技术|？地热能
2.地热勘探过程和生产技术？
地热项目的勘探阶段旨在为可能的开采找到地热储层，并为钻探生产井选择最佳地点。
在继续进行过程的特定方面之前，有必要考虑初步调查阶段的相关性，该阶段涉及一项工作计划，以评估特定区域（也许是一个国家，地区或一个区域）内地热潜势的现有证据。岛）。
地热勘探的目标是（Lumb，1981）：
- 识别地热现象。
- 确定存在有用的地热产田。
- 估计资源的大小。
- 确定地热场的类型（分类）。
- 找到生产区。
- 确定地热场中井将排出的流体的热量。
- 汇编大量的基本数据，可以根据它们查看将来的监视结果。
- 确定环境敏感参数的开采前值。
- 获得有关在现场开发过程中可能引起问题的任何特性的知识
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图。1– 地热项目中规划良好且有效的勘查和勘探工作计划的时间表
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勘探通常始于从附近现有井和其他地表表现中收集数据，然后继续使用地质，地球化学和地球物理方法进行地表和地下勘探。
表格1– 地热勘探中使用的测量技术
A decision to move to temperature gradient (or slim hole) drilling (defined and discussed later) may be recommended after the geological, geochemical and geophysical surveys have been completed.
当收集并分析了足够的勘探数据后，便可以为前几个深层勘探井确定选择地点和目标。
总的来说，最常见和应用的具有相关技术的学科是
- 地质学
- 地球物理学
- 地球化学
- 钻孔技术
2.1地质学
全面了解项目区域的地质及其如何适应周围区域的地质和构造环境，对于理解给定的地热系统至关重要。
初步地质研究的重点是了解项目区域的整体地质情况，并确定最有希望的区域以进 行更详细的勘探。
Later, efforts are focused on the most promising areas with the specific goal of understanding the permeability pathways that bring thermal fluids from their deep source to shallower parts of the system, where they can be economically exploited for geothermal power production.
项目区域的地质数据应以项目区域的地质图，结构图，地层柱和横截面的形式表示。
图2– 地质资料
1.地质图示例（新西兰GNS科学公司）
2. 2D地质横截面示例（GeothermEx，Inc.）
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图3– Larderello-Travale地热田的地质示意图
2.2地球化学
在地热勘探中使用地球化学方法的基本原理是地表流体（水溶液或气体混合物）反映了地热储层深处的理化和热条件。
The major goals of geochemical exploration are to obtain the subsurface composition of the fluids in a geothermal system and use this to obtain information on temperature, origin, and flow direction, which help locating the subsurface reservoir.
地球化学研究还支持对开发过程中可能产生的潜在操作问题进行评估，例如井眼结垢，腐蚀和不可冷凝气体的浓度。
In the exploratory phase the task of geochemistry is mainly to:
- 通过使用化学和同位素地热仪以及混合模型估算地下温度
