開採乾熱巖有哪些難點?中國能利用相當於17萬億噸煤的乾熱巖嗎?

育兒閒談


繼可燃冰之後,在中國青海中和又在3705米地下探測到新能源,這無疑是值得興奮的,在數千米地下深埋著大範圍150度以上的乾熱巖,並且中國探測人員已經首次鑽獲到236攝氏度的乾熱巖,據瞭解這是一種可替代傳統核能和水電的新式能源,有著低汙染高效的熱能提取物,且建設成本投入少,是未來發展必然趨勢。根據最新估值可知目前有17萬億噸可用量,足夠中國燃用4千年!不僅解決了困擾已久的能源短缺問題,還可為國省下1萬萬億元。

乾熱巖廣泛埋藏在地下3到10千米,挖掘出可解決發電,供暖問題,是國際認證過得高效低碳清潔能源。西方國家對其趨之若鶩,但還是被中國斬獲先機。如果按照中國2016年能量消耗43.6億噸標準煤的需求值在計算,乾熱巖將保證未來3900年我國都不用在擔心能源發展問題,併為我國節省出1萬萬億元。當然吃井不忘挖井人,可能很多人都不知中國能不斷勘測到新能源其背後的探路人。

曾經我國深部探測技術差距美國30年,僅支持400米深度探測,對300萬平方公里外海洋財富攤手錶無奈 ,更嚴峻的是歐美大國還對中國實行封鎖。以至中國只好在自謀生路的道路上龜速探求,直到有一個人的回國加速了這個進程徹底改變落後格局,讓中國可以對美國技術說不。這個時代人物便是黃大年,當初為了回國放棄了英國提出的所有誘惑條件,甚至可以跟老婆離婚都不惜這樣去做。回國後做了“深部探測技術與實驗研究項目”的領頭羊,帶領科學家們沒日沒夜的投入到高端設備的研發和實驗當中,對於別人口中的拼命三郎精神,他的回應是這樣的“玩命去幹,祖國需要我們”。就這樣他是真的在玩命的幹,2016年出現病兆黃大年沒當回事,不做停歇繼續地質考察,做好“本職”工作。終於中國在深部探測技術實現突破,追上和美國的落差,可於此同時不幸的噩耗就傳來黃大年膽管癌後期生命停在了58歲。顯然他犧牲自己造福百代,最終探測發現並有能力採挖出這19萬億噸寶藏。供後世沿用4千年,甚至讓守著聚寶盆的島國都為此高價求購。


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乾熱巖一般是指溫度150°以上,內部緻密不透水的高溫巖體。乾熱巖資源主要存在於地殼上層3-10千米深處。20世紀70年代以來,全球許多國家都投入了許多的精力進行試驗研究,稱之為“增強型地熱系統(EGS)”,其中美國、法國、德國、日本和英國等國家經過多年探索與研究已經在乾熱巖發電的基本原理和技術方面取得了很大的進展,但是至今仍然以試驗研究為主,尚未達到大規模的商業化運行。

開發過程為:勘察選址--鑽井--水力壓裂--循環連通試驗--建設電廠。開發原理為:在乾熱巖所在區鑽井並在達到一定深度後封閉井口,通過高壓水力劈裂在高溫巖體中形式裂隙網絡,從注水井中注入冷水,冷水通過高溫巖體加熱形成水蒸氣,通過生產井引出水蒸氣即可用於汽輪機的推動,並進行發電。

難點之一,裂隙網絡的激發,通常的做法是通過高壓水激發裂隙網絡的形成,這裡面涉及很多問題。理想的狀態是形成如毛細血管一樣的密集的裂隙網絡,而不是幾條大的裂隙通道,因為大通道的接觸面積小,熱交換效率低,在密集的裂隙網絡中水被加熱的效率高,但是由於地下巖體本身非常複雜,要想形成理想的水氣循環系統是很難做到的。

難點之二,注入的冷水的流失。地下巖體構造複雜,如果存在斷層等情況,可能導致注入水的大量流失。

難點之三,熱源的持續供熱能力。這個問題和表層岩漿體的流動性,表層岩漿體與地球深部岩漿之間的連通性等因素有關,如何保證乾熱巖在利用過程中溫度長期保持在一個較高水平牽涉到勘察、布井等許多問題。

另外,關於儲量的問題有很多研究數據,總之,儲量非常巨大,有多大?理論上可以將其看作可再生資源。


科壇春秋精選


關於這個問題,中國科普博覽邀請到科學大V寒木釣萌來回答:

面對近日這個大新聞,網友們最大的問題是:

這乾熱巖是怎麼來的?

