干熱巖的勘探與應(yīng)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(dāng)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(zhì)巖或結(jié)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(nèi)部的熱量,因此其主要的工業(yè)指標(biāo)是巖體內(nèi)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(huán)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?zé)豳Y源目前,人們對干熱巖的開發(fā)利用,主要是發(fā)電。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)。干熱巖發(fā)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(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰?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(dá)150～200℃,通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電;冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。整個過程都是在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。見圖1。干熱巖存在于地殼淺層的某些構(gòu)造區(qū),是一種清潔的新能源。全球干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富,比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多,比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。干熱巖地?zé)豳Y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(yōu)勢:(1)干熱巖地?zé)崮苁蔷薮蟮?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?zé)豳Y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?zé)豳Y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?zé)豳Y源系統(tǒng)可以維持對環(huán)境最低水平的影響。(3)干熱巖地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)是安全的,沒有爆炸危險,更不會引起災(zāi)難性事故或傷害性污染。它適合于基本負(fù)荷或高峰負(fù)荷的電力供應(yīng),是能源計劃中最理想的組成部分。(4)干熱巖地?zé)衢_發(fā)可以提供不間斷的電力供應(yīng),不受季節(jié)、晝夜等自然條件的影響。(5)美國、日本等國的高溫巖體地?zé)崆捌陂_發(fā)試驗已充分說明,高地溫梯度(80℃/km)的高溫巖體地?zé)岚l(fā)電電價,在今天已具有商業(yè)競爭能力;而對中等和低級地溫梯度的高溫巖體地?zé)豳Y源,通過進(jìn)一步改進(jìn)開發(fā)技術(shù),也可以與以化石能源為基礎(chǔ)的電價有商業(yè)競爭能力。3干熱巖的開發(fā)技術(shù)關(guān)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(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰?即在干熱巖體內(nèi)形成熱交換。形成地下熱交換系統(tǒng)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(jìn)水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。(2)天然裂隙模式,由英國卡門波礦產(chǎn)學(xué)校(CamborneSchoolofMines)提出的,即充分利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發(fā)育,但另一方面當(dāng)人工注水時,原先的裂隙會變寬或錯位更大,增強(qiáng)了裂隙間的透水性。在這種模式下,可進(jìn)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(tǒng),這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的最大優(yōu)勢也是最大的挑戰(zhàn),即不需通過人工高壓裂隙的方式連接進(jìn)水井和出水井,而是通過已經(jīng)存在的斷層來連接位于進(jìn)水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)。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(dāng)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(jiān)測和連通實現(xiàn)與地表的水流連通,形成地下熱交換系統(tǒng)。