干热岩地热资源开发的重要性及实现途径
干热岩地热资源开发的重要性及实现途径
干热岩资源存在于地壳上部 3~10km 深处,含热量巨大,要开发它,必须建立增强型地热系统
(EGS)。20 世纪 70 年代以来, “各国一直在进行着 干热岩(hot dry rock)”的试验, “后称之为 增强型
地热系统(EGS)”的试验。目前世界上已建立增强型地热系统的国家有美、英、法、德、日、瑞
典和澳大利亚,其中除了北莱茵地堑内法国的 Soults 和德国的 Landau 的EGS 尚在试验中,澳大利
亚的 Cooper 盆地的 EGS 尚未运转外,其余的皆因技术问题或经济效益不佳而终止试验。至今全
世界还没有一个增强型地热系统能投入商业运行。
我国极其重视地热能的开发利用。
2013 年1月10 日国家能源局、财政部、国土资源部和住房城乡建设部印发《关于促进地热能
开发利用的指导意见》。其中提到:“地热能是清洁环保的新型可再生能源,资源储量大、分布
广、发展前景广阔,市场潜力巨大。积极开发利用地热能对缓解我国能源资源压力、实现非化石
能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意
”义 。其主要目标:2015 年全国地热供暖面积 5亿m2,地热发电装机容量 10 万kW,地热能年利用
量2 000 万t标准煤。其中还提及:“积极开展深层高温地热发电项目示范,重点在青藏铁路沿
线、西藏、云南或四川西部等高温地热资源分布地区,在保护好生态环境的条件下,以满足当地
用电需要为目的,新建若干万千瓦级高温地热发电项目,对西藏羊八井地热电站进行技术升级改
造。
同时,密切跟踪国际增强型地热发电技术动态和发展趋势,开展增强型地热发电试验项目的可行
性研究工作,初步确定项目场址并开展必要的前期勘探工作,为后期开展增强型地热发电试验项
”目奠定基础 。
鉴于干热岩地热资源异常丰富,早就引起我国地热工作者的注意,但目前均处于无钻探的资源评
估阶段,也未进行任何增强型地热系统的试验。近年来,李福在海南岛陵水地区选择 160km2 作为
全国首座深层干热岩示范电站的地址,估计 3 000m 深处可以达到150℃。曾梅香等认为天津团
泊东南地层深处埋藏着较大基性岩体,估计在3~4km 的温度可达110~150℃,储存的地热资源为
1.72×1029J,产热量 7.15MJ/km2。徐雪球[4]报道江苏苏北盆地 4~5km 深处,地温为 150℃,局部达
170℃。孙知新等在青海省共和盆地通过钻探发现地温梯度达 6~7℃/hm,推测3km 深度可达
200℃。冉恒谦等对沉积盆地(东北、华北、苏中)、近代火山区(长白山、腾冲、五大连池)和高
热流花岗岩区(闽、粤、赣)等3种不同地质构造区的干热岩地热资源潜力进行评估。然而,如何
建立增强型地热系统还未摆上日程,其中包括如何着手干热岩科学钻探、进行人工压裂试验、注
入与回灌试验、热储模拟技术的开发、干热岩地热发电的技术研究和预防诱发地震等问题。
本文将对为什么要开发干热岩地热资源、如何开采干热岩地热资源、国外 EGS 试验进展如何,
我们应该怎么办?提出一些粗浅的意见和建议,但愿能起到抛砖引玉之作用。
1、为什么要开发干热岩地热资源?
1.1 可再生能源中的地热能 2000 年世界能源协会在长达500 页《能源和持续性的挑战》的报告
中,对各种可再生能源的容量进行了评估(表1),地热能处于首要之位,表明其潜力非常巨大。而且
地热能的利用源远流长,其直接利用在远古时代即已开始,从1904 年起就开始探索利用它生产二
次能源,第二次世界大战之后更得到长足之发展。从1975 年起,地热发电的增长是飞速的,并且是
线性增长的(表2)。但是它们都是利用水热型地热资源进行发电的。
尽管地热发电的发展是线性增长的,但是其发展速度远远跟不上风能。新能源发电的增速,以风
能发电最大,每年增加25GWe,太阳能光伏发电每年增加6GWe,而地热能发电每年的增速则小于
2GWe。表3是可再生能源发电情况的比较。看来,地热发电的装机容量,如果仅依靠开发传统的
水热系统是永远也超不过其他类型的新能源。
1.2 水热对流系统及其地热发电某一地域地热的富集程度足以构成能量资源的系统就是地热系
统。一般来说,根据一个地热系统内热储流体的温度,可以分成高温系统(>150℃)、中温系统
(90~150℃)和低温系统(<90℃)。
Muffler 根据地热系统的地质环境和热量传递方式将它分为:(1)对流型地热系统。
①与浅成、年青酸性侵入体活动有关,并出现在具有高孔隙率和渗透率的地质环境中的水热系
统;②出现在区域热流量高至正常区域以内的低孔隙率-破碎带渗透率环境中的环流系统。(2)传
导型地热系统。
①存在于热流量正常或略高于正常的区域以内的高孔隙率和渗透率沉积层(包括地压带)中的低
温低焓含水层;②高温低渗透率环境中的干热岩。
从Muffler 的地质成因分类中,对流型的①和②以及传导型的①可以统称为水热对流系统,它们主
