我國(guó)干熱巖勘查的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題

冉恒謙,馮起贈(zèng)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

我國(guó)干熱巖勘查的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題

冉恒謙,馮起贈(zèng)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

干熱巖作為一種可再生的新型能源,具有熱能大、分布廣、開(kāi)發(fā)利用對(duì)環(huán)境影響小、不受季節(jié)等自然條件的影響等優(yōu)勢(shì)。而干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)還基本屬于空白,因此對(duì)干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。在簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外對(duì)干熱巖勘查開(kāi)發(fā)利用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了干熱巖開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)關(guān)鍵,并提出了主要的研究?jī)?nèi)容和需要做的工作。

干熱巖;勘查;地?zé)崮?熱交換;熱發(fā)電;鉆井

1 干熱巖的概念

干熱巖(HDR-Hot Dry Rock）是指埋深超過(guò)2000 m、溫度超過(guò)150℃的地下高溫巖體,其特點(diǎn)是巖體中很少有地下流體存在。當(dāng)然,這是比較寬泛的干熱巖概念。干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類(lèi)巖體中,較常見(jiàn)的干熱巖有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等。干熱巖上一般覆蓋有沉積巖或土等隔熱層。干熱巖主要被用來(lái)提取其內(nèi)部的熱量,因此其主要的工業(yè)指標(biāo)是巖體內(nèi)部的溫度。

一個(gè)溫度超過(guò)150℃的地下高溫巖體的存在,一定會(huì)給周?chē)牡販丨h(huán)境帶來(lái)很大的異常,所以許多研究人員也把地溫梯度是否超異常來(lái)研究地下是否存在干熱巖體。

2 干熱巖的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值

目前,人們對(duì)干熱巖的開(kāi)發(fā)利用,主要是發(fā)電。美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、意大利和英國(guó)等科技發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)。

干熱巖發(fā)電的基本原理是:通過(guò)深井將高壓水注入地下2000～6000 m的巖層,使其滲透進(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰?再通過(guò)另一個(gè)專(zhuān)用深井(相距約200～600 m左右）將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面;取出的水、汽溫度可達(dá)150～200℃,通過(guò)熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電;冷卻后的水再次通過(guò)高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。整個(gè)過(guò)程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。見(jiàn)圖1。

圖1 干熱巖地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

干熱巖存在于地殼淺層的某些構(gòu)造區(qū),是一種清潔的新能源。全球干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富,比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多,比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大。

干熱巖地?zé)豳Y源與核能(裂變和聚變）、太陽(yáng)能或者其它可再生的能源相比,具有如下優(yōu)勢(shì):

(1）干熱巖地?zé)崮苁蔷薮蟮?在許多國(guó)家存在并廣泛分布。例如美國(guó)高等級(jí)地溫梯度的地?zé)豳Y源約占全國(guó)面積的10%,中等地溫梯度大約占30%,低級(jí)地溫梯度約占60%[1]。

(2）干熱巖地?zé)豳Y源的使用,沒(méi)有廢氣(CO2、SOx、NOx等）排放,也沒(méi)有其它流體或固體廢棄物,干熱巖地?zé)豳Y源系統(tǒng)可以維持對(duì)環(huán)境最低水平的影響。

(3）干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)系統(tǒng)是安全的,沒(méi)有爆炸危險(xiǎn),更不會(huì)引起災(zāi)難性事故或傷害性污染。它適合于基本負(fù)荷或高峰負(fù)荷的電力供應(yīng),是能源計(jì)劃中最理想的組成部分。

(4）干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)可以提供不間斷的電力供應(yīng),不受季節(jié)、晝夜等自然條件的影響。

(5）美國(guó)、日本等國(guó)的高溫巖體地?zé)崆捌陂_(kāi)發(fā)試驗(yàn)已充分說(shuō)明,高地溫梯度(80℃/km）的高溫巖體地?zé)岚l(fā)電電價(jià),在今天已具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力;而對(duì)中等和低級(jí)地溫梯度的高溫巖體地?zé)豳Y源,通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù),也可以與以化石能源為基礎(chǔ)的電價(jià)有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

