過去幾十年，全球許多機構(gòu)和企業(yè)都曾試圖從地下深處熾熱干燥的巖石中提取地熱能，但屢遭失敗。7月14日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章，則介紹了全球一些新的地熱鉆探技術(shù)，這些技術(shù)，或許能讓人類在3000米地下“鉆燧取火”的超級夢想變成現(xiàn)實。
在美國猶他州的米爾福德鎮(zhèn)，美國猶他大學(xué)的地質(zhì)力學(xué)工程師約翰·麥克倫南（John McLennan）試圖打破一個困擾他長達45年的詛咒，從地球深處獲取豐富的能量。但這一天開始得很不祥。
首先傳來的消息是，一場半夜的事故，造成了一名研究人員背部疼痛，不得不在酒店休息。接著又有消息說，埃斯卡蘭特沙漠深處鉆孔里的地震傳感儀出現(xiàn)了故障。大風掃過鼠尾草覆蓋的山丘，猛烈地拍打著鉆機。這臺鉆機矗立在沙漠中，高50米，就像一座被放錯了地方的燈塔。工人們已經(jīng)比計劃晚了一天，而這會使得項目組每天的消耗增加35萬美元。
【資料圖】
最終，在日落之前，約翰·麥克倫南決定讓這個耗資2.18億美元、醞釀了4年的項目往前邁出關(guān)鍵一步。項目被稱為“地熱能研究前沿平臺”（Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy，F(xiàn)ORGE）。如果成功，F(xiàn)ORGE將能示范如何將地下極深處干燥、熾熱的巖石變?yōu)橹匾目稍偕茉础?/p>
位于美國猶他州的FORGE項目的大型鉆機
狂風終于不再繼續(xù)搖晃拖車。拖車里，麥克倫南穿著與前一天一樣的棕色毛衣，面對著五個電腦屏幕，眼睛因疲憊而浮腫。拖車的門打開，一個戴著白色安全帽的高個子男人瞧了進來，問，“你準備好讓我開始了嗎？”“是的，”麥克倫南回答，“我們準備好了?！?/p>
這時，鉆機附近強力的水泵仿佛突然蘇醒過來，它們開始將數(shù)千升的水注入一個洞里，這個洞深達3公里，一直鑿到了堅硬的花崗巖層中。
利用深層地熱發(fā)電：屢敗屢戰(zhàn)
利用地球內(nèi)部熱量發(fā)電的概念很簡單。據(jù)《科學(xué)》雜志介紹，地核的溫度接近太陽表面的溫度，熱量會向外溢出。在一些地方，地熱能以熔巖、蒸汽噴口和溫泉的形式出現(xiàn)在地球表面。然而，更多的時候，它們?nèi)匀槐焕г谏顚拥某练e物和巖石之中。
地熱能潛力無窮。根據(jù)一項最新的研究估計，僅在美國，地下巖石中的熱量就可以產(chǎn)生超過5000吉瓦的發(fā)電功率。這差不多是目前美國所有發(fā)電廠裝機的5倍。地熱能的吸引力還在于，它不燃燒化石燃料，不需要進口；此外，與太陽能電池板和風力渦輪機不同，它可以全天候運行。
然而事實證明，利用這種熱量相當困難。一些國家——像在火山活躍的冰島，已經(jīng)開始提取地下的熱水為建筑物供熱和發(fā)電。但在大多數(shù)地方，巖石中由于缺乏水或者裂縫，無法將熱量輕松轉(zhuǎn)移到地表。
幾十年來，工程師們一直試圖從堅硬干燥的基巖中提取熱量，這些巖石的溫度能達到250度以上。但大多數(shù)努力不僅受挫，而且付出了巨大的代價，有時甚至誘發(fā)了具有破壞性的地震。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，目前地熱能只提供了全球0.33%的電力，這與1990年相比幾乎沒有變化。
近年來，這種可再生能源似乎又看到了新的曙光。希望來自于石油和天然氣行業(yè)開發(fā)的技術(shù)，例如定向鉆探和水力壓裂——用高壓流體人工壓裂深層巖石。人們期待這些提高化石燃料產(chǎn)量的方法能夠發(fā)揮作用，從而有效、安全地從干燥熾熱的巖石中提取能量。
