探秘“3千米热管深部地热取热”背后的“黑科技”

——访中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明

“一根3000米长管成功深入地下采集地热”，这项由中国科学院广州能源研究所自主研发的干热岩型地热超长重力热管采热技术在前不久召开的第四届全球科技创新大会上获得了广泛关注。超长热管如何在地下数千米深处取热？这项技术的研发攻克了哪些难关？背后潜藏着哪些“黑科技”？推广应用前景及经济社会效益如何？近日，《地源热泵》记者带着这些问题采访了中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明。

图为中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明

新突破

3000米超长热管向深部挺进

地热能是一种清洁、无污染的新能源，储量大、分布广泛，具有极大的发展潜力。近年来，大气污染严重，雾霾治理问题日益突出，浅层地热能开发具有一定的局限性，中深层地热能开发得到了快速发展，且技术日趋成熟。

由中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明带领团队自主研发的干热岩型地热超长重力热管采热技术取得关键突破，即通过设计制造一根3000米长的热管，成功将其安装在干热岩地热井中，实现了中深层地热开发技术的重大突破。

“这项技术其实是利用了超长重力热管来进行中深层地热能开采。”蒋方明介绍，简单来说，就是在一个封闭的真空管体内部注入一定量的液体工质，液态工质在热管底部蒸发吸热变为气态，气态工质自发流向热管顶部并冷凝放热，冷凝液体在重力作用下回流至热管底部，从而持续将热量从热管底部，也即数千米深的地热热储，传输至热管顶部，供给地面的热利用设备。

地热开采实验现场

干热岩地热资源是国际公认的清洁能源，具有资源量大、分布广等特点，是未来地热资源开发利用的重要方向。根据国家能源局发布实施的能源行业标准NB/T10099-2018《地热能术语》指出，干热岩(hot dry rock)，不含或仅含少量流体，温度高于180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。

蒋方明介绍，干热岩型地热开采国际上主流发展技术是EGS，即增强型或工程型地热系统技术。EGS技术是20世纪70年代美国科学家最先提出，这种技术通过水力压裂等手段在干热岩靶区制造人工热储，在两口或多口地热井间形成连通的裂隙网络，再通过抽注流体工质的方式，让工质在地下岩体中循环流动，来持续开采地热能。“这种方式的出水温度与采热量都很高，具有规模化发电潜力，是长期以来开采干热岩热能的主流发展方向。”

“但目前来看，EGS技术还存在地下岩石难于有效压裂、井下连通困难、技术风险大、工质损失严重和投资过高等问题。”蒋方明告诉记者，世界范围内，EGS技术历经50年的发展，已经建立了数十个示范工程，但仅有极少数能够实现间断性的示范运行。而我国EGS技术研发起步晚、整体水平滞后，目前正在青海共和开展首个示范工程建设。

由蒋方明团队提出并自主研发的干热岩热能超长重力热管取热技术独辟蹊径，是不同于EGS的单井取热技术。蒋方明介绍，相对于EGS的优势在于不需要或者较少需要水力压裂，热储工程难度低、技术（及投资）风险小，并且管内工质不与地下岩体直接接触，取热工质仅在封闭腔体内流动，没有腐蚀、结垢问题，热管系统产出气体工质，气体工质的热利用的方式比高温水更加多样化，发电、制冷和供暖都可以直接使用。

新路径

“地下超级锅炉”可供暖发电

一根3000米长管深入地下便可以采集地热，这是一根怎样“神奇”的热管？这项技术背后潜藏着哪些“黑科技”？

蒋方明告诉记者，热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温端传输到低温端。热管具有较高的传热性能和优良的等温性能等特点，是最有效的传热器件之一。他表示，目前各种类型的热管已得到了广泛应用，但通常来说热管的长度一般都在10米以内，如果热管长度在10米以上时，热管的传热性能可能会大幅下降，难以维持良好的均温性。“而我们所提出的新型超长重力热管技术，将热管的有效传输距离提升到3千米以上，从而可以实现对埋藏数千米的地热能的开采。”蒋方明说。

干热岩地热深井取热系统原理图

他向记者介绍，“这项技术最初是针对干热岩型地热开采进行技术攻坚的，其类似在地下建设了一个‘超级锅炉’，‘锅炉’的‘燃料’即是干热岩中的热能，‘锅炉’产生的蒸汽通过数千米的管道自发地流向地面，此后利用蒸汽凝结所释放的热能进行发电、供暖。”

在研发这项技术的过程中，蒋方明团队遇到过数不清的困难，但他们最终闯过了一个个技术难关。

蒋方明告诉记者，超长重力热管技术的主要难题在于如何在长距离、高传热量的运行工况下实现管底工质的高效蒸发相变，减少湿蒸汽的流动阻力，避免气液卷携效应，提高系统运行稳定性。“这些难题在我们开展现场取热试验的设计实施过程中通过热管结构设计和工质优选等方式实现技术突破。”蒋方明说，依据具体的地热井地温参数和水文条件可以进一步优化设计参数和优选工质，进而使管内外传热充分耦合，达到更佳采热效果。

他表示，在我国北方地区，这项技术可以与地源热泵相结合进行供暖，能够获得更高的能效。“值得注意的是，该技术同样适用于水热型地热资源的开发利用，为水热型地热资源开发利用提供了一种更环保的、运行成本更低的‘只采热、不采水’的解决方案。”

