增强型地热发电技术及发展前景

摘要:介绍了增强型地热系统及其井下换热结构，分析了各种增强型地热系统的优缺点，指出了增强型地热 系统在我国的发展前景，并给出了相关建议。
 
关键词：干热岩；同轴单井;水平换热井;C02增强型系统
    增强型地热系统（Enhanced Geothermal Sys- tem,EGS)是指用人工工程形成的裂隙,从低渗透性的高温热岩中，经济地采出热能进行发电。与 传统地热发电相比，增强型地热发电的热储处于无水（蒸汽）或基本无水（蒸汽）状态，能够解决传 统水热型地热发电受地理分布限制的不足。同时 EGS不像水力发电、风力发电、光伏发电等清洁能 源受气候的严重影响。
1增强型地热发电研究进展
1.1国际研究进展
    增强型地热技术自提出以来，在国际上就掀 起研究热潮。美国、英国、德国、法国、日本、澳大 利亚、瑞士、瑞典等国家已开展较长时间的研究， 不但确定研究靶区，而且在欧洲建成两个商业示 范电站。
    美国是增强型地热系统研究最早的国家。最 早的干热岩发电设想由美国人莫顿和史密斯于 1970年首次提出，1972年在美国芬顿山打了两口 约4000 m的深斜井,首次进行功率达2300 kW的念研究转入到实验阶段。2008年,麻省理工学院 发表关于地热能源的研究报告。这一历时三年的 研究,震惊美国能源部。报告显示,到2050年，美 国应用增强地热系统可实现装机1亿kW,能为 美国提供10%的基础电力负荷10。美国能源部、 谷歌公司均投入资金资助增强型地热系统的研 究，以推动增强型地热系统的应用。
    英国在康沃尔群实施的干热岩研究项目是迄 今为止世界第二大干热岩试验工程,项目始于1977 年。2009年，由欧盟赞助,英国计划在康沃尔群开 展“伊甸园项目”，耗资8700万英镑。该项目热储 位于地表下4 km左右,若项目进展顺利，整个站址 有望为英国提供高达10%的电力需求。
    澳大利亚是另外一个EGS研究进展较快的 国家，目前澳大利亚有7家公司从事EGS活动， 其中以地球动力学公司业绩最为显著。该公司在 澳大利亚的库珀盆地进行电站试验，并曾到中国 寻求合作机会。
    曰本、德国、法国等国家均对EGS进行试验电站的注水试验,并取得一定的成绩。
1.2国内研究进展
    国内对EGS的研究起步较晚。2007年中国能 源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm 公司签订合作协议,共同承担“中国增强型地热系 统资源潜力的研究”项目，并于2009年10月结题。 该项目对我国东南沿海和西藏、云南两大地热潜力 区域进行研究,运用已掌握的大地热流数据进行相 关计算和模型模拟,最后初步选定福建漳州和江苏 北部作为开展后续工作的潜力区。
    2011年6月，广东省地质局召开广东省深部 地热勘探可行性研讨会,邀请国内众多专家学者 参加。会议将深部高温地热资源定为能源资源， 以便区别于目前国内广泛开展的温泉洗浴。
    天津市和海南省的相关单位均对当地的增强 型地热资源进行评估，海南省已有投资单位准备 开展增强型地热项目的可行性研究工作。

增强型地热发电技术及发展前景

                   梁松彬 (广州发展新能源有限公司，广东广州510623)
 
