干热岩及其开发利用(2)

干热岩及其开发利用（2）
胡经国
四、干热岩发电试验研究现状
早在1970年，美国人莫顿和史密斯就提出了利用地下干热岩发电的设想。

1972年，美国在新墨西哥州北部打了两口深约4000米的斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体内，从另一口井取出由干热岩体加热产生的蒸汽，试验电厂发电功率达到2300千瓦。

这标志着干热岩开发利用研究从概念模式转入到了试验阶段。

此后，这种发电技术引起了世界各国的关注。

一些经济发达、能源消耗量大的国家竞相开展干热岩发电技术的研发工作，甚至纳入到了国家开发研究计划。

通过国际合作和各国不断努力，美国、日本、英国、法国、德国等国家在过去20年相继进行了有关方面的试验，基本掌握了干热岩发电各个环节的技术。

随着技术的熟练，试验电厂的发电量也逐渐由3MW增大到11MW，更加接近商业开发的规模。

1、世界各国试验研究现状
⑴、美国
在干热岩发电技术方面迈出最大一步的试验是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和能源部在新墨西哥州芬顿山进行的试验。

该试验始于1973年，分两个阶段进行，共有110位科学家和工程师参加。

在第二阶段，德国和日本的科学家也参与了进来。

到1990年止，共投入了3亿德国马克。

最深钻孔深度达4500米，岩体温度为330℃，热交换系统深度为3600米，发电量由最初的3MW到最后的10MW。

试验地选在火山地区，干热岩体为花岗闪长岩，每平方米的地热流值是地球表面平均地热流值的3倍，达250毫瓦。

2001年，美国能源部终止了在芬顿山的干热岩发电试验项目，开始执行名为“高级地热系统”的计划。

美国内务部长会同能源部长责令美国地质调查局建立一个关于干热岩的政府与私人之间的部门合作计划。

该计划要求美国地质调查局勘探、优选并划分出全美国不同利用潜力的干热岩地区，还要为干热岩利用开展一些开发活动并发布相关信息。

⑵、英国
英国卡波尔矿业学校（Camborne School of Mines）在Cornwall实施的干热岩研究项目是迄今世界第二大干热岩试验工程。

该项目始于1977年，先是在300米深度试验，后钻探的最大深度达到2000米。

试验岩体是花岗岩，地热梯度为35℃/km，每平方米热流值达120毫瓦，是英国最高的热流值。

⑶、日本
自1970以来，日本一直有计划系统地研发干热岩发电技术，从而大大地推动了国际干热岩发电技术的进程。

日本已经有4个大的工程项目，各项野外试
验仍在进行之中。

从1980年开始，在日本的山形县，日本通商产业省（MITI）资助了一项旨在研究干热岩发电技术可行性的项目。

打了4个钻孔，深度在2000～2200米之间，岩体温度为250℃。

分别在1991年、1995年、1996年进行了多次短期的水压测试。

通过这些试验，探讨了通过人工压力在干热岩体内形成热交换系统的寿命长短。

1988年，日本教育部和几个私人机构资助了一项研究水与岩体之间热交换的项目，研究地点在岩手县，钻井深度为1500米，岩体温度达200℃。

另外，由电力工业出资，电力工业中央研究所（CRIEPI）实施了Ogachi工程。

该项工程在1990年、1992年和1993年进行了多次测试；1995年还进行了为期一个月的循环测试。

⑷、澳大利亚
2003年，澳大利亚开始了一个有关干热岩利用的项目，项目地点在库珀盆地。

勘查结果显示，在该盆地的热能储量高达500亿桶油当量。

在4500米的深处，干热岩的温度高达270℃。

该项目的开发商是成立于2000年的地球动力学有限公司。

2003年9月，该公司花了1160万澳元钻了第一口注水井，而且通过注水成功地在花岗岩体内生成了一系列永久的连通空隙；并计划在2004年钻第二口井进行水循环与发电试验。

他们认为，如果这些技术可以发展成商业性的开发，那么就可以把干热岩的热能转换成电能，成为全国电力系统的一个组成部分。

此外，新南威尔士州政府也支持由澳洲国立大学属下公司在Hunter Valley开发的干热岩发电试验厂。

⑸、德国
1977-1986年，由欧共体出资，德国联邦研究和技术部在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项干热岩研究。