目前在美國，政府機構(gòu)和私營公司已在這種稱為增強型地熱系統(tǒng)（enhanced geothermal systems，EGS）的技術(shù)上投入了數(shù)億美元，但技術(shù)也遭遇到了多次失敗。因此，位于猶他州東南部偏遠地區(qū)的FORGE項目備受矚目。
“如果我們不能使FORGE運作，地熱可能將無法發(fā)揮作用，”FORGE的負責人、猶他大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家約瑟夫.摩爾（Joseph Moore）說，“這真的是最后一搏。
對麥克倫南而言，F(xiàn)ORGE項目似曾相識。1983年，當他還在一家油田公司擔任工程師時，他參與了美國能源部（DOE）的一個項目，嘗試開發(fā)新墨西哥州杰梅斯山脈的干熱巖石。工程師們曾希望通過將水注入巖石深部裂縫，再利用附近的出口井將熱水引回地表，制造出一種人工溫泉。但大部分注入的水從未重新浮出水面。研究者后來發(fā)現(xiàn)，是他們錯判了地質(zhì)狀況，水消失在未被探測到的裂縫中。
猶他大學(xué)工程師約翰.麥克倫南
幾十年后，澳大利亞干旱的庫珀盆地（Cooper Basin）中，一座價值1.44億美元的地熱發(fā)電廠也發(fā)生了類似的事情。泵入井中的的水流入一個此前未知的斷層，該項目僅僅存活了5年，于2016年關(guān)閉。在一些地方，“增強型地熱系統(tǒng)”（EGS）項目遭遇了更慘痛的失敗，用于壓裂的高壓水注入后導(dǎo)致現(xiàn)有斷層滑動，繼而引發(fā)了地震。2006年，工程師們在地震造成輕微破壞后，關(guān)閉了位于瑞士巴塞爾地下的一個EGS項目。11年后，韓國浦項市發(fā)生了一場5.5級地震，地震造成1人死亡，數(shù)十人受傷，損失超過7500萬美元。這場地震可以追溯到附近一個新的EGS項目，在該項目中，操作員在一個此前未知的自然斷層附近以高壓注入了液體。
此外，在熾熱、干燥的巖石中鉆探的高成本也是問題所在。專為油田中常見的較軟、較冷的沉積巖而設(shè)計的設(shè)備，在花崗巖等極端高溫、堅硬的變質(zhì)巖中經(jīng)常會力不從心，狀態(tài)頻發(fā)。
如今，全球僅有3個EGS發(fā)電廠。它們位于靠近法國和德國邊境的地方，總發(fā)電功率不到11兆瓦，能夠為大約9000個家庭供電。
水平鉆井、小型分段壓裂技術(shù)重新點亮道路
在“增強型地熱系統(tǒng)”（EGS）舉步維艱之際，石油和天然氣行業(yè)又出現(xiàn)了一些新的鉆井技術(shù)。工程師們學(xué)會了水平鉆井，而不僅僅是垂直鉆井。如今，他們可以創(chuàng)造出類似過山車路線一般蜿蜒曲折的井。復(fù)雜的轉(zhuǎn)向使鉆探人員能夠瞄準目標，將石油和天然氣從狹窄的巖脈中釋放出來。
這些技術(shù)進展促使全球政府和投資者重新審視EGS項目。據(jù)美國非營利組織“內(nèi)部空間項目”(Project InnerSpace)的律師兼執(zhí)行董事杰米·比爾德(Jamie Beard)介紹說，自2020年以來，美國已經(jīng)出現(xiàn)了20多家地熱公司。這比她在過去十年中統(tǒng)計的初創(chuàng)公司還要多。在德國，亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會（(Helmholtz Association of German Research Centers)6月宣布，將投入3500萬歐元建立一個新的地下實驗室，專門負責深層結(jié)晶巖的地熱研究，包括EGS。今年4月，美國能源部宣布其將計劃在4個EGS試點項目上投入8400萬美元。項目將分布在美國不同的地質(zhì)環(huán)境中，以研究從不同類型的巖石中提取熱量的最佳方法。
