干热岩——未来清洁的新能源
2019-03-08 12:24:43
邢台市龙翔钻探有限公司 188757
干热岩——未来清洁的新能源
随着人类对能源需求的不断增长，全世界的人们越来越担心传统矿物能源大量使用带来的资源枯竭问题和对环境的污染问题，并开始关注可再生且无污染的能源，如太阳能、风能、水能等。但是，这些可再生能源的开发利用受诸如气候等外界环境制约，不能稳定生产。尤其是资源丰富的水力发电，不仅受降雨量变化影响，而且还对流域生态环境产生不同程度的破坏。因此，各国科学家们都在不断探索，努力寻找各种不受外界环境影响、又对环境破坏和污染很小的新能源。发达国家试验研究表明，利用资源极为丰富的干热岩发电，几乎不受外界环境影响，几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源取之不尽、用之不竭，被证明是对人类十分友好的未来洁净新能源。目前，国际上干热岩的开发利用还处于试验阶段；不过，科学家预测，2030年左右人类完全可以掌握必要的技术，利用干热岩大规模发电。
一、干热岩的基本特征
1．干热岩是一种特殊地热资源
干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体；干热岩普遍埋藏于距地表2～6公里的深处，其温度范围很广，在150～650℃之间。在学术界，干热岩有时被称为“热干岩”，其英文名称为“Hot Dry Rock”。
干热岩的热能赋存于岩石中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩以及花岗岩小丘等（Tenzer，2001）。一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。
干热岩也是一种地热资源。但是，干热岩是属于温度大于150℃的高温地热资源，而且其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型和岩浆型的地热资源。
从现阶段来说，干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。
2．干热岩的分布
干热岩的分布几乎遍及全球，用一些科学家的话说，它是无处不在的资源（Duchane，1997）。世界各大陆地下都有干热岩资源。不过，干热岩开发利用潜力较大的地方，还是那些新的火山活动区，或地壳已经变薄的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地体的边缘。
判断某个地方是否有干热岩利用潜力，较明显的标志是看地热梯度是否有异常，或地下一定深处（2000～5000m）温度是否达150℃以上。
二、干热岩的开发利用价值
1．干热岩主要用于发电
目前，人们对干热岩的开发利用，主要是发电。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。
干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距约200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。
采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有三种。
较早的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。
第二种模式是英国卡门波矿产学校（Camborne School of Mines）提出的“天然裂隙模式”，即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换的更充分。
较新的模式，即第三种模式是在欧洲Soultz干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的较大优势也是较大的挑战，即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。
干热岩发电地面系统采用涡轮发电。
目前，已有少数国家建有试验性干热岩发电厂，而且规模较小。建造一个干热岩发电厂一般需要5年时间，其使用寿命一般在15～20年左右。但是，受经济、技术等条件限制，干热岩发电尚未形成商业规模。
2．干热岩是一种洁净的新能源
干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用，而且在利用的整个过程中处于封闭循环系统。因此，干热岩的利用不会出现象热泉等常规地热资源利用的麻烦，即没有硫化物等有毒、有害或阻塞管道的物质出现。
不仅如此，干热岩发电既不像火电那样，向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物；而且也不像水电那样，因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。
此外，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。干热岩发电不像水电那样受水坝所在河流流域降水量多寡的影响，而且也不像火电那样易受市场上燃煤或油气价格变化的影响。
3．干热岩热能取之不尽
全球干热岩蕴藏的热能十分丰富，比蒸汽型、热水型和地压型地热资源大得多，比煤炭、石油、天然气的热能总和还要大。在较浅层的干热岩资源中，蕴藏的热能等同于100亿夸特（即quad，1夸特相当于18000万桶石油，而美国2001年能源消耗总量是90夸特）。这些能量是所有热液地热资源评估能量的800倍还多，是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多（Tester，et al. 1989）。
即使是在局部地区，干热岩的热能储量也十分惊人。例如，在美国芬顿山（Fenton Hill）干热岩Ⅱ期工程期间，恒定条件下，4年期间11个月的循环测试所获得的热能就高达1000亿个英国热量单位BTU（Duchane，1997）。
干热岩是一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭。目前，世界上众多经济较发达的国家对干热岩的发电研究方兴未艾。可以预见不久的将来，随着相关技术的迅速发展，利用干热岩所发的电能将会成为国家电网中不可或缺的重要部分。
三、干热岩发电的试验研究现状
早在1970年，美国人莫顿和史密斯就提出利用地下干热岩发电的设想。1972年，美国在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦，标志着干热岩的开发利用研究从概念模式转入到实验阶段。此后，这种发电技术引起了世界各国的关注，一些经济发达、能源消耗量大的国家竞相开展干热岩发电技术的研发工作，甚至纳入到国家开发研究计划。通过国际合作和各国不断努力，美国、日本、英国、法国、德国等国家在过去20年相继进行了有关方面的实验，基本掌握了干热岩发电各个环节的技术。随着技术的熟练，试验电厂的发电量也逐渐由3MW增大到11MW，更加接近商业开发的规模。
标签: 干热岩井
冀公网安备 13050302000357号