簡(jiǎn)介

勘探地?zé)峋馁M(fèi)用，相比開(kāi)采石油、煤炭等傳統(tǒng)能源而言，地?zé)岬拈_(kāi)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(duì)地?zé)崮艿拈_(kāi)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?zé)崮軅鲗?dǎo)到較淺的地方才能為人類(lèi)利用。即便如此，人們也看到了地?zé)崮芪磥?lái)的廣闊前景。例如位于地殼活動(dòng)zui頻繁的大西洋中脊上的冰島，依靠200多座火山帶來(lái)的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，目前已通過(guò)地?zé)崮芙鉀Q了超過(guò)50%的初級(jí)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(guó)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(guó)地?zé)嵝袠I(yè)正進(jìn)入一個(gè)新的歷史發(fā)展時(shí)期。”

這是記者參加日前在東營(yíng)召開(kāi)的2017第九屆中國(guó)地源熱泵行業(yè)高層論壇zui大的感受。有行業(yè)人士對(duì)記者坦言，“此前國(guó)家能源規(guī)劃往往提‘要大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生能源’，地?zé)峋桶ㄔ谶@個(gè)‘等’里面，但今年出臺(tái)了*地?zé)崮車(chē)?guó)家發(fā)展規(guī)劃——《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用‘十三五’規(guī)劃》，地?zé)嵩谀茉窗l(fā)展中地位的提升由此可見(jiàn)。”

勘探地?zé)峋馁M(fèi)用開(kāi)啟地?zé)岚l(fā)展空間

作為一種可再生清潔能源，地?zé)豳Y源儲(chǔ)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(diǎn)，與風(fēng)能、太陽(yáng)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(shí)且具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源。

“地?zé)豳Y源量約4900萬(wàn)億噸標(biāo)煤，中國(guó)約占資源量的1/6。 地?zé)崂眯矢撸責(zé)岚l(fā)電平均利用效率達(dá)73%，是太陽(yáng)光伏發(fā)電的5.4倍，風(fēng)力發(fā)電的3.6倍。”中科院院士、中國(guó)地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟名譽(yù)理事長(zhǎng)汪集暘表示。 地?zé)崾莵?lái)自地球內(nèi)部的熱量，地?zé)崮艿漠a(chǎn)生是通過(guò)提取熱量并將其轉(zhuǎn)化成電能。實(shí)際上，熱能通過(guò)地下深處的裂縫或斷裂處移動(dòng)，因此，地?zé)峁こ處焸儽仨氁獙?duì)地質(zhì)情況以及這些裂縫的位置和方向有深入的了解，在這個(gè)方面，DNA和納米技術(shù)就有了用武之地。

根據(jù)斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究，開(kāi)啟清潔能源的關(guān)鍵可能與我們的DNA有關(guān)。通過(guò)合成DNA與微觀粒子的結(jié)合，Yuran Zhang和一個(gè)地?zé)崮苎芯繄F(tuán)隊(duì)希望開(kāi)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(yàn)和其它成像及傳感技術(shù)，但是對(duì)于儲(chǔ)層裂縫網(wǎng)絡(luò)的分布還不是很清楚，”這篇研究論文的*作者Zhang說(shuō)，他是斯坦福大學(xué)地球、能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的研究生。

納米示蹤劑能夠帶給我們更多的儲(chǔ)層信息，從溫度的分布到裂縫的幾何形狀，”Zhang繼續(xù)說(shuō)道。

醫(yī)學(xué)研究人員已經(jīng)試驗(yàn)了將藥物包裹在納米粒子中，讓其在人體內(nèi)循環(huán)，在某個(gè)特定溫度下納米粒子熔化或打開(kāi)從而將藥物釋放出來(lái)，達(dá)到治療目的。地球內(nèi)部的溫度較高，地?zé)峒{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?zé)釄?chǎng)中來(lái)繪制圖像，在遍布于較大區(qū)域的多個(gè)站點(diǎn)，工程師們會(huì)重復(fù)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(gè)熱能井開(kāi)始進(jìn)入的，就幾乎不可能了。這就限制了更好利用地?zé)崮芩璧年P(guān)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(gè)問(wèn)題，”Zhang說(shuō)。“DNA幾乎有無(wú)限多個(gè)序列號(hào)。利用*的DNA標(biāo)記將每一批示蹤劑進(jìn)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(xiàng)研究中，Zhang和她的研究團(tuán)隊(duì)在二氧化硅納米粒子和一個(gè)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(guò)沙袋，在不同溫度下，將這些粒子注入，看看*的DNA標(biāo)簽和二氧化硅殼是否能在旅途中存活下來(lái)，這種情況類(lèi)似于它們?cè)跓崮軋?chǎng)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?zé)釄?chǎng)的環(huán)境下生存，”Zhang說(shuō)。

目前，雖然更好地了解地下情況對(duì)于開(kāi)發(fā)地?zé)釄?chǎng)有利，但是未來(lái)的地?zé)岚l(fā)電可能來(lái)自于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中人們將水注入地下致巖石破裂從而擠出地?zé)帷?/p>

“這個(gè)初步研究結(jié)果讓我們向利用地?zé)豳Y源邁出了重要一步，而地?zé)豳Y源目前是非常難以開(kāi)采的，”這項(xiàng)研究的合作者羅蘭·霍恩稱(chēng)，他是斯坦福地?zé)犴?xiàng)目（Stanford Geothermal Program）的主任。