而這些工廠都將以FORGE項目的成果為基礎(chǔ)。FORGE項目由美國能源部于2014年發(fā)起，目的是建立起一個用于打磨EGS工具的實驗平臺。2018年，美國能源部宣布猶他大學(xué)及其合作伙伴獲得了項目基金，他們將在在猶他州的鐵路小鎮(zhèn)米爾福德附近建造起設(shè)施。在那里，地球熾熱的內(nèi)部在逐漸接近地表。
FORGE項目的鉆井平臺
米爾福德山谷的植被如此之薄，以至于山谷的大部分地質(zhì)歷史暴露在外，就像一本翻開的書。今年早些時候，約瑟夫.摩爾站在一個低矮的由硅石構(gòu)成的懸崖邊，懸崖沿著一座小山的山頂從北向南延伸。“這是一個基本的邊界?！彼f。就地熱能而言，這堵墻將兩個不同的世界分開。向東，地面迅速上升形成礦物山脈的兩側(cè)。在懸崖和山脈之間，豐富的地下熱水在靠近地表的地方流動。在墻以西，地下水被一層堅硬的花崗巖阻擋，花崗巖的溫度可達到235°C。FORGE項目的鉆井平臺就位于花崗巖上方。
從2020年開始，工作人員開始鉆探一口注入井。完成的井直徑為22厘米，延伸3.3公里。這口井具有石油水力壓裂作業(yè)中的標準特征，而這些特征在增強型地熱系統(tǒng)（EGS）項目中仍屬前沿。例如，F(xiàn)ORGE的鉆機以接近水平的角度切入目標花崗巖中——角度與巖石中的自然應(yīng)力相交，使工程師能夠擴大巖石中已有的微小裂縫。
在最深的地方，鉆機穿透了17億年前的巖石。傳統(tǒng)的金屬鉆頭很難穿過這些石頭以及在其之上更年輕的花崗巖層，鉆頭每小時只前進3米，而且經(jīng)常碎裂。這促使人們改用鑲嵌了人造鉆石的更堅硬的鉆頭——這也是在花崗巖中進行地熱鉆探的首次。這種鉆頭穿透巖石的速度提高了10倍。
FORGE鉆井還采用了石油壓裂作業(yè)的標準鋼套管。操作人員使用特殊設(shè)計的墊圈密封管道，而后在管道內(nèi)引爆小型炸藥，使得管道破碎，暴露出周圍的巖石。這有助于一點一點地破碎巖石——這是EGS項目的另一創(chuàng)新之處。
美國斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家威廉.埃爾斯沃斯（William Ellsworth）說，這種循序漸進的方法可以幫助EGS項目避免在地震敏感區(qū)域進行水力壓裂而引發(fā)斷層的可能。但他警告說，在堅硬的基巖中發(fā)現(xiàn)問題斷層仍然是“一個極其困難的成像問題”。
此外，在FORGE項目中，花崗巖的高溫已經(jīng)造成了墊圈的損壞，這些墊圈通常用于溫度較低的石油和天然氣井。高溫也破壞了地震傳感器，這在跟蹤水力壓裂作業(yè)中至關(guān)重要。因此，該團隊一直在測試特殊的高溫墊圈和新的監(jiān)控工具，包括能夠承受熱量、同時探測出地球微小振動的光纖電纜。
3000米地下的超級熱能可能
今年4月16日，麥克倫南和FORGE團隊為他們的第一次大型測試做好了準備：看他們能否在足夠的壓力下將足夠的水泵入井的最深處，以擴大微小的裂縫或在花崗巖中創(chuàng)建新的裂縫。
拖車外，一輪滿月從一排水箱上方升起。發(fā)動機的轟鳴聲回蕩在空氣中，強大的車載泵將水通過細如意大利面條的管道輸送到井中。
在麥克倫南面前的屏幕上，數(shù)字開始攀升，數(shù)字記錄著涌入洞中的水量。工程師們希望這能讓他們在巖石中制造出密集的裂縫群，就像針灸師將銀針插入特定的神經(jīng)中一樣。