3.2熱電站蒸發(fā)利用從生產(chǎn)井提取到高溫水、蒸汽等中間介質(zhì)后,即可采用常規(guī)地?zé)岚l(fā)電的方式發(fā)電,包括直接蒸汽法、擴(kuò)容法以及中間介質(zhì)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(yīng)用較少。擴(kuò)容法是將生產(chǎn)井中的熱水先輸送至擴(kuò)容器,通過減壓擴(kuò)容產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。我國西藏羊八井地?zé)犭娬炯磳贁U(kuò)容法地?zé)岚l(fā)電。目前研究較多的是應(yīng)用中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電,例如有機(jī)朗肯循環(huán),或用氨/水混合物作二次工質(zhì)的卡里納循環(huán)等。蒸發(fā)器是中間介質(zhì)法干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備,地?zé)崴ㄟ^蒸發(fā)器把低沸點物質(zhì)加熱,使其產(chǎn)生高壓蒸汽并通過汽輪機(jī)發(fā)電,做完功的排氣在冷凝器中被還原成液態(tài)低沸點物質(zhì)。3.3干熱巖地?zé)崮茉醋⑺蜕a(chǎn)井?dāng)?shù)量根據(jù)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(chǎn)井(兩井模式),一口注水井和2口生產(chǎn)井(三井模式),一口注水井和4口生產(chǎn)井(五井模式)。根據(jù)各國試驗站經(jīng)驗,一般采用三井模式,沿?zé)醿?gòu)造長軸方向布置注水井,在注水井的兩側(cè)各鉆一口生產(chǎn)井,保證獲取足夠的熱量。如果應(yīng)用于大規(guī)模的發(fā)電站,采用五井式或更多。干熱巖地?zé)崮茉垂?yīng)的價格主要由鉆井和人工儲留層建造的費(fèi)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(yīng)的電價。降低低溫度梯度資源鉆井和儲留層建造費(fèi)用,將大幅度減少干熱巖地?zé)衢_發(fā)費(fèi)用。所以,使用先進(jìn)的鉆井技術(shù),減少在硬巖中和干熱巖體中高額的鉆井費(fèi)用,將能夠降低干熱巖地?zé)岚l(fā)電的價格,從而使干熱巖地?zé)豳Y源在世界各地都具有競爭優(yōu)勢。4國外的實驗研究和開發(fā)4.1熱學(xué)性能測試?yán)玫叵赂蔁釒r體發(fā)電的設(shè)想,是美國人莫頓和史密斯于1970年提出的。迄今在干熱巖發(fā)電技術(shù)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(jìn)行的試驗。該試驗始于1973年,最深鉆孔達(dá)4500m,巖體溫度為330℃,熱交換系統(tǒng)深度為3600m,發(fā)電量由最初的3MW到最后的10MW。試驗地選在火山地區(qū),干熱巖體為花崗閃長巖,每平方米的地?zé)崃髦凳堑厍虮砻嫫骄責(zé)崃髦档?倍,達(dá)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(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)”計劃。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS-EnhancedGeothermalSystems)是指在干熱巖技術(shù)基礎(chǔ)上提出來的。美國能源部的定義是采用人工形成地?zé)醿拥姆椒?從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量深層熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)通過注入井注入水在地下實現(xiàn)循環(huán),進(jìn)入人工產(chǎn)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(chǎn)井返回地面,形成一個閉式回路(圖1)。建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的第一步是進(jìn)行勘探,以鑒別和確定最適宜的開發(fā)區(qū)塊。然后施工足夠深度的鉆孔,達(dá)到可利用的巖體溫度,進(jìn)一步核實和量化特定的資源及相應(yīng)的開發(fā)深度。如果鉆遇低滲透性巖體,則對其進(jìn)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(chǎn)井系統(tǒng)實現(xiàn)適當(dāng)?shù)倪B通。如果鉆遇的巖體在有限的幾何界限內(nèi)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(qū)油的成熟方法。其他的采熱辦法,包括井下?lián)Q熱器或熱泵,或交替注入和采出(吞吐)的方法。最近,美國地質(zhì)調(diào)查局正在建立一個關(guān)于干熱巖的政府-私人間的合作計劃。該計劃要求美國地質(zhì)調(diào)查局勘探、優(yōu)選并劃分出全美國不同利用潛力的干熱巖地區(qū),還要為干熱巖的利用做些開發(fā)活動并發(fā)布相關(guān)信息。4.2注礦井注水從1985年開始,日本新能源與工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織(NEDO)在Hijiori實驗站開始了對干熱巖發(fā)電的鉆探、水壓人工裂石、裂隙構(gòu)圖、人工熱儲水庫等關(guān)鍵技術(shù)的研究。