在深度很浅的情况下，研究岩石的自身裂隙、水压产生裂隙的机制以及水在这些裂隙中的运移机理。

自1987年以来，在阿尔萨斯地区地热能开发试验场，德国联合法国等国的力量对干热岩技术进行了深入研究，已打出两口深度分别为3500米和5000米的试验深井。

结果证明，在非火山活动地区的一般地质条件下，也可以应用该项技术，利用地热能稳定可靠地提供电力。

在德国南部施瓦本地区的小城乌拉赫，也将开始进行一项由德国联邦研究与技术部资助的干热岩试验项目。

德国地热协会估计，德国至少有1/4的电能需求将可以通过干热岩发电得到满足。

在斯图加特附近的Bad Urach，早在1980年就为干热岩的研究钻了一口深为3500米的井，井底岩石的温度为147℃；该井在1992年钻深至4500米，岩体温度达170℃。

目前，由于德国政府加大了在可再生能源方面的投入，因而会有2000万美元的资金用于干热岩电站建设。

2003年末，已按计划钻出了第二口井，一个稍具规模的地下热交换系统已经形成，预计在2004年年中可以发电。

⑹、法国
在法国阿尔萨斯州北部名为索尔茨·索斯·弗列的村庄，来自德国、法
国、意大利和英国的科研人员实施了干热岩发电试验项目。

该试验的资金由欧盟提供。

试验地的干热岩体为裂隙发育的花岗岩；两口井深分别为3590米和3876米，井底温度在150～170℃之间。

1997年，对这两口井进行了为期4个月的循环测试。

此后，深3876米的井钻进至5000米，基底岩体温度高达200℃。

如果试验成功，那么这一欧洲地热开发项目将从2004年开始每年生产20兆瓦的电能，足够为一个人口大约为50000人的城市提供所需的电力。

另外值得一提的是，法国的环境和能源管理机构在地热能开发计划中明确提到，对于可再生能源，在该计划主要关注4个方面中首当其冲的就是干热岩开发利用潜力研究。

⑺、瑞士
瑞士政府支持商业组织对巴赛尔和日内瓦两地的干热岩潜在区域进行勘察，并最终希望能开发利用5000米深处的干热岩热能。

在这个深度下岩体温度接近200 ℃。

⑻、瑞典
位于瑞典西海岸的Fjallbacka，在1984年就被设立为野外试验地，用于干热岩地下热交换系统开发研究，解决地质学与水文地质学问题。

最初，这里钻了深度分别为200米、500米和700米的3口井，用于描绘预想中的地下热交换系统的特征。

2、国际合作计划
最早的国际合作开始于在美国芬顿山的干热岩Ⅱ期工程。

在1980-1986年期间，德国和日本技术人员携带部分资金和相关技术参加到了美国的干热岩研究之中，开创了干热岩领域多国协作研究的先河。

此后，国际能源署（IEA）牵头实施了一系列有关地热利用的国际合作项目。

在众多的地热利用国际合作项目中，与干热岩有关并且最为重要的是“地热执行协议”（GIA）中的一个时间跨度为4年（1997-2001）的重大计划——“干热岩行动计划”（Hot Dry Rock Task）。

参与该计划的国家和组织有澳大利亚、德国、日本、瑞士、英国、美国和欧共体。

该计划由日本的新能源和工业技术发展组织（NEDO）担任总执行机构。

该计划主要是为了对干热岩地热利用技术进行充分研究和开发，力争使干热岩的利用更为经济。

该计划有以下4个子计划。

⑴、子计划A
子计划A的任务是“干热岩经济模型的建立”，主要是通过对工程参数（如井深，地热流流速等）、资源特性（如地热温度梯度）、交换系统性能（阻抗、热水水位降低速度）、费用和经济参量的综合分析，计算出利用干热岩发电的总费用。

⑵、子计划B
子计划B的任务是“传统地热技术在干热岩开发中的应用”，即回顾与总结最新的和今后可能采用的水平钻探技术、裂隙绘图技术以及在传统地热利用中所运用的高压泵技术，从而把相应的技术应用到干热岩开发利用上。

⑶、子计划C
子计划C的任务是“数据的收集和处理”，主要是为今后建干热岩发电厂提供框架性数据，包括项目的计划、特殊工具和服务的适用性，以及回顾与总结世界上较大的干热岩试验工程中所取得的数据、数据分析结果和经验。

⑷、子计划D
子计划D的任务是“对地下热交换系统进行评估”。

该计划的目标是了解并弄清楚开发一个干热岩地下热交换系统需要多少资金，需要多长时间，以及该系统可以持续利用多长时间。

同时，该计划还要介绍一些可以对交换系统进行有效评估的方法、技术和工具等。

从而，可以找出适合在任何一个新地方开发利用干热岩的最佳方案。

2019年6月3日编写于重庆
2019年8月30日修改于重庆。