干热岩地热资源重热联动驱汽取能技术
一、成果简介
（一）成果概述
经济的持续快速增长，使得人们对能源的需求量不断增加，“双碳”战略的提出与实施，使得社会对环境污染容忍度不断降低。在此背景下，煤、石油、天然气等常规一次性能源，不但面临剩余储量不断减少、严重枯竭的问题，还存在环境污染问题急需解决。因而，发展清洁能源补充现有能源缺口、降低环境伤害势在必行，地热资源清洁低碳，且储量巨大，是最有前景的清洁能源之一，而干热岩（简称HDR）地热是其中最具应用价值和利用潜力能源。中国地质调查局等的研究表明，中国大陆地热资源量巨大，3-10Km地层深处干热岩地热资源总量为2.5×1025Ｊ，相当于860×1012ｔ标准煤，若能采出2%，就相当于中国全国一次性能耗总量的数千倍。这表明，我国干热岩地热开发利用具有光明前景，对改善我国能源结构、保证能源安全具有重大战略意义。
增强型地热系统（简称EGS）是目前国际公认开发利用干热岩资源的充分必要条件。该系统利用人工压裂储层在地下高温岩体内建造裂缝网(岩体致密无天然裂缝) 或者改善原有裂缝网( 岩体内存在天然裂缝，但渗透率不够)，使得所建造的或者所改善的裂缝网具有足够的渗透率，其岩石体积和裂缝表面积足够大，之后再从地表注入冷水，使得冷水流经裂缝网返回地表后其温度升高，利用闪蒸或双循环发电和/或供热，从而利用干热岩热能。该系统研究在世界上已有40年的历史。美国最早于1973年开始资助Fentonhill干热岩开发的EGS试验研究，随后日本、英国、法国、澳大利亚、德国等国家相继开展了干热岩开发的预研究和技术装备研制，并建立了一批EGS开发利用示范场地。但是，过去的研究成果不尽人意，至今并未使EGS实现商业化开发，分析认为导致该技术无法全面推广应用的原因主要包括以下几点：
（1）人工压裂储层技术难度极大：岩石破裂压力极高，干热岩储层岩石基质非常坚硬, 导致破裂压力极高, 所以压裂时所需的泵入压力也不得不大幅提高，如韩国Pohang干热岩地热储层在井深为4100m处开展水力压裂施工, 初期预测破裂压裂不超过60 MPa. 但是实际施工过程中泵入压力超过100 MPa后仍然没有压开，最终导致施工停止。泵入压力的升高，也大幅增加了压裂过程风险。
（2）人工压裂储层经济成本极高：目前常规水力压裂单井成本少则数百万，多则上千万，针对超硬地层进行压裂，其成本可能会比常规压裂高几倍到几十倍，这大幅增加了资源利用成本。
（3）注入冷水采出热水的采热方式会产生严重的污染：循环过程中流体工质与深层岩石直接接触，流体工质往往含有溶解氧和氯离子等易腐蚀成分，以及钙离子和硅酸等易结垢成分，在工质流入管道和换热设备后可能会引起腐蚀和结垢问题。另外，这些水也会污染环境、农田等，对人的身体健康也是不利的。
（4）注入冷水采出热水的采热方式能耗大，效率低：在注水过程中，由于流体与管壁之间的摩擦以及液体内部分子间的摩擦作用，注水井存在一定的沿程阻力损失，即管损。沿程阻力损失与进水管道长度成正比。注水井合理的最大井口注水压力范围为数十兆帕，普通油井举升单耗200-300Kwh/24h，对于干热岩取热，其单耗不低于上述油气井，因此损耗严重。
综上可以看出，现在开发干热岩的EGS模式不满足现在低碳、低能耗能源的需要，且实现难度也较大。鉴于上述原因，项目申请者提出干热岩地热资源重热联动驱汽取能技术理念，该理念利用低沸点液态传热工质作为取能介质，利用干热岩热量使液态传热工质在井内汽化，利用传热工质本身重力作用驱动汽化的汽体返回井口，利用提热取能在地面实现换热发电，从而达到取能的目的，研发了配套技术方案。
（二）技术特点及技术指标
干热岩地热资源重热联动驱汽取能技术具有以下优势：1）无需复杂的压裂作业，实现难度小，节省经济成本，避免了传统EGS井间裂隙的联通问题以及压裂诱发地震问题；2）传热工质在封闭的井筒内循环换热，不与地层直接接触，一方面避免了设备腐蚀、结垢的问题，另一方面传热工质不会携带大量矿物质或者有害物质到地面，从而不会造成污染；3）液态传热工质吸收地热汽化后，注入的液态传热工质与其汽化后的气态传热工质在井筒中产生压差，而汽化后的传热工质在该压差的作用下返出，从而不需采用输送设备对热流体进行举升，降低了耗能；4）上部隔热采热管、下部隔热采热管以及导热传热管都是位于地热单井内部，有效降低了采热过程中的热损失，大幅度提高了采热效率，同时传热工质完全回收，不会出现传热工质流失导致采热效率下降的问题。
二、技术成熟程度
形成样机、样品或软件，已在产业中应用
三、推广合作方式
整体转让、合作开发
四、团队简介
中国石油大学（华东）研究团队在深部难钻地层安全高效钻井理论及技术等方面开展了系统深入的研究工作。近年来，团队承担了国家自然科学基金项目10项、国家973计划课题1项、国家863计划任务1项、国家科技重大专项研究任务4项。并获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步特等奖、一等奖和二等奖10余项，省部级技术发明奖2项，授权国家发明专利60余项、国外发明专利10余项，出版专著教材4部，发表科研论文300余篇，SCI收录210余篇。
五、专利授权及申请情况
1、国家发明专利：一种地热资源清洁高效开发系统及方法（授权）
2、国家发明专利：开采干热岩地热资源的井身结构及方法（授权）
六、受资助及获奖情况
1、中石油重大战略合作项目：深层复杂条件钻井提速方法与关键技术，项目编号：ZD2019-183-005，起始日期：2019.11-2023.12
2、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项：超高压射流与机械冲击耦合深层地热钻井提速技术，项目编号：2021YEE0111400，起始日期：2021.10-2024.12
联系方式：0532-86983018。
