增强型地热系统使用石油和天然气技术开采低碳能源。 第1部分。

美国能源部 (DOE) 资助了一个名为 FORGE 的项目，该项目将使用最好的石油和天然气技术对热花岗岩进行钻探和压裂。 总体目标是查看从一口井抽出的水是否可以在花岗岩中循环并加热，然后再抽出第二口井来驱动涡轮机发电。

犹他大学化学工程系的 John McLennan 是该 DOE 项目的联合首席研究员。 NSI 于 6 年 2022 月 XNUMX 日赞助了有关此主题的网络研讨会演示：Frontier 地热能研究天文台 (FORGE)：更新和展望

以下是向 John McLennan 提出的问题及其答案。

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Q1。 您能简要介绍地热能的历史吗？

从 1900 年代初期在意大利 Larderello 的早期工作开始，地热能（用于发电和直接使用）已扩展到安装 发电量 15.6 GWe （千兆瓦的电力）在 2021 年。利用是全球性的——全球超过 25 个国家。 然而，分配仍然是世界能源组合的一小部分。 从这种全球分布来看，传统上，地热能被限制在高温的近地表表达，就像在板块边界、火山等附近发生的那样。

美国的地热发电装机容量最大，其次是印度尼西亚、菲律宾、土耳其、新西兰、墨西哥、意大利、肯尼亚、冰岛、日本。 在美国的这些作业中，生产地热能的井平均可能产生 4 到 6 MWe。 根据经验，在 392°F (200°C) 和 9 bpm (378 gpm) 的流速下，可以产生大约 1 MWe 的发电量，可能为美国 759 到 1000 个家庭提供服务。

地热发电厂的规模各不相同，从几口井（有些生产高达 50 MWe）到许多井。 “间歇泉……是世界上最大的地热发电厂综合体。 Calpine 是美国最大的地热发电生产商，在间歇泉拥有并经营着 13 座发电厂，净发电量约为 725 兆瓦，足以为 725,000 户家庭或旧金山大小的城市供电。”

Q2。 什么是增强型地热系统，水力压裂应用在哪里？

大约五十年前，洛斯阿拉莫斯科学实验室（现为 LANL）的科学家和工程师设想了增强型地热系统 (EGS) 的概念。 当时，这个概念被称为热干岩（HDR）。 一种方法是钻一口注入井和一口生产井并形成将它们相互连接的裂缝。 这些裂缝起到热交换器的作用——就像汽车中的散热器一样。

在这个封闭系统中，水被用作工作流体（水不会流失）。 冷流体向下注入一口井。 它穿过裂缝并从热岩中获取热量。 这种热流体通过双管中的第二口井被生产到地面。 在地面，加热的流体可以闪蒸成蒸汽或流过有机朗肯循环装置，以驱动涡轮机，随后是发电机。 带走热量的水被再循环。

虽然这是一个合理的想法，但自其构想以来的 1 年来一直阻碍成功。 虽然世界各地有多个项目，但取得了科学成功，但尚未实现商业化，这些试点的发电量未超过约 XNUMX MWe。

然而，在美国，资源非常重要。 在美国西部，在钻探深度小于 519 到 15,000 英尺的情况下，估计为 20,000 GWe。 改编自石油工业的现代钻井技术使这种钻井变得可行。 再加上允许钻水平井并沿着这些井形成多个水力裂缝（想象每个裂缝为热交换提供显着表面积）的发展，增强地热系统是可行的。

通过水力压裂形成裂缝系统是一个关键要素。 这并不新鲜。 在洛斯阿拉莫斯国家实验室的早期开发过程中，它首先在新墨西哥州 Jemez Caldera 的 Fenton Hill 现场尝试用于 EGS。 值得注意的是，1983 年 5.7 月抽出的一条大型水力压裂试图将两口井相互连接（在现代定向钻井很容易应用之前）。 在该水力增产中，50 万加仑的水与添加的减摩剂以高达 2100 bpm（12,000 加仑/分钟）的速度在高达约 XNUMX psi 的井下压力下被泵送。 碳酸钙细颗粒₃ 添加用于流体损失控制（以简化裂缝系统）。

从芬顿山、世界各地的其他地点以及其他开采行业的技术（倾斜和水平钻井、多级压裂）汲取的经验教训鼓励美国能源部 (DOE) 启动一项新的研究计划，称为 FORGE（前沿天文台）地热能研究）建立一个现场实验室，以测试允许 EGS 商业化的新技术。

Q3。 告诉我们有关犹他州 FORGE 项目的地点以及选择它的原因。

美国能源部赞助了美国五个著名的 EGS 地点之间的竞赛。 随后，这被“向下选择”到内华达州法伦和犹他州米尔福德的地点。 2019 年，米尔福德场地最终被选为 FORGE 现场实验室的所在地（见帖子顶部的图片）。

选择标准包括 1) 油藏温度在 175 至 225°C 之间（热到足以证明概念，但又不会太热以致阻碍技术开发），2) 深度大于 1.5 公里（深度足以使钻井技术开发可行） , 3) 低渗透性岩石（FORGE 现场的花岗岩），4) 在操作期间诱发地震活动的低风险，5) 低环境风险，以及 6) 与传统地热系统没有连接。

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第 2 部分将通过解决以下问题和答案来继续该主题：

Q4。 注采井的基本设计是什么？

Q5。 您能否总结一下注入井中的三种压裂处理方法及其结果？

Q6。 商业应用潜力如何？