摘要:介绍了增强型地热系统及其井下换热结构，分析了各种增强型地热系统的优缺点，指出了增强型地热 系统在我国的发展前景，并给出了相关建议。
 
关键词：干热岩；同轴单井;水平换热井;C02增强型系统
    增强型地热系统（Enhanced Geothermal Sys- tem,EGS)是指用人工工程形成的裂隙,从低渗透性的高温热岩中，经济地采出热能进行发电。与 传统地热发电相比，增强型地热发电的热储处于无水（蒸汽）或基本无水（蒸汽）状态，能够解决传 统水热型地热发电受地理分布限制的不足。同时 EGS不像水力发电、风力发电、光伏发电等清洁能 源受气候的严重影响。
1增强型地热发电研究进展
1.1国际研究进展
    增强型地热技术自提出以来，在国际上就掀 起研究热潮。美国、英国、德国、法国、日本、澳大 利亚、瑞士、瑞典等国家已开展较长时间的研究， 不但确定研究靶区，而且在欧洲建成两个商业示 范电站。
    美国是增强型地热系统研究最早的国家。最 早的干热岩发电设想由美国人莫顿和史密斯于 1970年首次提出，1972年在美国芬顿山打了两口 约4000 m的深斜井,首次进行功率达2300 kW的念研究转入到实验阶段。2008年,麻省理工学院 发表关于地热能源的研究报告。这一历时三年的 研究,震惊美国能源部。报告显示,到2050年，美 国应用增强地热系统可实现装机1亿kW,能为 美国提供10%的基础电力负荷10。美国能源部、 谷歌公司均投入资金资助增强型地热系统的研 究，以推动增强型地热系统的应用。
    英国在康沃尔群实施的干热岩研究项目是迄 今为止世界第二大干热岩试验工程,项目始于1977 年。2009年，由欧盟赞助,英国计划在康沃尔群开 展“伊甸园项目”，耗资8700万英镑。该项目热储 位于地表下4 km左右,若项目进展顺利，整个站址 有望为英国提供高达10%的电力需求。
    澳大利亚是另外一个EGS研究进展较快的 国家，目前澳大利亚有7家公司从事EGS活动， 其中以地球动力学公司业绩最为显著。该公司在 澳大利亚的库珀盆地进行电站试验，并曾到中国 寻求合作机会。
    曰本、德国、法国等国家均对EGS进行试验电站的注水试验,并取得一定的成绩。
1.2国内研究进展
    国内对EGS的研究起步较晚。2007年中国能 源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm 公司签订合作协议,共同承担“中国增强型地热系 统资源潜力的研究”项目，并于2009年10月结题。 该项目对我国东南沿海和西藏、云南两大地热潜力 区域进行研究,运用已掌握的大地热流数据进行相 关计算和模型模拟,最后初步选定福建漳州和江苏 北部作为开展后续工作的潜力区。
    2011年6月，广东省地质局召开广东省深部 地热勘探可行性研讨会,邀请国内众多专家学者 参加。会议将深部高温地热资源定为能源资源， 以便区别于目前国内广泛开展的温泉洗浴。
    天津市和海南省的相关单位均对当地的增强 型地热资源进行评估，海南省已有投资单位准备 开展增强型地热项目的可行性研究工作。