頁岩氣聞名遐邇,大家都瞭解,但乾熱巖,絕大多數人還是第一次聽說。不過,其成因卻不難理解。

地球的各種神奇常常超出我們的想象,只因為它就在我們腳下,導致我們並沒有過多意識到。

地球內核溫度高達4000℃左右,而一些別的研究顯示,內核某些地方高達5400℃,也許您覺得這溫度不算什麼,不過我們得知道,太陽的表面也才5000多度而已。

並非只有地心擁有很高的溫度,其外層溫度也不低。

地球內部的溫度,從內到外依次降低,而地幔依據深度的不同,溫度也約在2700℃到1200℃之間。

毫無疑問,地球內部的熱量會向地球表面傳遞,於是,我們能得出一個百分百正確的結論:挖的洞越深,洞底的溫度就越高,這就是地溫梯度——每深1千米的溫度增加值。而地殼的平均地溫梯度為每千米25℃,也就是說,平均起來,鑽探的深度每增加1千米就增加25℃。

25℃很小,但它只是平均值,很多地方,溫度變化遠大於25℃,這就是地溫梯度異常。比如說,我國在青海這次打的井,打到3705米時,乾熱巖溫度就上升到236℃了。

乾熱巖的定義比較寬泛,通常是指埋藏超過2000米,溫度超過150℃的高溫巖體,其特點是無水或含水量極少。而與之相對的是“溼熱巖”,這種高溫巖體中存在天然的裂隙和水。

乾熱巖的能源儲量

在《深部地熱鑽井與成井技術(胡鬱樂)》一書中引用了這樣一個數據,地殼中的乾熱巖所蘊含的能量相當於全球所有石油、天然氣和煤炭能量的30倍。國內的一些論文,以及來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗研究所的一篇論文中,也引用了這樣一個數據:美國在能鑽探的深度內,乾熱巖的有用熱量可供美國5000多年的能源需求。

涉及到乾熱巖的數據一般都是天文數字,但其實它並不誇張,因為地球本來就是個大熱球,你挖得越深,能接觸到的溫度當然就越高。而地殼的體積又是那麼大,所以總熱量必然小不了。

然而我們都知道,這些大數據,我們聽聽就好了。因為如何開採才是核心所在。

最簡單的開採方式

鑽個幾千米深的“洞”,然後在洞底安放炸藥,咚的一聲響,相鄰的岩石被砸成粉末,並在遠處形成無數的細小裂縫,接著,向鑽井中注入冷水,冷水在乾熱巖中被加熱,然後抽上來熱水。

截圖來自《地熱學導論(聯邦德國Buntebarth,G.著)》

這種方法簡單粗暴,技術低下,目前沒有哪個國家使用。

最難的開採方式

在乾熱巖中,先打第一口井,然後注入高壓水。

高溫的乾熱巖遇水後,因為熱脹冷縮以及高壓的作用會產生無數細小的裂隙,高壓水進入裂隙並繼續前進,之後,在距離這口井幾百米的地方再打第二口井,抽出熱水。

這種方法的好處顯而易見,它大大地增加了乾熱巖與水的熱交換面積,然而這種技術充滿挑戰。

比如說,你在第一口井中注入高壓水後,這些高壓水朝正東方向發展,但你不知道,結果你在東北邊打第二口井時,沒有如期抽上來熱水,你在東南邊打第三口井,還是沒有抽出熱水,然後就沒有然後了,你破產了。