“由于不同的地質(zhì)情況和裂縫的幾何形態(tài)，每一個(gè)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)都是*的，”霍恩說(shuō)。“為了正確地開(kāi)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(chǎng)是如何分布的。DNA嵌入納米示蹤劑是一個(gè)得力的工具，能夠幫助我們提升地?zé)崮艿睦脻摿Α?rdquo;

 保守估計(jì)，如果增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)能夠被優(yōu)化的話，有一天，地?zé)崮芸梢蕴峁┦澜缟?%的電力供應(yīng)。雖然這個(gè)數(shù)字聽(tīng)起來(lái)很小，但是霍恩和Zhang認(rèn)為地?zé)崮軐⒃谖覀兾磥?lái)的能源領(lǐng)域扮演重要的角色。 

鉆探技術(shù)難點(diǎn)

（1）粘鉆及縮徑。地?zé)峋@進(jìn)較厚的第三系泥巖地層及頁(yè)巖夾層時(shí)，因泥頁(yè)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(jìn)泥頁(yè)巖時(shí)，巖屑常存于牙齒之間，形成“泥包”。其主要原因是：泵量??；由于造漿作用，孔底泥漿粘度較大；牙輪自轉(zhuǎn)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(zhì)泥漿等技術(shù)措施。有條件時(shí)應(yīng)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(jìn)時(shí)，會(huì)遇到漏失情況，有時(shí)漏失嚴(yán)重不返漿。熱水儲(chǔ)層為白云巖、灰?guī)r、砂巖時(shí)，孔壁穩(wěn)定性較好，因而可采用清水頂漏鉆進(jìn)。在取水目的層以上鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)于小漏失，可以在泥漿中加鋸未或堵漏劑進(jìn)行堵漏；較大漏失時(shí)，可向孔內(nèi)投入粘土球或用水泥堵漏。對(duì)于難于堵住的大漏失，可改用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，也可下管封隔，或采用泡沫泥漿鉆進(jìn)。

堵漏方法較多，可根據(jù)地層和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(duì)環(huán)境的污染及對(duì)含水層的淤塞，并能克服地層漏失。在目的層鉆進(jìn)時(shí)采用該工藝不但可以免去化學(xué)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(jī)、氣水混合器、雙壁鉆桿、雙壁主動(dòng)鉆桿及配套水。

對(duì)于較深的鉆孔，需配備大馬力的空壓機(jī)。難點(diǎn)是雙壁鉆桿的密封問(wèn)題。

高壓噴射鉆探工藝

隨著深部地?zé)豳Y源的開(kāi)采，地?zé)峋疃鹊募哟?，石油鉆探隊(duì)伍及設(shè)備進(jìn)入地?zé)徙@探市場(chǎng)，采用高壓噴射鉆探工藝，大大提高了鉆探效率和成井質(zhì)量，尤其是克服了泥頁(yè)巖泥包鉆頭的問(wèn)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(dá)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(jìn)。高壓噴射鉆井要求配備大功率的強(qiáng)力泵，相應(yīng)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?zé)峋@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(gè)問(wèn)題，”Zhang說(shuō)。“DNA幾乎有無(wú)限多個(gè)序列號(hào)。利用*的DNA標(biāo)記將每一批示蹤劑進(jìn)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(xiàng)研究中，Zhang和她的研究團(tuán)隊(duì)在二氧化硅納米粒子和一個(gè)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(guò)沙袋，在不同溫度下，將這些粒子注入，看看*的DNA標(biāo)簽和二氧化硅殼是否能在旅途中存活下來(lái)，這種情況類(lèi)似于它們?cè)跓崮軋?chǎng)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?zé)釄?chǎng)的環(huán)境下生存，”Zhang說(shuō)。

目前，雖然更好地了解地下情況對(duì)于開(kāi)發(fā)地?zé)釄?chǎng)有利，但是未來(lái)的地?zé)岚l(fā)電可能來(lái)自于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中人們將水注入地下致巖石破裂從而擠出地?zé)帷?/p>

“這個(gè)初步研究結(jié)果讓我們向利用地?zé)豳Y源邁出了重要一步，而地?zé)豳Y源目前是非常難以開(kāi)采的，”這項(xiàng)研究的合作者羅蘭·霍恩稱(chēng)，他是斯坦福地?zé)犴?xiàng)目（Stanford Geothermal Program）的主任。

“由于不同的地質(zhì)情況和裂縫的幾何形態(tài)，每一個(gè)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)都是*的，”霍恩說(shuō)。“為了正確地開(kāi)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(chǎng)是如何分布的。DNA嵌入納米示蹤劑是一個(gè)得力的工具，能夠幫助我們提升地?zé)崮艿睦脻摿Α?rdquo;

 保守估計(jì)，如果增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)能夠被優(yōu)化的話，有一天，地?zé)崮芸梢蕴峁┦澜缟?%的電力供應(yīng)。雖然這個(gè)數(shù)字聽(tīng)起來(lái)很小，但是霍恩和Zhang認(rèn)為地?zé)崮軐⒃谖覀兾磥?lái)的能源領(lǐng)域扮演重要的角色。