3 干熱巖開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)關(guān)鍵

3.1 地下熱交換系統(tǒng)的建立

水通過(guò)深井注入地下干熱巖體,滲透進(jìn)入巖層的縫隙并吸收地?zé)崮芰?即在干熱巖體內(nèi)形成熱交換。形成地下熱交換系統(tǒng)有如下3種模式。

(1）人工高壓裂隙模式,最早由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出,即通過(guò)人工高壓注水到井底,干熱的巖石受水冷縮作用形成很多裂隙,水在這些裂隙間穿過(guò),即可完成進(jìn)水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過(guò)程。

(2）天然裂隙模式,由英國(guó)卡門(mén)波礦產(chǎn)學(xué)校(Camborne School ofMines）提出的,即充分利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)。已有的裂隙雖然一方面阻止了人工高壓注水裂隙的發(fā)育,但另一方面當(dāng)人工注水時(shí),原先的裂隙會(huì)變寬或錯(cuò)位更大,增強(qiáng)了裂隙間的透水性。在這種模式下,可進(jìn)行熱交換的水量更大,而且熱量交換得更充分。

(3）天然裂隙-斷層模式,由歐洲Soultz干熱巖工程中的研究人員提出。這種模式除了利用地下天然的裂隙,還利用天然的斷層系統(tǒng),這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的最大優(yōu)勢(shì)也是最大的挑戰(zhàn),即不需通過(guò)人工高壓裂隙的方式連接進(jìn)水井和出水井,而是通過(guò)已經(jīng)存在的斷層來(lái)連接位于進(jìn)水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)。

以上3種模式研究最多的是人工高壓裂隙模式,即靠人工建造具有充分尺度和相當(dāng)壽命的、可以獲得各級(jí)溫度梯度的熱儲(chǔ)層。通過(guò)人工熱儲(chǔ)的致裂、監(jiān)測(cè)和連通實(shí)現(xiàn)與地表的水流連通,形成地下熱交換系統(tǒng)。

3.2 地面發(fā)電供熱系統(tǒng)

從生產(chǎn)井提取到高溫水、蒸汽等中間介質(zhì)后,即可采用常規(guī)地?zé)岚l(fā)電的方式發(fā)電,包括直接蒸汽法、擴(kuò)容法以及中間介質(zhì)法等[2]。由于直接蒸汽法要求從井下取出高溫蒸汽,效率較低,因此應(yīng)用較少。擴(kuò)容法是將生產(chǎn)井中的熱水先輸送至擴(kuò)容器,通過(guò)減壓擴(kuò)容產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。我國(guó)西藏羊八井地?zé)犭娬炯磳贁U(kuò)容法地?zé)岚l(fā)電。目前研究較多的是應(yīng)用中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電,例如有機(jī)朗肯循環(huán),或用氨/水混合物作二次工質(zhì)的卡里納循環(huán)等[3]。蒸發(fā)器是中間介質(zhì)法干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備,地?zé)崴ㄟ^(guò)蒸發(fā)器把低沸點(diǎn)物質(zhì)加熱,使其產(chǎn)生高壓蒸汽并通過(guò)汽輪機(jī)發(fā)電,做完功的排氣在冷凝器中被還原成液態(tài)低沸點(diǎn)物質(zhì)。

3.3 鉆井技術(shù)

