干热岩及其开发利用(4)

干热岩及其开发利用（4）

胡经国

六、干热岩开发原理和步骤

1、开发原理

干热岩开发原理是从地表往干热岩中打一口井（注入井）；在封闭井孔以后，向井中高压注入温度较低的水，产生非常高的压力。在岩体致密无裂隙的情况下, 高压水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂隙。若岩体中本来就有少量天然裂隙，则这些高压水会使之扩展成为更大的裂隙。当然，这些裂隙的方向要受地应力系统的影响。随着低温水的不断注入，裂隙不断增多、扩大，并相互连通，最终形成一个大致呈面状的人工干热岩热储构造。然后，在距注入井合理的位置处，钻几口井并贯通人工热储构造；这些井用来回收高温水、汽，称之为生产井。注入的水沿着裂隙运动，并与周边的岩石发生热交换, 产生温度高达200～300℃的高温高压水或水汽混合物。最后从贯通人工热储构造的生产井中提取高温蒸汽，用于发电和综合利用。利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

2、开发步骤

为了开发地下的干热岩，需要采取以下几个步骤：

⑴、首先，从地表往干热岩体中打一口井（注入井）。

⑵、在封闭注入井井孔以后，向井中高压注入温度较低的水，以产生非常高的水压力。

⑶、高的水压力在干热岩体中产生一个大致呈面状的人工干热岩热储构造。

⑷、在距注入井的合理位置上，再钻几口竖井，贯通人工干热岩热储构造；它们是用来回收高温水、汽的生产井。

⑸、从生产井提取出来的高温水蒸汽可以用于发电和综合利用；使用后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

在注入高压水的时候，如果岩体致密没有裂隙，那么高压水会使岩体在大致垂直最小地应力的方向产生许多裂隙；如果岩体中本来就有少量天然裂隙，那么注入的高压水就会使之扩展成更大的裂隙。之后，随着低温水的不断注入，裂隙就会不断增多和扩大，并相互连通，从而就能形成所谓的人工干热岩热储构造。

注入的低温水沿裂隙运动，不断与周围干热岩发生热交换；注入的低温水经过干热岩体加热之后，最终变成温度高达200～300℃的高温高压水或高温高压水汽混合物。这就是干热岩发电的核心。

七、干热岩发电

目前，干热岩主要用于发电。利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，并且不受季节、气候制约。而且，将来利用干热岩发电的成本仅为风力发电的1/2，只有太阳能发电的1/10。

美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术。

目前，已有少数国家建有试验性干热岩发电厂，而且规模较小。建造一个干热岩发电厂一般需要5年时间，其使用寿命一般在15～20年左右。但是，受经济、技术等条件限制，干热岩发电尚未形成商业规模。

1、干热岩发电基本原理

干热岩发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩体中，使其渗透入岩体人工压裂产生的裂隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（与注入井相距约200～600米左右）将岩体裂隙中的高温水、汽提取到地面；提取出来的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行的。

干热岩发电地面系统采用涡轮发电。

因为干热岩发电既不像火电那样，向大气排放大量的二氧化碳等温室气体、粉尘等气溶胶颗粒物；而且也不像水电那样，因水坝的修建而破坏局部乃至整个河流的生态系统以及在水电厂周围引起各种程度不一的环境地质灾害。因此，干热岩发电几乎完全摆脱了外界的干扰。目前，已有部分国家建设了试验性干热岩发电厂，但规模普遍较小，因此尚未形成商业规模。

2、地下热交换系统模式

采热的关键技术是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统。在试验中，常用的地下热交换系统的模式主要有以下３种。

⑴、人工高压裂隙模式

最早的热交换系统模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热岩体受低温水冷缩作用形成很多裂隙，低温水在这些裂隙间渗透，即可实现进水井（注水井）和出水井（生产井）所组成的水循环系统热交换过程。

⑵、天然裂隙模式

第二种热交换系统模式是英国卡门波矿产学校提出的“天然裂隙模式”，即比较充分地利用地下岩体中已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但是另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了岩体裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换更充分。

⑶、天然裂隙－断层模式

最新的热交换系统模式，即第三种热交换系统模式是在欧洲苏尔茨（Soultz）干热岩工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下岩体中天然裂隙以外，还利用天然的断层系统，这两者的叠加

使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，是不需要通过人工压裂的方式来连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。

