新“钻燧取火”:人类或将能利用地下3千米岩石的超级热量

今日热点 2022-07-17 13:32 23

摘要:过去几十年,全球许多机构和企业都曾试图从地下深处炽热干燥的岩石中提取地热能,但屡遭失败。7月14日发表在《科学》杂志上的一篇文章,则介绍了全球一些新的地热钻探技...

过去几十年,大理通报一小车坠入洱海:车内4人死亡,事故原因调查中全球许多机构和企业都曾试图从地下深处炽热干燥的岩石中提取地热能,但屡遭失败。7月14日发表在《科学》杂志上的一篇文章,则介绍了全球一些新的地热钻探技术,这些技术,或许能让人类在3000米地下“钻燧取火”的超级梦想变成现实。
在美国犹他州的米尔福德镇,美国犹他大学的地质力学工程师约翰·麦克伦南(John McLennan)试图打破一个困扰他长达45年的诅咒,从地球深处获取丰富的能量。但这一天开始得很不祥。
首先传来的消息是,一场半夜的事故,造成了一名研究人员背部疼痛,不得不在酒店休息。接着又有消息说,埃斯卡兰特沙漠深处钻孔里的地震传感仪出现了故障。大风扫过鼠尾草覆盖的山丘,猛烈地拍打着钻机。这台钻机矗立在沙漠中,高50米,就像一座被放错了地方的灯塔。工人们已经比计划晚了一天,而这会使得项目组每天的消耗增加35万美元。
最终,在日落之前,约翰·麦克伦南决定让这个耗资2.18亿美元、酝酿了4年的项目往前迈出关键一步。项目被称为“地热能研究前沿平台”( Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy,FORGE)。如果成功,FORGE将能示范如何将地下极深处干燥、炽热的岩石变为重要的可再生能源。图一:位于美国犹他州的FORGE项目的大型钻机

图一:位于美国犹他州的FORGE项目的大型钻机

狂风终于不再继续摇晃拖车。拖车里,麦克伦南穿着与前一天一样的棕色毛衣,面对着五个电脑屏幕,眼睛因疲惫而浮肿。拖车的门打开,一个戴着白色安全帽的高个子男人瞧了进来,问,“你准备好让我开始了吗?”
“是的,”麦克伦南回答,“我们准备好了。”
这时,钻机附近强力的水泵仿佛突然苏醒过来,它们开始将数千升的水注入一个洞里,这个洞深达3公里,一直凿到了坚硬的花岗岩层中。
利用深层地热发电:屡败屡战
利用地球内部热量发电的概念很简单。据《科学》杂志介绍,地核的温度接近太阳表面的温度,热量会向外溢出。在一些地方,地热能以熔岩、蒸汽喷口和温泉的形式出现在地球表面。然而,更多的时候,它们仍然被困在深层的沉积物和岩石之中。
地热能潜力无穷。根据一项最新的研究估计,仅在美国,地下岩石中的热量就可以产生超过5000吉瓦的发电功率。这差不多是目前美国所有发电厂装机的5倍。地热能的吸引力还在于,它不燃烧化石燃料,不需要进口;此外,与太阳能电池板和风力涡轮机不同,它可以全天候运行。
然而事实证明,利用这种热量相当困难。一些国家——像在火山活跃的冰岛,已经开始提取地下的热水为建筑物供热和发电。但在大多数地方,岩石中由于缺乏水或者裂缝,无法将热量轻松转移到地表。
几十年来,工程师们一直试图从坚硬干燥的基岩中提取热量,这些岩石的温度能达到250度以上。但大多数努力不仅受挫,而且付出了巨大的代价,有时甚至诱发了具有破坏性的地震。根据国际能源署的数据,目前地热能只提供了全球0.33%的电力,这与1990年相比几乎没有变化。
近年来,这种可再生能源似乎又看到了新的曙光。希望来自于石油和天然气行业开发的技术,例如定向钻探和水力压裂——用高压流体人工压裂深层岩石。人们期待这些提高化石燃料产量的方法能够发挥作用,从而有效、安全地从干燥炽热的岩石中提取能量。
目前在美国,政府机构和私营公司已在这种称为增强型地热系统(enhanced geotherm缅北al systems ,EGS)的技术上投入了数亿美元,但技术也遭遇到了多次失败。因此,位于犹他州东南部偏远地区的FORGE项目备受瞩目。
“如果我们不能使FORGE运作,地热可能将无法发挥作用,”FORGE的负责人、犹他大学的地质学家约瑟夫.摩尔(Joseph Moore)说,“这真的是最后一搏。
对麦克伦南而言,FORGE项目似曾相识。1983年,当他还在一家油田公司担任工程师时,他参与了美国能源部(DOE)的一个项目,尝试开发新墨西哥州杰梅斯山脉的干热岩石。工程师们曾希望通过将水注入岩石深部裂缝,再利用附近的出口井将热水引回地表,制造出一种人工温泉。但大部分注入的水从未重新浮出水面。研究者后来发现,是他们错判了地质状况,水消失在未被探测到的裂缝中。图二:犹他大学工程师约翰.麦克伦南