注水井和生產(chǎn)井?dāng)?shù)量根據(jù)不同的具體情況而異。井的配置方式有:一口注水井和一口生產(chǎn)井(兩井模式）,一口注水井和2口生產(chǎn)井(三井模式）,一口注水井和4口生產(chǎn)井(五井模式）。根據(jù)各國(guó)試驗(yàn)站經(jīng)驗(yàn),一般采用三井模式,沿?zé)醿?chǔ)構(gòu)造長(zhǎng)軸方向布置注水井,在注水井的兩側(cè)各鉆一口生產(chǎn)井,保證獲取足夠的熱量。如果應(yīng)用于大規(guī)模的發(fā)電站,采用五井式或更多。干熱巖地?zé)崮茉垂?yīng)的價(jià)格主要由鉆井和人工儲(chǔ)留層建造的費(fèi)用所決定。較低的單井鉆井成本和較高的儲(chǔ)層流動(dòng)速率將大大降低供應(yīng)的電價(jià)。降低低溫度梯度資源鉆井和儲(chǔ)留層建造費(fèi)用,將大幅度減少干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)費(fèi)用。所以,使用先進(jìn)的鉆井技術(shù),減少在硬巖中和干熱巖體中高額的鉆井費(fèi)用,將能夠降低干熱巖地?zé)岚l(fā)電的價(jià)格,從而使干熱巖地?zé)豳Y源在世界各地都具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4 國(guó)外的試驗(yàn)研究以及開(kāi)發(fā)利用狀況

4.1 美國(guó)

利用地下干熱巖體發(fā)電的設(shè)想,是美國(guó)人莫頓和史密斯于1970年提出的。迄今在干熱巖發(fā)電技術(shù)方面邁出最大一步的試驗(yàn)是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和能源部在新墨西哥州芬頓山進(jìn)行的試驗(yàn)。該試驗(yàn)始于1973年,最深鉆孔達(dá)4500 m,巖體溫度為330℃,熱交換系統(tǒng)深度為3600 m,發(fā)電量由最初的3MW到最后的10MW。試驗(yàn)地選在火山地區(qū),干熱巖體為花崗閃長(zhǎng)巖,每平方米的地?zé)崃髦凳堑厍虮砻嫫骄責(zé)崃髦档?倍,達(dá)250 mW。

2001年,美國(guó)能源部終止了在芬頓山的干熱巖試驗(yàn)項(xiàng)目,開(kāi)始了名為“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)”計(jì)劃。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS-Enhanced Geothermal Systems）是指在干熱巖技術(shù)基礎(chǔ)上提出來(lái)的。美國(guó)能源部的定義是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的方法,從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量深層熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)通過(guò)注入井注入水在地下實(shí)現(xiàn)循環(huán),進(jìn)入人工產(chǎn)生的、張開(kāi)的連通裂隙帶,水與巖體接觸被加熱,然后通過(guò)生產(chǎn)井返回地面,形成一個(gè)閉式回路(圖1）。

建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的第一步是進(jìn)行勘探,以鑒別和確定最適宜的開(kāi)發(fā)區(qū)塊。然后施工足夠深度的鉆孔,達(dá)到可利用的巖體溫度,進(jìn)一步核實(shí)和量化特定的資源及相應(yīng)的開(kāi)發(fā)深度。如果鉆遇低滲透性巖體,則對(duì)其進(jìn)行水壓致裂,以造成采熱所需的大體積儲(chǔ)水層,并與注入井-生產(chǎn)井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)倪B通。如果鉆遇的巖體在有限的幾何界限內(nèi)具有足夠的自然滲透性,采熱工藝就可能采用類(lèi)似于石油開(kāi)采所采用的注水或蒸汽驅(qū)油的成熟方法。其他的采熱辦法,包括井下?lián)Q熱器或熱泵,或交替注入和采出(吞吐）的方法。

最近,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局正在建立一個(gè)關(guān)于干熱巖的政府-私人間的合作計(jì)劃。該計(jì)劃要求美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探、優(yōu)選并劃分出全美國(guó)不同利用潛力的干熱巖地區(qū),還要為干熱巖的利用做些開(kāi)發(fā)活動(dòng)并發(fā)布相關(guān)信息。