- 主要通过同位素技术识别地热流体的来源
- 定义有关环境问题的流体化学性质，缩放比例…
- 为地热系统的概念模型提供数据
图4– 温泉池的地球化学采样
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地热系统表面可能遇到的二次地热流体的主要类别是：
- 地热蒸汽
- 煮沸（有时冷却）的地热溶液
- 涉及浅层地下水和地热溶液（煮沸或未煮沸）或蒸汽的混合溶液
- steam heated surface waters
图5–？喷气孔的类型
a. Thermal pools, fumaroles, gases and fluids
b。气体采样喷气孔
2.3地球物理学
地球物理勘测有助于限制对地层，结构和热流的理解。
地热资源的地球物理勘探涉及对地球物理性质的测量。
地球物理学旨在：
- 概述了地热资源
- 概述生产领域
- 定位含水层或可能控制含水层的结构以便定位井
- 评估地热系统的一般属性
地热勘探中使用了几种地球物理方法，具体取决于所测量的物理参数，每种方法都有特定的应用，具体取决于目标的物理特性以及可用现有技术对这些特性的检测精度
2.3.1潜在方法
基于岩石和地球势场的密度和磁特性的势方法：
- 重力法– 用于检测不同密度的地质构造
Fig.6 – Bouguer gravity map of the Hengill high-temperature area;
重力数据示例（新西兰GNS科学公司）。高重力区域可能表明有更深层次的入侵（árnason，2007）
2.3.2 Magnetic Methods
地磁勘探中广泛使用的磁性方法，通常与重力测量和地震折射一起用于绘制地质结构图。在地热勘探中，磁性测量通常主要目的是定位隐伏的侵入体并可能估计其深度，或追踪单个埋入的堤防和断层。
图7– 在W-Iceland的ásgardur地热场的磁测量，既显示在地图中，也显示在3D表面中。
断层两侧的岩石磁化强度不同，是造成断层的典型典型异常现象（Ganbat，2004）。
2.3.3电气方法或电阻率方法
电气方法或电阻率方法?是地热地区地表勘探中最重要的地球物理方法，因此是描述地热资源和生产领域的主要方法。感兴趣的参数是岩石的电阻率，该电阻率与岩石的温度和蚀变都相关，这是理解地热系统的关键参数。
电气方法包括：
- DC方法，其中产生电流并通过地面上的电极将其注入大地，而测得的信号是在地面上产生的电场。
图8– 500 m深度的电阻率图b.s.l.来自北冰岛的Husavik地区，概述了强大的Hveravellir低温地区（Georgsson等，2005）
瞬变电磁（TEM）, 电流是由来自受控源的时变磁场感应产生的。监视的信号是表面上次级磁场产生的衰减磁场。
图9– Hengill高温地热区西南部的W-E趋势TEM电阻率剖面，显示出电阻率异常，可能表明一个新的地热场，其表面上没有地热活动（Tsend-Ayush，2006）
- 大地电磁学（MT） 地球的时间变化会感应出电流’的磁场。测得的信号是表面的电磁场。
图10
a）肯尼亚裂谷的Menengai高温区和火山口的MT横截面（Wameyo，2005）
b）3D MT电阻率横截面示例（新西兰GNS科学公司）。
2.3.4地震方法？
地震方法依赖于弹性波，当弹性波穿过不同类型的岩石时，弹性波具有不同的速度，并且在地层中或地层之间的不连续处被折射或反射。主动地震测量可提供有关地层密度，孔隙率和织构，边界和间断面以及充满流体的区域甚至温度的信息。这些测量非常昂贵，尤其是良好的反射测量。
图11
a）具有计划井眼的地震剖面示例（Erdw？rme Bayern GmbH& 公司KG-）。
b）具有地质解释的地震剖面示例（Erdw？rme Bayern GmbH& 公司KG-）。
2.3.5概念模型
All exploration data should be integrated into a conceptual model of the geothermal system under investigation. This model must respect and be consistent with all known information.
