增强型地热系统（EGS）简介.doc

增强型地热系统（EGS）简介随着人类对能源需求的不断增长，大规模地燃烧化石能源已对大气环境和生态环境造成了严重影响，人们越来越担心大量使用传统化石能源所带来的资源枯竭和环境污染问题。在这种情况下，地热能等可再生的清洁新能源越来越受到世界各国的重视。发达国家试验研究表明，利用增强型地热系统（干热岩）发电，几乎不受外界环境影响，几乎不对人类环境产生污染和破坏。而且干热岩这种能源非常丰富，被证明是对人类十分友好的洁净新能源。增强型地热系统，或称工程型地热系统(EGSEnhanced Geothermal Systems)是指在干热岩（Hot Dry Rock）技术基础上提出来的。美国能源部的定义是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出相当数量深层热能的人工地热系统。干热岩是一种普遍埋藏于距地表2千米至6千米深处、温度为150至650的、没有水或蒸气的热岩体。干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等，一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。干热岩的分布几乎遍及全球，它是无处不在的资源。不过，干热岩开发利用潜力最大的地方，还是那些新的火山活动区，或地壳已经变簿的地区，这些地区主要位于全球板块或构造地块的边缘。图1 EGS剖面图增强型地热系统通过注入井注入水在地下实现循环，进入人工产生的、张开的连通裂隙带，水与岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路（见图1）。这个概念本身是一个简单的推断，是模仿天然发生的热水型地热循环系统即现在在全世界大约71个国家，商业生产电能和直接利用热能所采用的系统。增强型地热系统的工作机理概述如下： 图2 开凿注水井 图3 注入水 图4 水压致裂 图5 与注水井对应的开采井图6 多井循环建立增强型地热系统的第一步是进行勘探，以鉴别和确定最适宜的开发区块。然后施工足够深度的孔钻，达到可利用的岩体温度，进一步核实和量化特定的资源及相应的开发深度。如果钻遇低渗透性岩体，则对其进行水压致裂，以造成采热所需的大体积储水层，并与注入井-生产井系统实现适当的连通（如图26）。其他的采热办法，包括井下换热器或热泵，或交替注入和采出(吞吐)的方法。为达到商业性开发目标，30005000m 钻井技术和热电转换技术等都作过研究。在这种俗称“干热岩”的岩体中，通常是只有热，没有裂隙或孔隙，没有渗透性，没有地热流体，所以需要靠井下“压裂”，在高温岩体中造出人造裂隙，连通地下网络，便可以从一眼井灌入冷水，从另一眼井产出高温流体。EGS电站在运行中没有温室气体排放、土地使用适度、总的环境影响小，成本低廉，技术也较成熟，具有深度开发的潜力。EGS与传统地热相比较而言有它特有的优点。传统地热对地质状况的要求非常高，必须在易于接近的地热水源附近，这就限制了其应用的范围。EGS技术则适应在不同的地理区域内进行地热发电。地热能量用于加热经过特别设计、处理的蓄热地层，地层内的热量可取出用于发电。另外，EGS与传统地热系统不同的是，它可以挖掘地下较深位置(约3.69千米)的地热。如果将地热用作发电，与传统化石燃料相比，它不会产生温室气体(CO2)与二氧化硫(SO2)等污染物，与风能、太阳能系统相比，地热发电厂又不受气候和时间的影响，可以日夜工作，提供不中断的电力。所以，如果EGS达到普及，这就意味着，地热能可以在大范围内得到应用。 目前，增强型地热系统碰到较大的难题：一是打深井费用大；二是往热干岩中注入常温水或其他液体时可能会诱发地震；三是目前利用“水力压裂”技术制造裂隙还无法控制热干岩裂隙的大小、数量和方向。所以，需要人们在实施这一工程前要充分做好模拟、预测及对环境影响的评估工作。作为减缓气候变化的措施之一，有人提出了一种以CO2替代水作为传热流体的新型EGS，并可收到地质封存的CO2效用。为此研究了CO2的热物理性质并进行了数值模拟，以探讨这种工程地热储中的流体动力学和热传递问题。研究表明，在裂隙介质中，CO2可较水从岩石中提取更多的热量。同时，CO2具有良好的水力学特性，由于其具有更大的压缩系数和膨胀率，使得浮力增加，从而降低流体循环系统的能耗。CO2EGS在热和水力学方面具有优点，但在水岩相互作用方面存在不确定性，仍需进一步研究。目前还没有关于EGS中CO2质量流量因各种机制损失进入储层中比例的报道，损失比例应与具体EGS储层的渗透率、孔隙率、水化学和矿物组成有关，尽管如此，C02一EGS具有实现大量封存CO2的潜力。2008年3月，一份名为地热资源的将来的研究报告引起美国能源部的震惊。美国马萨诸塞理工学院完成了这份历时3年的研究报告，该报告的副标题是“美国21世纪增强型地热系统的冲击”，报告全文372 页。这项研究计划的目的，是面对美国的人口增长、社会电气化的发展，考虑美国长期能源供应的安全，对抗可能因油价波动或供应中断而招致的经济不稳定，提出地热能能否在2050年提供1108kW 发电的基础容量。研究结果发现，增强型地热系统，或称工程型地热系统( 即以前所称的干热岩)，可以提供这样的电力和热量供应。增强型地热系统是潜力巨大的本土化资源，不像现在开发的水热型高温地热资源那样受地域限制，而且这种清洁能源导致的环境影响最小，还可做到合理的开发投资和有竞争性优势的运行成本，该技术的商业化规模可望在1015 年内实现。研究报告估算全美国增强型地热系统的资源基础超过1300104EJ(E=11018，下同)，还估算了其可开采量超过20104EJ，这是美国2005年基本能源消费量的2000倍。增强型地热系统在世界上已有30 多年的研究历史，但只局限在美国、英国、法国、德国、瑞典、日本、澳大利亚等少数国家。世界上第一个商用增强型地热发电厂已经在德国建成，并于2007年投入运营，每年可发电2200千瓦时。我国常规直接利用地热资源居世界首位。然而，我国对地热资源的利用多局限于地热点、地热田的利用，对开发利用潜力巨大的干热岩却没有足够重视（见表1）。由于资源分布、技术储备等原因，我国的地热发电规模一直不大。为了应对全球气候变暖，减少二氧化碳的排放量，我国也逐渐重视对地热资源的开发。表1 一些国家地热资源利用量国家装机容量发电量非发电利用（万千瓦）（亿千瓦）（万千瓦）美国283.7169.0046.3菲律宾88.854.70墨西哥70.051.24意大利54.832.0032.9日本27.013.59332.1新西兰26.420.6825.8印度尼西亚14.3萨尔瓦多9.53.73尼加拉瓜7.0肯尼亚4.53.48冰岛4.52.8377.4中国2.50.90215.4土耳其2.00.6824.6俄罗斯1.10.25113.3我国在增强型地热系统（或干热岩、高温岩体）领域，只有很少的理论研究，存在大量的空白领域。过去， 我国仅有少数学者发表论文或著作，探讨这一领域，并没有进行实际的研究，一方面因为投资较大，另一方面该工程对地质勘探的要求也较高。2007 年，中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm公司签订了合作协议，共同承担“中国工程型地热系统资源潜力的研究”项目。中澳专家已联合在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查，采集了一些试验样品，进一步的分析测试、模型研究等工作正在逐步进行中。中国是一个具有一定经济实力的大国，更是能源需求的大国，既然美国的增强型地热系统有如此巨大的潜力，在中国也应该大有希望。目前