图二:犹他大学工程师约翰.麦克伦南

几十年后,澳大利亚干旱的库珀盆地(Cooper Basin)中,一座价值1.44亿美元的地热发电厂也发生了类似的事情。泵入井中的的水流入一个此前未知的断层,该项目仅仅存活了5年,于2016年关闭。
在一些地方,“增强型地热系统”(EGS)项目遭遇了更惨痛的失败,用于压裂的高压水注入后导致现有断层滑动,继而引发了地震。2006年,工程师们在地震造成轻微破坏后,关闭了位于瑞士巴塞尔地下的一个EGS项目。11年后,韩国浦项市发生了一场5.5级地震,地震造成1人死亡,数十人受伤,损失超过7500万美元。这场地震可以追溯到附近一个新的EGS项目,在该项目中,操作员在一个此前未知的自然断层附近以高压注入了液体。
此外,在炽热、干燥的岩石中钻探的高成本也是问题所在。专为油田中常见的较软、较冷的沉积岩而设计的设备,在花岗岩等极端高温、坚硬的变质岩中经常会力不从心,状态频发。
如今,全球仅有3个EGS发电厂。它们位于靠近法国和德国边境的地方,总发电功率不到11兆瓦,能够为大约9000个家庭供电。
水平钻井、小型分段压裂技术重新点亮道路
在“增强型地热系统”(EGS)举步维艰之际,石油和天然气行业又出现了一些新的钻井技术。工程师们学会了水平钻井,而不仅仅是垂直钻井。如今,他们可以创造出类似过山车路线一般蜿蜒曲折的井。复杂的转向使钻探人员能够瞄准目标,将石油和天然气从狭窄的岩脉中释放出来。
这些技术进展促使全球政府和投资者重新审视EGS项目。据美国非营利组织“内部空间项目”(Project InnerSpace)的律师兼执行董事杰米·比尔德(Jamie Beard)介绍说,自2020年以来,美国已经出现了20多家地热公司。这比她在过去十年中统计的初创公司还要多。在德国,亥姆霍兹德国研究中心协会((Helmholtz Association of German Research Centers)6月宣布,将投入3500万欧元建立一个新的地下实验室,专门负责深层结晶岩的地热研究,包括EGS。今年4月,美国能源部宣布其将计划在4个EGS试点项目上投入8400万美元。项目将分布在美国不同的地质环境中,以研究从不同类型的岩石中提取热量的最佳方法。
而这些工厂都将以FORGE项目的成果为基础。FORGE项目由美国能源部于2014年发起,目的是建立起一个用于打磨EGS工具的实验平台。2018年,美国能源部宣布犹他大学及其合作伙伴获得了项目基金,他们将在在犹他州的铁路小镇米尔福德附近建造起设施。在那里,地球炽热的内部在逐渐接近地表。图三:FORGE项目的钻井平台