可以在概念模型的图表上显示现有的井场和建议的钻井目标，但应附有对选择建议的目标的理由的叙述性描述。
概念模型将证明对地热系统内的地质，温度和流体路径有合理的理解。通过使用概念模型，开发人员可以根据所有当前数据选择钻井位置，以最大程度地获得成功打井的机会。
图12– 概念模型
a）概念模型图的示例（GeothermEx，Inc .；由新西兰GNS Science重绘）。
b）3D概念块模型的示例（GeothermEx，Inc.）。
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2.3.6数值建模
一旦构建了合适的概念模型，它就可以构成数值模型的基础。数值建模用于定量描述地热系统中工作的物理过程。
这些主要是流体和热流过程，受温度和/或压力梯度和渗透率途径控制。
数值模型可以测试概念模型的有效性，以解释观察到的温度和流动路径分布。
然后，它可以预测在开采条件下（生产和注入）储层的未来性能。
这用于估计地热开采将对资源产生的影响，并因此评估储层和电力输出的可能退化。
数值模型的开发和使用涉及多个阶段，从初始状态建模到历史匹配，然后在许多选定的场景下进行预测，以预测各种生产水平下储层的未来行为。
图13– 地热模型的一个例子（塞伦盖奥）
2.4钻孔
地热钻井依赖于石油和天然气行业中用于高温应用和较大井径的改良技术。
勘探井的钻探是任何地热勘探计划的最后阶段，并且是确定地热储层真实特征并评估其潜力的唯一手段（Combs和Muffler，1973年）。
在任何项目中钻探第一口井都代表着最高风险的时期，通常至少要钻两口（通常是三口）深井，以证明商业生产和注入的可行性。可能需要更多的井，这取决于要开发的项目的规模以及第一批井在成功地寻找可行的地热资源方面的成功。
钻探，测井和测试大大提高了对资源的了解，从而实现了：
- 热量估算的细化
- 确定平均油井产能（从而确定未来钻井的范围）
- 选择剩余生产井和注入井的井场，目标，井径和设计
- development of a preliminary design for the power plant and gathering system
在测试钻探阶段完成后，该项目将朝着完全可行的方向发展。
图14– 意大利Venelle 2的地热井-ENEL Green Power
2.4.1井设计
地热井的设计是一个“自下而上”的过程。生产区的位置决定了井的总长度，所需的流速决定了孔底部的直径-然后，通过钻探或地质考量所需的连续较大的套管柱的迭代来设置生产区上方的井轮廓。
图15– 代表性地热井设计
Typical rock types in geothermal reservoirs include:
- 花岗岩
- 花岗闪长岩
- 石英岩
- 格雷瓦克
- 玄武岩
- 火山凝灰岩
2.4.2细孔钻井?
典型的地热勘探包括钻一个大口径，生产规模的井，如果它显示出流体和高温的存在，则在测量流体温度以及理想的井下压力的同时，从中生产蒸汽或盐水。
Drilling slimholes is cheaper than production-size wells because:
- 钻机，套管和固井，人员，位置和钻井液要求都较小
- 大大减少了偏远地区的场地准备和道路建设
- 无需在钻前维修漏失带
图16
a）比较三种井类型的套管程序。
b）细孔钻机
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2.5地热钻井作业
地热钻井作业利用了几个组成部分和实践，下面显示和描述了其中的一些技术：
2.5.1位
由于坚硬，破裂的地层，带有碳化钨嵌件的牙轮钻头几乎普遍用于地热钻探。
硬岩PDC钻头的研究与开发正在进行中，因此这些钻头有可能在地热钻探中得到更广泛的应用。
图17– 地热钻头（三轴钻和PDC）
2.5.2 Drill Pipes and Casing
地热井必须产生大量的流体，因此直径往往比油/气井大；典型的地热生产间隔的直径为219至340毫米。
Unlike oil/gas wells, geothermal production is from the open hole or through a slotted liner, not through tubing.
钻杆遭受腐蚀和腐蚀。高温加剧了这两个问题。空气钻削时很容易发生侵蚀，通常这样做是为了避免因泥浆侵入而损害生产间隔，但是适当地对工具接头进行硬包扎会减轻侵蚀。除固井外，套管问题通常还涉及腐蚀和结垢。
使用绝缘钻杆（IDP）可以避免或减轻井下工具和钻井液引起的许多高温钻井问题，该技术将较凉的流体输送到井底。
2.5.3。钻井液
大多数地热钻井液是一种非常简单的水/膨润土混合物，可能还含有聚合物添加剂。大孔体积和频繁的漏失对钻井成本有重大影响。
双管逆循环（DTRC）是一种对循环丢失有用的技术。该方法使用两个同心管的钻柱，钻井液沿内管和外管之间的环空向下流动，通过钻头循环，然后将钻屑带回中心管。这意味着仅需在钻头和井底钻具组合周围保持流体，这样就可以进行钻探，使井眼完全漏失
图18– Diagram of DTRC
2.5.4井控
失去控制的主要原因有两个：
- An unexpectedly hot formation is encountered at a shallow depth where the annulus pressure is insufficient to keep the drilling fluid or the formation fluid from flashing to steam
- Lost circulation causes the fluid level and the pressure in the wellbore to suddenly fall far enough for the same thing to happen.