3、干热岩发电与传统热电站发电的区别

⑴、采热方式不同

干热岩发电与传统热电站发电的区别主要是采热方式不同。干热岩发电的流程为：注入井将低温水输入热储水库中，经过高温岩体加热后，在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。发电后，将冷却水排至注入井中，重新循环，反复利用。在此闭合回流系统中，不排放废水、废物、废气，对环境没有不良影响。

⑵、需要人工热储水库

天然干热岩没有热储水库，需要在岩体内部形成人工网状裂隙，以使注入的冷水能够被干热岩体加热形成一定容量的人工热储水库。人工网状裂隙热储水库可采用水压法、化学法或定向微爆法形成。

其中，水压法应用最广。它是向注水井高压注入低温水，然后经过干热岩加热产生非常高的压力。在岩体致密无裂隙的情况下，高压水会使岩体在垂直最小地应力方向上产生许多裂隙。若岩体中本来就有少量天然裂隙，则高压水会先向天然裂隙中运移, 形成更大的裂隙, 其裂隙方向受地应力系统的影响。随着低温水的不断注入，裂隙持续增多、扩大，并相互连通，最终形成面状的人工热储水库，而其外围仍然保持原来的状态。

由于人工热储水库在地面以下，可利用微震监测系统、化学示踪剂、声发射测量等方法监测，并反演出人工热储水库构造的空间三维分布。

4、干热岩发电方式

在生产井提取到高温水、蒸汽等中间介质以后，即可采用常规地热发电的方式发电，包括直接蒸汽法、扩容法以及中间介质法等。

⑴、直接蒸汽法

由于直接蒸汽法要求从井下取出高温蒸汽，效率较低，因而应用较少。

⑵、扩容法

扩容法是将生产井中的热水先输送至扩容器，通过减压扩容产生的蒸汽推动汽轮机发电。中国西藏羊八井地热电站就是采用扩容法进行地热发电的。

⑶、中间介质法

目前，研究较多的是应用中间介质法地热发电。蒸发器是中间介质法干热岩发电的关键设备。地热水通过蒸发器把低沸点物质加热，使其产生高压蒸汽并通过汽轮机发电；做完功的排出气在冷凝器中被还原成为液态低沸点物质。

5、干热岩发电优势

干热岩地热资源储量和潜力巨大、绿色可再生，发电成本低廉，是一项战略能源，日益受到世界主要国家的高度重视，已成为新能源中冉冉升起的一颗能源新星。

⑴、能量巨大

世界上每年获取的干热岩能量约为255 TWh，相当于430万桶原油。首先在干热岩中钻一口注入井，并进行压裂，形成裂隙破碎带；再钻一口横穿该裂隙破碎带的生产井；然后将高压水从加压井向下泵入，横穿蓄水池，水流过干热岩中的人工裂隙而过热（水、汽温度可达150～200℃），并从生产井泵上来。发电后的冷却水，再次通过高压泵注入地下热交换系统进行循环利用。

⑵、发电潜力巨大

干热岩蕴藏的热能十分丰富，比蒸汽型、热水型和地压型地热资源大得多，比煤炭、石油、天然气蕴藏的总能量还要大。地下热岩的能量能被自然泉水带出的几率仅有1%，而99%的热岩是干热岩，没有与水共存。因此，干热岩发电潜力巨大。

⑶、绿色可再生

干热岩发电的整个过程都是在一个封闭的系统内进行的，即没有硫化物等有毒、有害物质或堵塞管道的物质，也无任何环境污染。

干热岩开发利用采热的关键技术，是在不渗透的干热岩体内形成热交换系统，从贯通人工热储构造的生产井中提取高温蒸汽，用于地热发电和综合利用。利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

热电联产才是干热岩开发利用的终极目标。与传统的热电站相比，干热岩供暖无废水、废气排放，对有效改善区域内居民的生活环境，实现低碳环保、节能减排、治污减霾具有重要意义。

⑷、发电成本低廉

在正常地温梯度地区（3℃/100m），采用常规技术，发电成本达23美分/kW.h。但是，如果采用线性先进钻井技术，发电成本可降低到6美分/kW.h；中国大庆地区地温梯度达到4℃/100m以上，发电成本将更低。若考虑中国钻井成本低于美国，则发电成本会更低。

