干熱巖地熱資源開發(fā)的重要性及實現(xiàn)途徑,地質(zhì)工程論文干熱巖資源存在于地殼上部3~10km深處,含熱量宏大,要開發(fā)它,必須建立加強型地熱系統(tǒng)(EGS)。20世紀70年代以來,各國一直在進行著干熱巖(hotdryrock)的試驗,后稱之為加強型地熱系統(tǒng)(EGS)的試驗。當前世界上已建立加強型地熱系統(tǒng)的國家有美、英、法、德、日、瑞典和澳大利亞,華而不實除了北萊茵地塹內(nèi)法國的Soults和德國的Landau的EGS尚在試驗中,澳大利亞的Cooper盆地的EGS尚未運轉(zhuǎn)外,其余的皆因技術(shù)問題或經(jīng)濟效益不佳而終止試驗。至今全世界還沒有一個加強型地熱系統(tǒng)能投入商業(yè)運行。我們國家極其重視地熱能的開發(fā)利用。2020年1月10日國家能源局、財政部、國土資源部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)(關(guān)于促進地熱能開發(fā)利用的指導意見〕。華而不實提到:地熱能是清潔環(huán)保的新型可再生能源,資源儲量大、分布廣、發(fā)展前景廣闊,市場潛力宏大。積極開發(fā)利用地熱能對緩解我們國家能源資源壓力、實現(xiàn)非化石能源目的、推進能源生產(chǎn)和消費革命、促進生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。其主要目的:2021年全國地熱供暖面積5億m2,地熱發(fā)電裝機容量10萬kW,地熱能年利用量2000萬t標準煤。華而不實還提及:積極開展深層高溫地熱發(fā)電項目示范,重點在青藏鐵路沿線、西藏、云南或四川西部等高溫地熱資源分布地區(qū),在保衛(wèi)好生態(tài)環(huán)境的條件下,以知足當?shù)赜秒娦枰獮槟康?新建若干萬千瓦級高溫地熱發(fā)電項目,對西藏羊八井地熱電站進行技術(shù)升級改造。同時,密切跟蹤國際加強型地熱發(fā)電技術(shù)動態(tài)和發(fā)展趨勢,開展加強型地熱發(fā)電試驗項目的可行性研究工作,初步確定項目場址并開展必要的前期勘探工作,為后期開展加強型地熱發(fā)電試驗項目奠定基礎(chǔ)。鑒于干熱巖地熱資源異常豐富,早就引起我們國家地熱工作者的注意,但當前均處于無鉆探的資源評估階段,也未進行任何加強型地熱系統(tǒng)的試驗。近年來,李福在海南島陵水地區(qū)選擇160km2作為全國首座深層干熱巖示范電站的地址,估計3000m深處能夠到達150℃。曾梅香等以為天津團泊東南地層深處埋藏著較大基性巖體,估計在3~4km的溫度可達110~150℃,儲存的地熱資源為1.721029J,產(chǎn)熱量7.15MJ/km2。徐雪球[4]報道江蘇蘇北盆地4~5km深處,地溫為150℃,局部達170℃。孫知新等在青海省共和盆地通過鉆探發(fā)現(xiàn)地溫梯度達6~7℃/hm,揣測3km深度可達200℃。冉恒謙等對沉積盆地(東北、華北、蘇中)、近代火山區(qū)(長白山、騰沖、五大連池)和高熱流花崗巖區(qū)(閩、粵、贛)等3種不同地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的干熱巖地熱資源潛力進行評估。然而,怎樣建立加強型地熱系統(tǒng)還未擺上日程,華而不實包括怎樣著手干熱巖科學鉆探、進行人工壓裂試驗、注入與回灌試驗、熱儲模擬技術(shù)的開發(fā)、干熱巖地熱發(fā)電的技術(shù)研究和預防誘發(fā)地震等問題。本文將對為什么要開發(fā)干熱巖地熱資源、怎樣開采干熱巖地熱資源、國外EGS試驗進展怎樣,我們應(yīng)該怎么辦?提出一些粗淺的意見和建議,但愿能起到拋磚引玉之作用。1、為什么要開發(fā)干熱巖地熱資源?1.1可再生能源中的地熱能2000年世界能源協(xié)會在長達500頁(能源和持續(xù)性的挑戰(zhàn)〕的報告中,對各種可再生能源的容量進行了評估(表1),地熱能處于首要之位,表示清楚其潛力非常宏大。而且地熱能的利用源遠流長,其直接利用在遠古時代即已開場,從1904年起就開場探尋求索利用它生產(chǎn)二次能源,文章中報道:美國在新墨西哥州中北部的芬頓山成立了干熱巖研究中心,美國于1973年贊助針對干熱巖開發(fā)的EGS實驗研究,1977年獲得了成功,最深鉆孔達4.5km,巖體溫度為330℃,熱交換系統(tǒng)為3.6km。