—超长重力热管成深层地热高效开发新途径

2020-07-22 08:12:27 中国科学报 　 作者： 池涵  

冷却塔正在释放经由重力热管传导至地面的热量。黄文博供图

地热资源是一种极具竞争力的战略接替能源，按载热介质可分为水热型和干热岩型。干热岩热能开发尽管概念出众、潜力巨大，但国际开发经验表明，深层干热岩中的热能难以取出，开发项目大多入不敷出。

好消息是，近日，中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明团队在干热岩超长重力热管取热研究方面获得突破。研究人员将一根独特的重力热管安装在数千米深度的地热单井中，成功实现从干热岩中持续取热，并将热能传输至地面。

蒋方明认为，该进展不仅为干热岩热能的开采找到了一种全新的技术途径，也为水热型地热资源开发利用提供了一种“只采热、不采水”的解决方案。并且，该技术具有高效、稳定、运行成本低的特点，有望实现较好的经济效益。

只要一口井的“地下锅炉”

“简单来说，热管就是在一个真空管体内部注入一定量的液态工质。而重力热管是热管的一种，它依靠重力实现流体工质的循环流动。”蒋方明告诉《中国科学报》，“液态工质在热管底部蒸发并流向热管顶部，冷凝放热之后液体再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传输至顶部。”

虽然热管技术在航空航天、化工、电力等领域已经有广泛的应用，但通常来说热管的长度一般都在10米以内，若长度超过10米，热管的传热性能就可能会大幅下降，难以维持良好的均温性。

在过去几十年的发展中，重力热管技术的主要难题是如何在长距离、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，提高系统高效稳定性。

也就是说，蒸汽和液体在狭窄的管道中可能会“撞车”。

“这个难题在我们开展的取热试验的设计实施过程中，已经通过热管结构设计和工质优选等方式实现技术突破。”蒋方明介绍称，他们依据具体的地热井地温参数和水文条件优化结构设计及优选工质，使管内外传热物质充分耦合，达到更佳的采热效果。

“我们研发的新型超长重力热管技术，将热管的有效传输距离提升至3千米以上，从而可以实现对埋藏数千米深的地热能的开采。”蒋方明说，他们在近期进行的现场试验中，在地下取热段岩石平均温度为119℃的地热条件下，地面获得了温度最高达90℃的饱和水蒸气，持续采热功率接近200千瓦。

中国科学院广州能源所博士后黄文博告诉记者，重力热管采热系统类似在地下数千米深处建设了一个“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，此后利用蒸汽所包含的内能(主要是潜热)进行发电、供暖，甚至驱动热泵制冷。

此外，记者了解到，该技术并不仅限于干热岩型地热资源的开采。作为一种“只采热不采水”“无泵驱”的高效单井地热开采技术，其也能够在地热水开采受限的区域开采水热型地热资源，其应用范围宽广，并有形成标准化产品的应用前景。

有望解决应用中的工程问题

蒋方明告诉记者，相对于水热型地热资源，干热岩的优点可以归结为三点。

一是质好，即品位高。其原因在于干热岩的高热储温度。数据显示，在10千米深度，青藏高原和帕米尔高原的干热岩热储温度可达450℃，其它地区可达250~300℃，高于75℃的占98%。

高品位的热能决定了干热岩地热能的利用模式不局限于供暖，还具有极大的发电制冷等综合利用的潜力。与太阳能、风能等其他可再生资源相比，地热能的能量输出具有高度的稳定性和持续性，不受气候、昼夜交替影响，可用作基础负荷。地热发电系数高达72%~80%，是风能的3~4倍、太阳能的4~5倍。

二是量大。在地热能中，水热型的地热能仅占不到10%，而超过90%的都为干热岩型地热能。计算结果表明，中国大陆(3~10千米深度)干热岩地热资源总量为20.9×1024焦耳，合714.9×1012吨标准煤，当量相当于目前全球已探明可采石油储量的50倍。若按2%的可开采资源量计算，则是传统水热型地热资源量的168倍，相当于中国2019年能源消耗总量的近3000倍。

三是分布广。在中国境内，干热岩型地热分布广泛，除了青藏高原等温度高、储量大的干热岩靶区以外，京津冀环渤海地区、华南地区等能源需求紧张的地区，也分布有干热岩型地热资源。

既然干热岩资源绿色环保、质优量大，那么目前的应用状况如何呢?

据黄文博介绍，增强型地热系统(EGS)是一种工程实践较多的干热岩型地热开采方案。该系统通过水力压裂在两井或多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，从而持续开采地热能。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。

但就目前来看，该技术仍存在井下连通困难、工质损失严重、投资过高、技术风险大等问题。在世界范围内，迄今仅有极少数工程项目能够实现持续的商业化运行。

“这种技术概念看起来很好，但国际地热界四五十年的实践证明，该技术一次性投入太大，投入产出比太低。”中国科学院院士汪集旸告诉《中国科学报》，“比如法国的苏尔士地热项目总计投入近百亿欧元，但现在发出的电仅2000千瓦，电站本身还要用掉至少200千瓦电，最后能拿到手的也只有1000多千瓦电。”

而重力热管技术相对于EGS的优势在于结构简单，不需要或很少需要水力压裂，投资较小，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、工质损失等问题。此外，热管系统产出气体工质，气体工质热利用的方式比高温水更加多样化，发电、制冷和供热都可以直接使用，无需进行闪蒸就可以直接驱动汽轮机进行发电，大幅简化了地面设备结构。

蒋方明认为，在我国北方地区，该技术能够高效地与地源热泵技术相结合进行供暖，可以获得更高的能量转化效率。

干热岩依然不失为潜力股

2012年中国地质调查局展开了全国范围的干热岩资源调查评价。2017年年初，国家发展改革委、国家能源局、国土资源部联合公布了《地热能开发利用“十三五”规划》，其中提到干热岩的勘探评价重点区域为：藏滇高温地热带、东南沿海、华北、松嫩平原等地。

其中，青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%，温度也最高。青海共和盆地圈定了干热岩体并成功钻探，在其中一个3705米勘探孔，测得孔底温度达到236℃，已构成圈定干热岩资源靶区十字剖面的基础条件，表明我国具有国际认定标准的优质干热岩资源。

其次是华北和东南沿海中生代岩浆活动区(浙江、福建、广东)，分别占总资源量的8.6%和8.2%;东北(松辽盆地)占5.2%;云南西部干热岩温度较高，但面积有限，占总资源量的3.8%。近年来，在华北平原的河北唐山，东南沿海的广东阳江、惠州，福建漳州，海南福山等多个地区均发现优质的干热岩资源，证明上述地区具有较大的干热岩资源潜力。

据蒋方明介绍，该团队自主研发的3000米长度重力热管，近期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。试验结果显示，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℃的饱和水蒸气，持续采热功率接近200千瓦。

“这是世界范围内首次实现干热岩地热资源的重力热管技术‘无泵式’开采，取得了干热岩地热资源开采技术的重大突破。后期我们将在雄安新区等地开展进一步的应用示范。” 蒋方明说。

汪集旸认为，地热资源是一个聚宝盆，有很多问题亟待解决。重力热管单井长距离取热技术的突破，不仅能让干热岩资源更接近实用，对于水热型地热资源的可持续开发，以及众多老油田的水、热资源再利用也有很多潜在价值。