干热岩发电的成本由以下三大部分组成：

一是初期的勘探费用、土地使用费、注水井和取水井的钻探费用、监测和跟踪岩石裂隙发育状况的费用（即地下热交换系统发育状况的跟踪费用）；

二是为获取地下热能往井里注入水的水费，以及保持系统压力平衡的注水泵费用；

三是建设地面二级循环系统——发电设备及电厂的费用。

知道了这些，再加上项目费用（指的是电厂的管理费和启动费）后，就可以算出其总的成本（见下表）。

目前，中国风电造价8000元人民币/千瓦，相当于不到1000美元/千瓦。相比之下，干热岩发电成本更高。但是，中国仪器的造价相对国外要低得多。所以，让干热岩发电取代部分风电，成为一种经济实惠的发电方法是可以实现的。

德国在阿尔萨斯地区的试验结果表明，干热岩发电成本要远远低于太阳能光电池等其它发电的成本。

德国学者在综合考虑斯图加特附近Bad Urach干热岩试验基地的各种软、硬环境后认为，在当前向第二代技术过渡的阶段，该地电厂的运行成本是每度电8～10美分，约0.57元（据2003年Geodynamics Limited网站）。这个价格要比当前中国北京居民用电0.44元人民币/度的价格要高一些，但是差距不大。因此，随着干热岩发电技术的成熟和大规模开发，干热岩发电的电价必定会与中国的火电、水电的电价不相上下，甚至会比它们更低。

6、干热岩发电工程技术

干热岩发电的地面工程和机组，与常规发电差别并不大，所不同的是地下工程投入较大。钻井与压裂改造、完井投资占总投资的1/2 左右。

目前，国际上常用的干热岩发电工程技术是：钻一口注入井，在其最大主地应力方向钻两口采水（汽）井，依靠水力压力沟通注水井与采水（汽）井。当然，大面积开发也可以采用油田开发常用布井方案，提高地热利用率。

干热岩发电要求的工程技术包括：超高温条件下的钻井技术、压裂改造技术等。进一步提高采热能力，提高投入产出比，可以采用水平井＋多级压裂改造技术，使一口注入水平井与两口采出水平井取得数十口以上直井的采出效果，进一步提高干热岩发电的效益。

⑴、钻井液技术

目前，水基钻井液耐温极限为240℃，这需要采用抗高温处理剂，并配套采用抗高温增效处理剂。油基钻井液体系可以进一步提高钻井液的抗温能力；但是，对于干热岩来说，与油气井钻井不同，油基钻井液会对储层造成污染，从而增加发电期间水处理成本。

对于300℃以上温度，国内外应用较成功的是采用泡沫钻井液体系。中国石油钻井工程技术研究院与长城钻探合作，曾在肯尼亚钻成过一口地热井，地层温度达到了350℃。这证明，在地层温度达到350℃情况下，泡沫钻井流体可以适应高温要求。该井钻井过程中交替采用了泡沫循环与注水冷却措施，防止循环流体过热导致液体汽化。

⑵、固井与完井技术

干热岩完井一般可以采用裸眼完井，但是对于上部套管及管外水泥环来说，要经受高温水（汽）的考验。因此，在套管设计时应考虑预应力固井，并考虑套管的强度在高温下衰退。一般水温达到200℃时，套管强度下降达到近20%。因此，干热岩井，特别是采出井套管，应考虑更大的安全系数。

固井的水泥浆体系需要考虑抗高温能力。目前的水泥浆体系抗高温极限在180℃左右。对于干热岩固井来说，可能难以达到要求。但是，可以通过固井前充分循环冷却的方式，使固井时循环温度达到满足固井的要求。

固井水泥石的抗温能力是保证水泥环长期有效封隔的关键。目前，在稠油开发中已应用成功的加砂水泥，可以大幅度提高水泥石的抗温能力。一般水泥中加砂量在30～40%，可以适应稠油热采井采用300℃过热蒸汽进行吞吐开采的要求。

⑶、井眼轨道测量技术

井眼轨道测量对于干热岩钻井非常关键；而对于钻定向井与水平井来说，更是关键。电子元件的耐温极限为175℃，这显然不适应干热岩钻井的需要。在泡沫钻井条件下，由于泡沫的隔热能力，采用单点测斜方式，可以满足测斜仪器下入与工作要求。但是，对于钻井液钻井可能就难以满足要求。提高仪器耐热的途径是仪器外加隔热套。目前，有抗温达600℃的隔热良好的隔热套材料（航天九院）。

对于钻定向井与水平井来说，可能采用单点测斜是唯一可用的测斜方式；一方面是由于地层温度太高，另一方面还由于干热岩钻进深度一般较深。在这种情况下，需要发展与单点测斜相适应的井眼轨道控制技术。但是，干热岩钻水平井对于井眼轨道控制精度，并没有油气开发那么高。这一方面是由于干热岩是块状岩体，另一方面是由于压裂的裂隙容易在纵向上延伸，因而轨迹控制精度并不要求太高。

