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干热岩地热能开发与利用

发布时间:2017-08-01 11:09:39    来源:北京能源协会    作者:刘畅
    

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地热资源是一种可再生的清洁能源,储量大、分布广,具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点,与风能、太阳能等相比,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,是一种现实并具有竞争力的新能源。

经过多年的地热资源开发,我国地热直接利用连续多年位于世界首位,如图所示中国地热直接利用是第二名美国的2倍多。如果加上地热发电折算成年产出热能,2014年中国地热总体利用为48570 GWh,仍远大于美国的36328 GWh

中国地热直接利用结构发生了可喜的变化。2014年底,地热供暖比例首次超过温泉洗浴。主要比例是:地源热泵58%,地热供暖19%,温泉洗浴18%。地热开发的能源性、技术性得以突出。

20172月,国家发改委、国家能源局及国土资源部联合发布《地热能开发利用“十三五”规划》,这是国家首个地热产业规划,是地热产业发展的里程碑,必将对我国地热产业快速、健康发展起到极大的推动作用。

发展目标

地热供暖/制冷面积:新增11亿平方米,浅层地热能7亿平方米,中深层地热4亿平方米。至2020年,地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米。

地热发电装机容量:累积新增50千瓦,至2020年,累计实现地热发电装机容量53万千瓦。

地热能利用总量:到2020年,地热能利用总量7000吨标煤,地热供暖年利用量4000万吨标煤。

一.干热岩概念及资源分布

干热岩概念

干热岩是一种没有水或蒸汽(或是含少量水而不能流动),普遍埋藏于距地表3~10km的地层深处,温度介于180~650℃的高温岩体,蕴藏在其中的热能,就是干热岩地热能。

干热岩资源成因和分类

地壳运动——剧烈构造运动减压熔融生热——强烈构造活动带型

地幔热流——地核地幔传导对流生热——沉积盆地型(地壳减薄区)

岩浆活动——岩浆沿裂隙向浅部运移生热——近代火山型

地壳热流——同位素衰变生热——高放射性产热型

干热岩资源分布情况-世界范围

强烈构造活动带型:环太平洋地震带(美国西海岸),喜玛拉雅-印度洋板块(中国)

板块内部地壳减薄区:欧洲上莱茵地堑,法国、德国

近代火山型:日本、冰岛

板内高放射性花岗岩发育区:澳大利亚

干热岩资源分布情况-国内

强烈构造活动带型:青藏高原。欧亚和印度洋板块挤压,有侵入体和熔融体等高温岩浆热源。

沉积盆地型:松辽盆地、汾渭地堑等中新生代断陷盆地的下部,沉积覆盖层具有较高的地温梯度,与水热型地热系统共生。

近代火山型:分布腾冲、长白山、五大连池等地区,底部岩浆活动密切相关。

高放射性产热型:东南沿海,发育许多大型的中生代酸性花岗岩类岩体。

干热岩资源量

我国:中国地调局数据显示中国大陆3~10km干热岩资源总量数据显示其总量为,为2.5×1025J(合856万亿吨标煤)。总量是我国油气、煤炭总资源量的30倍。     

美国:美国本土3~10km干热岩资源总量为1.67×1025J(不含黄石公园),合572万亿吨标煤。

全球地热资源量约4900万亿吨标煤,中国约占全球资源量的六分之一。

干热岩地热能优势

资源丰富:3-10km内资源总量大

分布广泛:板缘和板内地热域都有分布

青藏高原及周边、东部第二沉降带等地区资源尤为丰富

绿色无污染,可再生,用途广泛

利用干热岩地热能发电和梯级利用,不产生环境污染,地热能源可再生

可靠性强: 利用系数高,能量输出稳定

可作为基本载荷亦可作为调峰载荷,以适应季节和气候变化需求

二.干热岩开发利用技术及挑战

干热岩开发技术属于世界性难题,国际上通用的干热岩开发技术是增强型地热系统(EGS技术),该技术是为了开发具有经济价值的地热资源而创建的人工地热系统,作为干热岩地热资源开发的首选技术。

增强型地热系统(EGS-干热岩开发工程

干热岩无水或少水,裂缝欠发育,需要人工创建热储进行开发,增强型地热系统(EGS)是开发干热岩资源的具体工程系统。

关键技术:

选区选址:优选项目建设靶区

系统设计:精准描述热储,设计运行参数

高效成井:形成循环采热的路径

压裂造储:人造高导流大面积热储

系统运行:运行与监测,稳定采热发电

靶区优选

难题:热源埋藏深,地温场非均质性强,成因机理主控因素复杂,资源可动用性不清等

目的:基于现场试验和研究,通过地质、地球物理、地球化学、遥感等手段优选经济技术指标优越的目标区块。

指标:优选指标包括温度、裂隙情况、大地热流、居里面埋深、酸性岩体分布和控热构造特征等。

系统描述和设计

难题:孔缝结构特征复杂,温度场、应力场、渗流场、化学场四场耦合难度大,开发关键指标众多等。

目的:根据已有的测试参数,地质和工程资料,利用数值模拟、物理模拟、岩心分析等手段,掌握热储地质工程特征,进行热储精细描述,设计热储换热参数、井组、井网、井距、采灌制度等运行参数。

