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來自地球母親的溫暖——干熱巖
來源:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科普辦公室 作者:馬峰 王貴玲 時(shí)間:2018/5/30 10:14:52 瀏覽:3087

近日,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在松遼盆地實(shí)施的科學(xué)鉆探突破7018米,鉆穿了白堊紀(jì)底層。在地層4400-7018米的深度地層范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了1500C~2410C高溫干熱巖體和2層高放射性異常巖層,揭示了松遼盆地具有良好的地?zé)衢_發(fā)應(yīng)用潛力。

眾所周知,人們腳下的地球內(nèi)部蘊(yùn)含著巨大的能量,地心溫度高達(dá)約6000℃。地球通過火山、地震、地?zé)岬确绞皆丛床粩嗟蒯尫胖鴥?nèi)部能量。干熱巖(Hot Dry Rock,HDR)則是地球內(nèi)部熱能的一種賦存介質(zhì),自20世紀(jì)70年代美國(guó) Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出干熱巖地?zé)崮艿母拍钜詠?,干熱巖的定義也在不斷發(fā)展,目前比較得到認(rèn)同的概念是干熱巖是一種不含水和蒸氣、埋深3~10千米、溫度為150~650℃的致密熱巖體。

另外考慮其客觀性、科學(xué)性、可行性和經(jīng)濟(jì)型,干熱巖的基本含義可分為廣義干熱巖和狹義干熱巖兩類。廣義干熱巖認(rèn)為是流體含量很少、溫度為150~400℃的儲(chǔ)熱巖石。狹義干熱巖必須考慮地?zé)崮馨l(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和可行性,主要指流體含量少、埋深為3~8千米、溫度為200~350℃的儲(chǔ)熱巖石。其巖性主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖體,較常見的干熱巖體有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等。

干熱巖潛力有多大?

通俗來講,干熱巖資源就是存在于巖石中的熱量,人們通常通過溫度對(duì)干熱巖體中的資源量進(jìn)行評(píng)估,那么巖石中賦存的熱量究竟有多大?以一個(gè)邊長(zhǎng)為1km溫度為200℃的高溫巖體為例,其溫度下降10℃所釋放的熱量可實(shí)現(xiàn)發(fā)電約為1000萬MWh,可滿足2000萬平米一年的建筑供暖需求。

在地下達(dá)到一定的深度以后,這樣的高溫巖體無處不在,可以說干熱巖資源的潛力是巨大的。目前限制干熱巖開發(fā)主要是技術(shù)問題,但就現(xiàn)階段來看,由于技術(shù)和手段等限制,能被人類所揭露及開發(fā)利用的干熱巖資源主要集中在埋深較淺、溫度較高、有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的地下熱巖體。

據(jù)保守估計(jì),地殼中干熱巖(通常指3~10千米深處)所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)大陸3~10千米深處的干熱巖資源總量為2.5×1025 J(合860萬億噸標(biāo)煤),若能開采出2%,就相當(dāng)于我國(guó)2010年全國(guó)一次性能耗總量(32.5億噸標(biāo)煤)的5300倍。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)及地球物理研究所也對(duì)我國(guó)大陸3~10千米深處的干熱巖資源進(jìn)行了評(píng)價(jià),得出的結(jié)論是2.09×1025 J,相當(dāng)于715萬億噸標(biāo)煤,若能采出2%,則相當(dāng)于中國(guó)2010年能源消耗總量的4400倍。相近的數(shù)字,印證了我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)利用前景。

干熱巖開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

干熱巖資源的開發(fā)主要利用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EnhancedGeothermal System,EGS)來提取其內(nèi)部的熱量。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)通過水力壓裂等工程手段,在地下深部低滲透性干熱巖體中形成人工地?zé)醿?chǔ)層,從中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。其原理是從地表往深埋地下的干熱巖體中打一眼井(回灌井),封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水產(chǎn)生高的壓力,在巖體致密無裂隙的情況下, 高壓水會(huì)使巖體大致垂直最小地應(yīng)力的方向產(chǎn)生許多裂縫。

若巖體中本來就有少量的天然節(jié)理,這些高壓水會(huì)使之?dāng)U充成為更大的裂縫。隨著低溫水的不斷注入,裂縫不斷增加、擴(kuò)大、相互連通,最終形成一個(gè)大致呈面狀的人工地?zé)醿?chǔ)層。在距回灌井合理的位置處鉆幾口井并貫通人工地?zé)醿?chǔ)層,這些井用來回收高溫水、汽,稱之為生產(chǎn)井。注入的水沿著裂隙運(yùn)動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換,產(chǎn)生了高溫高壓水或水汽混合物。從貫通人工地?zé)醿?chǔ)層的生產(chǎn)井中提取高溫蒸汽到地面后,通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電和綜合利用。利用之后的溫水又通過回灌井注入到地下干熱巖體中, 從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。

干熱巖的未來

干熱巖是地?zé)崮艿奈磥?。在目前的?jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中,對(duì)于干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)極有可能成為“黑馬”,發(fā)揮意想不到的作用。


干熱巖相對(duì)于其他能源具備以下優(yōu)勢(shì):

1.資源量巨大、分布廣泛。(初步估算,我國(guó)陸區(qū)3-10千米深處干熱巖資源為860萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所釋放的能量);

2.幾乎為零排放。(無廢氣和其他流體或固體廢棄物,可維持對(duì)環(huán)境最低水平的影響);

3.開發(fā)系統(tǒng)安全。(沒有爆炸危險(xiǎn),更不會(huì)引起災(zāi)難性事故或傷害性污染);

4.熱能連續(xù)性好。(在可再生能源中,只有EGS可以提供不間斷的電力供應(yīng),不受季節(jié)、氣候、晝夜等自然條件的影響);

5.經(jīng)濟(jì)實(shí)惠(商業(yè)價(jià)值可觀)。

隨著干熱巖開發(fā)技術(shù)的不斷成熟以及深部地?zé)衢_采成本的不斷下降,相信在不就的將來,這種無處不在的能源可被人們大量利用,造福人類。