干熱巖地熱:巨大的潛在能源資源

2016/7/7 0 24876

恒有源科技發展集團(微信號:HYYESSTD)專注于淺層地能作為建筑物供暖的替代能源的科研、開發和推廣。致力于原創技術的產業化發展,實現為建筑物無燃燒智慧供暖(冷),大力發展地能熱冷一體化新興產業。

 

    地熱資源以其清潔、運行穩定和空間分布廣泛,已成為世界各國重點研究和開發的新能源。地熱資源按其產出條件可分為淺層地能、水熱型和干熱巖性(見圖1),目前世界各國主要開采和利用的是淺層地能和水熱型地熱資源,約占已探明地熱資源的10%左右,中國在淺層地能的開發和利用走在世界的前列。

    更多的地熱能儲存于干熱巖(HotDryRock,HDR)地熱資源中,干熱巖是一種沒有水(或含有少量水而不能流動)的高溫巖體,很少存在孔隙或裂隙,滲透性能極差,其溫度范圍很廣介于150~650℃之間,主要是變質巖或結晶巖類巖體。

 

    增強型地熱系統(EnhancedGeothermalSystem,EGS)指通過水力壓裂等工程手段在地下深部低滲透性干熱巖體中形成人工地熱儲層,從其中長期經濟地采出相當數量熱能的人工地熱系統,即從干熱巖中開發地熱的工程,如圖2所示。保守估計地殼中干熱巖(通常指3~10km深處)所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍。中國地質調查局的最新評價數據顯示,中國大陸3~10km深處干熱巖資源總量為2.5×1025J(合856萬億噸標煤),若能開采出2%,就相當于我國2010年全國一次性能耗總量(32.5億噸標煤)的5300倍。

    中國科學院也對中國大陸3~10km深處的干熱巖資源進行了評價,得出的結論是2.09×1025J,相當于715萬億噸標煤,若能采出2%,則相當于中國2010年能源消耗總量的4400倍。相近的數字,印證了中國干熱巖開發利用的光明前景。

 

    增強型地熱研究在世界上已有40年的歷史,美國最早于1973年開始資助FentonHill干熱巖開發的EGS試驗研究,隨后日本、英國、法國、澳大利亞、德國等國家相繼開展了干熱巖開發的預研究和技術裝備研制,并建立了一批EGS開發利用示范場地。但是,過去的研究成果不盡人意,至今并未使EGS實現商業化開發,其面臨的最大挑戰在于經濟的人工熱儲建造。

    Testeretal.(2006)在麻省里工學院(MIT)干熱巖開發報告中也指出在未來的近20年里,EGS能夠實現經濟開發的關鍵在于能夠獲得經濟有效的多重儲層建造技術,以保證有足夠體積的熱儲(>1km3)滿足長期地熱開發。目前,常用的熱儲建造技術有水力壓裂、化學刺激和熱刺激以及這幾種技術的聯合使用。過去,我國由于資金和技術原因對地熱資源的利用多局限在水熱型地熱資源,隨著我國經濟增長和技術的創新,目前已具備干熱巖勘查和開發研究的條件和能力。國外EGS研究的諸多經驗表明,EGS投資周期長、風險大,因此政府支持關鍵技術開發及集成示范研究,是最終實現EGS可持續商業化開發的必經之路。

    增強型地熱(EGS)是應用前景很好的清潔新能源,有巨大的利用價值和發展潛力。自從美國FentonHill項目開展以來,EGS開發利用技術已經取得了進展。過去40年的EGS研究經驗表明,在地下深部高溫干熱巖體中建造人工裂隙熱儲且取得井間連接是切實可行的,人造熱儲的生長主要受到儲層中存在的天然裂隙(或節理)發生剪切破壞所控制,這一過程嚴重受到天然裂隙方向和原位應力狀態的影響。儲層刺激過程中,可以通過微震監測估計和判斷儲層激發區域的大小和擴展方向,并用于指導定向鉆進生產井以取得井和儲層之間更好的水力連通。另外,美國能源部最新EGS示范工程所取得的成果,表明在現有水熱田的邊緣建立人造熱儲,并與天然熱儲取得連接可以增加其生產能力,這一技術路線可以在短期內相對低成本的獲得經濟效益。

    人類將面臨化石燃料用盡的危機時刻,人們正在尋找各種可替代化石燃料的未來能源,以維持人類社會的可持續發展。地熱資源作為一種清潔新能源,是未來可利用的重要能源資源之一,是大自然的恩賜,我們應充分重視其利用價值。可以預見,干熱巖地熱資源的開發將極有可能為我國節能減排和新一輪能源結構調整做出重大貢獻。

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