新模式

“无泵式”开采中深层地热资源

蒋方明介绍，目前实行工程应用的干热岩开采方案主要有两种。一种是20世纪70年代美国科学家提出的增强型地热系统，这种方法通过水力压裂的方法在干热岩靶区制造人工热储，在两（或多）口地热井间形成连通的裂隙网络，再通过泵压抽注流体工质的方式，让工质在地下岩体裂隙热储中循环流动，来持续开采地热能。“这种方式的出水温度与采热量都很高，具有规模化发电潜力，是当前的主流发展方向。”他说，然而目前该技术还存在井下连通困难、工质损失严重和投资过高等问题，世界范围内，仅有少数工程项目能够实现间歇性示范运行。

另外一种方案是套管式单井开采方案，这种方式通过在井内同轴套管，将水从外侧注入，吸收了高温岩体的热量后，再从内侧通过泵压抽出。“这种开采方式依靠单相工质循环取热，技术简单、投资小，但是提取的地热能以显热的形式储存在循环工质中，采热量及采热温度普遍较低，经济性一般。”蒋方明说。

他分析认为，上述两种技术方案都需要通过泵压进行工质抽取，需要损耗较大的泵功。“我们团队开发的超长重力热管，热管内部注入液体工质，液体工质在热管底部蒸发后，气体工质在压差的作用下，自发地流向热管顶部，经地面热利用设备进行热利用后再冷凝回流至热管底部，从而实现持续的地热开采。”

蒋方明进一步说道，开采过程中，封闭热管内的载热气体工质是在压差作用下自发地逆重力运动的，无需额外的泵功即可实现地热的开采。“这项技术虽然是为开采难度较大，埋藏较深的干热岩型地热设计和攻关的，但由于其技术特点，同样也适用于开采浅层地热和水热型地热，不仅可以降低其开发利用过程的泵功损耗，而且无需取用地下水，更环保更高效。”

河北唐山海港经济开发区马头营干热岩地热深井取热试验现场

《地源热泵》记者了解到，由蒋方明团队自主研发的3000米超长重力热管，前不久已在河北唐山海港经济开发区马头营一口干热岩地热深井内成功开展了取热试验。

“取热试验历时4个月，已经于今年4月底结束。”蒋方明介绍，实验结果显示，在地下取热段岩石平均温度为119℃的地热条件且不经过人工压裂的情况下，地面获得了温度最高达90℃的饱和水蒸汽，持续采热功率接近200千瓦。

“这是在世界范围内首次实现干热岩地热资源的‘无泵式’重力热管开采，取得了干热岩地热资源开采技术的重大突破。”蒋方明及其团队自主研发的干热岩型地热超长重力热管采热技术开启了“无泵式”开采中深层地热资源的新模式。他向《地源热泵》记者透露，后期他们团队将进一步优化热管设计、提升热管采热率，并将在雄安新区等地开展工程技术示范。

新期待

用创新开拓更广阔的发展空间

“干热岩型地热超长重力热管采热技术”应用场景怎样？发展潜力如何？推广应用可能面临的困难是什么？蒋方明解答了记者的疑惑。他表示，超长重力热管采热技术本身还有较大的提升空间，通过不断完善技术创新，相信这项技术未来应用前景会非常广阔。

“对于温度较高的地热资源，该技术可以采用水作为热管工质，产生的蒸汽可直接用来发电或供暖，对于温度较低的地热资源，可以使用高压工质并与热泵技术结合用于建筑供暖。”在蒋方明看来超长重力热管采热技术应用场景非常广泛。他分析说，这种技术相对于EGS的优势在于系统简单，不需要或者较少需要水力压裂，投资较小，技术风险低，并且管内工质不与地下岩体直接接触，取热工质仅在封闭腔体内流动，没有腐蚀、结垢问题，也不会导致水文环境破坏，因此适用于绝大部分的地质环境。但较高的岩石导热率、天然裂隙或地下水流动等情况都会进一步改善该技术取热性能、提高经济性。

蒋方明告诉记者，“超长重力热管采热技术目前还有较大的提升空间，加强热管内、外传热过程协同，提高热管的采热功率，是当前重点研究的工作。”他坦言，钻井费用高是阻碍该技术大范围推广应用的主要问题。考虑到我国目前存在大量的废弃油、气及勘探井，利用这些废弃井建设重力热管地热发电、供暖系统能够大幅降低系统建设成本，极大地提升了技术经济性，具有很好的推广前景。另一方面，该技术还可以和热泵系统相结合，利用浅层地热资源进行供暖，由于500m以内的浅井钻井费用较低，该技术同样能够实现较好的经济效益。

他进一步介绍，热管系统产出气体工质，气体工质的热利用的方式比高温水更加多样化，发电、制冷和供暖都可以直接使用，无需进行闪蒸就可以直接驱动汽轮机进行发电，简化了地面设备。“在我国北方地区，该技术能够与地源热泵技术相结合进行供暖，可以获得更高的能效。此外，该技术并不仅限于干热岩地热资源的开采，作为一种‘只采热不采水’的高效单井地热开采技术，还能够在地热水开采受限的区域开采水热型地热资源，应用前景非常广阔。”

“相关技术进一步发展成熟以后，可以大范围内推广应用，不仅能够取得良好的生态效益，还有望实现较大的经济效益。”蒋方明说。

（注：原文刊登于《地源热泵》杂志2020年11月刊，黄文博供图）