4.2 日本

從1985年開(kāi)始,日本新能源與工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織(NEDO）在Hijiori實(shí)驗(yàn)站開(kāi)始了對(duì)干熱巖發(fā)電的鉆探、水壓人工裂石、裂隙構(gòu)圖、人工熱儲(chǔ)水庫(kù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究。1991年,該實(shí)驗(yàn)站通過(guò)一個(gè)注水井(SKG22）和3個(gè)生產(chǎn)井(HDR21、HDR22和HDR23）,將地下1800 m溫度為250℃的熱水和蒸汽抽出。其中,滲漏的水大約占注入水的20%,其余的經(jīng)生產(chǎn)井回收,熱水和蒸汽輸出熱能約8 MW。

1992年,該實(shí)驗(yàn)站又在2200 m的深度人工致裂了一個(gè)溫度為270℃的熱儲(chǔ)水庫(kù),1994年開(kāi)始,重新修整原來(lái)的生產(chǎn)井并把1個(gè)生產(chǎn)井改為注水井,與兩個(gè)生產(chǎn)井進(jìn)行短期循環(huán)測(cè)試和評(píng)估研究。2000年11月～2002年8月,Hijiori實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行約2年的循環(huán)測(cè)試,并在當(dāng)?shù)亟⒘烁蔁釒r發(fā)電廠。

4.3 德國(guó)和法國(guó)

德國(guó)和法國(guó)于1986年聯(lián)合在蘇爾士開(kāi)展巖體熱能利用項(xiàng)目。

第一階段(1987～1997年）:在3900 m處建立巖石裂隙網(wǎng),溫度超過(guò)165℃。經(jīng)過(guò)一系列的水壓測(cè)試,包括長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的水流循環(huán)測(cè)試,得到水流持續(xù)循環(huán)的技術(shù)參數(shù):注入流量為25 L/s,超過(guò)140℃,注水井和生產(chǎn)井兩井相距450 m,沒(méi)有流量損失,僅需水泵功率250 kW,輸出熱能達(dá)10 MWh。

第二階段(1998～2001年）:將生產(chǎn)井GPK2繼續(xù)鉆井到5000 m深,建立新的熱儲(chǔ)層,溫度達(dá)200℃。在1500 m處又鉆了微地震監(jiān)測(cè)井。

第三階段(2001～2004年）:采用注水井和兩口生產(chǎn)井的三井方式,新鉆井GPK3(注水井）到5000 m深,距GPK2約600 m,兩井下人工熱儲(chǔ)裂隙系統(tǒng)連通;新鉆生產(chǎn)井GPK4同樣到5000 m深,距GPK3約600 m,建立人工熱儲(chǔ)與已建立的熱儲(chǔ)連通,形成高滲透的裂隙系統(tǒng)。

第四階段(2005～2008年）:采用二井模式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng),注水井流量100 kg/s,生產(chǎn)井均為50 kg/s,裝機(jī)為6 MW。

另外值得一提的是,法國(guó)的環(huán)境和能源管理機(jī)構(gòu)在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)計(jì)劃中明確提到,對(duì)于可再生能源,該計(jì)劃主要關(guān)注4個(gè)方面,其中首當(dāng)其沖的是干熱巖的開(kāi)發(fā)利用潛力研究。