⑷、破岩与提高钻速技术

干热岩上部地层钻井与常规油气钻井没有区别；所不同的是进入干热岩后，地层面临高温与岩石可钻性差的问题。目前，PDC钻头以及涡轮钻具配金刚石钻头，在该类地层提速并没有取得突破。牙轮钻头中金属密封钻头抗温性比普通钻头略高，可以适应该类地层钻进。定向钻进等需要采用井下动力钻具。中国国内耐高温螺杆钻具可以耐210℃高温，基本适应干热岩定向钻井的需求。更高温度下的钻进需要采用涡轮钻具。该类钻具可以没有橡胶密封件，因此理论上可以适应更高的地层温度。

⑸、压裂改造技术

压裂液的抗温能力也影响干热岩的压裂改造；但是可以在压裂前用清水套管内压裂的方式冷却岩石，再进行正常的压裂即可以实现压裂。对于多级压裂来说，目前的封隔器也能适应250℃温度条件下的要求，可满足干热岩的压裂施工。

八、干热岩供热

1、概述

干热岩因其得天独厚的较高温度，其热能一旦成功开采出来，将是冬季供暖的良好热源。但是，因其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。因此，用干热岩技术来进行集中供热采暖是比较合适的选择。

例如，中国陕西四季春清洁热源股份有限公司的干热岩供热技术，目前已成功在陕西省内进行了商业应用。据其施工安装的干热岩供热示范项目——长安信息大厦2013年供暖季的运行数据表明，干热岩供热这一技术在该项目的住宅及商业供热面积共计3.8万平方米，供热效果良好。

2、技术

干热岩供热技术是通过钻机向地下2000～4000米深处高温岩体钻孔，在孔径为200mm的钻孔中，安装一种密闭的金属换热器，通过热载体和介质传热将地下深层的热能导出，并通过专用的换热设备系统（地源热泵系统）向地面供热的新技术。

3、优点

①、普遍适用

钻井位置选定比较灵活，一般不受场地条件制约；每幢建筑物下都有地热能，使用该技术利用地热能在地面上具有普遍性。

②、绿色环保

无废气、废液、废渣等任何污染物排放，能量来自地热，治污减霾效果显著。

③、保护水资源

供热系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与高温岩层换热，不抽取地下热水，也不使用地下热水。

④、安全可靠

地下无运动部件，利用地下高温热源供热，系统稳定。

⑤、系统寿命长

地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑物相当。

⑥、高效节能

专用的吸热导热装置与新材料的使用提高了地下吸热导热效率，一个换热井可以解决1～3万平方米建筑的供暖。

⑦、投资与运行经济

向地下中、深层取热，增加单井取热量，扩大了供热面积，可减少孔数，降低开发成本。在建筑物用地红线内向地下钻井，不需要集中供热的热源和市政配套管网。一次性投资略高于燃煤或燃气供热（大型建筑群可基本持平），但是运行成本仅为燃煤的50%甚至1/3，供热价格远低于燃煤或燃气集中供热。对建筑基础和地质环境无任何影响，而且这种干热岩供热技术，如果加以推广应用，能有效破解和规避浅层地热开发利用中的一些弊端和难题（比如：地下水资源失衡、能耗相对较高，投资偏大等）。

⑧、产业化带动效益明显

以100万平方米建筑为例，与燃煤锅炉相比，一个采暖季（4个月），利

用干热岩供热，可替代标煤1.6万吨，可减少CO2排放4.3万吨，减少SO2排放136吨，更不存在氮氧化物排放。按照钻1口井可满足1～3万平方米建筑供暖计算，100万平方米建筑最多打100口井即可满足需要。从产业带动作用看，钻一口2000米深的井，约需特种钢材50～60吨，按100万平方米建筑计算，100口井就可带动钢材消费约5000吨；同时，还可以带动管材和板材制造、换热器制造、保温材料制造、钻机生产施工等产业发展。

4、存在问题

干热岩供热技术虽然优点众多，但是目前在市场推广应用中也还存在着部分困难和问题：一是该技术为新技术，缺乏相关的政策、法规、技术标准等支撑。二是由于该技术在社会上应用较少，希望得到土地、水务、市政、物价等有关部门的认可和支持。

2019年6月3日编写于重庆

2019年8月31日修改于重庆