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国家地热能中心委员会名誉主任王秉忱:干热岩应成为我国地热研究和开发主要方向之一
作者:杜燕飞 来源:人民网 2016年11月18日 字体:

今日,第240场中国工程科技论坛——2016·中国地热国际论坛在北京开幕。国家地热能中心委员会名誉主任王秉忱作题为《对我国开展干热岩勘察与增强型地热系统研究的基本认识》的报告。王秉忱表示,干热岩与增强型地热系统研究及工程应用应该成为我国今后地热资源研究和开发的主要方向之一,干热岩地热资源的开发将极有可能为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献。

干热岩地热资源是潜在的巨大的新能源资源

王秉忱认为,干热岩是一种没有水,或者蒸汽,或者是含有少量的水或不能流动的,普遍埋藏于距地表3-10公里的底层深处,很少存在孔隙或裂隙,渗透性激低,温度范围介于150到650度之间,主要是变质岩或结晶岩类的高温掩体。

目前我国在前层地热能的开发利用方面已居世界前列而巨量的热层则是储存在干热岩里,科学希望才能水利压裂等工程手段在地下伸出的低渗透性干热岩体中形成人工地热储层,从中长期经济采取出相当热量的人工系统,即从干热岩中开发出地热能的工程,也称为增强型地热系统EGS。

据保守估算,地壳中干热岩心中所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭总能量的30倍,中国地调局最新评价数据显示,中国大陆3-10公里深处干热岩资源总量为2.5×10的25次方焦耳,合856万亿吨标煤,若能开采出2%,就相当于我国2010年全国一次性能耗总量32.5亿吨标煤的5300倍。中国科学院进行了同样的评价,结论是2.09×10的25次方焦耳,相当于715万亿吨标煤。如果能采出2%,则相当于中国2010年能源消耗总量的4400倍。这两方面的数字相近,已充分表明了我国干热岩开发利用的前景。

王秉忱指出,利用增强型地热系统开发干热岩地热资源具有光明的前景。干热岩地热资源是一种潜在的巨大的新能源资源,应该尽快加以利用。

国外干热岩勘察与增强型地热系统研究的进展和前景展望

王秉忱表示,增强型地热系统(EGS)的研究和开发在世界上已有40年的历史,美国、英国、法国、日本、澳大利亚等发达国家是早期的研究主体,目前干热岩的开发面临诸多挑战,如大体积、人工裂隙、热储的建造等等。因此,EGS实现商业化还需要大量的研究和技术开发工作。美国最早在1973年开始资助芬顿山的项目,随后美国在加利福尼亚州开展了实验,英国、日本、法国、澳大利亚相继开展了预研究和技术装备研制,并建立了一批EGS开发的示范展地。

总的来说,过去的研究成果不尽如人意,阻滞了EGS商业化开发的进程,面临最大挑战是未能建立起经济的人工热储建造。当前常用的热储建造技术有水利压裂、化学激发和热激发以及这集中技术联合应用。美国能源部最新EGS示范工程取得的成果表明,在现有水热型地热田的边缘建立人造热储并与天然热储取得联通,可以增加其生产能力,这一技术路线可在短期内相对取得低成本的经济效益。

作为奥巴马政府全方位能源政策的一部分,美国能源部于2014年7月宣布为地热能研究的前沿观测计划FORGE的初始阶段投入3100万美元,以建立用于EGS前沿研究的现场实验室。DOE还在同年8月宣布,为推动美国地热能开发的32个项目投入1800万美元。所选择的项目集中在3个技术领域:发展EGS的地下分析和工程技术;应用一个被称为有利于成藏组合分析的成像方法来发现新的地热资源;加快研究可从中低温地热资源中提取高附加值材料如锂的技术。这些项目将降低地热开发利用的成本和风险,加速地热能的技术发展和经济部署。

国内干热岩勘察与增强型地热系统研究现状及存在的主要技术问题

随着我国经济的迅速发展和技术创新,齐国目前已具备了干热岩勘察和EGS开发研究的条件和能力。近年来,中国地质调查局和中国科学院已经把注意力转向干热岩资源的开发,中科院地质与地球物理研究所的研究表明,我国干热岩资源的有利靶区包括藏南地区、云南西部、东南沿海、浙、闽、粤、东北松辽盆地和长白山地区、华北渤海湾盆地和鄂尔多斯盆地东南缘等地区。

2012年,国家高新技术研究发展计划863计划启动了干热岩热能开发与综合利用关键技术研究项目,此项目取得了以下各方面的进展和创新。

一是提出了干热岩靶区定位系统,并检验了地球物理探测基技术,提出了中国首部干热岩靶区定位行业规程。该成果将对我国干热岩资源的勘察和靶区选择提供指导。

二是构建了大尺寸高温高压干热岩水力压裂实验室模拟系统,模拟研究和实时监控变温过程的岩石力学参数、水力压裂、裂隙倒流换热的动态演化过可为将来我国EGS示范场地建设压裂方案时间提供理论和技术支撑。

