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基于开挖技术的增强型地热系统:从采矿到采热的战略转型
作者:贺春禄 发表时间:2019年10月28日

 

 

  钻井开发地热能不能作为国家未来能源主结构?在大连理工大学教授、长江学者特聘教授唐春安看来,答案是否定的。

  “40年来钻井的发展已经把答案摆在这里。钻井商业化并不成功,除了技术问题外还可能会造成环境污染等问题。”

  他在2019年国家能源集团清洁电力国际工程技术高端论坛上指出,自己提出的基于开挖技术的增强型地热系统,可实现从采矿到采热的战略转型,并催生新学科的发展。

  干热岩钻井并非最优选择

  唐春安指出,人类化石能源危机仍然存在,因此一定要寻找新的替代能源。“水电是清洁能源里成本最低的,但无法替代所有的化石能源;核电也很好,但还不能称为最理想的安全能源。

  他认为,从目前状况分析,仍看不到风、光能源作为国家能源中的主结构担当的趋势。“其他能源还要努力,尽管地热能占的比重这么低,但还是应该推动地热能的发展。”

  地热能资源与太阳能类似,取之不尽用之不竭。从2018年开始,中国对地热能开发给予强烈关注。目前,美国等西方国家主要采用石油钻井技术。石油钻井技术出现距今已经四十多年了,但还没有一口真正的干热岩商业用井。

  干热岩属于新兴的地热能源,是一般温度大于200℃,埋深数千米且内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。我国在青海省共和盆地首次发现了大规模可利用干热岩资源于,预计青藏高原南部干热岩约占我国大陆地区总资源量的1/5。

  唐春安介绍,事实上钻井法原理很简单,而这也是当年许多国家愿意发展这一技术的主要原因。“钻井1000到5000米,高温达到150到200度时就可以发电。它的优势是持久性与连续的,不存在并网与调峰的问题,优势非常明显。”

  但为什么钻井商业化并不成功?对此,唐春安认为,首先是技术有问题,比如会造成环境的污染、高压水会走大量地表水等。从商业模式而言,投资风险非常大。如2017年韩国地震的诱因据说由钻井所引起的,随后钻井停了一年,再组织全球专家组织调查,最后得出的结论为永久关闭,投资也打了水漂。

  其实,技术并不是阻碍钻井发展最重要的原因,其核心问题为压力路径短。“光电、风电均是不可具像能源。什么叫不可具像?比如水电设计师设计用盆去接水发电,肯定会被人说这是愚蠢的方法。但是现在风电、光电就是依照这种方法‘用盆接’。”

  在唐春安看来,不可具像能源具有发展瓶颈与发展局限。为什么水电不用接水发电而是将河流引导?因为它是具体型能源,而地热也是具体型能源。但是,干热岩不聚热是地热发展的最大问题。

  “即使所有技术问题、环保问题都不考虑,干热岩仍采用现有的钻井法,北京市如果全用干热岩进行发电,需要打多少个钻井?一个钻井能发电三兆瓦已经是很高了,按照这一估算全北京需要两万个钻井。那么全国都用干热岩来发电,又需要多少个钻孔?而且打钻有很多风险,这是不可持续且没有发展前景的。”

  干热岩产业发展在中国几乎为“零起步”,但已经开始准备投资巨额资金在青海省开采。“我个人的观点是,技术能成功但可能不具有商业性。”唐春安坦言。

  除此之外,干热岩钻井还面临着环保、地震等问题。“韩国的地震究竟是不是这个原因所引起的?真有可能是——因为在四千米钻井下就是震源,而且老百姓认为,没搞之前我们这儿连微震都没有,所以肯定与钻井脱离不了关系。”

  基于开挖技术的增强型系统

  针对2017年的韩国地震,《自然》的新闻上曾有这样一句话:“这次灾难我们要考虑了,40多年钻井法发展到现在是否要重新考虑?是否要被替代。”

  唐春安认为,未来的研究发展方向应当为基于开挖技术的增强型系统,“过去用水压增强而现在用爆破增强。什么是自然崩落法?就是通过人工开发一定的空间,但更多的空间是靠自然垮落的,这种垮落自然是不花钱的便可以降低成本,而这是我们最早的方法”。

