PDF《增强型地热系统（干热岩）开发技术进展》

科技导报 2012,30(32)

1 增强型地热系统的概念 地热能由于其清洁可再生性和空间分布的广泛性,已经 成为位居水力、生物质能之后的世界第

3 大可再生能源.

地 热资源作为世界各国重点研究开发的可再生清洁能源,主要 分为水热型和干热岩型. 世界上目前开采和利用地热资源主 要是水热型地热,占已探明地热资源的 10%左右[1] . 干热岩是 一种没有水或蒸汽的热岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类 岩体. 干热岩普遍埋藏于距地表 3―10km 的深处,其温度范 围很广,在150―650℃之间[2] . 现阶段,干热岩地热资源是专 指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体,保守估计 地壳中干热岩(3―10km 深处)所蕴含的能量相当于全球所有 石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的

30 倍. 干热岩在地球上的蕴藏量十分丰富. 若将它开采出来加以 应用,可以满足人类长期使用. 据麻省理工学院(MIT)2006 年 报告,只要开发 3000―10000m 深度 2%的干热岩资源储量,就 将达到 200*1018 EJ, 是美国

2005 年全年能源消耗总量的

2800 倍[3] . 据美国地热能市场评估报告数据(2007),美国国内地热项 目开发的数目增至

193 个, 正在开发的地热能量 1035MW,而 地热潜力估计 12271369MW[4] ,有极大的开发潜力. 增强型地热系统 (Enhanced Geothermal Systems,EGS)是 在干热岩技术基础上提出的, 美国能源部的定义是采用人工 形成地热储层的方法, 从低渗透性岩体中经济地采出深层热 能的人工地热系统,如图

1 所示. 据美国能源部的增强型地热 系统技术评估报告(2008),需要对 EGS 技术中

3 个关键方面 增强型地热系统(干热岩)开发技术进展 许天福

1 ,张延军 1,2 ,曾昭发

3 ,鲍新华

1 收稿日期: 2012-09-11;

修回日期:2012-10-10 基金项目: 国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2012AA052801);

国家自然科学基金(40972172) 作者简介: 许天福,教授,研究方向为多相流反应溶质运移和 EGS,电子信箱:[email protected];

张延军(通信作者), 教授,研究方向为岩石力 学和 EGS,电子信箱:[email protected] 1. 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,长春

130000 2. 吉林大学建设工程学院,长春

130026 3. 吉林大学地球探测科学与技术学院,长春

130026 摘要 增强型地热系统(EGS),又称干热岩,是一种从低渗透率和低孔隙度的岩层(干热岩)中提取热量从而获取大量热能的一种 工程. 有关增强型地热系统的研究与开发已有

30 余年的历史,但以往只局限于美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国 家. 中国高温岩体地热开发研究起步较晚,仅少数科研单位在这方面做了理论探讨和国际合作. 本文主要讨论了增强型地热系统 的基本理念、国内外研究现状与发展趋势、关键技术、存在的问题以及展望. 关键词 干热岩;

增强型地热系统;

人工压裂;

地球物理 中图分类号 TK529 文献标识码 A doi 10.3981/j.issn.1000-7857.2012.32.005 Technology Progress in an Enhanced Geothermal System (Hot Dry Rock) XU Tianfu1 , ZHANG Yanjun1,2 , ZENG Zhaofa3 , BAO Xinhua1 1. Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130000, China 2. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China 3. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China Abstract Enhanced Geothermal System (EGS), known as Hot Dry Rock (HDR), is an engineering technology where the heat energy is extracted from low permeability and low porosity rock, namely, HDR in order to gain the quantity of energy. Although the history and development of EGS has been more than

30 years, only a small number of countries in the world have a voice in this respect, such as the United States, Britain, France, Germany, Switzerland, Japan, Australia, etc. The basic concept, research and development status, key technologies, issues and expectation involving the EGS are mainly discussed. Keywords hot dry rock;

EGS;

artificial fracturing;

Geophysics 专题论文(Special Issues)

42 科技导报 2012,30(32) 图1干热岩热能开发的增强型地热系统示意 Fig.