1991年,該實驗站通過一個注水井(SKG22)和3個生產(chǎn)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(jīng)生產(chǎn)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(chǎn)井并把1個生產(chǎn)井改為注水井,與兩個生產(chǎn)井進(jìn)行短期循環(huán)測試和評估研究。2000年11月～2002年8月,Hijiori實驗站進(jìn)行約2年的循環(huán)測試,并在當(dāng)?shù)亟⒘烁蔁釒r發(fā)電廠。4.3兩井改變運(yùn)行模式德國和法國于1986年聯(lián)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(wǎng),溫度超過165℃。經(jīng)過一系列的水壓測試,包括長達(dá)幾個月的水流循環(huán)測試,得到水流持續(xù)循環(huán)的技術(shù)參數(shù):注入流量為25L/s,超過140℃,注水井和生產(chǎn)井兩井相距450m,沒有流量損失,僅需水泵功率250kW,輸出熱能達(dá)10MWh。第二階段(1998～2001年):將生產(chǎn)井GPK2繼續(xù)鉆井到5000m深,建立新的熱儲層,溫度達(dá)200℃。在1500m處又鉆了微地震監(jiān)測井。第三階段(2001～2004年):采用注水井和兩口生產(chǎn)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(tǒng)連通;新鉆生產(chǎn)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(tǒng)。第四階段(2005～2008年):采用二井模式實現(xiàn)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng),注水井流量100kg/s,生產(chǎn)井均為50kg/s,裝機(jī)為6MW。另外值得一提的是,法國的環(huán)境和能源管理機(jī)構(gòu)在地?zé)崮荛_發(fā)計劃中明確提到,對于可再生能源,該計劃主要關(guān)注4個方面,其中首當(dāng)其沖的是干熱巖的開發(fā)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(fā)利用的高潮,許多開發(fā)商投入巨資進(jìn)行干熱巖這種新能源的勘探開發(fā)利用。幸運(yùn)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(dá)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(jìn)行鉆孔流動試驗,即在生產(chǎn)井中注入示蹤劑,以監(jiān)視巖石內(nèi)的熱儲及熱水的運(yùn)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(zhèn)供電,準(zhǔn)備3年后再鉆9眼深井,建成一座5萬kW的干熱巖發(fā)電站,到2016年再擴(kuò)大10倍的發(fā)電量。據(jù)估計,僅地球動力公司在澳大利亞南部Cooper盆地地?zé)崮墚a(chǎn)區(qū)的熱濕裂隙花崗巖就蘊(yùn)含著巨大的能量潛力,在將來或可支持零排放標(biāo)準(zhǔn)下大于10000MW的發(fā)電能力。5關(guān)于中國干熱巖資源潛力研究項目的各國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)(1)在1993～1995年期間,我國國家地震局地殼應(yīng)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(qū)進(jìn)行了干熱巖發(fā)電的研究試驗工作。(2)在我國,近期中國能源研究會地?zé)釋I(yè)委員會、中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)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(jìn)行合作洽談,希望合作開發(fā)中國干熱巖資源。(3)2009年11月底～12月初,中國能源研究會地?zé)釋I(yè)委員會和中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院組團(tuán)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(fā)利用現(xiàn)場進(jìn)行了實地考察。(4)國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)(如中國科學(xué)院、中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所、中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心以及相關(guān)的大學(xué)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(fā)利用基本上還是空白!6在工作中6.1開發(fā)多種資源,促進(jìn)干熱能勘查和開發(fā)的發(fā)展(1)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》中明確的重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題中,第一個領(lǐng)域就是能源方面,其中之一就是可再生能源的低成本規(guī)?；_發(fā)利用。