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地熱開采:怎麽“鑽”有講究

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  来源:中国科学报     发布日期:2019-04-22
核心提示:地热能,一种来自地球深处的可再生能源,虽然“小众”但其发展潜力却备受期待。经过多年研究,地热能开采技術不断取得突破,干热岩、增强型地热系统、超临界流体等非常规地热技術逐渐走入大众视野,吸引投资者的目光。
      地热能,一种来自地球深处的可再生能源,虽然“小众”但其发展潜力却备受期待。经过多年研究,地热能开采技術不断取得突破,干热岩、增强型地热系统、超临界流体等非常规地热技術逐渐走入大众视野,吸引投资者的目光。
 
      不久前,美国大型研究机构R&M发布了《2018年地热能分析》报告,报告指出,目前多种勘探、获取地热能的研发活动正在活跃建设中,对一些地热资源丰富的国家来说,该技術有望满足未来几代人的能源供给需求。
 
      報告也肯定了地熱是一種簡單、安全的化石燃料替代方法。但爲了可持續利用地熱資源,減少地熱利用帶來的災害,地熱開采怎麽“鑽”至關重要。
 
      鑽井提速是追求目標
 
      目前,學術界一般將地熱分爲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米以上的幹熱岩所具有的熱能。
 
      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,幹熱岩儲量約860萬億噸標煤。由此可見,中深層地熱及幹熱岩開采前景可期。
 
      就像水电开发一样,基于地热越深,资源量越大,开发难度也就越大,在宋先知看来,钻井、完井与开采技術是地热资源经济高效开发的关键,而钻井提速则一直是钻井人不懈追求的目标。
 
      在近日召开的第八届中深层地热资源高效开发与利用國際会议上,宋先知介绍了多种钻井提速技術,其中,自振空化射流提高钻井速度就极具可行性。
 
      据介绍,空化(汽蚀)危害巨大,流体局部压力低于饱和蒸汽压产生空泡,空泡溃灭时冲击压力可达上千兆帕,破坏力极强。空化射流则能实现变害为利,國內外提出将空化极强破坏力引入水射流,可不提高地面泵压的同时大幅度提高射流破岩效率。而风琴管谐振原理调制自震空化射流方法,射流破岩能力可提高1.3~2.3倍,射流压力脉动增强24%~37%。
 
      “在勝利、遼河等十多個油田試驗的1700多只自振空化射流鑽頭,在相同條件下,鑽速提高12.1%~23.1%。”宋先知表示,“相比油田鑽井,地熱鑽井圍壓低、溫度高,更加有利于空化發生。”
 
      除此之外,鑽井液脈沖射流加高頻震動沖擊聯合破岩,誘發岩石共振,在交變應力的作用下,也可進一步提高破岩效率。
 
      不過,除了提高鑽速,鑽井的過程中需要克服的挑戰還有很多,業內專家表示,爲確保鑽井的結構和質量,還要謹慎考察地層的條件以及鑽孔方位,選擇合適的鑽頭,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汙染。
 
      當前,回灌開采在內的新型地熱開采方法逐漸被采用並獲得良好的效果,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,在短時間內回灌行爲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。回灌井井距確定要遵循多項原則,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。
 
      爲此,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産生裂縫,以不産生裂縫的距離爲合理井距;地層熱傳分析法,即回灌井注入儲層後,流體到采出井時,加熱到原來流體的溫度時,人爲距離是合理的。另外,同時滿足以上三個方法的井距也是合理井距。
 
      地热回灌是一项非常复杂的技術,在业内专家看来,在大规模回灌之前仍然需要进行回灌试验,示踪试验是回灌试验中非常重要的一种手段,对于研究回灌引起地热田冷却的可能性具有重要的意义。
責編:lj

 
 
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