「一口井」讓乾熱巖取熱不再難

地熱資源是一種極具競爭力的戰略接替能源，按載熱介質可分為水熱型和乾熱巖型。乾熱巖熱能開發儘管概念出眾、潛力巨大，但國際開發經驗表明，深層乾熱巖中的熱能難以取出，開發項目大多入不敷出。

好消息是，近日，中國科學院廣州能源研究所研究員蔣方明團隊在乾熱巖超長重力熱管取熱研究方面獲得突破。研究人員將一根獨特的重力熱管安裝在數千米深度的地熱單井中，成功實現從乾熱巖中持續取熱，並將熱能傳輸至地面。

冷卻塔正在釋放經由重力熱管傳導至地面的熱量

蔣方明認為，該進展不僅為乾熱巖熱能的開採找到了一種全新的技術途徑，也為水熱型地熱資源開發利用提供了一種「只採熱、不採水」的解決方案。並且，該技術具有高效、穩定、運行成本低的特點，有望實現較好的經濟效益。

只要一口井的「地下鍋爐」

「簡單來說，熱管就是在一個真空管體內部注入一定量的液態工質。而重力熱管是熱管的一種，它依靠重力實現流體工質的循環流動。」蔣方明告訴《中國科學報》，「液態工質在熱管底部蒸發並流向熱管頂部，冷凝放熱之後液體再在重力作用下回流至熱管底部，從而持續將熱量從熱管底部傳輸至頂部。」

雖然熱管技術在航空航天、化工、電力等領域已經有廣泛的應用，但通常來說熱管的長度一般都在10米以內，若長度超過10米，熱管的傳熱性能就可能會大幅下降，難以維持良好的均溫性。

在過去幾十年的發展中，重力熱管技術的主要難題是如何在長距離、高傳熱量的運行工況下實現管底工質的高效蒸發相變，減少溼蒸汽的流動阻力，避免氣液卷攜效應，提高系統高效穩定性。

也就是說，蒸汽和液體在狹窄的管道中可能會「撞車」。

「這個難題在我們開展的取熱試驗的設計實施過程中，已經通過熱管結構設計和工質優選等方式實現技術突破。」蔣方明介紹稱，他們依據具體的地熱井地溫參數和水文條件優化結構設計及優選工質，使管內外傳熱物質充分耦合，達到更佳的採熱效果。

「我們研發的新型超長重力熱管技術，將熱管的有效傳輸距離提升至3千米以上，從而可以實現對埋藏數千米深的地熱能的開採。」蔣方明說，他們在近期進行的現場試驗中，在地下取熱段巖石平均溫度為119℃的地熱條件下，地面獲得了溫度最高達90℃的飽和水蒸氣，持續採熱功率接近200千瓦。

中國科學院廣州能源所博士後黃文博告訴記者，重力熱管採熱系統類似在地下數千米深處建設了一個「超級鍋爐」，「鍋爐」的「燃料」即是乾熱巖中的熱能。「鍋爐」產生的蒸汽通過數千米的管道自發地流向地面，此後利用蒸汽所包含的內能（主要是潛熱）進行發電、供暖，甚至驅動熱泵製冷。

此外，記者了解到，該技術並不僅限於乾熱巖型地熱資源的開採。作為一種「只採熱不採水」「無泵驅」的高效單井地熱開採技術，其也能夠在地熱水開採受限的區域開採水熱型地熱資源，其應用範圍寬廣，並有形成標準化產品的應用前景。

有望解決應用中的工程問題

蔣方明告訴記者，相對於水熱型地熱資源，乾熱巖的優點可以歸結為三點。

一是質好，即品位高。其原因在於乾熱巖的高熱儲溫度。數據顯示，在10千米深度，青藏高原和帕米爾高原的乾熱巖熱儲溫度可達450℃，其它地區可達250~300℃，高於75℃的佔98%。

高品位的熱能決定了乾熱巖地熱能的利用模式不局限於供暖，還具有極大的發電製冷等綜合利用的潛力。與太陽能、風能等其他可再生資源相比，地熱能的能量輸出具有高度的穩定性和持續性，不受氣候、晝夜交替影響，可用作基礎負荷。地熱發電係數高達72%~80%，是風能的3~4倍、太陽能的4~5倍。

（網絡配圖）

二是量大。在地熱能中，水熱型的地熱能僅佔不到10%，而超過90%的都為乾熱巖型地熱能。計算結果表明，中國大陸（3~10千米深度）乾熱巖地熱資源總量為20.9×1024焦耳，合714.9×1012噸標準煤，當量相當於目前全球已探明可採石油儲量的50倍。若按2%的可開採資源量計算，則是傳統水熱型地熱資源量的168倍，相當於中國2019年能源消耗總量的近3000倍。

