简介

勘探地热井的费用，相比开采石油、煤炭等传统能源而言，地热的开采难度仍然较大，这也正是其发展受限的主要原因。目前，对地热能的开发仍局限于地壳浅层，即仅在大陆板块边缘的地壳破裂处、大量地热能传导到较浅的地方才能为人类利用。即便如此，人们也看到了地热能未来的广阔前景。例如位于地壳活动zui频繁的大西洋中脊上的冰岛，依靠200多座火山带来的得天独厚的优势，目前已通过地热能解决了超过50%的初级能源供给（如加热、发电等），仅其中的15.9%就可以解决冰岛全国30%的发电需求。这使得冰岛1970年至2000年间共节省了约82亿美元，减少了37%的二氧化碳排放。“我国地热行业正进入一个新的历史发展时期。”

这是记者参加日前在东营召开的2017第九届中国地源热泵行业高层论坛zui大的感受。有行业人士对记者坦言，“此前国家能源规划往往提‘要大力发展风电、光伏等可再生能源’，地热就包括在这个‘等’里面，但今年出台了*地热能国家发展规划——《地热能开发利用‘十三五’规划》，地热在能源发展中地位的提升由此可见。”

勘探地热井的费用开启地热发展空间

作为一种可再生清洁能源，地热资源储量大、分布广，具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点，与风能、太阳能等相比，不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰，是一种现实且具竞争力的新能源。

“地热资源量约4900万亿吨标煤，中国约占资源量的1/6。 地热利用效率高，地热发电平均利用效率达73%，是太阳光伏发电的5.4倍，风力发电的3.6倍。”中科院院士、中国地源热泵产业联盟名誉理事长汪集暘表示。 地热是来自地球内部的热量，地热能的产生是通过提取热量并将其转化成电能。实际上，热能通过地下深处的裂缝或断裂处移动，因此，地热工程师们必须要对地质情况以及这些裂缝的位置和方向有深入的了解，在这个方面，DNA和纳米技术就有了用武之地。

根据斯坦福大学的一项研究，开启清洁能源的关键可能与我们的DNA有关。通过合成DNA与微观粒子的结合，Yuran Zhang和一个地热能研究团队希望开发世界上可以广泛利用但却往往被忽视的清洁能源。

“目前，尽管有*的地震成像、示踪试验和其它成像及传感技术，但是对于储层裂缝网络的分布还不是很清楚，”这篇研究论文的*作者Zhang说，他是斯坦福大学地球、能源与环境科学学院的研究生。

纳米示踪剂能够带给我们更多的储层信息，从温度的分布到裂缝的几何形状，”Zhang继续说道。

医学研究人员已经试验了将药物包裹在纳米粒子中，让其在人体内循环，在某个特定温度下纳米粒子熔化或打开从而将药物释放出来，达到治疗目的。地球内部的温度较高，地热纳米示踪剂基本上能够以同样的方式工作，使研究人员可以更好地了解地下热能资源。

油藏工程师将示踪剂注入到地热场中来绘制图像，在遍布于较大区域的多个站点，工程师们会重复这样的工作。如果粒到其它热能井中的话，想要确定它们从哪个热能井开始进入的，就几乎不可能了。这就限制了更好利用地热能所需的关键信息。

在纳米示踪剂中加入DNA就能在很大程度上解决这个问题，”Zhang说。“DNA几乎有无限多个序列号。利用*的DNA标记将每一批示踪剂进行编码，我们就能获得我们需要的温度分布以及裂缝几何形状的清晰图像。”

在这项研究中，Zhang和她的研究团队在二氧化硅纳米粒子和一个额外的二氧化硅壳之间以合成的方法嵌入衍生的DNA分子。然后，他们通过沙袋，在不同温度下，将这些粒子注入，看看*的DNA标签和二氧化硅壳是否能在旅途中存活下来，这种情况类似于它们在热能场中的经历。

“我们非常惊讶地发现粒子能够在302华氏度（150摄氏度）的高温下存在，这意味着它们可以在地热场的环境下生存，”Zhang说。

目前，虽然更好地了解地下情况对于开发地热场有利，但是未来的地热发电可能来自于增强型地热系统，在这个系统中人们将水注入地下致岩石破裂从而挤出地热。

“这个初步研究结果让我们向利用地热资源迈出了重要一步，而地热资源目前是非常难以开采的，”这项研究的合作者罗兰·霍恩称，他是斯坦福地热项目（Stanford Geothermal Program）的主任。

“由于不同的地质情况和裂缝的几何形态，每一个增强型地热系统都是*的，”霍恩说。“为了正确地开发系统，我们需要了解，这些裂缝是如何连接在一起的，以及温度场是如何分布的。DNA嵌入纳米示踪剂是一个得力的工具，能够帮助我们提升地热能的利用潜力。”