在传统增强型地热发电系统的基础上，英国 卡门波矿产学校和欧洲Soultz干热岩工程研究中心分别提出天然裂隙模式和天然裂隙-断层模 式。天然裂隙模式充分利用地下已有的裂隙网 络，当人工注入高压水时,原先的裂隙会变宽或错 位更大,增强了裂隙间的透水性。天然裂隙-断 层模式则除了利用地下天然裂隙外，还利用天然 断层，二者的叠加使干热岩的渗透性更好[4。
2.2同轴单井增强型地热系统
    同轴单井增强型地热系统利用套管换热器完 成工质与干热岩的换热。冷工质通过外管泵入井 底,高温工质通过内管抽出发电，内管外壁包裏有 绝热材料，防止内管高温工质与外管冷工质间的 换热。在浅层地层中，套管换热器与岩石、土壤由 绝热水泥隔开,既可以防止套管与地层间的换热, 又可以保护换热器免受腐蚀;在高温干热岩中，套 管换热器由导热水泥包覆，导热水泥可以有效地 改善换热器与岩石间的接触,增大换热面积。
    同轴单井增强型地热系统无需在干热岩中构 造裂隙换热系统，可避免传统增强型地热系统因 构造裂隙换热系统而遭遇的封闭热储构造困难、 诱发地震等瓶颈问题。此外，同轴单井换热系统 构成了井下和井上双闭式循环，能够解决传统增 强型地热系统中工作介质的纯度和腐蚀问题。
2.3基于热管的同轴单井增强型地热系统
    在同轴单井增强型地热系统中，由于井下换 热能力受到岩石导热系数的限制，为了提高同轴 换热器的换热能力，通过在同轴换热器的周围钻 探斜井,布置大型热管，可以有效提高套管换热器 的功率,若干热岩中存在裂隙和流体,则可进一步 提高套管换热器的单井功率。
2.4水平换热井增强型地热系统
    水平换热井增强型地热系统由注水井、水平 换热井及生产井组成。工质从注入井泵入后，在 下降过程中逐渐吸热,在水平换热井及生产井高 温加热段,工质被加热到更高的温度。水平换热 井增强型地热系统结合单井换热系统及传统增强 型地热系统的优点,使用井下闭式循环系统,解决 传统增强型地热系统由于工质混入杂质而带来的 腐蚀和堵塞问题,使用水平井还可以突破单井换 热系统换热能力低的缺点，同时又无需构造复杂 的封闭裂隙热储。
    与单井换热系统相似,水平换热井增强型地
热系统的注入井、生产井在浅层地层用绝热水泥 包覆,而在吸热段及水平井则用导热水泥包覆。
    在水平换热井增强型地热系统中，主要关键井钻井技术,在5.5 km垂直井下钻进直 径为215.9 mm的水平井的位移已可达到约13.8 km,而当水平井直径为374.6 mm时水平位移则 可以达到6.8 kmH。
2. 5基于C02的增强型地热系统
    以CO2为工作介质的增强型地热系统与传 统型地热系统相似,都是通过在干热岩中构造裂 隙换热系统，只是工作介质由水改换为CO2,而 CO2工质具有水工质无法具有的优点卜3。
   （1）工质在循环中不可避免会有损失，用 CO2代替水，可以减少对水资源的占用，降低成 本,而存储部分CO:又可带来附加效益；
   （2）超临界的CO2具有良好的流动性和热交 换性,在透平中CO2比水具有更高的热效率；
   （3）作为溶剂，CO2的溶解性远低于水，且超 临界CO2具有脱水性，可将干热岩中的最初存在的水除去而保持后期工质的干燥性,减少或杜绝 发电设备的腐蚀和堵塞。
3我国增强型地热发展前景分析
    我国干热岩资源量大，据估算，我国大陆 3000 ~ 10000 m深处干热岩资源总计为2. 5×10 25 J,相当于8.6× 10 14 t标煤，是我国目前年度能源 消耗总量的26万倍。与高温水热型地热资源主要分布在藏南、滇西、川西和台湾地区相比，干 热岩资源分布更加广泛,在琼北、滇西、藏南、东南 沿海等地都有希望发现干热岩资源。干热岩的这 种资源特性,有利于在能源需求大,经济发达的东 南沿海地区优先开发，弥补这些地区高温水热型 地热资源的稀缺。
    从政策层面看，国土资源部“十二五”期间将 启动干热岩资源潜力评价工作，积极推进高温地 热发电与干热岩的开发利用。从技术发展角度, 国外已建立起商业示范电站，技术得到初步验证。 随着越来越多的科研机构、大型能源集团参与研发,一旦技术得到进一步验证,增强型地热发电必将成为继风力发电、太阳能发电之后又一能够得到广泛开发的新能源.
4结论与建议
    我国干热岩资源总量大、分布广,增强型地热 发电运行稳定,便于和现有电网的对接，能够避免风力发电、光伏发电严重依赖于气候而带来的电网接纳问题,并可作为基础负荷。建议我国尽快出台类似风力发电、太阳能发电的地热电价政策,推动地热发电事业的发展;及 时启动包括增强型地热资源评估在内的科研立项,着重研究干热岩的勘探、钻井技术；建立试验电站,评估各种增强型地热系统的经济性及可行 性;加强与国外同行的交流与合作，为今后增强型地热系统的大规模开发奠定基础。