2.5.5定向钻井
正排量电动机以及随钻测量和随钻测量（MWD）工具均不能在高温下可靠运行，因此大多数校正均在地层温度低于175°C的深度进行。高温涡轮机已经过示范，服务公司可以提供“high-temperature” 正排量电机（PDM），但都没有广泛用于地热钻探中。
2.5.6 Cementing
The principal differences between cementing geothermal and oilfield casing are the requirements on the cement itself because of high temperature, and the requirement that geothermal casings are cemented completely to surface to withstand thermal cycling.
图19– Typical geothermal well configuration and casing
2.6地热井完井
地热生产和注入井中的热循环需要套管周围有完整的水泥护套，并且生产流量较高（通常> 100,000 kg/hr) mean that casing is usually larger in diameter than for many oil/gas wells. Whether the production interval is stable enough to be openhole or must be completed with a slotted liner.
2.7地热能生产厂
一旦发现并确定了储层特征，就必须设计地面技术，发电厂和相关基础设施，并选择设备以优化资源的利用和可持续性。目标是构建节能，低成本，最小影响的计划。
为了利用地热能，已经开发了许多用途和技术：
- 地热能发电
- 地热能直接利用
- Geothermal heat pumps
2.7.1地热能发电
大多数传统发电厂使用蒸汽发电。化石燃料发电厂燃烧煤，石油或天然气烧开水，而许多现有的地热发电厂则使用通过“闪蒸”（即降低其压力）从储层中产生的地热流体产生的蒸汽。今天的地热发电厂可以使用气相，气相和液相相结合的水或仅液相的水。植物的选择取决于储层的深度，以及整个地热资源的温度，压力和性质。
植物的三种主要类型是
- 闪蒸蒸汽
- 干蒸汽
- 二元植物
当前接受的所有形式的地热开发都将注入作为可持续资源开发的手段。
闪蒸蒸汽厂
最常见的地热资源包含具有热液体（水）和蒸汽（主要是蒸汽）的混合物的储层流体。闪蒸蒸汽厂目前占地热总装机容量的三分之二，用于以水为主的水库温度高于180°C的地方。在这些高温水库中，随着压力下降，液态水成分会沸腾或“闪蒸”。分离的蒸汽通过管道输送到涡轮机以发电，剩余的热水可以在逐渐降低的压力和温度下再次闪蒸两次（两次闪蒸设备）或三次（三次闪蒸），以获得更多的蒸汽。冷却后的盐水和冷凝水通常通过注入井送回储层。联合循环闪蒸电厂利用二元电厂中分离出的地热盐水中的热量，在重新注入之前产生额外的电力。
图20– 闪蒸蒸汽电厂图和单闪蒸蒸汽电厂示意图（摘自：地热中心和美国能源部）
B）干蒸汽厂？
如今，干蒸汽工厂约占地热发电能力的四分之一，它们直接利用从生产井到工厂再到涡轮的干蒸汽。控制蒸汽流量以满足电力需求波动要比闪蒸蒸汽设备容易得多，在闪蒸蒸汽设备中，井中需要连续不断地向上流动以避免液相的重力塌陷。在干式蒸汽装置中，冷凝水通常会重新注入到储层中或用于冷却
图21– 干蒸汽发电厂图和发电厂示意图（摘自：地热中心和美国能源部）
C）二元植物？
使用二元循环的发电设备构成了地热发电厂中增长最快的组，因为它们能够使用更为普遍的中低温度资源。使用有机朗肯循环（ORC）或Kalina循环的二元植物通常在低至73oC（阿拉斯加的Chena Hot Springs）至180°C的温度范围内运行。在这些工厂中，使用热交换器从地热流体中回收热量，以蒸发低沸点的有机流体（例如，ORC循环中的丁烷或戊烷和Kalina循环中的氨水混合物），并驱动涡轮机。