4.4 澳大利亞

近年來(lái),澳大利亞掀起了干熱巖開(kāi)發(fā)利用的高潮,許多開(kāi)發(fā)商投入巨資進(jìn)行干熱巖這種新能源的勘探開(kāi)發(fā)利用。幸運(yùn)的是,“地球動(dòng)力”公司在南澳大利亞Cooper盆地的沙漠中找到了一處理想的建站地點(diǎn)。該公司2003年開(kāi)始在那里鉆探出了2個(gè)深度達(dá)4500 m的深孔(分別命名為“Habanero-1”和“Habanero-2”）,將深井鉆到高溫巖石上,并建立了巖石與注入水之間快速的熱交換。到2008年,又完成了鉆孔Habanero-3并進(jìn)行鉆孔流動(dòng)試驗(yàn),即在生產(chǎn)井中注入示蹤劑,以監(jiān)視巖石內(nèi)的熱儲(chǔ)及熱水的運(yùn)移情況。2009年1月,該公司利用這兩眼井建成一座1000 kW的示范電站,專(zhuān)為建站地點(diǎn)的小鎮(zhèn)供電,準(zhǔn)備3年后再鉆9眼深井,建成一座5萬(wàn)kW的干熱巖發(fā)電站,到2016年再擴(kuò)大10倍的發(fā)電量。據(jù)估計(jì),僅地球動(dòng)力公司在澳大利亞南部Cooper盆地地?zé)崮墚a(chǎn)區(qū)的熱濕裂隙花崗巖就蘊(yùn)含著巨大的能量潛力,在將來(lái)或可支持零排放標(biāo)準(zhǔn)下大于10000 MW的發(fā)電能力。

5 我國(guó)干熱巖研究狀況

(1）在1993～1995年期間,我國(guó)國(guó)家地震局地殼應(yīng)力研究所和日本中央電力研究所開(kāi)展合作,在北京西南房山區(qū)進(jìn)行了干熱巖發(fā)電的研究試驗(yàn)工作。

(2）在我國(guó),近期中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋?zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院與澳大利亞彼特里特姆公司就“中國(guó)干熱巖資源潛力研究”項(xiàng)目進(jìn)行合作洽談,希望合作開(kāi)發(fā)中國(guó)干熱巖資源。

(3）2009年11月底～12月初,中國(guó)能源研究會(huì)地?zé)釋?zhuān)業(yè)委員會(huì)和中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院組團(tuán)對(duì)澳大利亞“地球動(dòng)力”公司在南澳大利亞Cooper盆地的干熱巖開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地考察。

(4）國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)(如中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所、中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心以及相關(guān)的大學(xué)等）從理論和情報(bào)信息上做了一些工作,并提出了一些建議。

可以說(shuō),干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)利用基本上還是空白!

6 我們正在做的工作

6.1 國(guó)家的政策

(1）《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年）》中明確的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題中,第一個(gè)領(lǐng)域就是能源方面,其中之一就是可再生能源的低成本規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用。“干熱巖的開(kāi)發(fā)利用正好符合這一發(fā)展規(guī)劃的精神?！?/p>

(2）2008年3月發(fā)布的《全國(guó)地質(zhì)勘查規(guī)劃》中明確其他能源礦產(chǎn)勘查:開(kāi)展地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)和區(qū)劃。開(kāi)展全國(guó)地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景調(diào)查評(píng)價(jià),促進(jìn)地?zé)豳Y源勘查。選擇重要資源潛力區(qū),開(kāi)展淺層地?zé)崮芸辈榕c開(kāi)發(fā)示范。探索干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。

(3）在國(guó)家制定的進(jìn)一步優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)規(guī)劃中,小火電的關(guān)停范圍將從此前的10萬(wàn)kW以下燃煤機(jī)組擴(kuò)大到20萬(wàn)kW機(jī)組,這意味著我國(guó)還將有8000多萬(wàn)千瓦的小火電要被淘汰。這部分電力缺口除了由水電、核電來(lái)填補(bǔ)外,隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟,其他新能源發(fā)電包括干熱巖發(fā)電也完全可以承擔(dān)起這一任務(wù)。

6.2 我國(guó)區(qū)域地質(zhì)背景

根據(jù)我國(guó)區(qū)域地質(zhì)背景,高熱流區(qū)均處于板塊構(gòu)造帶或構(gòu)造活動(dòng)帶,在滇藏、東南沿海、京津冀、環(huán)渤海等地區(qū)分布有較高的大地?zé)崃骱头秶^大的侵入巖體,說(shuō)明我國(guó)具備干熱巖地?zé)豳Y源形成的區(qū)域構(gòu)造條件。據(jù)初步估算我國(guó)主要高熱流區(qū)的熱儲(chǔ)資源相當(dāng)豐富,相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤516億t。