图三:FORGE项目的钻井平台

米尔福德山谷的植被如此之薄,以至于山谷的大部分地质历史暴露在外,就像一本翻开的书。今年早些时候,约瑟夫.摩尔站在一个低矮的由硅石构成的悬崖边,悬崖沿着一座小山的山顶从北向南延伸。“这是一个基本的边界。”他说。
就地热能而言,这堵墙将两个不同的世界分开。向东,地面迅速上升形成矿物山脉的两侧。在悬崖和山脉之间,丰富的地下热水在靠近地表的地方流动。在墙以西,地下水被一层坚硬的花岗岩阻挡,花岗岩的温度可达到235°C。FORGE项目的钻井平台就位于花岗岩上方。
从2020年开始,工作人员开始钻探一口注入井。完成的井直径为22厘米,延伸3.3公里。这口井具有石油水力压裂作业中的标准特征,而这些特征在增强型地热系统(EGS)项目中仍属前沿。例如,FORGE的钻机以接近水平的角度切入目标花岗岩中——角度与岩石中的自然应力相交,使工程师能够扩大岩石中已有的微小裂缝。
在最深的地方,钻机穿透了17亿年前的岩石。传统的金属钻头很难穿过这些石头以及在其之上更年轻的花岗岩层,钻头每小时只前进3米,而且经常碎裂。这促使人们改用镶嵌了人造钻石的更坚硬的钻头——这也是在花岗岩中进行地热钻探的首次。这种钻头穿透岩石的速度提高了10倍。
FORGE钻井还采用了石油压裂作业的标准钢套管。操作人员使用特殊设计的垫圈密封管道,而后在管道内引爆小型炸药,使得管道破碎,暴露出周围的岩石。这有助于一点一点地破碎岩石——这是EGS项目的另一创新之处。
美国斯坦福大学地球物理学家威廉.埃尔斯沃斯(William Ellsworth)说,这种循序渐进的方法可以帮助EGS项目避免在地震敏感区域进行水力压裂而引发断层的可能。但他警告说,在坚硬的基岩中发现问题断层仍然是“一个极其困难的成像问题”。
此外,在FORGE项目中,花岗岩的高温已经造成了垫圈的损坏,这些垫圈通常用于温度较低的石油和天然气井。高温也破坏了地震传感器,这在跟踪水力压裂作业中至关重要。因此,该团队一直在测试特殊的高温垫圈和新的监控工具,包括能够承受热量、同时探测出地球微小振动的光纤电缆。
3000米地下的超级热能可能
今年4月16日,麦克伦南和FORGE团队为他们的第一次大型测试做好了准备:看他们能否在足够的压力下将足够的水泵入井的最深处,以扩大微小的裂缝或在花岗岩中创建新的裂缝。
拖车外,一轮满月从一排水箱上方升起。发动机的轰鸣声回荡在空气中,强大的车载泵将水通过细如意大利面条的管道输送到井中。
在麦克伦南面前的屏幕上,数字开始攀升,数字记录着涌入洞中的水量。工程师们希望这能让他们在岩石中制造出密集的裂缝群,就像针灸师将银针插入特定的神经中一样。
一条红线在屏幕上平缓爬行,显示着水压逐渐上升。最终,这条线波动起来了,在大约28兆帕斯卡的压力处一下子跳起来,超过了大气压力的250倍。颤振是个好消息:这可能意味着岩石就要坍塌了。
在接下来的半个小时里,信号继续令人鼓舞。这些天来,麦克伦南第一次显得如释重负。
很难确切地知道地下近3公里深的地方发生了什么。但在另外一块屏幕前,地震学家吉姆·拉特利奇(Jim Rutledge)正在收集线索。网格上出现了一簇簇黑点,标记着半公里外监测井中的传感器监测到的微小地震。这些微小的震动并不是警报,只是水力压裂按计划进行的表征。
77分钟后,从井中倾泻而下的水量已经增加到每分钟50桶——有些人预测,因为岩石的坚不可摧,FORGE团队将永远达不到这个雄心勃勃的目标。
1个小时后,水泵安静下来。
在成功完成了第一次水力压裂后,FORGE团队在同一井中更高位置又进行了两次后续的水力压裂。现在,团队正在筛选在测试期间收集的大量数据,从而决定下一步的行动。
例如,在测试期间触发的微小地震事件的3D地图将帮助他们决定在哪里钻第二口井。如果一切按计划进行,2023年,他们将把水从第一个洞中泵入,再看是否有水能够从第二个洞里出来。图四:增强型地热系统(EGS)的运作原理

图四:增强型地热系统(EGS)的运作原理

更多的人也在密切关注FORGE项目的进展。瑞士地热公司Geo Energie Suisse的工程师兼首席执行官彼得.迈耶(Peter Meier)是瑞士EGS项目的负责人,他希望FORGE采用的小型分段压裂技术将为降低“增强型地热系统”(EGS)引起破坏性地震的风险指明方向。
其他一些人则急切地想知道,FORGE是否能解决当今吓跑潜在投资者的问题,使得EGS更有商业性。这些问题包括耗时的钻井,设备破损以及井能否产生热水的长期不确定性。
然而,不少人认为相较于FORGE为代表的EGS,其它策略具有更直接的商业前景,他们称为 EGS 2.0。例如,比尔德认为应该瞄准较软,温度较低的岩石,这是石油钻探的熟悉领域。
Sage Geosystems就是一家奉行这一战略的公司。这家总部位于休斯顿的公司由石油巨头壳牌(Shell)的科学家和高管于2020年创立,目标是在沉积岩中利用单井钻探和水力压裂。他们使用一组同心管将冷却流体泵入岩石,并抽出热流体。该公司可能会使用液态二氧化碳代替水,因为二氧化碳的沸点较低。由此产生的蒸汽将驱动专门的二氧化碳涡轮机。
EGS的长期支持者也在尝试一种不同的、技术上不那么具有挑战性的方法。今年夏天,研究人员将在纽约州康奈尔大学校园的沉积岩中钻探一口测试井。虽然岩石温度可能只有100°C, 但这足以产生热水来为大学里所有建筑物供暖。
而对于FORGE,研究人员们认为,在其几公里以下的炎热干燥岩石储存的热量足以为盐湖城大小的城市供电。然而,考虑到它的主要任务是作为一个测试平台,该设施可能永远不会产生足够的电力来点亮单个灯泡。
但在FORGE的负责人约瑟夫.摩尔看来,这并不成为困扰。“我们的目的不是解决所有问题,”摩尔在第一次水力压裂后的第二天说,当时他站在离钻机不远的一条土路上。相反,他说,FORGE的目标是看看它是否可以“将增强型地热系统(EGS)引入私营部门,并探索其更大的可行性。”
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