技术:压前压后人工裂缝地质建模技术,渗流传热模拟技术,热储四场耦合模型建立与数值求解技术,热储运行效率和使用寿命分析技术。

高效成井

难题:超高温、地层高硬、研磨性强、裂隙发育、构造复杂、热破裂现象频发、工程地质条件复杂等;

目的:根据工程需求进行直井、定向井、水平井,复杂结构井等深钻施工,形成可靠的循环采热的通道

技术:主要的技术包括:高温硬地层破岩钻头和工具,耐高温井下测量仪器,耐高温井筒流体和工作液材料,高温井下安全控制技术与地面冷却设备,耐高温保温井筒密封材料和工艺。

压裂造储

难题:高温度、高硬度,高应力,高密度,未知性强,预测难度大,热储工程地质条件复杂等。

目的:利用水力压裂,酸化等手段,在致密(裂缝欠发育地层)高温地层,建立大面积高导流裂缝发育空间热储。

技术:地质力学参数求取技术,岩体破裂与裂隙展布评估与控制技术,耐高温自支撑高导流压裂液,裂缝监测与压裂效果评价技术。

系统运行

难题:热力短路,热储四场动态变化监测和系统运行关键参数准确调整困难,水岩作用强烈,地面线路易结垢。

目的:维持系统运行寿命超过20年,保证出口流体的温度和流量在运行过程中始终满足发电要求,保障地下换热效率和地面发电系统管路通畅。

技术:系统运行监测技术(示踪技术),热储动态模拟和运行参数动态优化技术,发电工艺优选技术,管路除垢阻垢技术。

.干热岩开发现状

国外EGS项目概况

美、法、德、英、日、澳等国家起步较早,已经建立了25个试验性质的EGS工程(欧洲15项,美国6项,澳大利亚2项,日本2项),累积发电能力约12MW

国外EGS工程概况

深度:干热岩2000-5000m,上部1000-3000m多为高温水热型。

温度:较成功的都在180-200℃以上,最高已经达到400℃。

热储改造对象:有天然裂缝,相对容易形成体积裂缝的地层。

成井:大量采用定向井,裸眼完井,清水、泡沫等无固相低密度钻井液。

造储:水或盐水,不用支撑剂。注入量视规模而定;排量分为低排量长期注入(3~6m3 /min),或者低排量和大排量交替注入。

监测:多采用示踪剂、微地震监测和重力测量。

国内——干热岩的勘探开发还处于勘察阶段

干热岩资源调查:松辽盆地,东南沿海,青海共和及贵德,四川康定等

青海共和盆地恰卜恰进行了7口勘探井的施工,其中4口达到干热岩标准。

贵德盆地扎仓沟进行了4口勘探井的施工,其中2口达到干热岩标准。

福建漳州进行了1口干热岩科探井的施工

总之,尽管国际上对干热岩研究起步较早,但由于资金、技术等限制,目前仅有几个小规模、试验性质的干热岩(EGS )发电示范工程,还没有一个完全规模化、商业化正式运行的干热岩(EGS)项目。

中国近年来也在加大干热岩开发的研究投入, 2010年国土资源部启动了公益性科研项目“我国干热岩勘查关键技术研究”,主要开展干热岩高温钻探技术方面的研究。2012年,吉林大学、清华大学、中国科学院广州能源研究所承担了国家高新技术研究发展计划(863计划)项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”,开启了我国专门针对干热岩工程的研究。但是,总体上我国的干热岩开发,还处于初级阶段,相比国外存在很大差距。

我国干热岩开发利用展望

20168月份国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》中,比较系统地在深海、深蓝、深空、深地(含干热岩)等能够拓展国家战略利益、保证国家战略优势的领域做出了部署。深地研究必将对干热岩的勘探开发带来重要的推动作用。

中国石化正在积极推动我国干热岩的勘探开发工作,中石化科技部在20156月设立了“干热岩地热资源潜力评价与钻探靶区优选方法前瞻研究”项目,由中石化新星石油公司承担,201612月验收。在此基础上,今年5月又设立了“干热岩勘探开发关键工程技术研究”项目,由中石化工程院、勘探院、新星石油公司联合承担。

下一步,中石化将联合国内知名干热岩研究团队,共同申请国家支持计划中的干热岩项目,从而加速推进我国的干热岩开发工作。

我们预测,到2030年左右,随着干热岩开发取得长足进步,干热岩发电将会成为我国可再生能源发电的重要一员。

青海省自2017617日至23日,连续7天合计168小时内,全部以太阳能、风能及水力发电供应全省用电。此举在全国尚属首次,具有重要的里程碑意义。

青海省也是我国干热岩分布的最有利地区之一,展示了良好的干热岩发电前景。

2013610日,中国石化与青海省签订了地热开发利用战略合作协议,加大在青海省的地热资源开发利用工作,将会对建设美丽青海,造福当地百姓做出一定贡献。