用熱鉆法開(kāi)采地?zé)?/h1>
2009-07-09 06:09
微型計(jì)算機(jī)·Geek 2009年11期
地?zé)崮茉词橇硪环N清潔的能源，而且隨著開(kāi)采深度的增加，地?zé)崮茉磶缀蹙褪侨≈槐M、用之不竭的可再生能源。然而，如果使用通常的旋轉(zhuǎn)鉆井法，鉆井成本將隨著深度的增加而急速增長(zhǎng)。怎樣才能在更有效率以及更符合成本效益的情況下打入更深的巖層以獲得地?zé)崮茉?蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)正在研究的“熱鉆法”也許可以給出一個(gè)答案。
熱鉆井法的基本原理就是用高溫火焰加熱巖層使其裂解來(lái)進(jìn)行鉆探。ETH Zurich過(guò)程工程研究所(IPE)的科學(xué)家們用了數(shù)個(gè)月的時(shí)間建造了一個(gè)試驗(yàn)用的燃燒反應(yīng)堆，用來(lái)模擬火焰在地下3公里處的鉆孔中灼燒巖石的情景。這座反應(yīng)堆位于座三層樓高的實(shí)驗(yàn)工廠中，它的外壁由幾英寸厚的耐熱鋼構(gòu)成，在300巴(30兆帕，相當(dāng)于296個(gè)大氣壓)的壓強(qiáng)下也不至于炸得四分五裂。加熱的氧氣、乙醇以及水通過(guò)各種管道和閥門進(jìn)入反應(yīng)堆的燃燒器，在對(duì)應(yīng)于超臨界水存在狀態(tài)的溫度和壓力下，這些氣體和液體混合并自動(dòng)燃燒起來(lái)，而研究人員通過(guò)藍(lán)寶石玻璃窗后的一部攝像機(jī)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行觀察(嗯，絕對(duì)的安全)。利用一種新型的平板傳感器(用來(lái)模擬巖層表面)，科學(xué)家們可以測(cè)量從火焰到傳感器的熱通量，并記錄傳感器表面上的溫度分布狀況。從這些試驗(yàn)結(jié)果之中，他們得到了對(duì)“熱鉆法”進(jìn)行定性所需的至關(guān)重要的參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)期間，火焰的最高溫度達(dá)到了約2000℃。對(duì)上層巖石的快速加熱使得溫度陡然上升，在溫差引起的熱膨脹下，巖石以那些原本就存在的縫隙為原點(diǎn)產(chǎn)生了裂縫。巖石上的裂縫逐漸延伸擴(kuò)散，就像破碎的瓷盤一樣，最后毫米級(jí)的巖石碎片形成了散裂區(qū)，而裂解下來(lái)的巖石顆粒則隨著周圍上升的液體流被運(yùn)送到地面。巖石各部分的溫差越大，鉆起來(lái)速度就越快。所以對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，當(dāng)前最主要的挑戰(zhàn)之一就是在對(duì)裂過(guò)程中防止迅速加熱的巖石融化掉。
該方法特別適用于干燥的硬巖，這種巖石通常是在鉆孔深度超過(guò)3公里以上時(shí)會(huì)遇到。在這一深度上，常規(guī)鉆頭的磨損速度加快，因此需要頻繁地更換鉆頭，這使得傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)不符合經(jīng)濟(jì)原則：一個(gè)10公里深的鉆孔的成本高達(dá)6000萬(wàn)美刀!而使用所說(shuō)的“熱裂鉆法”鉆井方案，由于不存在與巖石的機(jī)械接觸，所以燃燒器(鉆頭)的磨損極小。有科學(xué)家樂(lè)觀估計(jì)，熱裂鉆法的鉆井成本將隨著鉆孔的深度線性上升，而不是像傳統(tǒng)方法一樣呈指數(shù)增長(zhǎng)。
現(xiàn)在，聯(lián)邦政府和一些工業(yè)公司已經(jīng)對(duì)“熱裂鉆法”表示出了濃厚的興趣，這說(shuō)明這一新技術(shù)還是有很大的潛力的，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用應(yīng)該也為期不遠(yuǎn)。看來(lái)，瑞士人民不必再羨慕冰島人民的地?zé)崃?，說(shuō)不定哪一天用這種清潔能源發(fā)的電也會(huì)輸送到他們家中。
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熱鉆井法的基本原理就是用高溫火焰加熱巖層使其裂解來(lái)進(jìn)行鉆探。ETH Zurich過(guò)程工程研究所(IPE)的科學(xué)家們用了數(shù)個(gè)月的時(shí)間建造了一個(gè)試驗(yàn)用的燃燒反應(yīng)堆，用來(lái)模擬火焰在地下3公里處的鉆孔中灼燒巖石的情景。這座反應(yīng)堆位于座三層樓高的實(shí)驗(yàn)工廠中，它的外壁由幾英寸厚的耐熱鋼構(gòu)成，在300巴(30兆帕，相當(dāng)于296個(gè)大氣壓)的壓強(qiáng)下也不至于炸得四分五裂。加熱的氧氣、乙醇以及水通過(guò)各種管道和閥門進(jìn)入反應(yīng)堆的燃燒器，在對(duì)應(yīng)于超臨界水存在狀態(tài)的溫度和壓力下，這些氣體和液體混合并自動(dòng)燃燒起來(lái)，而研究人員通過(guò)藍(lán)寶石玻璃窗后的一部攝像機(jī)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行觀察(嗯，絕對(duì)的安全)。利用一種新型的平板傳感器(用來(lái)模擬巖層表面)，科學(xué)家們可以測(cè)量從火焰到傳感器的熱通量，并記錄傳感器表面上的溫度分布狀況。從這些試驗(yàn)結(jié)果之中，他們得到了對(duì)“熱鉆法”進(jìn)行定性所需的至關(guān)重要的參數(shù)。
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