸送至擴容器,通過減壓擴容產生的蒸汽推動汽輪機發電。我國西藏羊八井地熱電站即屬擴容法地熱發電。目前研究較多的是應用中間介質法地熱發電,例如有機朗肯循環,或用氨/水混合物作二次工質的卡里納循環等。蒸發器是中間介質法干熱巖發電的關鍵設備,地熱水通過蒸發器把低沸點物質加熱,使其產生高壓蒸汽并通過汽輪機發電,做完功的排氣在冷凝器中被還原成液態低沸點物質。3.3干熱巖地熱能源注水井和生產井數量根據不同的具體情況而異。井的配置方式有:一口注水井和一口生產井(兩井模式),一口注水井和2口生產井(三井模式),一口注水井和4口生產井(五井模式)。根據各國試驗站經驗,一般采用三井模式,沿熱儲構造長軸方向布置注水井,在注水井的兩側各鉆一口生產井,保證獲取足夠的熱量。如果應用于大規模的發電站,采用五井式或更多。干熱巖地熱能源供應的價格主要由鉆井和人工儲留層建造的費用所決定。較低的單井鉆井成本和較高的儲層流動速率將大大降低供應的電價。降低低溫度梯度資源鉆井和儲留層建造費用,將大幅度減少干熱巖地熱開發費用。所以,使用先進的鉆井技術,減少在硬巖中和干熱巖體中高額的鉆井費用,將能夠降低干熱巖地熱發電的價格,從而使干熱巖地熱資源在世界各地都具有競爭優勢。4國外的實驗研究和開發4.1熱學性能測試利用地下干熱巖體發電的設想,是美國人莫頓和史密斯于1970年提出的。迄今在干熱巖發電技術方面邁出最大一步的試驗是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和能源部在新墨西哥州芬頓山進行的試驗。該試驗始于1973年,最深鉆孔達4500m,巖體溫度為330℃,熱交換系統深度為3600m,發電量由最初的3MW到最后的10MW。試驗地選在火山地區,干熱巖體為花崗閃長巖,每平方米的地熱流值是地球表面平均地熱流值的3倍,達250mW。2001年,美國能源部終止了在芬頓山的干熱巖試驗項目,開始了名為“增強型地熱系統”計劃。增強型地熱系統(EGS-EnhancedGeothermalSystems)是指在干熱巖技術基礎上提出來的。美國能源部的定義是采用人工形成地熱儲層的方法,從低滲透性巖體中經濟地采出相當數量深層熱能的人工地熱系統。增強型地熱系統通過注入井注入水在地下實現循環,進入人工產生的、張開的連通裂隙帶,水與巖體接觸被加熱,然后通過生產井返回地面,形成一個閉式回路(圖1)。建立增強型地熱系統的第一步是進行勘探,以鑒別和確定最適宜的開發區塊。然后施工足夠深度的鉆孔,達到可利用的巖體溫度,進一步核實和量化特定的資源及相應的開發深度。如果鉆遇低滲透性巖體,則對其進行水壓致裂,以造成采熱所需的大體積儲水層,并與注入井-生產井系統實現適當的連通。如果鉆遇的巖體在有限的幾何界限內具有足夠的自然滲透性,采熱工藝就可能采用類似于石油開采所采用的注水或蒸汽驅油的成熟方法。其他的采熱辦法,包括井下換熱器或熱泵,或交替注入和采出(吞吐)的方法。最近,美國地質調查局正在建立一個關于干熱巖的政府-私人間的合作計劃。該計劃要求美國地質調查局勘探、優選并劃分出全美國不同利用潛力的干熱巖地區,還要為干熱巖的利用做些開發活動并發布相關信息。4.2注礦井注水從1985年開始,日本新能源與工業技術開發組織(NEDO)在Hijiori實驗站開始了對干熱巖發電的鉆探、水壓人工裂石、裂隙構圖、人工熱儲水庫等關鍵技術的研究。1991年,該實驗站通過一個注水井(SKG22)和3個生產井(HDR21、HDR22和HDR23),將地下1800m溫度為250℃的熱水和蒸汽抽出。其中,滲漏的水大約占注入水的20%,其余的經生產井回收,熱水和蒸汽輸出熱能約8MW。1992年,該實驗站又在2200m的深度人工致裂了一個溫度為270℃的熱儲水庫,1994年開始,重新修整原來的生產井并把1個生產井改為注水井,與兩個生產井進行短期循環測試和評估研究。