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地热开采:怎么“钻”有讲究

日期:2019-04-16    来源:中国科学报

国际新能源网

2019
04/16
15:41

关键词: 地热开采 地热资源 热量交换

  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,地热能开采技术不断取得突破,干热岩、增强型地热系统、超临界流体等非常规地热技术逐渐走入大众视野,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,该技术有望满足未来几代人的能源供给需求。
 
  报告也肯定了地热是一种简单、安全的化石燃料替代方法。但为了可持续利用地热资源,减少地热利用带来的灾害,地热开采怎么“钻”至关重要。
 
  钻井提速是追求目标
 
  目前,学术界一般将地热分为浅层地热和中深层地热两种地热资源。中深层地热包括地下深度200~3000米的地热能以及地下深度3000米以上的干热岩所具有的热能。
 
  中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室教授宋先知给出的数据显示,我国浅层地热储量约95亿吨标煤,中深层地热储量约1.37万亿吨标煤,干热岩储量约860万亿吨标煤。由此可见,中深层地热及干热岩开采前景可期。
 
  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、完井与开采技术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国际会议上,宋先知介绍了多种钻井提速技术,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,国内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%。
 
  “在胜利、辽河等十多个油田试验的1700多只自振空化射流钻头,在相同条件下,钻速提高12.1%~23.1%。”宋先知表示,“相比油田钻井,地热钻井围压低、温度高,更加有利于空化发生。”
 
  除此之外,钻井液脉冲射流加高频震动冲击联合破岩,诱发岩石共振,在交变应力的作用下,也可进一步提高破岩效率。
 
  不过,除了提高钻速,钻井的过程中需要克服的挑战还有很多,业内专家表示,为确保钻井的结构和质量,还要谨慎考察地层的条件以及钻孔方位,选择合适的钻头,这样不仅能确保工程的顺利进展,还能提升工作效率,降低工程成本。
 
  科学计算回灌井井距
 
  随着地热开发利用的不断发展,地热井的数量和抽水量都逐年增加,有的地方已达到甚至超过资源评价所限定的抽水量极限。只抽不灌,不但不利于保护地热资源,同时也将含有某些有害成分的地表水体渗透到地下,造成不同程度的环境污染。
 
  当前,回灌开采在内的新型地热开采方法逐渐被采用并获得良好的效果,特别是由开采井和回灌井组成的增强地热系统,在实践中得到广泛应用。
 
  中国地质大学能源学院教授李志平表示,增强地热系统通过对地下水的抽取和回灌,完成热量交换过程,由于回灌井与地下含水层初始温度存在差异,如果抽水井和回灌井之间距离较近,在短时间内回灌行为就会影响到抽水井水温,出现热贯通现象,且抽水井水温也很难达到用户要求。
 
  李志平指出,抽水井与回灌井距离过大、过小都有利弊。如果距离大,回灌水在储层中可以充分加热,保持储层热水温度的稳定性,这样采出的水的温度也是恒定的;但与此同时,如果储层渗透率低,回灌井远,可能需要增加灌注泵,从而增加了成本。而如果抽水井和回灌井距离小,虽然能降低灌注成本,但由于距离近流速快,回灌水在储层很可能形成大的通道,造成采出水温度不达标。
 
  因此,在李志平看来,通过科学的计算方法,合理确定回灌井井距非常重要。回灌井井距确定要遵循多项原则,包括尽量降低回灌的成本,不增加回灌泵;回灌造成的井底压力不能破坏储层,把储层压裂;回灌流体要在储层中充分加热,避免井距太近,造成回灌水很快流到采出井底,使得水温降低。
 
  为此,李志平也提出了诸多确定回灌井井距的计算方法,包括管流—渗流协调法,即根据采出井口压力和地层渗透性能确定回灌井井距;地层破裂压力法,即回灌井流入储层不能产生裂缝,以不产生裂缝的距离为合理井距;地层热传分析法,即回灌井注入储层后,流体到采出井时,加热到原来流体的温度时,人为距离是合理的。另外,同时满足以上三个方法的井距也是合理井距。
 
  地热回灌是一项非常复杂的技术,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。
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