簡介
勘探地熱井的費用，相比開采石油、煤炭等傳統(tǒng)能源而言，地熱的開采難度仍然較大，這也正是其發(fā)展受限的主要原因。目前，對地熱能的開發(fā)仍局限于地殼淺層，即僅在大陸板塊邊緣的地殼破裂處、大量地熱能傳導到較淺的地方才能為人類利用。即便如此，人們也看到了地熱能未來的廣闊前景。例如位于地殼活動zui頻繁的大西洋中脊上的冰島，依靠200多座火山帶來的得天獨厚的優(yōu)勢，目前已通過地熱能解決了超過50%的初級能源供給（如加熱、發(fā)電等），僅其中的15.9%就可以解決冰島全國30%的發(fā)電需求。這使得冰島1970年至2000年間共節(jié)省了約82億美元，減少了37%的二氧化碳排放。“我國地熱行業(yè)正進入一個新的歷史發(fā)展時期。”
這是記者參加日前在東營召開的2017第九屆中國地源熱泵行業(yè)高層論壇zui大的感受。有行業(yè)人士對記者坦言，“此前國家能源規(guī)劃往往提‘要大力發(fā)展風電、光伏等可再生能源’，地熱就包括在這個‘等’里面，但今年出臺了*地熱能國家發(fā)展規(guī)劃——《地熱能開發(fā)利用‘十三五’規(guī)劃》，地熱在能源發(fā)展中地位的提升由此可見。”
勘探地熱井的費用開啟地熱發(fā)展空間
作為一種可再生清潔能源，地熱資源儲量大、分布廣，具有清潔環(huán)保、用途廣泛、穩(wěn)定性好、可循環(huán)利用等特點，與風能、太陽能等相比，不受季節(jié)、氣候、晝夜變化等外界因素干擾，是一種現(xiàn)實且具競爭力的新能源。
“地熱資源量約4900萬億噸標煤，中國約占資源量的1/6。 地熱利用效率高，地熱發(fā)電平均利用效率達73%，是太陽光伏發(fā)電的5.4倍，風力發(fā)電的3.6倍。”中科院院士、中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟名譽理事長汪集暘表示。 地熱是來自地球內部的熱量，地熱能的產(chǎn)生是通過提取熱量并將其轉化成電能。實際上，熱能通過地下深處的裂縫或斷裂處移動，因此，地熱工程師們必須要對地質情況以及這些裂縫的位置和方向有深入的了解，在這個方面，DNA和納米技術就有了用武之地。
根據(jù)斯坦福大學的一項研究，開啟清潔能源的關鍵可能與我們的DNA有關。通過合成DNA與微觀粒子的結合，Yuran Zhang和一個地熱能研究團隊希望開發(fā)世界上可以廣泛利用但卻往往被忽視的清潔能源。
“目前，盡管有*的地震成像、示蹤試驗和其它成像及傳感技術，但是對于儲層裂縫網(wǎng)絡的分布還不是很清楚，”這篇研究論文的*作者Zhang說，他是斯坦福大學地球、能源與環(huán)境科學學院的研究生。
納米示蹤劑能夠帶給我們更多的儲層信息，從溫度的分布到裂縫的幾何形狀，”Zhang繼續(xù)說道。
醫(yī)學研究人員已經(jīng)試驗了將藥物包裹在納米粒子中，讓其在人體內循環(huán)，在某個特定溫度下納米粒子熔化或打開從而將藥物釋放出來，達到治療目的。地球內部的溫度較高，地熱納米示蹤劑基本上能夠以同樣的方式工作，使研究人員可以更好地了解地下熱能資源。
油藏工程師將示蹤劑注入到地熱場中來繪制圖像，在遍布于較大區(qū)域的多個站點，工程師們會重復這樣的工作。如果粒到其它熱能井中的話，想要確定它們從哪個熱能井開始進入的，就幾乎不可能了。這就限制了更好利用地熱能所需的關鍵信息。
在納米示蹤劑中加入DNA就能在很大程度上解決這個問題，”Zhang說。“DNA幾乎有無限多個序列號。利用*的DNA標記將每一批示蹤劑進行編碼，我們就能獲得我們需要的溫度分布以及裂縫幾何形狀的清晰圖像。”
在這項研究中，Zhang和她的研究團隊在二氧化硅納米粒子和一個額外的二氧化硅殼之間以合成的方法嵌入衍生的DNA分子。然后，他們通過沙袋，在不同溫度下，將這些粒子注入，看看*的DNA標簽和二氧化硅殼是否能在旅途中存活下來，這種情況類似于它們在熱能場中的經(jīng)歷。
“我們非常驚訝地發(fā)現(xiàn)粒子能夠在302華氏度（150攝氏度）的高溫下存在，這意味著它們可以在地熱場的環(huán)境下生存，”Zhang說。
目前，雖然更好地了解地下情況對于開發(fā)地熱場有利，但是未來的地熱發(fā)電可能來自于增強型地熱系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中人們將水注入地下致巖石破裂從而擠出地熱。
“這個初步研究結果讓我們向利用地熱資源邁出了重要一步，而地熱資源目前是非常難以開采的，”這項研究的合作者羅蘭·霍恩稱，他是斯坦福地熱項目（Stanford Geothermal Program）的主任。