1 Scheme of the enhanced geothermal system in hot dry rock 进行评估,即地质条件、经济可行性和 EGS 在其他技术领域的 适用性,最后通过耦合模型预测评价能源开发的可行性[5] . 需要指出的是,本文中使用的干热岩和增强型地热系统 两个名词概念没有严格的区分,可交换使用.

2 国内外研究现状与发展趋势 增强型地热系统已有

30 多年的研究历史,但以往只局限 在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家. 美国是最早对干热岩的工程开发进行研究的国家,在新 墨西哥州中北部的芬顿山成立了干热岩研究中心. 美国政府 于1973 年资助针对干热岩开发的 EGS 试验研究,1977 年获 得了成功,最深钻孔达 4500m,岩体温度为 330℃,热交换系 统深度为 3600m.

1984 年建成了世界上第一座高温岩体地热 发电站,发电功率由最初的 3MW 提高至 10MW,地热流值达 250mW/m2 . 从1980 年开始,日本政府资助了一项研究干热岩发电技 术可行性的项目. 在山形县实施了

4 个钻孔,深度在 2000― 2200m, 岩体温度为 250℃, 并进行了多次短期的水压测试.

1988 年,日本政府和几个私人机构还在岩手县资助了一项研 究水-岩体间热交换项目[6] . 1977―1986 年, 欧共体资助德国在巴伐利亚东北部的 Falkenberg 开展了一项 EGS 研究:在较浅的深度下,研究岩石 的自身裂隙、水压产生裂隙的形成机制以及水在这些裂隙中 的运移机制[7] . 国际能源署(IEA)领导并实施了一系列有关地热利用的 国际合作项目. 在众多的地热利用国际合作项目中,与干热 岩较紧密联系是 地热执行协议 (GIA) 中一个为期

4 年(1997―2001) 的重大计划―― ― 干热岩行动计划 (Hot Dry Rock Task), 该计划由日本的新能源和工业技术发展组 织(NEDO)担任总执行机构,参与该计划的国家有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国以及欧共体. 澳大利亚在

2003 年在库珀(Cooper)盆地开展了一个有 关EGS 的项目,勘查结果显示该盆地的热能储量高达

500 亿 桶油当量(据澳大利亚 Metasource 公司网站),在4500m 的深 处干热岩的温度高达 270℃[8] . Geodynamics 有限公司在

2003 年9月完成了第一口注水井,而且通过注水在花岗岩岩体上 压裂并形成了一系列永久的连通裂隙.

2008 年初,美国麻省理工学院历时

3 年完成了一份研究 报告―― ―《地热能的未来》,其副标题是

21 世纪增强型地热 系统(干热岩)对美国的影响 . 研究报告指出,增强型地热系 统,或称工程型地热系统(即以前所称的干热岩),开发应用 潜力巨大,不受地域限制,对环境影响最小,预示美国干热岩 开发技术的商业化运行可望在 10―15 年内实现. 中国高温岩体地热开发研究起步较晚,仅少数科研单位 做了理论探讨并参与了干热岩或 EGS 国际合作. 1993―1995 年,中国国家地震局地壳应力研究所和日本中央电力研究所 开展合作,在北京房山区进行了干热岩发电的研究试验工 作[9] .

2000 年,赵阳升教授领导的研究团队开始了高温岩体地 热开发的有关问题研究, 并对相关技术做了较系统的介绍.

2007 年中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm 公司签订了

2 年的合作协议,开展了 中国工程型 地热系统资源潜力的研究 国际交流项目,中澳专家已联合 在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查,采集了一些 试验样品, 并进行了一系列分析测试、 模型研究等工作[10] .

2009 年6月29 日大庆市组织召开全市新能........