2000年11月～2002年8月,Hijiori實驗站進行約2年的循環測試,并在當地建立了干熱巖發電廠。4.3兩井改變運行模式德國和法國于1986年聯合在蘇爾士開展巖體熱能利用項目。第一階段(1987～1997年):在3900m處建立巖石裂隙網,溫度超過165℃。經過一系列的水壓測試,包括長達幾個月的水流循環測試,得到水流持續循環的技術參數:注入流量為25L/s,超過140℃,注水井和生產井兩井相距450m,沒有流量損失,僅需水泵功率250kW,輸出熱能達10MWh。第二階段(1998～2001年):將生產井GPK2繼續鉆井到5000m深,建立新的熱儲層,溫度達200℃。在1500m處又鉆了微地震監測井。第三階段(2001～2004年):采用注水井和兩口生產井的三井方式,新鉆井GPK3(注水井)到5000m深,距GPK2約600m,兩井下人工熱儲裂隙系統連通;新鉆生產井GPK4同樣到5000m深,距GPK3約600m,建立人工熱儲與已建立的熱儲連通,形成高滲透的裂隙系統。第四階段(2005～2008年):采用二井模式實現增強型地熱系統,注水井流量100kg/s,生產井均為50kg/s,裝機為6MW。另外值得一提的是,法國的環境和能源管理機構在地熱能開發計劃中明確提到,對于可再生能源,該計劃主要關注4個方面,其中首當其沖的是干熱巖的開發利用潛力研究。4.4地層巖性地層鉆孔流動試驗近年來,澳大利亞掀起了干熱巖開發利用的高潮,許多開發商投入巨資進行干熱巖這種新能源的勘探開發利用。幸運的是,“地球動力”公司在南澳大利亞Cooper盆地的沙漠中找到了一處理想的建站地點。該公司2003年開始在那里鉆探出了2個深度達4500m的深孔(分別命名為“Habanero-1”和“Habanero-2”),將深井鉆到高溫巖石上,并建立了巖石與注入水之間快速的熱交換。到2008年,又完成了鉆孔Habanero-3并進行鉆孔流動試驗,即在生產井中注入示蹤劑,以監視巖石內的熱儲及熱水的運移情況。2009年1月,該公司利用這兩眼井建成一座1000kW的示范電站,專為建站地點的小鎮供電,準備3年后再鉆9眼深井,建成一座5萬kW的干熱巖發電站,到2016年再擴大10倍的發電量。據估計,僅地球動力公司在澳大利亞南部Cooper盆地地熱能產區的熱濕裂隙花崗巖就蘊含著巨大的能量潛力,在將來或可支持零排放標準下大于10000MW的發電能力。5關于中國干熱巖資源潛力研究項目的各國內研究機構(1)在1993～1995年期間,我國國家地震局地殼應力研究所和日本中央電力研究所開展合作,在北京西南房山區進行了干熱巖發電的研究試驗工作。(2)在我國,近期中國能源研究會地熱專業委員會、中國地質環境監測院與澳大利亞彼特里特姆公司就“中國干熱巖資源潛力研究”項目進行合作洽談,希望合作開發中國干熱巖資源。(3)2009年11月底～12月初,中國能源研究會地熱專業委員會和中國地質環境監測院組團對澳大利亞“地球動力”公司在南澳大利亞Cooper盆地的干熱巖開發利用現場進行了實地考察。(4)國內的一些研究機構(如中國科學院、中國地質科學院水文地質環境地質研究所、中國地質環境監測院、中國地質調查局發展研究中心以及相關的大學等)從理論和情報信息上做了一些工作,并提出了一些建議。可以說,干熱巖的勘查開發利用基本上還是空白!6在工作中6.1開發多種資源,促進干熱能勘查和開發的發展(1)《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》中明確的重點領域及其優先主題中,第一個領域就是能源方面,其中之一就是可再生能源的低成本規模化開發利用。“干熱巖的開發利用正好符合這一發展規劃的精神。”(2)2008年3月發布的《全國地質勘查規劃》中明確其他能源礦產勘查:開展地熱資源評價和區劃。