理论教育 深层地热能的特点及利用方式

深层地热能的特点及利用方式

时间:2023-06-10 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了对深层地热能进行开采,在干热岩开采技术基础上提出的增强型地热系统近年来成为地热领域的研究重点。由于深层地热能具有稳定、连续、利用效率高等优势,以开采和利用地下低渗透性结晶质干热岩中的热能为目标的EGS技术已成为许多国家新能源发展的重点方向。目前EGS还处于示范阶段,未来10年是增强型地热系统发展的关键期。到2020年前后,能够在EGS工程设计和开发方面取得重大突破,实现干热岩地热能的示范应用。

深层地热能的特点及利用方式

深层地热是指地球深层数千米、温度更高的深层地热或干热岩资源。深层地热能作为一种洁净、高效的可再生能源,具有较大热流密度、流量、温度等热物性参数稳定等优点。为了对深层地热能进行开采,在干热岩开采技术基础上提出的增强型地热系统(Enhanced Geothenmal System,EGS)近年来成为地热领域的研究重点。国际地热技术合作组织(IPGT)将EGS定义为“通过钻井对深部岩体注入高压流体,从而增加岩石中原有裂隙,形成人工热储结构,随后向裂隙中打入生产井,抽取被高温岩体加热过的流体至地表,通过其他装置发电”。美国对EGS又重新进行了定义:采用人工压裂形成热储结构的方法,从地下3~10km的低渗透性岩体中有效地采出深层热能的人工地热系统,利用注入井和生产井在地下实现循环,形成一个闭式回路。

EGS运行的工作原理是:首先钻一眼注入井到干热岩储层,然后进行水力压裂增强储层导流能力及扩大储层换热面积,接着向井中高压注入低温水,在高温高压下,这些水在干热岩中受热成为超临界流体,随着注入量的增大,井内压力升高。若岩体致密无裂隙,高压超临界流体会使岩体沿最大主应力的方向产生裂缝。若岩体中存在少量天然裂缝,高压水则会导致原有裂缝扩展,并且与其他天然裂缝贯通。随着水的注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通,最终形成一个类似椭圆形人工干热岩热储构造,而其周围岩体仍然保持原有的状态。在裂缝另一侧钻一口生产井,用以采取高温水。注入井的水沿着压裂裂缝运移并与周围的岩体发生热交换,从生产井中提取出来,用于发电和其他利用。将利用之后的温水通过注入井回灌到压裂层中,使整个系统达到循环利用的目的。注入井、地下热储结构、生产井共同组成一个循环重复利用系统。

EGS的开发和利用包括建造两个子系统:地下人工储层和地面发电系统,二者都需要多项技术的运用和集成,涉及地质学地球物理学地球化学、工程热物理学、岩土工程、流体力学、岩土力学、渗流力学等多种学科。整个EGS开发运行过程可大致分为以下四个阶段:资源勘查与选址、人工储层的建造、地热田的建立、地热田的开采与监测。(www.daowen.com)

由于深层地热能具有稳定、连续、利用效率高等优势,以开采和利用地下低渗透性结晶质干热岩中的热能为目标的EGS技术已成为许多国家新能源发展的重点方向。目前EGS还处于示范阶段,未来10年是增强型地热系统发展的关键期。国际能源署(IEA)地热路线图报告建议各国政府提供持续充足的研发与示范资源,以在未来10年规划和开发至少50个EGS中试厂。到2020年前后,能够在EGS工程设计和开发方面取得重大突破,实现干热岩地热能的示范应用。充分开发利用地热资源,部分替代煤、石油化石能源,既可减轻环境污染,又能缓解煤、电等资源紧张局面。

相较于其他国家,我国在地热发电及EGS领域的前期投入不足,干热岩勘探、开发示范工程尚未开展,尚未形成国家层面的干热岩技术研发基地和装备条件。在利用二氧化碳作为工质流体的地热利用领域也处于基础研究阶段。目前,中科院、高等院校、国土资源部等纷纷展开相关研究,工作主要集中在地热资源勘探与评价、EGS流体与储热岩层的相互作用、换热机理及能量转换机理与技术等方面。

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