1984年建成了世界上第一座高溫巖體地熱發(fā)電站,發(fā)電功率由最初3MW提高至10MW,地熱流值達250mW/m2。這種報道完全不符合事實,不知信息從何而來?報道有何目的?但是,誤導的效果是極壞的。芬頓山建立過干熱巖地熱發(fā)電試驗電站是肯定的,但是,僅僅僅是短暫的試驗,如今早已不存在了。2018年巴厘會議的文獻具體介紹了美國地熱發(fā)電的情況,在芬頓山所在的新墨西哥州,2018年在Laser有一個240kW的雙循環(huán)試驗電站,另外在該州西南角的LightmingDock正在建造一座10MW的電站,地熱發(fā)電專家Bertani[8]根本沒有提芬頓山還有一座10MW的高溫干熱巖發(fā)電站在成功地運行。(5)在EGS的研究、開發(fā)中,嚴防科技詐騙也是必要的。例如,某些企業(yè)主沒有經(jīng)過具體的地質(zhì)勘察工作,就向當?shù)靥岢龅責崽菁壘C合利用項目的規(guī)劃與建議,申請在某地建設(shè)一個EGS基地,準備搞地熱發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等項目。而且,竟然還得到地方的批準立項。其實企業(yè)主心中最在意的還是通過立項能夠收購上千畝土地罷了。5、我們的建議。(1)根據(jù)我們國家干熱巖地熱資源的分布和儲量,最有利的開發(fā)地區(qū)是西藏南部和云南騰沖,其次為東南沿海。首先必須認真進行選點,開展試驗。我們以為第一個干熱巖試驗鉆,最佳選擇應(yīng)該在羊八井北區(qū)(即硫黃礦區(qū))。1993年11月在硫黃礦采坑內(nèi)鉆成ZK4002孔,終孔深2006.8m,鉆及1850m時井下溫度即高達262℃。11月7日測得孔底完井后泥漿的最高溫度為262.3℃。靜水位為80m。1994年3月,下篩管后用氣舉法引噴成功,噴高超過18m,孔口溫度超過200℃。1994年5月8日,測得成井后恢復的最高溫度為329.8℃,井口最高工作溫度204℃,孔口最大工作壓力16kg/cm2,最大端壓6kg/cm2,計算得出汽水總量298t/h,干度47%。然而15min后,汽水總量即衰減到153t/h,54h后,端壓降為0。1995年9月17日,在ZK4002孔附近的ZK4001開鉆,1996年10月15日完井,終孔深度1459.09m,井下溫度平均247℃,最高251℃。自噴、放噴半月,井口無任何結(jié)垢。遺憾的是當時沒有進行注水、回灌,也沒有在生產(chǎn)井內(nèi)進行水壓致裂。如能在生產(chǎn)井深部擴大裂隙系的分布,同時另外再鉆注水井,不斷保持深部裂隙內(nèi)的水量,則該區(qū)當時就有可能建成加強型地熱系統(tǒng)。如今,假如我們利用已有的ZK4002孔,并在附近再鉆一口2000多m的井,作為對井,兩口井井底距離保持在500m左右,一口井作生產(chǎn)井,另一口作注水井(回灌井,其深度應(yīng)比生產(chǎn)井大一些,兩者的排列方向應(yīng)以近南北向為宜)。在生產(chǎn)井內(nèi)不斷地通過水壓致裂,制造人工熱儲,進行EGS試驗。假如人工熱儲的體積V為1km3,熱儲溫度T為330℃,地表年平均溫度T0為5℃,熱儲巖石和水的比熱為2.7J/(cm3℃),能夠利用體積法計算該人工熱儲的熱能Wr:Wr=V(TT0)=1015cm32.7J/(cm3℃)(330-5)℃=0.8775EJ第二步是計算井口熱能Qwh,即能夠從鉆孔中提取的那一部分熱能,由熱儲熱能Wr乘以采收率Rg即可,一般取0.25。因而,該EGS的井口熱能Qwh=WrRg=0.219EJ。第三步是計算有用功Wa,要讓地熱流體發(fā)電,首先要將熱能轉(zhuǎn)化成動能,然后將動能再轉(zhuǎn)化為電能,根據(jù)熱力學第一定律,即能量守恒定律,有用功可用下式求得:Wa=(H-H0)-T0(S-S0)式中:H和H0分別代表排放流體在井口和尾水排放時的焓值;(H-H0)項表示總熱能;S和S0分別代表排放流體在井口和尾水排放時的熵值;T0(S-S0)項表示在可逆經(jīng)過中沒有能轉(zhuǎn)化成功的熱能。但是在實際操作中并不要如此復雜,只要知道熱儲的溫度,就能夠查到有用功Wa與熱儲熱能Wr的比值(Wa/Wr),該比值隨著熱儲溫度的升高而加大。