“干熱巖的開發(fā)利用正好符合這一發(fā)展規(guī)劃的精神?！?2)2008年3月發(fā)布的《全國地質(zhì)勘查規(guī)劃》中明確其他能源礦產(chǎn)勘查:開展地?zé)豳Y源評價和區(qū)劃。開展全國地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景調(diào)查評價,促進(jìn)地?zé)豳Y源勘查。選擇重要資源潛力區(qū),開展淺層地?zé)崮芸辈榕c開發(fā)示范。探索干熱巖資源勘查開發(fā)利用技術(shù)。(3)在國家制定的進(jìn)一步優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)規(guī)劃中,小火電的關(guān)停范圍將從此前的10萬kW以下燃煤機(jī)組擴(kuò)大到20萬kW機(jī)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(bǔ)外,隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟,其他新能源發(fā)電包括干熱巖發(fā)電也完全可以承擔(dān)起這一任務(wù)。6.2區(qū)域構(gòu)造背景根據(jù)我國區(qū)域地質(zhì)背景,高熱流區(qū)均處于板塊構(gòu)造帶或構(gòu)造活動帶,在滇藏、東南沿海、京津冀、環(huán)渤海等地區(qū)分布有較高的大地?zé)崃骱头秶^大的侵入巖體,說明我國具備干熱巖地?zé)豳Y源形成的區(qū)域構(gòu)造條件。據(jù)初步估算我國主要高熱流區(qū)的熱儲資源相當(dāng)豐富,相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤516億t。6.3我國地質(zhì)工作沒有充國家公益性地質(zhì)工作的目的之一是要帶動商業(yè)性的地質(zhì)工作。我們強(qiáng)烈地感受到,我國干熱巖的勘探開發(fā)利用至今仍停留在很膚淺的工作層面,是因為國家地質(zhì)工作沒有做好干熱巖開發(fā)利用前期工作,如:沒有對全國地?zé)崽荻乳_展進(jìn)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(qū)或位置存在干熱巖開發(fā)利用的可能、沒有確定適合開展干熱巖發(fā)電試驗的選區(qū)等等。為此,我們在2009年和2010年的國土資源部“公益性行業(yè)科研專項項目”立項中提出了開展“我國干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)研究”的項目立項申請。6.3.1加強(qiáng)干熱巖勘探研究,建立技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)方法體系,圈定干熱巖勘查靶區(qū),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(fā)利用和其他相關(guān)地學(xué)科學(xué)研究提供試驗基地。6.3.2主要研究內(nèi)容6.3.2.干熱巖充放電系統(tǒng)研究針對我國三個重點干熱巖發(fā)育區(qū)——沉積盆地區(qū)(東北、華北、蘇中)、近代火山地區(qū)(吉林長白山、云南騰沖、黑龍江五大連池)、高熱流花崗巖地區(qū)(福建、廣東、江西),開展干熱巖熱能資源潛力評估。系統(tǒng)收集區(qū)域地質(zhì)、物探、石油、地震、社會經(jīng)濟(jì)等相關(guān)基礎(chǔ)研究資料,了解國外開發(fā)干熱巖成功經(jīng)驗和教訓(xùn),分析典型高溫巖體地?zé)豳Y源富集區(qū)的地質(zhì)、環(huán)境、地?zé)崮艿忍卣?初步查明我國干熱巖資源的分布,圈定若干干熱巖優(yōu)先開發(fā)地區(qū)。利用已有的鉆孔,開展地溫測量、熱物理參數(shù)測定,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析,研究區(qū)內(nèi)的地溫場與大地?zé)崃鲌鎏卣?通過資料分析,軟件開發(fā)和模擬計算,進(jìn)行干熱巖資源現(xiàn)狀及潛力評估。6.3.2.地質(zhì)-地球物理勘查方法技術(shù)開展綜合地球物理勘查方法技術(shù)及多種地球物理數(shù)據(jù)處理、解釋、反演技術(shù)研究,選擇適合不同類型干熱巖勘查的地球物理手段進(jìn)行勘查,結(jié)合地質(zhì)研究成果,建立地質(zhì)-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(shù);通過分析測試和測井結(jié)果完善或修正地質(zhì)-地球物理勘查模型。6.3.2.3干熱巖石勘探關(guān)鍵研究6.3.2.高溫環(huán)境認(rèn)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(huán)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(hù)裝備研究;(6)干熱巖鉆探設(shè)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(shù)預(yù)研究的同時開展定向井結(jié)合壓裂技術(shù)預(yù)研究,以增大換熱面積,提高地?zé)崂寐省?.3.2.干熱巖勘查技術(shù)在地質(zhì)、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(shù)和器具,進(jìn)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(jù)對鉆孔中采取的巖心(巖樣)分析測試和測井結(jié)果驗證和完善模型,建立干熱巖勘查技術(shù)方法體系。