“一口井” 讓干熱巖取熱不再難

冷卻塔正在釋放經(jīng)由重力熱管傳導(dǎo)至地面的熱量。黃文博供圖

地?zé)豳Y源是一種極具競爭力的戰(zhàn)略接替能源，按載熱介質(zhì)可分為水熱型和干熱巖型。干熱巖熱能開發(fā)盡管概念出眾、潛力巨大，但國際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，深層干熱巖中的熱能難以取出，開發(fā)項(xiàng)目大多入不敷出。

好消息是，近日，中國科學(xué)院廣州能源研究所研究員蔣方明團(tuán)隊(duì)在干熱巖超長重力熱管取熱研究方面獲得突破。研究人員將一根獨(dú)特的重力熱管安裝在數(shù)千米深度的地?zé)釂尉?，成功?shí)現(xiàn)從干熱巖中持續(xù)取熱，并將熱能傳輸至地面。

蔣方明認(rèn)為，該進(jìn)展不僅為干熱巖熱能的開采找到了一種全新的技術(shù)途徑，也為水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供了一種“只采熱、不采水”的解決方案。并且，該技術(shù)具有高效、穩(wěn)定、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

只要一口井的“地下鍋爐”

“簡單來說，熱管就是在一個真空管體內(nèi)部注入一定量的液態(tài)工質(zhì)。而重力熱管是熱管的一種，它依靠重力實(shí)現(xiàn)流體工質(zhì)的循環(huán)流動。”蔣方明告訴《中國科學(xué)報》，“液態(tài)工質(zhì)在熱管底部蒸發(fā)并流向熱管頂部，冷凝放熱之后液體再在重力作用下回流至熱管底部，從而持續(xù)將熱量從熱管底部傳輸至頂部。”

雖然熱管技術(shù)在航空航天、化工、電力等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，但通常來說熱管的長度一般都在10米以內(nèi)，若長度超過10米，熱管的傳熱性能就可能會大幅下降，難以維持良好的均溫性。

在過去幾十年的發(fā)展中，重力熱管技術(shù)的主要難題是如何在長距離、高傳熱量的運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)管底工質(zhì)的高效蒸發(fā)相變，減少濕蒸汽的流動阻力，避免氣液卷攜效應(yīng)，提高系統(tǒng)高效穩(wěn)定性。

也就是說，蒸汽和液體在狹窄的管道中可能會“撞車”。

“這個難題在我們開展的取熱試驗(yàn)的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，已經(jīng)通過熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工質(zhì)優(yōu)選等方式實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。”蔣方明介紹稱，他們依據(jù)具體的地?zé)峋販貐?shù)和水文條件優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)選工質(zhì)，使管內(nèi)外傳熱物質(zhì)充分耦合，達(dá)到更佳的采熱效果。

“我們研發(fā)的新型超長重力熱管技術(shù)，將熱管的有效傳輸距離提升至3千米以上，從而可以實(shí)現(xiàn)對埋藏數(shù)千米深的地?zé)崮?/strong>的開采。”蔣方明說，他們在近期進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)中，在地下取熱段巖石平均溫度為119℃的地?zé)釛l件下，地面獲得了溫度最高達(dá)90℃的飽和水蒸氣，持續(xù)采熱功率接近200千瓦。

中國科學(xué)院廣州能源所博士后黃文博告訴記者，重力熱管采熱系統(tǒng)類似在地下數(shù)千米深處建設(shè)了一個“超級鍋爐”，“鍋爐”的“燃料”即是干熱巖中的熱能。“鍋爐”產(chǎn)生的蒸汽通過數(shù)千米的管道自發(fā)地流向地面，此后利用蒸汽所包含的內(nèi)能(主要是潛熱)進(jìn)行發(fā)電、供暖，甚至驅(qū)動熱泵制冷。

此外，記者了解到，該技術(shù)并不僅限于干熱巖型地?zé)豳Y源的開采。作為一種“只采熱不采水”“無泵驅(qū)”的高效單井地?zé)衢_采技術(shù)，其也能夠在地?zé)崴_采受限的區(qū)域開采水熱型地?zé)豳Y源，其應(yīng)用范圍寬廣，并有形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

有望解決應(yīng)用中的工程問題

蔣方明告訴記者，相對于水熱型地?zé)豳Y源，干熱巖的優(yōu)點(diǎn)可以歸結(jié)為三點(diǎn)。

一是質(zhì)好，即品位高。其原因在于干熱巖的高熱儲溫度。數(shù)據(jù)顯示，在10千米深度，青藏高原和帕米爾高原的干熱巖熱儲溫度可達(dá)450℃，其它地區(qū)可達(dá)250~300℃，高于75℃的占98%。

高品位的熱能決定了干熱巖地?zé)崮艿睦媚Ｊ讲痪窒抻诠┡€具有極大的發(fā)電制冷等綜合利用的潛力。與太陽能、風(fēng)能等其他可再生資源相比，地?zé)崮艿哪芰枯敵鼍哂懈叨鹊姆€(wěn)定性和持續(xù)性，不受氣候、晝夜交替影響，可用作基礎(chǔ)負(fù)荷。地?zé)岚l(fā)電系數(shù)高達(dá)72%~80%，是風(fēng)能的3~4倍、太陽能的4~5倍。