當熱儲溫度為330℃時,該比值為0.085,因而,有用功Wa為0.0746EJ。第四步是計算發(fā)電潛力,計算公式如下:E=WaB式中B是動能轉(zhuǎn)化成電能的工作效率。對于不同溫度的工作流體和不同類型的循環(huán)系統(tǒng),工作效率變化很大。對于單次閃蒸系統(tǒng)一般B值取0.1~0.3,雙循環(huán)系統(tǒng)取0.3~0.4,二次閃蒸取0.4,全流系統(tǒng)取0.5,蒸汽系統(tǒng)取0.6等。在這里我們將B值取為0.5,則羊八井EGS到發(fā)電潛力能夠到達:E=0.0746EJ0.5=0.0373EJ/946080000s=39.4MW30a(式中的946080000s=30a365d/a24h/d3600s/h)假如人工熱儲溫度為250℃,采收率為0.25,Wa/Wr=0.068,B值取0.4,用同樣方式方法求得羊八井EGS的發(fā)電潛力約為19MW30a。假如是前者,一個對井組成的EGS發(fā)電裝機容量是如今羊八井地熱電站(24MWe)的1.6倍;假如是后一情況,也是它的80%。從計算結(jié)果來看,我們會驚嘆用EGS技術(shù)開發(fā)3km下面的HDR地熱資源是多么誘人,3km下面的干熱巖地熱資源要比3km以上的水熱型地熱資源豐富得多,關(guān)鍵是如何才能使建立的EGS長時間地運轉(zhuǎn),并不斷地知足Rybach提出的6個條件。值得重視的是,通過熱能轉(zhuǎn)換后的熱水,絕不能就地排放,而必須回灌到地下深處,必要時還需增加注水,這是保持熱儲水量、延長地熱系統(tǒng)運行壽命和避免環(huán)境污染的重要措施,這也是加強型地熱系統(tǒng)與普通地熱系統(tǒng)的主要區(qū)別。(2)在我們國家滇藏地區(qū),應(yīng)采用高精度的遙感影像,通過對于呈負地形的環(huán)形構(gòu)造(直徑為數(shù)千米)進行解譯,來找尋可能存在的新生代的、地殼上部的隱伏中酸性巖體,其埋深宜在10km之內(nèi),為找尋和選擇新的干熱巖地熱資源分布區(qū)打下基礎(chǔ)。(3)在我們國家東部地區(qū)含油氣沉積盆地內(nèi)的局部基底隆起地帶,受斷裂帶所控制的地下水深循環(huán)的影響,普遍出現(xiàn)對流型的地熱異常。經(jīng)常在1~2km的深處,就可獲得大于100℃的中溫地熱流體,華而不實部分鉆井還含有適量的烴類。如今不少油氣田對于此類地熱流體通常采用封井的辦法,以避免油水界面的下降。其實,在提取有機烴之后的熱流體就很合適就地建立中低溫加強型地熱系統(tǒng),采用雙介質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)。一邊抽取地熱流體,另一邊又不斷把熱能轉(zhuǎn)化為電能之后的流體回灌到深部儲層,這樣對整個油氣田的開發(fā)是不會產(chǎn)生不良影響的,也不會造成環(huán)境的污染。當然這樣做的成本較高。主管部門應(yīng)該制定政策,鼓勵并給予財政補貼,支持各油氣田在不斷挖掘油氣資源潛力、大力開發(fā)頁巖氣的同時,開發(fā)地熱能,努力進行加強型地熱系統(tǒng)的試驗,在獲得經(jīng)歷體驗之后,再逐步推廣。(4)在我們國家東部很多中低溫水熱系統(tǒng)的開發(fā)中,應(yīng)制定政策、法規(guī),保證地下熱水在使用之后,經(jīng)消毒、處理后回灌到地下深處,以避免地下熱水位的迅速下降與環(huán)境的污染。(5)在東部經(jīng)濟發(fā)達、能源緊缺的地區(qū),選擇重點,可試驗性地進行中低溫加強型地熱系統(tǒng)的開發(fā)。在進行壓裂試驗經(jīng)過中,不要以為裂隙系統(tǒng)能夠全方位地構(gòu)成。根據(jù)我們國家石油勘探中注水試驗的經(jīng)歷體驗教訓,有時在基巖內(nèi)注水后,經(jīng)常不知水的去向。在這里,筆者建議地熱系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)該十分注意:與當代區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向幾乎一致的裂隙,都明顯地呈現(xiàn)為張性,其浸透率能夠比其他方向大幾倍到十倍左右。因此,沿著當代最大主壓應(yīng)力方向來布置注水井與生產(chǎn)井的位置是比擬妥