开采干热岩都有哪些难点?
出品:科普中国
制作:寒木钓萌
监制:中国科学院计算机网络信息中心

   

  近来,我国科学家在青海3705米深处钻获236℃高温干热岩。研究者们认为,中国陆域干热岩资源量为856万亿吨标准煤,根据国际标准,以2%作为可采资源,则全国干热岩可采资源量达17万亿吨标准煤。 

  面对这个大新闻,网友们最大的问题是: 

  这干热岩是怎么来的?  

  页岩气闻名遐迩,大家都了解,但干热岩,绝大多数人还是第一次听说。不过,其成因却不难理解。 

  地球的各种神奇常常超出我们的想象,只因为它就在我们脚下,导致我们并没有过多意识到。 

   

  地球内核温度高达4000℃左右,而一些别的研究显示,内核某些地方高达5400℃,也许您觉得这温度不算什么,不过我们得知道,太阳的表面也才5000多度而已。 

  并非只有地心拥有很高的温度,其外层温度也不低。 

   

  地球内部的温度,从内到外依次降低,而地幔依据深度的不同,温度也约在2700℃到1200℃之间。 

  毫无疑问,地球内部的热量会向地球表面传递,于是,我们能得出一个百分百正确的结论:挖的洞越深,洞底的温度就越高,这就是地温梯度——每深1千米的温度增加值。而地壳的平均地温梯度为每千米25℃,也就是说,平均起来,钻探的深度每增加1千米就增加25℃。 

  25℃很小,但它只是平均值,很多地方,温度变化远大于25℃,这就是地温梯度异常。比如说,我国在青海这次打的井,打到3705米时,干热岩温度就上升到236℃了。 

  干热岩的定义比较宽泛,通常是指埋藏超过2000米,温度超过150℃的高温岩体,其特点是无水或含水量极少。而与之相对的是“湿热岩”,这种高温岩体中存在天然的裂隙和水。 

  干热岩的能源储量 

  在《深部地热钻井与成井技术(胡郁乐)》一书中引用了这样一个数据,地壳中的干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭能量的30倍。国内的一些论文,以及来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验研究所的一篇论文中,也引用了这样一个数据:美国在能钻探的深度内,干热岩的有用热量可供美国5000多年的能源需求。 

  涉及到干热岩的数据一般都是天文数字,但其实它并不夸张,因为地球本来就是个大热球,你挖得越深,能接触到的温度当然就越高。而地壳的体积又是那么大,所以总热量必然小不了。 

  然而我们都知道,这些大数据,我们听听就好了。因为如何开采才是核心所在。 

  最简单的开采方式 

  钻个几千米深的“洞”,然后在洞底安放炸药,咚的一声响,相邻的岩石被砸成粉末,并在远处形成无数的细小裂缝,接着,向钻井中注入冷水,冷水在干热岩中被加热,然后抽上来热水。 

    

截图来自《地热学导论(联邦德国BuntebarthG.著)》 

  这种方法简单粗暴,技术低下,目前没有哪个国家使用。 

  最难的开采方式 

  在干热岩中,先打第一口井,然后注入高压水。 

   

  高温的干热岩遇水后,因为热胀冷缩以及高压的作用会产生无数细小的裂隙,高压水进入裂隙并继续前进,之后,在距离这口井几百米的地方再打第二口井,抽出热水。 

   

  这种方法的好处显而易见,它大大地增加了干热岩与水的热交换面积,然而这种技术充满挑战。 

  比如说,你在第一口井中注入高压水后,这些高压水朝正东方向发展,但你不知道,结果你在东北边打第二口井时,没有如期抽上来热水,你在东南边打第三口井,还是没有抽出热水,然后就没有然后了,你破产了。 

  要想增加抽上热水的概率,最简单的办法是“注水井”距离“抽水井”近一些,打个比方,比如说20米距离,然而,这样的距离形成的热交换面积又太少,这会让干热岩开采变得没有经济价值。 

  以上困难在早期的干热岩开采试验中比较突出,但随着技术的发展,已经有可行的办法知晓干热岩中裂隙的走向了,比如微震监测和声发射监测等。 

  另一个困难是,三四千米深的地下,地形复杂,有时会出现漏水的情况,而你甚至不知道它漏哪去了,比如说你高压打下去1万吨冷水,结果只抽上来100吨热水,亏大了。 

  要想从干热岩中获得足够大、持续时间足够长,比如说20年以上的热能,关键是在数千米深的干热岩中形成一个足够大的换热区,这需要注水井和抽水井相距比较远,比如说1000米。但困难是,你如何使用水力压裂法或是其他什么方法将这1000米厚的岩石连通,而且还得是像毛细血管一样的连通? 

  其他的困难还有,这里不再举例。 

  研究干热岩的意义 

  对于干热岩那些诱人的数据,不少人认为这是专家们在画大饼而已。但实际上,大力研究干热岩的开采技术有着深远的意义。 

  人类第一次进行干热岩开采试验是在第一次石油危机期间(1973年至1974年),那时,原油价格暴涨引起了发达国家经济衰退,据估计,美国GDP增长下降了4.7%,日本下降了7% 

  其实,早在1970年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就提出了从干热岩取热的想法了,只是那时油价还很低,所以想法也只能是想法而已。直到第一次石油危机的到来。 

  数据显示,1976年~1978年,美国能源部为进行干热岩的开采研究每年投资500万美元,1979年提高到1200万美元。 

  美国在新墨西哥州附近进行的干热岩开采试验持续了很多年,19865月进行的30天闭合循环试验中,注入了3.7万立方米的水,回收了66%,减压时又回收了20%的水,而从抽水井中抽出的热水温度达到192℃。目前,已经有少数国家建设了试验性质的干热岩发电站。 

  乐观地看,甭管我们是否利用干热岩,干热岩都老老实实地呆在那里,埋藏深度恒定不变,但人类的技术却是不断提高,当有一天,某些技术突破时,变革就来了。 

  正如页岩气,曾经它也是那可望不可即的宝贝,然而现在,根据美国能源情报署数据,美国页岩气产量占天然气产量的比例,2007年为8.07%,到2012年时,美国页岩气产量占天然气产量的比例为34.85% 

  退一万步,当我们能利用的能源种类越多,就越能对石油价格进行压制。下一次的石油危机不知何时到来,但我们知道的是,石油危机来得越是猛烈,其他种类的能源开采技术所获得的发展就越是迅猛。换句话说,因为页岩气、可燃冰、干热岩能源技术的发展,也许,石油危机迟迟不会到来,或再也不会到来。 

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