二是量大。在地?zé)崮苤?，水熱型的地?zé)崮軆H占不到10%，而超過90%的都為干熱巖型地?zé)崮堋Ｓ?jì)算結(jié)果表明，中國大陸(3~10千米深度)干熱巖地?zé)豳Y源總量為20.9×1024焦耳，合714.9×1012噸標(biāo)準(zhǔn)煤，當(dāng)量相當(dāng)于目前全球已探明可采石油儲量的50倍。若按2%的可開采資源量計(jì)算，則是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源量的168倍，相當(dāng)于中國2019年能源消耗總量的近3000倍。

三是分布廣。在中國境內(nèi)，干熱巖型地?zé)岱植紡V泛，除了青藏高原等溫度高、儲量大的干熱巖靶區(qū)以外，京津冀環(huán)渤海地區(qū)、華南地區(qū)等能源需求緊張的地區(qū)，也分布有干熱巖型地?zé)豳Y源。

既然干熱巖資源綠色環(huán)保、質(zhì)優(yōu)量大，那么目前的應(yīng)用狀況如何呢?

據(jù)黃文博介紹，增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)是一種工程實(shí)踐較多的干熱巖型地?zé)衢_采方案。該系統(tǒng)通過水力壓裂在兩井或多井間形成連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，再通過抽注流體工質(zhì)的方式，讓工質(zhì)在地下巖體中循環(huán)流動，從而持續(xù)開采地?zé)崮堋＿@種方式的出水溫度與采熱量都很高，具有規(guī)模化發(fā)電潛力，是長期以來開采干熱巖熱能的主流發(fā)展方向。

但就目前來看，該技術(shù)仍存在井下連通困難、工質(zhì)損失嚴(yán)重、投資過高、技術(shù)風(fēng)險大等問題。在世界范圍內(nèi)，迄今僅有極少數(shù)工程項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的商業(yè)化運(yùn)行。

“這種技術(shù)概念看起來很好，但國際地?zé)峤缢奈迨甑膶?shí)踐證明，該技術(shù)一次性投入太大，投入產(chǎn)出比太低。”中國科學(xué)院院士汪集旸告訴《中國科學(xué)報》，“比如法國的蘇爾士地?zé)犴?xiàng)目總計(jì)投入近百億歐元，但現(xiàn)在發(fā)出的電僅2000千瓦，電站本身還要用掉至少200千瓦電，最后能拿到手的也只有1000多千瓦電。”

而重力熱管技術(shù)相對于EGS的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，不需要或很少需要水力壓裂，投資較小，且管內(nèi)工質(zhì)不與地下巖體直接接觸，取熱工質(zhì)僅在封閉腔體內(nèi)流動，沒有腐蝕、結(jié)垢、工質(zhì)損失等問題。此外，熱管系統(tǒng)產(chǎn)出氣體工質(zhì)，氣體工質(zhì)熱利用的方式比高溫水更加多樣化，發(fā)電、制冷和供熱都可以直接使用，無需進(jìn)行閃蒸就可以直接驅(qū)動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，大幅簡化了地面設(shè)備結(jié)構(gòu)。

蔣方明認(rèn)為，在我國北方地區(qū)，該技術(shù)能夠高效地與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行供暖，可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率。

干熱巖依然不失為潛力股

2012年中國地質(zhì)調(diào)查局展開了全國范圍的干熱巖資源調(diào)查評價。2017年年初，國家發(fā)展改革委、國家能源局、國土資源部聯(lián)合公布了《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，其中提到干熱巖的勘探評價重點(diǎn)區(qū)域?yàn)椋翰氐岣邷氐責(zé)釒?、東南沿海、華北、松嫩平原等地。

其中，青藏高原南部占中國大陸地區(qū)干熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高。青海共和盆地圈定了干熱巖體并成功鉆探，在其中一個3705米勘探孔，測得孔底溫度達(dá)到236℃，已構(gòu)成圈定干熱巖資源靶區(qū)十字剖面的基礎(chǔ)條件，表明我國具有國際認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)干熱巖資源。

其次是華北和東南沿海中生代巖漿活動區(qū)(浙江、福建、廣東)，分別占總資源量的8.6%和8.2%;東北(松遼盆地)占5.2%;云南西部干熱巖溫度較高，但面積有限，占總資源量的3.8%。近年來，在華北平原的河北唐山，東南沿海的廣東陽江、惠州，福建漳州，海南福山等多個地區(qū)均發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的干熱巖資源，證明上述地區(qū)具有較大的干熱巖資源潛力。

據(jù)蔣方明介紹，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的3000米長度重力熱管，近期已在河北唐山海港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)馬頭營一口干熱巖地?zé)嵘罹畠?nèi)成功開展了取熱試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在地下取熱段巖石平均溫度為119℃的地?zé)釛l件且不經(jīng)過人工壓裂的情況下，地面獲得了溫度最高達(dá)90℃的飽和水蒸氣，持續(xù)采熱功率接近200千瓦。

“這是世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)豳Y源的重力熱管技術(shù)‘無泵式’開采，取得了干熱巖地?zé)豳Y源開采技術(shù)的重大突破。后期我們將在雄安新區(qū)等地開展進(jìn)一步的應(yīng)用示范。” 蔣方明說。

汪集旸認(rèn)為，地?zé)豳Y源是一個聚寶盆，有很多問題亟待解決。重力熱管單井長距離取熱技術(shù)的突破，不僅能讓干熱巖資源更接近實(shí)用，對于水熱型地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)，以及眾多老油田的水、熱資源再利用也有很多潛在價值。