要想增加抽上熱水的概率,最簡單的辦法是“注水井”距離“抽水井”近一些,打個比方,比如說20米距離,然而,這樣的距離形成的熱交換面積又太少,這會讓乾熱巖開採變得沒有經濟價值。

以上困難在早期的乾熱巖開採試驗中比較突出,但隨著技術的發展,已經有可行的辦法知曉乾熱巖中裂隙的走向了,比如微震監測和聲發射監測等。

另一個困難是,三四千米深的地下,地形複雜,有時會出現漏水的情況,而你甚至不知道它漏哪去了,比如說你高壓打下去1萬噸冷水,結果只抽上來100噸熱水,虧大了。

要想從乾熱巖中獲得足夠大、持續時間足夠長,比如說20年以上的熱能,關鍵是在數千米深的乾熱巖中形成一個足夠大的換熱區,這需要注水井和抽水井相距比較遠,比如說1000米。但困難是,你如何使用水力壓裂法或是其他什麼方法將這1000米厚的岩石連通,而且還得是像毛細血管一樣的連通?

其他的困難還有,這裡不再舉例。

研究乾熱巖的意義

對於乾熱巖那些誘人的數據,不少人認為這是專家們在畫大餅而已。但實際上,大力研究乾熱巖的開採技術有著深遠的意義。

人類第一次進行乾熱巖開採試驗是在第一次石油危機期間(1973年至1974年),那時,原油價格暴漲引起了發達國家經濟衰退,據估計,美國GDP增長下降了4.7%,日本下降了7%。

其實,早在1970年,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室就提出了從乾熱巖取熱的想法了,只是那時油價還很低,所以想法也只能是想法而已。直到第一次石油危機的到來。

數據顯示,1976年~1978年,美國能源部為進行乾熱巖的開採研究每年投資500萬美元,1979年提高到1200萬美元。

美國在新墨西哥州附近進行的乾熱巖開採試驗持續了很多年,1986年5月進行的30天閉合循環試驗中,注入了3.7萬立方米的水,回收了66%,減壓時又回收了20%的水,而從抽水井中抽出的熱水溫度達到192℃。目前,已經有少數國家建設了試驗性質的乾熱巖發電站。

樂觀地看,甭管我們是否利用乾熱巖,乾熱巖都老老實實地呆在那裡,埋藏深度恆定不變,但人類的技術卻是不斷提高,當有一天,某些技術突破時,變革就來了。

正如頁岩氣,曾經它也是那可望不可即的寶貝,然而現在,根據美國能源情報署數據,美國頁岩氣產量佔天然氣產量的比例,2007年為8.07%,到2012年時,美國頁岩氣產量佔天然氣產量的比例為34.85%。

退一萬步,當我們能利用的能源種類越多,就越能對石油價格進行壓制。下一次的石油危機不知何時到來,但我們知道的是,石油危機來得越是猛烈,其他種類的能源開採技術所獲得的發展就越是迅猛。換句話說,因為頁岩氣、可燃冰、乾熱巖能源技術的發展,也許,石油危機遲遲不會到來,或再也不會到來。


本文由科普中國出品,寒木釣萌製作,中國科學院計算機網絡信息中心監製。

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中國科普博覽


作為一名資深石油人士,我簡單回答這個問題吧。主要難點有三:1,勘探難:乾熱巖大多分佈於高原地帶,板塊碰撞區,構造斷層發育區,基本都是杳無人煙的地方,寫給勘探造成巨大困難。2,鑽井難:乾熱巖大多埋藏在4000米以下,地層溫度200度以上,這給鑽井技術和泥漿技術造成極大挑戰。3壓裂難:乾熱巖開採必須採用大型水力壓裂。而且這是最為關鍵的一環。重新開發壓裂液體系,改進壓裂設備,構思壓裂工藝流程……就需要大量工作。另外,壓裂水資源的匱乏也是限制乾熱巖發展的瓶頸問題。