尽管两个循环都是在20世纪中叶开发的，但ORC循环一直是用于低温资源的主要技术。 Kalina循环在某些设计条件下可以比常规ORC装置以更高的循环效率运行。离开热交换器的较低温度的地热盐水以闭环的形式重新注入到储层中，从而促进了可持续的资源开发。如今，二元工厂已占全球已安装发电量的11％，按工厂数量计算已占44％（Bertani，2010）。
图22– 二进制电厂示意图和电厂图（摘自：地热中心和美国能源部）
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2.7.2地热能直接利用
尽管由于受到高度赞扬的电力价值，如今的电力生产处于低迷状态，但不应忽视对地热资源的直接利用。
地热资源的直接利用是在不介入介质的情况下使用地热资源中的热能或流体，这与将其转换为其他形式的能源（例如电能）相反。
大多数直接使用的应用都可以应用于中低温度范围的地热流体20– 120℃。低温到中温的地热资源已经使用了很多年，特别是第一次用于洗浴，后来又用于空间供暖和农业应用。
低温和中温地热田遍布世界许多地方。主要由于经济原因，这种领域几乎不能用于蒸汽轮机或二元设备的发电。但是，这些字段可能非常适合直接使用的应用程序。
地热能不经发电厂或热泵直接使用，可用于多种应用，例如空间供热和制冷，食品制备，温泉浴和水疗（足疗），农业，水产养殖，温室和工业过程。取暖和沐浴的用途可以追溯到古罗马时代。
地热能还用于通过区域供热系统为建筑物供热。地球附近的热水’的表面直接通过管道输送到建筑物中供热。区域供暖系统为冰岛雷克雅未克的大多数建筑物提供热量。
Fig. 23- Typical Direct Use Geothermal Heating System Configuration and direct use of geothermal heat in 2010 among the IEA-GIA countries (GWh/a)
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2.7.3。地热热泵（GHP）
地热热泵在约10英尺至300英尺的深度处利用了地球相对恒定的温度。 GHPs几乎可以在世界任何地方使用，因为它们不像常规地热储层那样需要裂隙的岩石和水。
地热热泵系统主要由三部分组成：
- 地面热交换器
- 热泵机组
- 空气输送系统（管道系统）
换热器基本上是一个称为环路的管道系统，该管道埋在建筑物附近的浅层地面中。流体（通常是水或水和防冻剂的混合物）在管道中循环，以吸收或释放地下的热量。
在冬季，热泵将热量从热交换器中带走，然后将其泵送到室内空气输送系统中。在夏天，过程相反，热泵将热量从室内空气转移到热交换器中。
夏季从室内空气中去除的热量也可以用来加热水，从而提供免费的热水源。
与传统的加热和冷却系统相比，GHP可以减少30-60％的电力消耗，因为为其提供动力的电力仅用于收集，集中和输送热量，而不用于产生热量。
地热热泵有四种循环系统，它们将热量循环到地面和您的房屋或从房屋传出。其中三个-水平，垂直和池塘/湖泊-是闭环系统。第四种系统是开环选项。选择最适合您的站点的选项取决于气候，土壤条件，可用土地以及站点的本地安装成本。
图24– Simplified schemes of ground source heat pumps and Geothermal Heat Pump Diagrams
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参考
- 地热能利用：地热资源勘探，联合国大学全球贸易计划，GDC和KenGen
- 地热系统和技术，地热资源和储层– 欧盟地热社区（GEOCOM）项目
- 地热手册– 能源部门管理援助计划（ESMAP）