6.3 我們的建議

國(guó)家公益性地質(zhì)工作的目的之一是要帶動(dòng)商業(yè)性的地質(zhì)工作。我們強(qiáng)烈地感受到,我國(guó)干熱巖的勘探開(kāi)發(fā)利用至今仍停留在很膚淺的工作層面,是因?yàn)閲?guó)家地質(zhì)工作沒(méi)有做好干熱巖開(kāi)發(fā)利用前期工作,如:沒(méi)有對(duì)全國(guó)地?zé)崽荻乳_(kāi)展進(jìn)一步的普查、沒(méi)有探明干熱巖體的埋藏地和深度、沒(méi)有圈定哪些地區(qū)或位置存在干熱巖開(kāi)發(fā)利用的可能、沒(méi)有確定適合開(kāi)展干熱巖發(fā)電試驗(yàn)的選區(qū)等等。

為此,我們?cè)?009年和2010年的國(guó)土資源部“公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目”立項(xiàng)中提出了開(kāi)展“我國(guó)干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)研究”的項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)。

6.3.1 項(xiàng)目的總體目標(biāo)

通過(guò)開(kāi)展干熱巖資源潛力評(píng)價(jià)、干熱巖綜合地球物理勘查以及干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)的研究,查明我國(guó)干熱巖資源分布狀況,建立干熱巖勘查技術(shù)方法體系,圈定干熱巖勘查靶區(qū),并實(shí)施干熱巖鉆探示范工程,鉆獲高溫巖體,為今后開(kāi)展干熱巖資源研究、開(kāi)發(fā)利用和其他相關(guān)地學(xué)科學(xué)研究提供試驗(yàn)基地。

6.3.2 主要研究?jī)?nèi)容

6.3.2.1 干熱巖資源分布及潛力評(píng)估

研究針對(duì)我國(guó)三個(gè)重點(diǎn)干熱巖發(fā)育區(qū)——沉積盆地區(qū)(東北、華北、蘇中）、近代火山地區(qū)(吉林長(zhǎng)白山、云南騰沖、黑龍江五大連池）、高熱流花崗巖地區(qū)(福建、廣東、江西）,開(kāi)展干熱巖熱能資源潛力評(píng)估。系統(tǒng)收集區(qū)域地質(zhì)、物探、石油、地震、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等相關(guān)基礎(chǔ)研究資料,了解國(guó)外開(kāi)發(fā)干熱巖成功經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),分析典型高溫巖體地?zé)豳Y源富集區(qū)的地質(zhì)、環(huán)境、地?zé)崮艿忍卣?初步查明我國(guó)干熱巖資源的分布,圈定若干干熱巖優(yōu)先開(kāi)發(fā)地區(qū)。利用已有的鉆孔,開(kāi)展地溫測(cè)量、熱物理參數(shù)測(cè)定,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析,研究區(qū)內(nèi)的地溫場(chǎng)與大地?zé)崃鲌?chǎng)特征,通過(guò)資料分析,軟件開(kāi)發(fā)和模擬計(jì)算,進(jìn)行干熱巖資源現(xiàn)狀及潛力評(píng)估。

6.3.2.2 綜合地球物理勘查技術(shù)研究

開(kāi)展綜合地球物理勘查方法技術(shù)及多種地球物理數(shù)據(jù)處理、解釋、反演技術(shù)研究,選擇適合不同類(lèi)型干熱巖勘查的地球物理手段進(jìn)行勘查,結(jié)合地質(zhì)研究成果,建立地質(zhì)-地球物理勘查模型,圈定干熱巖有利部位,確定鉆孔位置;研究適合不同類(lèi)型干熱巖的綜合地球物理勘查方法技術(shù);通過(guò)分析測(cè)試和測(cè)井結(jié)果完善或修正地質(zhì)-地球物理勘查模型。