要分布在地壳表层3km 以内。水热系统的热储岩性,根据美国的资料,火成岩占31.1%,沉积岩占
22.2%,火山灰和有关沉积物占 20%,水热蚀变带占 20%,变质岩占6.7%。热储的孔隙类型,断裂占
50%,粒间占 31.3%,空洞占 18.7%。而传导型中的就是本文主要讨论的干热岩系统,将在下面一节
中详细讨论。
如果水热系统的热储流体按照它们的热力学性质,Donaldson 等[12]将它分为:(1)温水储。热储中
仅含有温度相当低的流体,它不论在天然条件下还是在开采条件下都不会发生沸腾。因此,凡是
温度不足 100℃的系统都包含在温水储的范畴之内。(2)热水系统。它不论在天然状态下还是在
开采状态下都能发生沸腾,但是全部开采作业都将在水饱和带内进行,通俗地说,开采的都是沸
水。在地热流体的温度-热焓曲线图上,它们接近于饱和水线。(3)两相系统。它是热水系统和以
蒸汽为主的系统之间的过渡类型,当热水系统的饱和带埋深过大时就出现两相区。在温度-热焓
曲线图上,它存在饱和水线和饱和蒸汽线所包围的区间。(4)以蒸汽为主的系统。它的特点是排
放蒸汽,蒸汽来源区域的压力基本不随深度而改变。
蒸汽排放在初始阶段可能是湿的,也可能是干饱和蒸汽或过热蒸汽。随着开采的进程蒸汽会逐渐
变干,或者逐渐增加过热度。
Donaldson 等还认为:目前科学家和工程师们感兴趣的地热系统还有 3种,即地压系统、干热岩系
统和岩浆系统。虽然它们和我们的层次序列并不拟合,但是其前两种可视为基本类型的比较简单
的变种。岩浆系统目前还不具备开发的条件。
当前各国用于地热发电的水热系统主要是热水系统、两相系统和以蒸汽为主的系统。据
Bertani[13]的统计,全世界地热发电的地热田共70 个,总装机容量 8 900MWe,实际运行容量为 8
000MWe。从热储类型来说,热水储共54 个,占77%,运行容量为 5 507MWe,占68.8%。两相系统
9个,占13%,它们是萨尔瓦多的Ahuachapan、危地马拉的Amati-tlan 和Zunil II、冰岛的
Svartsengi、日本的葛根田、墨西哥的Los Azufres、新西兰的Wairakei、巴布亚新几内亚的
Lihir 和俄罗斯的Mutnovsky,它们的运行容量为 675MWe,占8.4%。
全世界的蒸汽系统仅有7个,占10%,它们是意大利的 Larderello 和Travale Radicondoli、印度尼
西亚的 Darajat 和Kamojang、日本的松川、俄罗斯的Pahuzhetka 和美国的 The Geysers,其运行容
量的和为 1 818MWe,占22.7%。
这70 个地热电站的热储顶板埋深<1km 的25 个,占35.7%;>1km 的共45 个,占64.3%,其中热储顶
板埋深在 1~1.2km 的占26 个,钻探深度在3km 以上的共12 个,其中两个最深达4km,见于意大利
的上述两个蒸汽田。
这些已开发的进行地热发电的地热田的热储温度最低者为140℃(不包括 2006 年在美国阿拉斯
加州Chena 热泉利用 74℃地热水建立的 225kW 的双循环发电站),最高热储温度360℃。这70 个
地热田热储温度达到300℃以上者,共34 个,占48.6%。
其中达300℃的13 个,约占总数的18.6%;达310℃的2个;达320℃的8个;达330℃的5个;达
340℃的3个;达350℃的是意大利两个蒸汽系统;达360℃的仅有1个,为日本的两相系统葛根
田。世界上没有一个地热田热储温度达到水的临界温度374℃。
所有这些用于地热发电的高温水热对流系统,在地球上的分布明显受地质构造的控制,或者位于
板块边缘地段(如岛弧带的日本、印度尼西亚等;陆-陆碰撞带的西藏;走滑断裂带的美国西海岸),
或者位于板块内部的大裂谷(如东非大裂谷)或与板内热点有关(如夏威夷),该处年轻的火山活动
或岩浆侵入活动为地热活动提供了热源。
摘要：
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干热岩地热资源开发的重要性及实现途径干热岩资源存在于地壳上部3~10km深处,含热量巨大,要开发它,必须建立增强型地热系统(EGS)。20世纪70年代以来,“各国一直在进行着干热岩(hotdryrock)”的试验,“后称之为增强型地热系统(EGS)”的试验。目前世界上已建立增强型地热系统的国家有美、英、法、德、日、瑞典和澳大利亚,其中除了北莱茵地堑内法国的Soults和德国的Landau的EGS尚在试验中,澳大利亚的Cooper盆地的EGS尚未运转外,其余的皆因技术问题或经济效益不佳而终止试验。至今全世界还没有一个增强型地热系统能投入商业运行。我国极其重视地热能的开发利用。2013年1月10日...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-03-22
