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    干热岩热能开发与综合利用技术

    火电污染大,风能不稳定,太阳能占地面积大,水电可能造成流域生态破坏,核电虽清洁,但3年前日本大地震造成的核泄露令人至今心有余悸。未来,一种新的能源——干热岩的开发利用,或许能真正安全稳定地还我们以青山碧水、蓝天白云。

    2014年,中国地调局地热资源调查研究中心编制了《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》,在迟到了几十年后,中国的干热岩开发利用之旅开始启程。

    未来的清洁能源

    “有深度,就有热度。”这是地热专家、中国地调局地热资源调查研究中心秘书长王贵玲对干热岩的解释。

    对圈外人来说,干热岩还是一个陌生的名词。实际上,这是一种离人们很近的能源,甚至无处不在,它就是地下深处的高温岩石。地球的热量,大约50%来自于地幔,其余的则产生于地壳,通过岩石的放射性衰变,源源不断地产生着热量。可以说,站在地球的每一个角落,脚下几千米深处的岩石都是热源。

    干热岩是地热的一个分支。地热可以分为三类:浅层地温能、水热型地热资源(温泉等)、干热岩。传统的地热通常指地热水,但地下热水不是到处都有,需要有特定的条件才能形成,而干热岩则广泛分布存在。

    尽管目前国际上对干热岩的温度界定尚不统一,开发技术条件也尚未成熟,但在地热已经耳熟能详的时代,作为地热资源一个拥有巨大优势的分支,干热岩走进人们的生活只不过是时间问题。

    干热岩在热储上具有无可匹敌的优势。目前,世界上主要开采和利用的水热型地热,仅占已探明地热资源的10%左右。而保守估计,在3~10千米深处的地壳中,干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。

    较常规地热资源,干热岩是更加清洁的一种可再生能源。地热水中通常含有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质,干热岩则不存在这个问题。

    发电是干热岩目前的主要利用方式,也是未来开发利用的主要方向。和火电、水电相比,干热岩发电的优势更胜一筹——它几乎是零排放,开发安全,持续性好,一旦技术成熟,经济实用也将成为它的另一枚标签。根据一项报告,干热岩发电的预期商业化成本为每度电3.6~9.2美分,折合人民币0.22~0.56元。

    “尽管在压裂过程中可能会诱发地震,但目前诱发最大地震的震级小于3级,而且干热岩发电在环境上是绝对可控的。可以说,干热岩将有可能在未来的能源结构中占主导地位。”王贵玲说。


    中国干热岩开发利用前景光明

    据统计,截至2010年,我国石油储量31.7亿吨,天然气储量37793.2亿立方米,煤炭储量2793.9亿吨,预计开采年限分别为16.75年、41.43年、93.98年。不可再生化石能源的耗尽,是不容更改的命运。

    而地热能则不同,潜力巨大,空间分布广泛,能提供稳定的负荷。

    中国地调局水环部主任文冬光介绍,2012年,中国地质调查局初步评价了中国大陆3~10千米深处干热岩资源,总量为2.5×1025焦,相当于860万亿吨标煤。“若能采出2%,就相当于中国2010年全国一次性能耗总量(32.5亿吨标煤)的5300倍。”

    同一年,中国科学院也对中国大陆3~10千米深处的干热岩资源进行了评价,得出的结论是2.09×1025焦。

    相近的数字,印证了中国干热岩开发利用的光明前景。

    2012年,国家“863”计划支持了 《干热岩热能开发与综合利用技术》 项目启动,中国开始了干热岩开发利用的关键技术研究。

    通过增强型地热系统(EGS)利用干热岩发电,是目前世界上干热岩开发利用的主要做法。EGS是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出热能的人工地热系统,即从干热岩中开发地热的工程。通过注入井注水,在地下实现循环,进入人工产生的、张开的联通裂隙带。在此过程中,水与岩体接触被加热,然后通过生产井返回地面,形成一个闭式回路,从而实现从地下深部低渗透性干热岩体经济地采出相当数量深层热能。人工热储的形成和储层中裂缝的发育连通情况是控制干热岩热能提取的关键。