6.3.2.3 干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)研究

6.3.2.3 .1 鉆探工藝、器具及設(shè)備配套研究

(1）抗高溫耐腐蝕液動(dòng)沖擊器研制;(2）高溫取心工藝及器具研究;(3）高溫環(huán)境鉆孔測(cè)斜儀研究; (4）高溫鉆井液體系研究;(5）井口高溫安全防護(hù)裝備研究;(6）干熱巖鉆探設(shè)備配套研究。

6.3.2.3 .2 孔底連通技術(shù)預(yù)研究

孔底熱交換通道的建立有兩種方式,一種是利用地層裂隙或斷層自然形成熱交換通道,另外一種方式是采用人工壓裂方式建立通道。在開(kāi)展壓裂技術(shù)預(yù)研究的同時(shí)開(kāi)展定向井結(jié)合壓裂技術(shù)預(yù)研究,以增大換熱面積,提高地?zé)崂寐省?/p>

6.3.2.4 干熱巖勘查鉆探示范工程

在地質(zhì)、物探研究確定的鉆孔位置上,利用本項(xiàng)目研究的干熱巖勘查鉆探工藝技術(shù)和器具,進(jìn)行干熱巖鉆探示范工程,實(shí)施一口3000～3500 m的干熱巖勘查孔,根據(jù)對(duì)鉆孔中采取的巖心(巖樣）分析測(cè)試和測(cè)井結(jié)果驗(yàn)證和完善模型,建立干熱巖勘查技術(shù)方法體系。根據(jù)地層情況完成高溫井筒的固井和井口建設(shè),為今后開(kāi)展干熱巖資源研究、開(kāi)發(fā)利用和其他相關(guān)地學(xué)科學(xué)研究提供試驗(yàn)基地。

6.3.3 技術(shù)難點(diǎn)

(1）地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)模型條件的確定與實(shí)際情況吻合程度;(2）物探勘查模型條件的確定與實(shí)際情況吻合程度;(3）高溫下測(cè)斜儀器的穩(wěn)定性、靈敏性;(4）鉆具系統(tǒng)(液動(dòng)沖擊器、鉆頭）的工作壽命; (5）高溫下鉆井液的穩(wěn)定性;(6）大規(guī)模設(shè)備集成配套及鉆探安全保證。

6.3.4 預(yù)期成果

(1）建立干熱巖勘查技術(shù)方法體系,包括:建立適合我國(guó)具體地質(zhì)條件的干熱巖地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)模型;可控源音頻大地電磁法(CSAMT）、大地電磁法(MT）數(shù)據(jù)聯(lián)合反演技術(shù);高溫、深井、硬巖鉆探器具及工藝技術(shù)體系。(2）鉆獲高溫巖體。(3）為今后開(kāi)展干熱巖資源研究、開(kāi)發(fā)利用和其他相關(guān)地學(xué)科學(xué)研究提供試驗(yàn)基地。

7 結(jié)語(yǔ)

干熱巖是一種尚未被普遍認(rèn)識(shí)的深層地?zé)崮茉?可以說(shuō)取之不盡,用之不竭。我國(guó)對(duì)干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)利用基本屬于空白。我們希望通過(guò)國(guó)家公益性地質(zhì)工作對(duì)我國(guó)干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范的投入,查明我國(guó)干熱巖資源的分布,圈定若干干熱巖優(yōu)先開(kāi)發(fā)地區(qū),鉆獲干熱巖。以此帶動(dòng)商業(yè)性地質(zhì)工作的投入。我們深信,如果發(fā)現(xiàn)并鉆獲干熱巖,將填補(bǔ)我國(guó)干熱巖勘查的空白,將會(huì)在我國(guó)掀起干熱巖體勘查、開(kāi)發(fā)和利用的熱潮,一定會(huì)吸引大量社會(huì)資本對(duì)干熱巖體這種新能源勘查、開(kāi)發(fā)和利用的投入,同時(shí)也會(huì)加快我國(guó)干熱巖體勘查、開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)水平的提高。

