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產業技術研究

增強型地熱系統(EGS)技術應用

地熱能是一種重要的可再生能源,儲量豐富,所含的總熱量約為3.9×1019kW.h/yr,其中我國的地熱資源占比高達7.9%。2014年世界上地熱能主要應用于地源熱泵發電、沐浴和游泳、采暖,這四者分別占比61%、14%、11%、9%。預計到2050年,世界上地熱發電量達到每年1.4×1012kW·h,占總電能消耗量的3.5%。

 

我國以地熱能直接利用為主,是世界上地熱能直接利用量最大的國家,然而地熱發電所占份額很小,目前僅有羊八井地熱電站正常運營,其發電的裝機容量長期維持在24MW左右,遠低于美國2011年的3112MW,這表明我國的地熱能沒有被充分的利用。為此,我國將加大對地熱發電的投入,預計在2050年地熱發電的裝機容量達到550MW,其中增強型地熱系統(enhanced geothermal system,EGS)發電為主,其裝機容量達到300MW。

 

EGS,也被稱為干熱巖(hot dry rock,HDR)地熱系統,由于具有極大的開發應用前景而受到廣泛的關注。美國能源部對EGS的定義是從一種低滲透率和低孔隙率的地熱資源中提取大量熱能而創建的熱儲層。根據這個定義,EGS不包括高品位的水熱型地熱,但是包括分布在地層3-10km內的結晶巖、沉積巖、地壓型地熱、巖漿型地熱及低品位的水熱型地熱等。EGS是少數幾個既能夠提供持續的機載電能又對環境影響小的可再生能源,其資源非常豐富,根據計算得到美國的可開采熱量超過5.6x1016kW·h,大致相當于美國2005年能源總消耗量的2000倍,而隨著技術的進步,可開采量可能增長10倍甚至更多。預計到2050年,美國的EGS發電的裝機容量有望達到10MW,占美國機載電能的10%。

 

干熱巖是埋藏于距地表3~10 km深度范圍內低滲透性的高溫巖體。由于干熱巖天然滲透率極低,無法經濟地提取出地熱能,所以干熱巖開發必須建立增強型地熱系統(EGS,Enhanced Geothermal System)。EGS是利用人工手段在干熱巖中建立高滲透性的人工熱儲,然后注入低溫流體介質,置換干熱巖中的熱能。EGS最關鍵的技術是儲層改造,目的是在低滲透性巖石中建立大體積的儲水層,使原有天然裂隙錯動或形成新的裂縫,從而使注入井和生產井系統建立適當的連通性。常用的儲層改造方法有水力壓裂、熱刺激和化學刺激。水力壓裂是最主要的EGS儲層改造手段,目前國外幾乎所有EGS工程都采用了水力壓裂技術來形成換熱構造,如美國Fenton Hill,法國Soultz,日本Hijiori等。該技術最初來源于油氣行業,但近些年已經成為干熱巖人工熱儲形成的重要手段。然而,由于巖石構造不同,天然裂隙的差異以及壓裂過程的各種不確定性因素,導致壓裂過程中裂隙系統的發展和壓裂的效果難以預測。儲層的裂隙結構直接影響流體在熱儲中的滲流換熱過程,是決定EGS可開采熱能和運行壽命的關鍵因素。


增強型地熱系統(EGS)技術應用-干熱巖-地熱資源-地大熱能


我國的EGS資源高7.0x1018kW·h,按照2%的開采系數計算,可開采熱量大致相當于我國2013年能源總消耗量的4500倍。


EGS工程的研究及工程示范的建立成為今后我國深層干熱巖開采的主攻方向。增強型地熱系統的研究和應用:


地球物理勘探手段的應用

由于干熱巖致密堅硬,溫度較高,對鉆探施工技術要求較高,施工成本投入大。所以為提高鉆探孔位選定的可靠度,可以充分利用地球物理勘探手段,以“物探先行,鉆探驗證”的思路,降低鉆探施工風險。


靶區優選與孔位選址

開展干熱巖地熱資源評價與靶區優選工作,通過分析國內重點高地熱背景區域的地質條件地溫場特征、構造分布、控熱因素、熱源熱源通道等,結合地球物理場特征,確定干熱巖施工孔位。


高溫硬巖鉆探技術

根據國內石油及干熱巖鉆探施工經驗,我國鉆探技術已經克服了高溫鉆探、硬巖鉆進、定向鉆進等技術難題,目前如何降低鉆探成本、提高鉆探效率、優化井身結構,將是我們下一步重點關注的問題,這對未來干熱巖大規模開采利用,將奠定重要的基礎.


水力壓裂連通

吸取國際成果的經驗與教訓,為提高干熱巖的取熱效率,水力壓裂與井間連通是干熱巖開采過程中的關鍵技術之一。水力壓裂手段已經在石油開采行業成熟的應用,但在壓裂的同時,如何做到井組的裂縫連通,形成穩定的三維裂隙換熱網絡,是目前一直探索的難題。

 

實施增強型地熱系統示范工程,使干熱巖資源成為中國經濟發展強有力的能源保障