開展全國地熱資源遠景調查評價,促進地熱資源勘查。選擇重要資源潛力區,開展淺層地熱能勘查與開發示范。探索干熱巖資源勘查開發利用技術。(3)在國家制定的進一步優化電力結構規劃中,小火電的關停范圍將從此前的10萬kW以下燃煤機組擴大到20萬kW機組,這意味著我國還將有8000多萬千瓦的小火電要被淘汰。這部分電力缺口除了由水電、核電來填補外,隨著相關技術的日趨成熟,其他新能源發電包括干熱巖發電也完全可以承擔起這一任務。6.2區域構造背景根據我國區域地質背景,高熱流區均處于板塊構造帶或構造活動帶,在滇藏、東南沿海、京津冀、環渤海等地區分布有較高的大地熱流和范圍較大的侵入巖體,說明我國具備干熱巖地熱資源形成的區域構造條件。據初步估算我國主要高熱流區的熱儲資源相當豐富,相當于標準煤516億t。6.3我國地質工作沒有充國家公益性地質工作的目的之一是要帶動商業性的地質工作。我們強烈地感受到,我國干熱巖的勘探開發利用至今仍停留在很膚淺的工作層面,是因為國家地質工作沒有做好干熱巖開發利用前期工作,如:沒有對全國地熱梯度開展進一步的普查、沒有探明干熱巖體的埋藏地和深度、沒有圈定哪些地區或位置存在干熱巖開發利用的可能、沒有確定適合開展干熱巖發電試驗的選區等等。為此,我們在2009年和2010年的國土資源部“公益性行業科研專項項目”立項中提出了開展“我國干熱巖勘查關鍵技術研究”的項目立項申請。6.3.1加強干熱巖勘探研究,建立技術研究體系通過開展干熱巖資源潛力評價、干熱巖綜合地球物理勘查以及干熱巖鉆探關鍵技術的研究,查明我國干熱巖資源分布狀況,建立干熱巖勘查技術方法體系,圈定干熱巖勘查靶區,并實施干熱巖鉆探示范工程,鉆獲高溫巖體,為今后開展干熱巖資源研究、開發利用和其他相關地學科學研究提供試驗基地。6.3.2主要研究內容6.3.2.干熱巖充放電系統研究針對我國三個重點干熱巖發育區——沉積盆地區(東北、華北、蘇中)、近代火山地區(吉林長白山、云南騰沖、黑龍江五大連池)、高熱流花崗巖地區(福建、廣東、江西),開展干熱巖熱能資源潛力評估。系統收集區域地質、物探、石油、地震、社會經濟等相關基礎研究資料,了解國外開發干熱巖成功經驗和教訓,分析典型高溫巖體地熱資源富集區的地質、環境、地熱能等特征,初步查明我國干熱巖資源的分布,圈定若干干熱巖優先開發地區。利用已有的鉆孔,開展地溫測量、熱物理參數測定,結合地質構造分析,研究區內的地溫場與大地熱流場特征,通過資料分析,軟件開發和模擬計算,進行干熱巖資源現狀及潛力評估。6.3.2.地質-地球物理勘查方法技術開展綜合地球物理勘查方法技術及多種地球物理數據處理、解釋、反演技術研究,選擇適合不同類型干熱巖勘查的地球物理手段進行勘查,結合地質研究成果,建立地質-地球物理勘查模型,圈定干熱巖有利部位,確定鉆孔位置;研究適合不同類型干熱巖的綜合地球物理勘查方法技術;通過分析測試和測井結果完善或修正地質-地球物理勘查模型。6.3.2.3干熱巖石勘探關鍵研究6.3.2.高溫環境認證(1)抗高溫耐腐蝕液動沖擊器研制;(2)高溫取心工藝及器具研究;(3)高溫環境鉆孔測斜儀研究;(4)高溫鉆井液體系研究;(5)井口高溫安全防護裝備研究;(6)干熱巖鉆探設備配套研究。6.3.2.斷層自然形成熱交換通道孔底熱交換通道的建立有兩種方式,一種是利用地層裂隙或斷層自然形成熱交換通道,另外一種方式是采用人工壓裂方式建立通道。在開展壓裂技術預研究的同時開展定向井結合壓裂技術預研究,以增大換熱面積,提高地熱利用率。6.3.2.干熱巖勘查技術在地質、物探研究確定的鉆孔位置上,利用本項目研究的干熱巖勘查鉆探工藝技術和器具,進行干熱巖鉆探示范工程,實施一口3000～3500m的干熱巖勘查孔,根據對鉆孔中采取的巖心(巖樣)分析測試和測井結果驗證和完善模型,建立干熱巖勘查技術方法體系。