“由于不同的地質情況和裂縫的幾何形態(tài)，每一個增強型地熱系統(tǒng)都是*的，”霍恩說。“為了正確地開發(fā)系統(tǒng)，我們需要了解，這些裂縫是如何連接在一起的，以及溫度場是如何分布的。DNA嵌入納米示蹤劑是一個得力的工具，能夠幫助我們提升地熱能的利用潛力。”
保守估計，如果增強型地熱系統(tǒng)能夠被優(yōu)化的話，有一天，地熱能可以提供世界上5%的電力供應。雖然這個數(shù)字聽起來很小，但是霍恩和Zhang認為地熱能將在我們未來的能源領域扮演重要的角色。
鉆探技術難點
（1）粘鉆及縮徑。地熱井鉆進較厚的第三系泥巖地層及頁巖夾層時，因泥頁巖為水敏性溶脹分散地層，膨脹縮徑、泥漿增稠，鉆頭泥包，在鉆井中常遇到不同程度的遇阻、卡鉆、縮徑等情況。
三牙輪鉆頭鉆進泥頁巖時，巖屑常存于牙齒之間，形成“泥包”。其主要原因是：泵量?。挥捎谠鞚{作用，孔底泥漿粘度較大；牙輪自轉不靈活。
克服粘鉆和縮徑的措施有：加大泥漿泵排量，選用大排量泥漿泵，優(yōu)質泥漿等技術措施。有條件時應選用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300 泵等。
（2）漏失。在熱水層中鉆進時，會遇到漏失情況，有時漏失嚴重不返漿。熱水儲層為白云巖、灰?guī)r、砂巖時，孔壁穩(wěn)定性較好，因而可采用清水頂漏鉆進。在取水目的層以上鉆進時，對于小漏失，可以在泥漿中加鋸未或堵漏劑進行堵漏；較大漏失時，可向孔內投入粘土球或用水泥堵漏。對于難于堵住的大漏失，可改用氣舉反循環(huán)鉆進，也可下管封隔，或采用泡沫泥漿鉆進。
堵漏方法較多，可根據(jù)地層和實踐經(jīng)驗進行選擇。
氣舉反循環(huán)鉆探工藝
氣舉反循環(huán)鉆探工藝能避免泥漿對環(huán)境的污染及對含水層的淤塞，并能克服地層漏失。在目的層鉆進時采用該工藝不但可以免去化學洗井工序，而且能zui大限度提高巖層的產(chǎn)水能力。
氣舉反循環(huán)鉆探工藝在硬件配備上只需空壓機、氣水混合器、雙壁鉆桿、雙壁主動鉆桿及配套水。
對于較深的鉆孔，需配備大馬力的空壓機。難點是雙壁鉆桿的密封問題。
高壓噴射鉆探工藝
隨著深部地熱資源的開采，地熱井深度的加大，石油鉆探隊伍及設備進入地熱鉆探市場，采用高壓噴射鉆探工藝，大大提高了鉆探效率和成井質量，尤其是克服了泥頁巖泥包鉆頭的問題，縮短了工期。
高壓噴射鉆井是采用噴射式鉆頭，以很高的泵壓使泥漿自鉆頭噴嘴產(chǎn)生很高的噴射速度（zui高達75~100m/s）的一種鉆井工藝。它一方面可以利用高流速的泥漿沖刷井底，幫助鉆頭破碎巖石；另一方面又能更好地清洗井底和鉆頭，加速鉆進。高壓噴射鉆井要求配備大功率的強力泵，相應地配合使用低固相泥漿，保證泥漿的除砂和凈化效果。使用這種鉆井工藝可以提高鉆速1~2 倍，大大提高了地熱井鉆井效率。
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在納米示蹤劑中加入DNA就能在很大程度上解決這個問題，”Zhang說。“DNA幾乎有無限多個序列號。利用*的DNA標記將每一批示蹤劑進行編碼，我們就能獲得我們需要的溫度分布以及裂縫幾何形狀的清晰圖像。”
在這項研究中，Zhang和她的研究團隊在二氧化硅納米粒子和一個額外的二氧化硅殼之間以合成的方法嵌入衍生的DNA分子。然后，他們通過沙袋，在不同溫度下，將這些粒子注入，看看*的DNA標簽和二氧化硅殼是否能在旅途中存活下來，這種情況類似于它們在熱能場中的經(jīng)歷。
“我們非常驚訝地發(fā)現(xiàn)粒子能夠在302華氏度（150攝氏度）的高溫下存在，這意味著它們可以在地熱場的環(huán)境下生存，”Zhang說。
目前，雖然更好地了解地下情況對于開發(fā)地熱場有利，但是未來的地熱發(fā)電可能來自于增強型地熱系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中人們將水注入地下致巖石破裂從而擠出地熱。
“這個初步研究結果讓我們向利用地熱資源邁出了重要一步，而地熱資源目前是非常難以開采的，”這項研究的合作者羅蘭·霍恩稱，他是斯坦福地熱項目（Stanford Geothermal Program）的主任。
“由于不同的地質情況和裂縫的幾何形態(tài)，每一個增強型地熱系統(tǒng)都是*的，”霍恩說。“為了正確地開發(fā)系統(tǒng)，我們需要了解，這些裂縫是如何連接在一起的，以及溫度場是如何分布的。DNA嵌入納米示蹤劑是一個得力的工具，能夠幫助我們提升地熱能的利用潛力。”
保守估計，如果增強型地熱系統(tǒng)能夠被優(yōu)化的話，有一天，地熱能可以提供世界上5%的電力供應。雖然這個數(shù)字聽起來很小，但是霍恩和Zhang認為地熱能將在我們未來的能源領域扮演重要的角色。