所以,就目前看,乾熱巖開採技術的發展,我認為至少還得5年左右時間的積累和沉澱。


國泰鑽採


乾熱巖就像是一個埋在地底的巨大的石頭爐子,它由下方的地幔熔岩加熱,所以從理論上說它擁有無窮無盡的能量。

以前人類利用地熱發電主要是開採地下的熱泉,把高溫熱水抽出來推動蒸汽輪機。但地球上可以開採拿來推動蒸汽輪機的溫泉實在太少,只能建比較小的發電站,形不成氣候。

乾熱巖不一樣,它的熱量非常豐富,只要打幾口很深的井,把冷水從一端壓進去,就可以把地底岩石壓出很多的裂縫,另外的出口就可以噴出高溫水蒸汽,水蒸汽推動蒸汽輪機發電後,冷卻下來的水又被灌入地下形成一個循環。因為地下岩石是不透水的,所以就像是一個天然的大鍋爐,可以源源不斷地產生蒸汽用來發電。

可以說,乾熱巖是至今為止人類發現的最清潔最環保也最便宜的能源。對地熱能全面的開發利用將極大改變我們的能源利用模式,以後燒煤燒油的火電站就可以不用再建了。

祝福我們的人民!


周志宏glee


1、什麼是乾熱巖?它是怎麼來的?

乾熱巖是自然溫度大於200℃,埋深數千米,無裂隙、無流體的高溫巖體。通俗可以把它理解為“會發熱的石頭”,其開發利用方向廣泛,可以用於發電、供暖、強化石油開採等方面。

作為全球公認的高效低碳清潔能源,其資源量巨大,單可採量據估就達17萬億噸,這是什麼概念?去年一年,中國的能源消耗總量摺合也僅為43.6億噸標準煤!也就是說,這相當於中國去年一年能耗總量的3900倍,可用3900年

那它到底是怎麼來的呢?其實幹熱巖也是一種地熱能。地熱能是來自地球深處的可再生性熱能,它起於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變。乾熱巖的熱能賦存於各種變質岩或結晶岩類巖體,較常見的岩石有黑雲母片麻岩、花崗岩等。

乾熱巖的應用過程是先形成注採井網,一般先將注入井進行壓裂改造,形成裂縫系統。將高壓水從加壓井向下泵入,水流過熱巖中的人工裂隙而過熱(水、汽溫度可達到150~200℃),並從生產井泵上來,在地面用於發電,發電後尾水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統,進行循環利用。

2、開採乾熱巖面臨的“三座大山”

乾熱巖具有清潔環保零排放、資源總量巨大、不受季風、氣溫影響、生產成本極低等能源優勢,但由於乾熱巖本身所處環境複雜且資源勘查開發上存在技術障礙,我國目前乾熱巖的開採還面臨一定難題。

“大山”之一在於乾熱巖分佈環境複雜,勘探難度大。乾熱巖多分佈於板塊碰撞區,且埋藏深達幾千米,地層溫度200度以上,這對勘探和鑽頭耐熱性等技術要求很高;且乾熱巖的溫度難以長期保持較高水平,究其原因,涉及表深層岩漿的連通性問題和勘察、布井等技術難題。

“大山”之二在於構造複雜的地下巖體存在斷層。注入的大量冷水因斷層而流失,注入水與熱巖接觸這一步驟就難以順利完美達成。

“大山”之三在於密集的裂隙網絡形成有難度。乾熱巖的開採需要通過高壓水來激發密集裂隙網絡的形成,但由於裂隙大通道的接觸面積小、熱交換效率低,加上地下巖體本身的複雜性,導致了這種理想的密集裂隙網絡難以形成。總之,乾熱巖開採所需水力壓裂技術、工程設備和人力消耗問題也是目前我國乾熱巖開採面臨的難題。

3、國外乾熱巖的開採

目前,國外對乾熱巖已經進行了二三十年的研究,最早對乾熱巖進行研究的國家是美國。1974年, 美國在芬頓山鑽了第一眼深井, 拉開了乾熱巖研究的序幕。

日本有關項目始於1990年,項目組通過微震監測估計出裂隙系統的位置,並使新井鑽入裂隙系統中。舊井與新井之間水力聯繫得到改善,注水回收率大幅提高。這表明,將後鑽井鑽入已有裂隙系統,遠比同時鑽進而後通過水力壓裂建立聯繫的方法有效。