 保守估计，如果增强型地热系统能够被优化的话，有一天，地热能可以提供世界上5%的电力供应。虽然这个数字听起来很小，但是霍恩和Zhang认为地热能将在我们未来的能源领域扮演重要的角色。 

钻探技术难点

（1）粘钻及缩径。地热井钻进较厚的第三系泥岩地层及页岩夹层时，因泥页岩为水敏性溶胀分散地层，膨胀缩径、泥浆增稠，钻头泥包，在钻井中常遇到不同程度的遇阻、卡钻、缩径等情况。

三牙轮钻头钻进泥页岩时，岩屑常存于牙齿之间，形成“泥包”。其主要原因是：泵量小；由于造浆作用，孔底泥浆粘度较大；牙轮自转不灵活。

克服粘钻和缩径的措施有：加大泥浆泵排量，选用大排量泥浆泵，优质泥浆等技术措施。有条件时应选用大排量石油系列泵，如3NB-500、3NB-1300 泵等。

（2）漏失。在热水层中钻进时，会遇到漏失情况，有时漏失严重不返浆。热水储层为白云岩、灰岩、砂岩时，孔壁稳定性较好，因而可采用清水顶漏钻进。在取水目的层以上钻进时，对于小漏失，可以在泥浆中加锯未或堵漏剂进行堵漏；较大漏失时，可向孔内投入粘土球或用水泥堵漏。对于难于堵住的大漏失，可改用气举反循环钻进，也可下管封隔，或采用泡沫泥浆钻进。

堵漏方法较多，可根据地层和实践经验进行选择。

气举反循环钻探工艺

气举反循环钻探工艺能避免泥浆对环境的污染及对含水层的淤塞，并能克服地层漏失。在目的层钻进时采用该工艺不但可以免去化学洗井工序，而且能zui大限度提高岩层的产水能力。

气举反循环钻探工艺在硬件配备上只需空压机、气水混合器、双壁钻杆、双壁主动钻杆及配套水。

对于较深的钻孔，需配备大马力的空压机。难点是双壁钻杆的密封问题。

高压喷射钻探工艺

随着深部地热资源的开采，地热井深度的加大，石油钻探队伍及设备进入地热钻探市场，采用高压喷射钻探工艺，大大提高了钻探效率和成井质量，尤其是克服了泥页岩泥包钻头的问题，缩短了工期。

高压喷射钻井是采用喷射式钻头，以很高的泵压使泥浆自钻头喷嘴产生很高的喷射速度（zui高达75~100m/s）的一种钻井工艺。它一方面可以利用高流速的泥浆冲刷井底，帮助钻头破碎岩石；另一方面又能更好地清洗井底和钻头，加速钻进。高压喷射钻井要求配备大功率的强力泵，相应地配合使用低固相泥浆，保证泥浆的除砂和净化效果。使用这种钻井工艺可以提高钻速1~2 倍，大大提高了地热井钻井效率。

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在纳米示踪剂中加入DNA就能在很大程度上解决这个问题，”Zhang说。“DNA几乎有无限多个序列号。利用*的DNA标记将每一批示踪剂进行编码，我们就能获得我们需要的温度分布以及裂缝几何形状的清晰图像。”

在这项研究中，Zhang和她的研究团队在二氧化硅纳米粒子和一个额外的二氧化硅壳之间以合成的方法嵌入衍生的DNA分子。然后，他们通过沙袋，在不同温度下，将这些粒子注入，看看*的DNA标签和二氧化硅壳是否能在旅途中存活下来，这种情况类似于它们在热能场中的经历。

“我们非常惊讶地发现粒子能够在302华氏度（150摄氏度）的高温下存在，这意味着它们可以在地热场的环境下生存，”Zhang说。

目前，虽然更好地了解地下情况对于开发地热场有利，但是未来的地热发电可能来自于增强型地热系统，在这个系统中人们将水注入地下致岩石破裂从而挤出地热。

“这个初步研究结果让我们向利用地热资源迈出了重要一步，而地热资源目前是非常难以开采的，”这项研究的合作者罗兰·霍恩称，他是斯坦福地热项目（Stanford Geothermal Program）的主任。

“由于不同的地质情况和裂缝的几何形态，每一个增强型地热系统都是*的，”霍恩说。“为了正确地开发系统，我们需要了解，这些裂缝是如何连接在一起的，以及温度场是如何分布的。DNA嵌入纳米示踪剂是一个得力的工具，能够帮助我们提升地热能的利用潜力。”

 保守估计，如果增强型地热系统能够被优化的话，有一天，地热能可以提供世界上5%的电力供应。虽然这个数字听起来很小，但是霍恩和Zhang认为地热能将在我们未来的能源领域扮演重要的角色。