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地热井

增强型地热系统的发展起缘及开发利用研究情况

 最早对干热岩进行研究的国家是美国。1972 年,美国在新墨西哥州北部打了 2 口约 4 km 深的斜井,从一口井中把冷水注入到热岩体里,从另一口井取出由岩体加热产生的蒸汽,这 2 口井开启了开发利用地下热岩的实验阶段。1974 年,美国洛斯·阿尔莫斯国家实验室在芬顿山钻了第一眼深井,拉开了干热岩研究的序幕。在芬顿山的研究中,取得了许多宝贵的资料,积累了丰富的经验,揭示了干热岩应用的良好前景,为干热岩的开发利用做出了巨大贡献。20 世纪 80 年代,许多发达国家开始了干热岩实验研究的热潮。英国在 ROSemanows,日本在肘折,瑞典在 Fjallbaeka 相继开展了初步的地质调查与钻探实验。1987年,法、德、英3国共同参与,在法国的苏尔士地区开展了规模较大的干热岩生产实验研究。90 年代,干热岩技术已进入了实际应用阶段,日本科学家取得了骄人的成绩。1996 年,肘折地区已开始发电运行。澳大利亚、新西兰、瑞士、俄罗斯等也在 90 年代开始了干热岩的预研究与开发的技术准备工作。
 
  如今,EGS 理论与技术都取得了很大进展,其开发已经进入一个关键时期。法国建立了欧洲第 1个 E G S 发电站,预计年产 1 . 5 M W 电能,德国建立了欧洲第 2 个 E G S 发电站,预计年产 3 M W 电能。与此同时,美国能源部也宣布资助商业化 EGS的开发研究计划。这一技术的实施,将使美国继1972 年新墨西哥州实验阶段之后,进一步开展地下热岩能源的开发。世界上第一个商用增强型地热发电厂已经在德国建成,2007 年投入运行,每年可发电 2200 kWh。
 
  美国.
 
  迄今在干热岩发电技术方面迈出最大一步的试验是美国国家实验室和能源部在芬顿山进行的试验。该试验始于 1973 年,最深钻孔达 4500 m,岩体温度为 330℃,热交换系统深度为 3600 m,发电量由最初的 3 MW 到最后的 1 0 MW 。真正的干热岩系统是在 1974 年的流水循环试验中建立的,称为第一期热储。1978 年到 1980 年进行了为期 9 个月的流水循环试验,本期形成的热储较小,在以后的一段时间里裂隙又闭合了。不久后第一期地热库重新建立起来,规模也扩大许多。第二期干热岩热储建立于 1980 年,1983 年后一直处于维护和试验中。1992 年 4 月份至 1993 年 5 月份,还进行了大规模的水流循环试验,这一期热储注水回收率在 7 5 % ~8 0 % 之间。
 
  2001 年,美国能源部终止了在芬顿山的干热岩试验项目,开始了名为“增强型地热系统”计划。
 
  建立增强型地热系统的第一步是进行勘探,以鉴别和确定最适宜的开发区块。然后施工足够深度的钻孔,达到可利用的岩体温度,进一步核实和量化特定的资源及相应的开发深度。如果钻遇低渗透性岩体,则对其进行水压致裂,以造成采热所需的大体积储水层,并与注入井—生产井系统实现适当的连通; 如果钻遇的岩体在有限的几何界限内具有足够的自然渗透性,采热工艺就可能采用类似于石油开采所采用的注水或蒸汽驱油的成熟方法。
 
  最近,美国地质调查局正在建立一个关于干热岩的政府—私人间的合作计划。该计划要求美国地质调查局勘探、优选并划分出全美不同利用潜力的干热岩地区,还要为干热岩的利用做些开发活动并发布相关信息。
 
  日本.
 
  1986 年,日本开始对干热岩发电的钻探、水压人工裂石、裂隙构图、人工热储水库等关键技术进行研究。1990 年,在日本的肘折地区进行了干热岩发电的关键技术。
 
  首先,钻井 1000 m,并用 1 万 m3水注入井底,产生了深层的人工热储层。之后,往井中填入沙到860 m,随后下套管。1992 年,在 720 m 深处的套管中用套管绞动器开了 1 个 8 m 长的窗口,向井中注入近 5500 m3的水,形成了上部的人工热储构造,这种方法被称为“套管绞动和沙石填充法”。1993年春进行了第 1 次水流循环试验,在同一年的秋天进行了第 2 次水流循环试验。试验结果并不理想,主要是生产气—液流体的速率较小。1994 年,再次向热储构造中注入高压水,重新扩张岩石裂隙。在这次裂隙扩张之后,人工热储构造的各项系数都得到了提高,回收率是 1993 年的 2 倍。随后,又开展了深部地质研究,进行了干热岩发电试验,2000 年 11 月~2002 年 8 月,实验站进行循环测试,并在当地建立了干热岩发电厂,运行至今。
 
  德国和法国.
 
  1986 年两国联合在苏尔士开展岩体热能利用项目。
 
  第一阶段(1987~1997 年) 在 3900 m 处建立岩石裂隙网,温度超过 165℃,得到水流持续循环的技术参数。
 
  第二阶段(1998~2001 年) 将生产井 GPK2继续钻井到 5000 m 深,建立新的热储层,温度达20℃。在 1500 m 处又钻了微地震监测井。
 
  第三阶段(2001~2004 年) 采用注水井和 2口生产井的 3 井方式,新钻井 GPK3(注水井)到500 m,距 GPK2 约 600 m,2 井下人工热储裂隙系统连通,新钻生产井 GPK4 同样到 5000 m 深,距GPK3 约 600 m,与已建立的热储连通,形成高渗透的裂隙系统。
 
  第四阶段(2005~2008 年) 采用 2 井模式实现 EGS,注水井流量 100 kg/s,生产井均为 50 kg/s,装机为 6 M W 。
 
  而且,法国在地热能开发计划中明确提到,对于可再生能源,该计划主要关注 4 个方面,其中首当其冲的是干热岩的开发利用潜力研究。
 
  澳大利亚.
 
  近年来,澳大利亚的许多开发商,投入巨资进行 EGS 的勘探开发利用。2003 年,“地球动力”公司在南澳大利亚 Cooper 盆地的沙漠中,钻探出了 2个深度达 4500 m 的深孔(分别命名为“Habanero-1”和“Habanero-2”),将深井钻到高温岩石上,建立了岩石与注入水之间快速的热交换。到 2008年,又完成了钻孔“Habanero-3”并进行钻孔流动试验,即在生产井中注入示踪剂,以监视岩石内的热储及热水的运移情况。2009 年 1 月,该公司利用这 2 眼井建成一座 1000 kW 的示范电站,专为建站地点的小镇供电。准备 3 年后再钻 9 眼深井,建成一座 5 万 kW 的干热岩发电站。到 2016 年再扩大 10 倍的发电量,据估计在将来或可支持大约1 万 M W 的发电能力。