三是分布廣。在中國境內，乾熱巖型地熱分布廣泛，除了青藏高原等溫度高、儲量大的乾熱巖靶區以外，京津冀環渤海地區、華南地區等能源需求緊張的地區，也分布有乾熱巖型地熱資源。

既然乾熱巖資源綠色環保、質優量大，那麼目前的應用狀況如何呢？

據黃文博介紹，增強型地熱系統（EGS）是一種工程實踐較多的乾熱巖型地熱開採方案。該系統通過水力壓裂在兩井或多井間形成連通的裂隙網絡，再通過抽注流體工質的方式，讓工質在地下巖體中循環流動，從而持續開採地熱能。這種方式的出水溫度與採熱量都很高，具有規模化發電潛力，是長期以來開採乾熱巖熱能的主流發展方向。

但就目前來看，該技術仍存在井下連通困難、工質損失嚴重、投資過高、技術風險大等問題。在世界範圍內，迄今僅有極少數工程項目能夠實現持續的商業化運行。

「這種技術概念看起來很好，但國際地熱界四五十年的實踐證明，該技術一次性投入太大，投入產出比太低。」中國科學院院士汪集暘告訴《中國科學報》，「比如法國的蘇爾士地熱項目總計投入近百億歐元，但現在發出的電僅2000千瓦，電站本身還要用掉至少200千瓦電，最後能拿到手的也只有1000多千瓦電。」

而重力熱管技術相對於EGS的優勢在於結構簡單，不需要或很少需要水力壓裂，投資較小，且管內工質不與地下巖體直接接觸，取熱工質僅在封閉腔體內流動，沒有腐蝕、結垢、工質損失等問題。此外，熱管系統產出氣體工質，氣體工質熱利用的方式比高溫水更加多樣化，發電、製冷和供熱都可以直接使用，無需進行閃蒸就可以直接驅動汽輪機進行發電，大幅簡化了地面設備結構。

蔣方明認為，在我國北方地區，該技術能夠高效地與地源熱泵技術相結合進行供暖，可以獲得更高的能量轉化效率。

乾熱巖依然不失為潛力股

2012年中國地質調查局展開了全國範圍的乾熱巖資源調查評價。2017年年初，國家發展改革委、國家能源局、國土資源部聯合公布了《地熱能開發利用「十三五」規劃》，其中提到乾熱巖的勘探評價重點區域為：藏滇高溫地熱帶、東南沿海、華北、松嫩平原等地。

其中，青藏高原南部佔中國大陸地區乾熱巖總資源量的20.5%，溫度也最高。青海共和盆地圈定了乾熱巖體並成功鑽探，在其中一個3705米勘探孔，測得孔底溫度達到236℃，已構成圈定乾熱巖資源靶區十字剖面的基礎條件，表明我國具有國際認定標準的優質乾熱巖資源。

其次是華北和東南沿海中生代巖漿活動區（浙江、福建、廣東），分別佔總資源量的8.6%和8.2%；東北（松遼盆地）佔5.2%；雲南西部乾熱巖溫度較高，但面積有限，佔總資源量的3.8%。近年來，在華北平原的河北唐山，東南沿海的廣東陽江、惠州，福建漳州，海南福山等多個地區均發現優質的乾熱巖資源，證明上述地區具有較大的乾熱巖資源潛力。

據蔣方明介紹，該團隊自主研發的3000米長度重力熱管，近期已在河北唐山海港經濟開發區馬頭營一口乾熱巖地熱深井內成功開展了取熱試驗。試驗結果顯示，在地下取熱段巖石平均溫度為119℃的地熱條件且不經過人工壓裂的情況下，地面獲得了溫度最高達90℃的飽和水蒸氣，持續採熱功率接近200千瓦。

「這是世界範圍內首次實現乾熱巖地熱資源的重力熱管技術『無泵式』開採，取得了乾熱巖地熱資源開採技術的重大突破。後期我們將在雄安新區等地開展進一步的應用示範。」 蔣方明說。

汪集暘認為，地熱資源是一個聚寶盆，有很多問題亟待解決。重力熱管單井長距離取熱技術的突破，不僅能讓乾熱巖資源更接近實用，對於水熱型地熱資源的可持續開發，以及眾多老油田的水、熱資源再利用也有很多潛在價值。（文/池涵）

（文章來源：中國科學報）