增強型地熱系統使用石油和天然氣技術開採低碳能源。 第1部分。

美國能源部 (DOE) 資助了一個名為 FORGE 的項目，該項目將使用最好的石油和天然氣技術對熱花崗岩進行鑽探和壓裂。 總體目標是看看從一口井抽下的水是否可以在花崗岩中循環並加熱，然後再抽上第二口井來驅動渦輪機發電。

猶他大學化學工程系的約翰‧麥克倫南 (John McLennan) 是能源部該計畫的共同首席研究員。 關於此主題的網路研討會由 NSI 於 6 年 2022 月 XNUMX 日贊助：F龍蒂爾地熱能研究天文台 (FORGE)：更新與展望

以下是向約翰·麥克倫南提出的問題及其答案。

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Q1. 能簡單介紹一下地熱能的歷史嗎？

從 1900 年代初期義大利拉德雷洛 (Larderello) 的早期工作開始，地熱能（用於發電和直接使用）已擴展到已安裝的 發電量 15.6 GWe （千兆瓦電力）到 2021 年。利用範圍遍及全球－全球超過 25 個國家。 然而，配置仍然只佔世界能源組合的一小部分。 從這種全球分佈來看，傳統上，地熱能僅限於近地表的高溫表現，如板塊邊界、火山等附近。

美國擁有最大的地熱發電裝置容量，其次是印尼、菲律賓、土耳其、紐西蘭、墨西哥、義大利、肯亞、冰島、日本。 在美國的這些作業中，生產地熱能的井平均可能為 4 至 6 MWe。 根據經驗，在 392°F (200°C) 和流速為 9 bpm (378 gpm) 的情況下，可以產生約 1 MWe 的電量，可能為美國的 759 至 1000 個家庭提供服務。

地熱發電廠的規模各不相同，從幾口井（有些發電量高達 50 MWe）到許多口井。 「間歇泉…是世界上最大的地熱發電廠綜合體。 Calpine 是美國最大的地熱發電商，在 The Geysers 擁有並運營 13 座發電廠，淨發電量約為 725 兆瓦，足以為 725,000 個家庭或一個舊金山大小的城市供電。”

Q2。 什麼是增強型地熱系統？水力壓裂應用在哪裡？

大約五十年前，洛斯阿拉莫斯科學實驗室（現為 LANL）的科學家和工程師提出了增強型地熱系統 (EGS) 的概念。 當時，這個概念被稱為乾熱岩（HDR）。 一種方法是鑽一口注入井和一口生產井並形成將它們互連的裂縫。 這些裂縫充當熱交換器——很像汽車中的散熱器。

在這個封閉系統中，水被用作工作流體（水不會損失）。 冷流體被注入一口井。 它穿過裂縫並從熱岩石中獲取熱量。 這種熱流體透過雙聯體中的第二個井產生到地面。 在地表，加熱的流體可以閃蒸成蒸汽或流過有機朗肯循環裝置來驅動渦輪機，然後驅動發電機。 帶走熱量的水再循環。

雖然這是一個很好的想法，但自構思以來的五十年裡，成功一直受到阻礙。 儘管世界各地已有多個項目取得了科學上的成功，但尚未實現商業化，這些試點的發電量尚未超過約 1 MWe。

然而在美國，資源是巨大的。 在美國西部，鑽探深度小於 519 至 15,000 英尺時，估計發電量為 20,000 GWe。 源自石油工業的現代鑽井技術使這種鑽井變得可行。 再加上允許鑽水平井並沿著這些井產生多個水力裂縫（想像每個裂縫都提供用於熱交換的顯著表面積）的發展，增強型地熱系統是可行的。

透過水力壓裂創造裂縫系統是關鍵要素。 這並不新鮮。 在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的早期開發過程中，它首次在新墨西哥州杰梅斯火山口的芬頓山基地進行了 EGS 試驗。 值得注意的是，1983 年 5.7 月泵送了一個大型水力壓裂，試圖連接兩口井（在現代定向鑽井得到廣泛應用之前）。 在該水力增產中，添加了減摩劑的 50 萬加侖水以高達 2100 bpm（每分鐘 12,000 加侖）的速度泵送，井下壓力高達約 XNUMX psi。 CaCO 細顆粒₃ 添加用於控制失水（以簡化壓裂系統）。

從芬頓山和世界各地其他地點汲取的經驗教訓以及其他開採行業的技術（傾斜和水平鑽井、多級壓裂）鼓勵美國能源部(DOE) 啟動一項名為FORGE（前沿觀測站）的新研究計劃地熱能研究）建立一個現場實驗室來測試新技術，使 EGS 商業化。

Q3。 告訴我們 FORGE 計畫在猶他州的選址以及為什麼選擇它。

美國能源部贊助了美國五個著名 EGS 地點之間的競賽。 隨後，該地點被“下選”至內華達州法倫和猶他州米爾福德。 2019 年，米爾福德最終被選為 FORGE 現場實驗室所在地（請參閱貼文頂部的圖片）。

選擇的標準包括1）儲層溫度在175至225°C之間（足夠熱以證明概念，但又不至於熱到阻礙技術開發），2）深度大於1.5公里（足夠深以使得鑽井技術開發可行) , 3) 低滲透性岩石（FORGE 現場的花崗岩），4) 運作期間誘發地震的風險低，5) 環境風險低，以及 6) 不與傳統地熱系統連接。

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第 2 部分將透過解決以下問題和答案來延續主題：

Q4。 注採井和生產井的基本設計是什麼？

Q5. 您能否總結注入井的三種壓裂處理方法及其結果？

Q6. 商業應用的潛力有多大？