  国际上将钻井法称为EGS,而唐春安称自己所提出的采矿法为D-EGS,与钻井法基于同一原理,“但我们是打竖井而不是打钻孔,直径10米、20米都可以”。

  唐春安指出,这一技术的可行性包括五个方面的因素:首先全球采矿深度已经超过四千米,换言之人类可在四千米下活动;其次,中国每年都在进行采矿,如神华采矿的巷道量为两万公里,通过这么长的隧道采热就解决能源问题了;第三,我国现在开展这一技术便处于引领的位置,未来就不是引进消化了,这一方法已经在申请专利——不管成功与否,方案都属于中国。

  “事实上,目前中国两台垂直深井掘地机千米的已经下线。第四个优势是,国家在‘十二五’、‘十三五’期间投资无人采矿技术,但无人采矿非常难,采矿开发要保持稳定,要运作提升,但是D-EGS技术则比较简单。国家投资可以做到打井2000米,未来加大投资做到4000米也是没有问题的。实在做不到还招标,让拥有这一技术的南非来打,这不是关键问题。”唐春安分析到。

  第五从经济层面分析,打一个4000米深、直径为10米的竖井可能需要15亿元左。“十五亿元太多,当年发展小水电一个项目可能几十万元就行了。但是不能光比投入,得比较所能提供的效果。”

  唐春安算了一笔经济账:打一口4000米深、直径为10米的竖井需要花费15亿元,但节约的面积相当于钻井法所打的2500个钻井。即便去除1500个钻井,也还能等同于1000头钻井的发电量。

  “投资1000头钻井需要多少钱?按照中国现有的最低价格也需五百亿元。而投资15亿元的一个竖井就可以发电100万千瓦,远远超过制定的2050年干热岩发展计划。”

  不仅竖井的投资成本远远低于钻井法,而且并不会超出现有采矿的技术方法。唐春安强调,钻井法每钻一米均需要花钱,但不可能通过一米自动变成两米,可努力的空间就变小了。“可是D-EGS方法并不是这样,而是使用采矿常用的方法在下面开一条巷道或者一个空间。大概90%的空间是靠自然崩落法,而且90%的空间是开放的,不需要维持稳定,垮的越多越好还增加了热交换面积。与水压方法相比,爆破方法是一种最大可能以低成本去构造的人工热储。”

  采矿与采热结合的双赢模式

  在唐春安看来,D-EGS可以催生一个新学科的发展,而且值得国家投资。“未来可以称之为热矿开采。现在的通风设计、爆破等系统都是完整的,只要加上热矿开采就可以了,这些在国家能源领域开采矿石的基础上发展起来的。”

  2016年5月30日,习近平总主席在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的讲话中指出,从理论上讲,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多小于500米,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。

  对于习总书记的这一段讲话,唐春安非常意外与惊喜,这说明国家开始重视深地领域的发展。

  “那么,地表4000米以下的矿石靠什么技术拿上来?要想采集这个深度的矿石必须要用D-EGS即热矿开采的方法。这个方向是中国地热的发展方向,干热岩发展方向也应当与其一致,走这种技术开发的道路。

  2016年唐春安第一次在国际上提出D-EGS后,便向国家有关部门提交申请成立了研究中心,并得到了1000万的启动资金支持。“我们想推广到国际上进行国际交流,中国工程院的项目也已经将这种采热方法与采矿相结合。众所周知,挖至地下3000米以后采矿便不太合适了,成本也很高,如果能与跟采热相结合就是一种双赢的模式。”

  他总结道,竖井采热有望突破深层地热开发的技术瓶颈,深地工程是采矿大国向强国转化的机遇挑战。“如果用钻井法,地热能可能会发展得很好,但采矿工人要全部下岗,而且钻井法搞了四十年都没有成功。中国有数量庞大的产业技术工人,是不是要考虑他们的未来?我建议用竖井法试试看,试十年也可以,呼吁国家一定要在这个领域投资。既然有上天计划,为什么不能搞入地计划?都说‘上天容易,入地难’——上天给那么多钱当然就容易。我们既然能达到更深的地下,为什么不去呢?”

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