三是形成了一套地层降温压裂工艺,研发了高温(200℃)压裂液和新型化学压裂激化剂,针对现场压裂条件,提出了不同排量、渗透率下的优化压裂方法。

四是构建了热储改造效果验证评价技术体系。建立了基于示踪技术确定裂隙连通性和导热性的定量评价方法。

五是自主开了一系列EGS地热传热传质过程的三维全区域动态模拟传播,提出了大规模EGS多井布局的优化设计方案,研究了运行参数,包括工质选择热的影响。

六是针对干热岩地下流动换热过程存在的问题,建立了干热岩地下热—水—化—力数字模拟软件系统,可为干热岩开发利用提供模拟研究手段。

与此同时,国内也开展了许多干热岩资源勘察工作,2014天,过粗资源系统分别在青海、西藏四川、福建、广东、湖南、松辽盆地、海南等高热烈区域进行了干热岩资源地质勘察。并在青海贵德和共和、山东利津,广东惠州、四川康定等地相继开展干热岩初步钻探,大部分进尺在1000米左右,温度在100到200度之间。

北京市地质工程勘察院王卓卓等人指出,我国干热岩主要发育在沉积盆地。我国干热岩开发工作起步较晚,2014年,在青海共和盆地成功钻获温度高达181度的干热岩,这是我国首次发现大规模的可利用干热岩资源。该井成井深度是3080米,具有埋藏浅、温度高、分布范围广的特点,填补了我国一直没有勘察发现干热岩资源的空白。青海共和盆地钻获的干热岩致密不透水,钻孔控制的干热岩面积达到150平方公里以上,热能潜力巨大。

青藏高原地热资源丰富,水热显示点有600余处,从干热岩地热资源区域分布看,青藏高原南部约占我国大陆地区干热岩总资源量的1/5,资源量还是很大的。文章指出2015天5月,中国地调局水环中心在福建省漳州龙海市东泗乡清泉林场实施的干热岩科学钻井的深度将达4公里,设计温度170度。2015年该中心还在五大连池火山地区进行干热岩勘探。

王秉忱表示,干热岩开发与增强型地热系统研究的主要技术难点在于钻井技术难点的深入研究与解决。干热岩钻井的核心技术是提高钻井液和井下工具的抗高温性能,实现高压高温环境下的高效破岩和顺利携岩。在抗高温钻井液技术和耐高温钻头和高效破岩辅助工具等方面能够基本满足干热岩钻井需求。

与国外先进钻井技术相比,我国干热岩钻井技术仍处于探索阶段,目前应结合我国具体实际情况开展干热岩钻井设备及工具整体技术方案研究,优选地质靶区,加快干热岩钻探、开发示范工程建设,尽快形成适应我国干热岩开发需求的钻井配套技术方案。

此外,中国地质大学王焰新和李德威教授发表在《地热能》杂志上的《干热岩地热能研究与开发的若干重大问题》论文中指出,只要以大陆动力学和地球系统动力学机器取热减灾、减排创新思想为指导,高瞻远瞩,科学论证和战略部署我国的地热能开发规划,充分发挥干热岩地热能发电的综合优越性,以干热岩开发为核心的地热能就有望在国家能源结构中从目前的无足轻重上升到重要地位,我国就有望领先启动地学革命、科技革命、能源革命、产业革命的链式反应。

因此,在王秉忱看来,干热岩与增强型地热系统研究及工程应用应该成为我国今后地热资源研究和开发的主要方向之一,特别要关注下列各个领域。

一是资源评价和选址,地球物理勘探技术、高温储层测试、压裂和储层建造、微震、示踪等监测技术、流体流动和储层测试、储层性能评价、室内试验,确定水-岩-气-热作用机制等、模拟、示范项目。

二是需要制定国家层面的长期发展规划,以指导我国对于干热岩资源的评价、选区、开发和利用,针对EGS的研发工作和示范项目,可借鉴油气行业的相关技术,如页岩油气开发中已广泛应用的水平钻井技术和水力压裂技术等等。通过统一规划,如法规、政策和路线图,多方联动,建立全国性的HDR/EGS研究、开发与示范项目,制定全国干热岩资源勘察和开发的标准和规范,特别是政府的优惠鼓励政策是十分必要的。

由中石化领头在编制地热产业发展规划,在干热岩开发方面,中石化集团通过钻井、石油、天然气有很多宝贵经验,可以直接拿来应用,实力很强。我对中石化集团在这方面的工作寄予很大希望。

王秉忱表示,人类将面临化石燃料用尽的危机时刻,人们正在寻找各种可替代化石燃料的能源,以维持人类的可持续发展。干热岩地热资源作为清洁新能源,是大自然的恩赐,我们应该充分重视其开发利用价值。可以预见干热岩地热资源的开发将极有可能为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献。

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