而澳大利亞關於乾熱巖的研究也進行已久。其1井完井於4421m深處,並使用鹽水進行水力壓裂;2012年又鑽4井,與1井組成一注一採系統。注水生產試驗中流量達到25kg/s,生產井口溫度210℃

雖說我國在青海3705米深處鑽獲了236℃高溫乾熱巖,證明我國在鑽井、壓裂等技術方面已經有所進步,但我國在乾熱巖開採上還面臨著“三座大山”的難題,故而中國要利用其相當於17萬億噸煤的乾熱巖,在當前一段時期內還是力不從心的。


金十數據


今年對於能源領域,真是一個不安寧的一年。一會兒可燃冰大熱,說是將來可以取代石油的清潔能源,一會又說發現了乾熱巖,媲美17萬億噸煤,國家也來湊熱鬧,各國都放言二三十年內,燃油車將被電車取代,諸如此類……其實這些資源的勘探固然取得了很大的進步,但事實是仍未取得突破性進展,要達到商業化應用,也遠達不到新聞媒體標題的“吹捧”。

什麼是乾熱巖資源

乾熱巖,說白了也是傳統地熱能的一種,只不過換了個說法,讓大家感覺耳目一新。地熱能大部分是來自地球深處的可再生性熱能,它起於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變,按照其儲存形式,地熱資源可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、乾熱巖型和熔岩型5大類。乾熱巖則是一般溫度大於200℃,埋深數千米,內部不存在流體或僅有少量地下流體(緻密不透水)的高溫巖體。

開發乾熱巖資源的原理是從地表往乾熱巖中打一眼井(注入井),封閉井孔後向井中高壓注入溫度較低的水,然後加壓,將儲層岩石壓裂,同時在注水井周圍部署採出井,通過注入冷水,採出熱水,將熱量帶出。帶出來的熱量可以用於發電(最主要的方式)或其他循環利用。

今年在青海鑽獲的乾熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分佈範圍廣的特點,填補了我國一直沒有勘查發現乾熱巖資源的空白。從乾熱巖地熱資源區域分佈看,青藏高原南部約佔我國大陸地區乾熱巖總資源量的1/5。

開採乾熱巖的難點

要開發乾熱巖資源需要人工熱儲壓裂等多種關鍵技術的支持,因此乾熱巖資源距離開發還有較長的路要走。比如,開發乾熱巖地熱資源需要深井鑽探,鑽打高溫巖體鑽頭的耐熱度需要達到350℃。另外,在實際工作中需要應用防斜鑽井技術,這將增加開發過程中的難度和生產費用。目前,我國在鑽井、壓裂、微地震監測、數值模擬等方面的技術雖然有了較大提升,但在建立乾熱巖開發利用技術體系方面還面臨很多瓶頸,如高溫科學鑽探技術、大面積人工熱儲壓裂技術、人工熱儲裂隙跟蹤技術等關鍵技術研究還需要進一步加大力度。

乾熱巖的開發利用,需要藉助大量水的循環,每次提取地熱資源時,都要給地下岩石水庫注水,在循環過程中還要對流失的水不斷補充。因此,充足的水源供應是開發利用熱幹巖的一項重要條件。當然,目前也有專家正在研究用超臨界的二氧化碳作為循環液。這種方法可以避免水溶液注入可能產生的一系列問題,同時實現二氧化碳的資源化。不過,這項研究才剛剛起步,仍有不少技術難題有待解決。

其實,從1904年意大利托斯卡納的拉德瑞羅第一次用地熱驅動0.75馬力的小發電機投入運轉,並建造了第一座500千瓦的小型地熱電站算起,地熱發電至今已有超過百年的歷史了。如今,新西蘭、菲律賓、美國、日本等國都先後投入到地熱發電的大潮中。其中,美國地熱發電的裝機容量居世界首位。進行乾熱巖發電研究的還有英國、法國、德國和俄羅斯,但迄今尚無大規模應用。