    干热岩开发的EGS技术,尽管还处于研发阶段,但全球几个主要的干热岩开发试验工程,已经在实践中取得了进展。美国新墨西哥州芬顿山、英国康瓦尔州Rosemanowes、日本Hijiori、法国莱茵地堑Soultz、澳大利亚Cooper是世界上几个主要的干热岩开发利用工程,其中最早的芬顿山建于1972年。这些工程有的已经结束使命,有的至今仍在运行,目前已合计发电4.7兆瓦。有关报告显示,美国预期在2030年实现干热岩发电的商业化运营,到2050年EGS发电量计划超过10万兆瓦。

    目前,中国有很多地区对干热岩的开发利用很感兴趣,山东、青海、广东等省在这个领域都已经有了投入,但距离试验性的开发利用仍有漫长的路要走。

    王贵玲对未来充满期盼:“我们必须现在就开始,逐渐积累技术,追踪国际技术,争取到2030年实现干热岩发电成本和火电不相上下。”


    恰逢其时的勘查与开发示范

    无论从哪个角度看,《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》的正式出台,都恰逢其时,将为中国能源结构调整作出重大贡献。

    按照方案,我国将评价全国干热岩资源与潜力,找出优先开发靶区,建立干热岩勘查示范基地,形成我国干热岩勘查开发的关键技术体系,推进我国干热岩技术商业化。

    这些目标将分三个阶段完成,即分三步走。

    2013~2015年是第一个阶段。这个阶段将评价重点地区干热岩资源数量与品级,圈定干热岩靶区,初步建立干热岩勘查开发试验研究基地。“主要是对我国干热岩资源状况宏观上有一个把握,同时希望干热岩勘探方面取得阶段性突破,也就是能钻探到150~200摄氏度度的干热岩。”文冬光说。

    第二阶段是“十三五”的5年。在这5年间,要评价出全国干热岩资源的潜力,圈定出一批勘查开发利用靶区,实现干热岩示范工程发电,并形成我国干热岩勘查开发指导方案。

    而“十三五”之后的第三个阶段,文冬光说,我们希望能够实现干热岩发电的商业性运营,不仅发电成本降低,还建立起一套自有的干热岩开发方法体系。

    毫无疑问,这将是一场艰难的战役。

    “压力很大。”王贵玲不讳言,“在干热岩的开发利用上,我们现在面对的是一片空白,所知甚少。实际操作中如何压裂、如何保证裂隙连通、如何保证流量填充、如何实现可持续,都是必须解决的技术难题。”

    从这个角度看,2013年底成立的中国地调局地热资源调查研究中心,为示范工程的开展提供了坚实的团队支撑。这个中心将作为一个平台,集聚各方人才和力量,共同开展我国地热勘查开发利用研究。其中一个团队是干热岩资源研究团队,主要开展地壳热结构、盆地热演化、高温地热资源形成机理等研究。他们将完成我国干热岩资源潜力调查评价与研究基地建设的调查计划,并开展干热岩资源科学开发利用与试验研究,建设干热岩压裂和热交换模拟系统,并将其作为未来申报国家重点实验室或国家工程中心的一项重点内容。

    一系列的研究即将展开,包括干热岩靶区深部结构表征、干热岩资源综合评价、干热岩示范场地性能综合评价、干热岩钻探及压裂试验、干热岩示范场地深部热储层建造、干热岩深部热储开发循环试验、多储层激发及开采井布设,干热岩发电示范工程建设、干热岩勘查开发关键技术研究、干热岩开发模拟技术实验研究……

    有赖于之前的扎实工作,他们已初步筛选出了下一步的工作区域:东南沿海地区、藏南黔西地区、大同盆地、松辽平原、环渤海地区、长白山地区、五大莲池地区、雷州半岛地区、琼北、川西、滇西、华北平原、苏北盆地、关中盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、阿尔山地区、塔什库尔干地区。未来这些地区也许就是中国干热岩开发利用的基地。

    “我们正在同国外公司合作,派学生到对方实习。对于干热岩开发利用,很多人持观望态度,但我觉得,我们已经落后了。技术的创新发展需要逐渐积累,一旦有了自主创新的成果,我们有可能做得比他们更好。”王贵玲相信,中国干热岩开发利用这场战役虽然艰难,但前景广阔。