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地熱開采:怎么“鉆”有講究

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  來源:中國科學報     發布日期:2019-04-22
核心提示:地熱能,一種來自地球深處的可再生能源,雖然“小眾”但其發展潛力卻備受期待。經過多年研究,地熱能開采技術不斷取得突破,干熱巖、增強型地熱系統、超臨界流體等非常規地熱技術逐漸走入大眾視野,吸引投資者的目光。
      地熱能,一種來自地球深處的可再生能源,雖然“小眾”但其發展潛力卻備受期待。經過多年研究,地熱能開采技術不斷取得突破,干熱巖、增強型地熱系統、超臨界流體等非常規地熱技術逐漸走入大眾視野,吸引投資者的目光。
 
      不久前,美國大型研究機構R&M發布了《2018年地熱能分析》報告,報告指出,目前多種勘探、獲取地熱能的研發活動正在活躍建設中,對一些地熱資源豐富的國家來說,該技術有望滿足未來幾代人的能源供給需求。
 
      報告也肯定了地熱是一種簡單、安全的化石燃料替代方法。但為了可持續利用地熱資源,減少地熱利用帶來的災害,地熱開采怎么“鉆”至關重要。
 
      鉆井提速是追求目標
 
      目前,學術界一般將地熱分為淺層地熱和中深層地熱兩種地熱資源。中深層地熱包括地下深度200~3000米的地熱能以及地下深度3000米以上的干熱巖所具有的熱能。
 
      中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室教授宋先知給出的數據顯示,我國淺層地熱儲量約95億噸標煤,中深層地熱儲量約1.37萬億噸標煤,干熱巖儲量約860萬億噸標煤。由此可見,中深層地熱及干熱巖開采前景可期。
 
      就像水電開發一樣,基于地熱越深,資源量越大,開發難度也就越大,在宋先知看來,鉆井、完井與開采技術是地熱資源經濟高效開發的關鍵,而鉆井提速則一直是鉆井人不懈追求的目標。
 
      在近日召開的第八屆中深層地熱資源高效開發與利用國際會議上,宋先知介紹了多種鉆井提速技術,其中,自振空化射流提高鉆井速度就極具可行性。
 
      據介紹,空化(汽蝕)危害巨大,流體局部壓力低于飽和蒸汽壓產生空泡,空泡潰滅時沖擊壓力可達上千兆帕,破壞力極強??栈淞鲃t能實現變害為利,國內外提出將空化極強破壞力引入水射流,可不提高地面泵壓的同時大幅度提高射流破巖效率。而風琴管諧振原理調制自震空化射流方法,射流破巖能力可提高1.3~2.3倍,射流壓力脈動增強24%~37%。
 
      “在勝利、遼河等十多個油田試驗的1700多只自振空化射流鉆頭,在相同條件下,鉆速提高12.1%~23.1%。”宋先知表示,“相比油田鉆井,地熱鉆井圍壓低、溫度高,更加有利于空化發生。”
 
      除此之外,鉆井液脈沖射流加高頻震動沖擊聯合破巖,誘發巖石共振,在交變應力的作用下,也可進一步提高破巖效率。
 
      不過,除了提高鉆速,鉆井的過程中需要克服的挑戰還有很多,業內專家表示,為確保鉆井的結構和質量,還要謹慎考察地層的條件以及鉆孔方位,選擇合適的鉆頭,這樣不僅能確保工程的順利進展,還能提升工作效率,降低工程成本。
 
      科學計算回灌井井距
 
      隨著地熱開發利用的不斷發展,地熱井的數量和抽水量都逐年增加,有的地方已達到甚至超過資源評價所限定的抽水量極限。只抽不灌,不但不利于保護地熱資源,同時也將含有某些有害成分的地表水體滲透到地下,造成不同程度的環境污染。
 
      當前,回灌開采在內的新型地熱開采方法逐漸被采用并獲得良好的效果,特別是由開采井和回灌井組成的增強地熱系統,在實踐中得到廣泛應用。
 
      中國地質大學能源學院教授李志平表示,增強地熱系統通過對地下水的抽取和回灌,完成熱量交換過程,由于回灌井與地下含水層初始溫度存在差異,如果抽水井和回灌井之間距離較近,在短時間內回灌行為就會影響到抽水井水溫,出現熱貫通現象,且抽水井水溫也很難達到用戶要求。
 
      李志平指出,抽水井與回灌井距離過大、過小都有利弊。如果距離大,回灌水在儲層中可以充分加熱,保持儲層熱水溫度的穩定性,這樣采出的水的溫度也是恒定的;但與此同時,如果儲層滲透率低,回灌井遠,可能需要增加灌注泵,從而增加了成本。而如果抽水井和回灌井距離小,雖然能降低灌注成本,但由于距離近流速快,回灌水在儲層很可能形成大的通道,造成采出水溫度不達標。
 
      因此,在李志平看來,通過科學的計算方法,合理確定回灌井井距非常重要?;毓嗑啻_定要遵循多項原則,包括盡量降低回灌的成本,不增加回灌泵;回灌造成的井底壓力不能破壞儲層,把儲層壓裂;回灌流體要在儲層中充分加熱,避免井距太近,造成回灌水很快流到采出井底,使得水溫降低。
 
      為此,李志平也提出了諸多確定回灌井井距的計算方法,包括管流—滲流協調法,即根據采出井口壓力和地層滲透性能確定回灌井井距;地層破裂壓力法,即回灌井流入儲層不能產生裂縫,以不產生裂縫的距離為合理井距;地層熱傳分析法,即回灌井注入儲層后,流體到采出井時,加熱到原來流體的溫度時,人為距離是合理的。另外,同時滿足以上三個方法的井距也是合理井距。
 
      地熱回灌是一項非常復雜的技術,在業內專家看來,在大規?;毓嘀叭匀恍枰M行回灌試驗,示蹤試驗是回灌試驗中非常重要的一種手段,對于研究回灌引起地熱田冷卻的可能性具有重要的意義。
責編:lj

 
 
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