為此,我們建議應(yīng)將干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)利用研究上升到國(guó)家層面,從資源的調(diào)查評(píng)價(jià)開(kāi)始,盡快啟動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研究,設(shè)立勘查開(kāi)發(fā)利用研究專(zhuān)項(xiàng),為干熱巖資源勘查開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

[1] 殷秀蘭.干熱巖地?zé)豳Y源利用前景無(wú)限[N].中國(guó)礦業(yè)報(bào),2008 -10-14.

[2] 萬(wàn)志軍,趙陽(yáng)升,康建榮.高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[J].能源工程,2004,(4）.

[3] 司士榮.澳大利亞的干熱巖發(fā)電[J].地?zé)崮?2009,(3）.

[4] 張家強(qiáng),王德杰.干熱巖——未來(lái)清潔的新能源[J].地質(zhì)工作戰(zhàn)略研究參考,2004,(2）.

[5] 康玲,王時(shí)龍,李川.增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)EGS的人工熱儲(chǔ)技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(9）.

[6] 楊吉龍,胡克.熱巖(HDR）資源研究與開(kāi)發(fā)技術(shù)綜述[J].世界地質(zhì),2001,(1）.

[7]澳將建首座使用“干熱巖”技術(shù)的地?zé)岚l(fā)電站[J].能源研究與信息,2005,21(4）.

[8]楊豐田,龐忠和.澳大利亞利用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)深層地?zé)豳Y源[N].科學(xué)時(shí)報(bào),2008-08-10.

[9]鄭秀華,Hwolff,鄭偉龍.地下閉式循環(huán)熱交換系統(tǒng)——一種新型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2004,31 (1）:63-64.

[10]楊伍林.卡里納循環(huán)地?zé)岚l(fā)電裝置[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2007, 18(2）:10211.

[11]http://www.sp.com.cn/kpzl/xnyfd/200609/t20060915_ 36881.html[DB/OL].

[12]http://www.35kv.cn/Electricity/dianliyingxiao/20061019735. html[DB/OL].

[13]http://www.china5e.net/www/dev/newsinfo/newsview/ viewnews-200712070261.html[DB/OL].

[14]http://www.kaiguandianqi.com/news/news_detail.asp?news_ id=6747[DB/OL].

[15]國(guó)土部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目實(shí)施方案:我國(guó)干熱巖勘查關(guān)鍵技術(shù)研究[Z].2010.

Some Techn ical Issues on HotDry Rock Exploration in China

RAN Heng-qian,FENG Q i2zeng(The Institute of Ex-ploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China）

As a renewable energy resource,hot dry rock(HDR）has advantages of strong heat energy,wide distribution, environmental protection and not being affected by natural conditions,such as seasons.Hot dry rock exploration develop-ment and utilization is basically a blank field in China,the study on this key technique has a very realistic significance. Based on the introduction on the current situation of hot dry rock exploration development and utilization both in China and abroad,the paper analyzed the key technology and put for ward the main study target and work to be required.

hot dry rock;exploration;geothermal energy;heat exchange;ther mal power;drilling

TD87;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0017-05

2010-09-10

冉恒謙(1963-）,男(漢族）,重慶人,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所地調(diào)科研處處長(zhǎng)、教授級(jí)高級(jí)工程師,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),博士,從事鉆探裝備研究工作,河北省廊坊市金光道77號(hào),ranhq666@heinfo.net;馮起贈(zèng)(1971-）,男(漢族）,吉林人,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所高級(jí)工程師,鉆探機(jī)械專(zhuān)業(yè),從事全液壓車(chē)裝水井鉆機(jī)及大直徑套管鉆機(jī)的研發(fā)工作,fengqizeng@126.com。