與國外上世紀70年代開始開展乾熱巖勘查與開發利用相比,我國對乾熱巖的開發利用相對較晚,因此實現大規模開發需要更多的投入,才能達到或趕超國際先進水平。

應該說,乾熱巖是頁岩氣、煤層氣、頁岩油、太陽能熱發電、地熱能利用、海洋能發電等未來國家重點發展支持能源項目中的一個,雖然潛力巨大,但商業化進程依然緩慢


藍藻能源


中國是個地熱資源豐富國家,在七十年代我們開發了西藏羊八井地熱資源,羊八井是溼熱地熱井,羊八井地熱井由大慶鑽井公司鑽井,羊八井地熱開發試驗區,被稱為溼熱田。這個溼熱田熱儲量豐富,有開發價值,在國內地熱田中居中首位,在國際地熱田中也排名第十四位。

目前,羊八井地熱發電和地熱溫室兩項已取得成功。

現在要開發的是乾熱地熱資源,而且為了地熱引到地面必須要四個條件:一,必須打深井,井越深地層溫度越高,地熱傳導路徑越短,為了使熱能轉變電能有高的效率,應當讓傳熱載體(水)達到超臨界溫度374.2℃,而現在熱電站已達到這一溫度,但井越深地層硬度越高,而且溫度升高脆的岩石會變成具有高韌性,我國在打松基六深井(五千米)在三千米以後使用人造金剛石鑽頭,到最後一個金剛石只能打幾十米,地熱井他溫度梯度要比普通井要高,因此打井成本佔了地熱發電很大部分,由於地熱載體高溫並溶解地下鹽類和蒸氣高壓,井下管線和引出管線必須採用不鏽鋼,這井深應在三千米以上;二,熱載體肯定是水,而這水必須要循環使用,並不斷補充,而且當注水中含鹽量過高,必須排放,這時牽涉到環保問題,看當地能否排放,注入水必須用高壓進行注水,注水水壓力根據岩層情況,根據青海地熱地層看肯定在20MPa(200kg/cm2)以上;三,必須要有低溫注入水井和高溫出水井,兩井之間岩層應有裂縫溝通,根據地熱井要求水流通有一定熱交換面積,面積越大熱量交換越大,垂直井的注水井和熱高溫豐是點到點,流體特徵是走最短路,這樣熱交換面積是很小,不適合熱井開採,必須要採用水平井方法,當井鑽到一定深度後,變成水平鑽井,在岩層中形成多個平行井,並且一口是注水井,一口是熱水井,不斷間隔,井打完後在鋼管上打孔,並注入100MPa(1000Kg/cm2)的高壓壓裂液將兩口水平井中間地層壓碎,擴大傳熱面積地下工程工作量工程造價超過地面發電設備;四,地下熱量採出和地層內部熱傳導的平衡點,如不把這點搞明白可能採上幾個月熱水溫度就下降前功盡棄;


乾熱巖熱能採出路遠責重,不妨先打幾口試驗井測量採出熱量與地下溫度梯度變化曲線及鑽井(水平井)成本測算,及地層壓裂指數測定,作一些先期技術準備!


亞力12


這根本不可行,每次獲得能量都是以高壓水的方式,每天得向地下輸多少水?每次輸進去的水又不能完全回收,中國本來就是個缺水的國家,這樣搞就是個罐水的無底洞,而且小規模利用地熱的話可能不對地球地質運動構成大的影響,長期大量開發的話會造成什麼後果誰也不知道,人類給地球內部降溫能不出問題嗎?如果地球內部冷卻了會產生什麼結果誰也不知道,人類是自己作死


凱哥860


用開採地鐵的隧道機垂直鑽一個洞,在地熱資源豐富的地區大約一千米就差不多吧,溫度足有兩三百度,然後在這個洞底擴容放置機器人橫向鑽機,向四周成放射狀水平鑽一千米成之字形,盡頭垂直鑽孔數個,那麼這個地下熱交換“機”,就做好了,下一步安裝管道上面建發電廠。


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