一條紅線在屏幕上平緩爬行，顯示著水壓逐漸上升。最終，這條線波動起來了，在大約28兆帕斯卡的壓力處一下子跳起來，超過了大氣壓力的250倍。顫振是個好消息：這可能意味著巖石就要坍塌了。
在接下來的半個小時里，信號繼續(xù)令人鼓舞。這些天來，麥克倫南第一次顯得如釋重負。
很難確切地知道地下近3公里深的地方發(fā)生了什么。但在另外一塊屏幕前，地震學(xué)家吉姆·拉特利奇（Jim Rutledge）正在收集線索。網(wǎng)格上出現(xiàn)了一簇簇黑點，標記著半公里外監(jiān)測井中的傳感器監(jiān)測到的微小地震。這些微小的震動并不是警報，只是水力壓裂按計劃進行的表征。
77分鐘后，從井中傾瀉而下的水量已經(jīng)增加到每分鐘50桶——有些人預(yù)測，因為巖石的堅不可摧，F(xiàn)ORGE團隊將永遠達不到這個雄心勃勃的目標。
1個小時后，水泵安靜下來。
在成功完成了第一次水力壓裂后，F(xiàn)ORGE團隊在同一井中更高位置又進行了兩次后續(xù)的水力壓裂?，F(xiàn)在，團隊正在篩選在測試期間收集的大量數(shù)據(jù)，從而決定下一步的行動。
例如，在測試期間觸發(fā)的微小地震事件的3D地圖將幫助他們決定在哪里鉆第二口井。如果一切按計劃進行，2023年，他們將把水從第一個洞中泵入，再看是否有水能夠從第二個洞里出來。
增強型地熱系統(tǒng)（EGS)的運作原理
更多的人也在密切關(guān)注FORGE項目的進展。瑞士地熱公司Geo Energie Suisse的工程師兼首席執(zhí)行官彼得.邁耶（Peter Meier）是瑞士EGS項目的負責人，他希望FORGE采用的小型分段壓裂技術(shù)將為降低“增強型地熱系統(tǒng)”（EGS）引起破壞性地震的風險指明方向。其他一些人則急切地想知道，F(xiàn)ORGE是否能解決當今嚇跑潛在投資者的問題，使得EGS更有商業(yè)性。這些問題包括耗時的鉆井，設(shè)備破損以及井能否產(chǎn)生熱水的長期不確定性。
然而，不少人認為相較于FORGE為代表的EGS，其它策略具有更直接的商業(yè)前景，他們稱為EGS 2.0。例如，比爾德認為應(yīng)該瞄準較軟，溫度較低的巖石，這是石油鉆探的熟悉領(lǐng)域。
Sage Geosystems就是一家奉行這一戰(zhàn)略的公司。這家總部位于休斯頓的公司由石油巨頭殼牌（Shell）的科學(xué)家和高管于2020年創(chuàng)立，目標是在沉積巖中利用單井鉆探和水力壓裂。他們使用一組同心管將冷卻流體泵入巖石，并抽出熱流體。該公司可能會使用液態(tài)二氧化碳代替水，因為二氧化碳的沸點較低。由此產(chǎn)生的蒸汽將驅(qū)動專門的二氧化碳渦輪機。
EGS的長期支持者也在嘗試一種不同的、技術(shù)上不那么具有挑戰(zhàn)性的方法。今年夏天，研究人員將在紐約州康奈爾大學(xué)校園的沉積巖中鉆探一口測試井。雖然巖石溫度可能只有100°C， 但這足以產(chǎn)生熱水來為大學(xué)里所有建筑物供暖。
而對于FORGE，研究人員們認為，在其幾公里以下的炎熱干燥巖石儲存的熱量足以為鹽湖城大小的城市供電。然而，考慮到它的主要任務(wù)是作為一個測試平臺，該設(shè)施可能永遠不會產(chǎn)生足夠的電力來點亮單個燈泡。
但在FORGE的負責人約瑟夫.摩爾看來，這并不成為困擾?！拔覀兊哪康牟皇墙鉀Q所有問題，”摩爾在第一次水力壓裂后的第二天說，當時他站在離鉆機不遠的一條土路上。相反，他說，F(xiàn)ORGE的目標是看看它是否可以“將增強型地熱系統(tǒng)（EGS）引入私營部門，并探索其更大的可行性。”
營業(yè)執(zhí)照