地热能开采新技术：地下火焰钻井 保护钻头降低

　　为测试新方法的可行性，研究人员已经建起了一座3层楼高的试验工场。在工场内，地热管道穿过测量仪及安全阀门进入燃烧反应堆中。反应堆外壳由1英寸厚的耐热钢材制成，防止它在压力或温度过高时爆炸。据工作人员称，即使在300巴（压力单位）的环境下，反应堆仍能正常工作。托拜厄斯·罗登弗路是苏黎士联邦理工学院过程工程研究院的一名博士生，也是工程的研究人员之一。他说：“在实验中，我们的反应堆能够在压强为250巴，450℃的情况下完成水下点火，这让我们能够通过实验真实模拟地热井中的温度及压强情况，而这一深度大概在地表以下3公里的地方。”在过去的几个月中，他已经与同事一道建成了第一座燃烧反应堆雏形。

　　高温、高压下的实验

　　整个水下点火的过程如下：研究人员把经高温加热的氧气、乙醇和水通过不同的管道及安全阀泵入燃烧反应堆中，让它们与反应堆中的高温、高压环境相融合。压强及温度是由工作人员精确控制的，与水的超临界状态相符。融合完成后，研究人员通过照相机透过蔚蓝色的反应堆玻璃窗观察到了混合物的自燃。此外，他们还新研制出了一种传感器托板，用来测量从燃烧的火焰到托板之间的热通量，并记录下燃烧反应堆出口至传感器托板之间反应堆表面的温度分布情况。

　　利用这些实验的数据，研究人员能够计算出地热井中地下火焰至岩石的热量传送情况。热通量对于新的可替代地热钻井技术是至关重要的参数。

　　岩石快速破裂

　　在试验中，水下火焰的最高温度达到了2000°C。研究人员表示，岩石遇到如此高温的火焰会导致其上表层迅速升温，使整个岩石产生明显的温度梯度。温度差会以及随之而来的线性热膨胀使岩石破裂。岩石上表层的膨胀导致天然裂缝的形成，这也是岩石破裂开始的地方。在岩石的分裂地带会产生直径几毫米的圆盘似岩石碎片。这些碎片会随着周围上升的流体一道升至离地面较近的地方。研究人员解释说，岩石分裂过程中面临的最大挑战是要在给岩石快速加温的同时防止其熔化。岩石上的温度梯度越大，开采地热的速度就会越快。

　　这种方法特别适用于坚硬、干燥的岩石，这些岩石通常埋于地下3公里甚至更深的地层。在这样的深度，传统的钻头会很快损毁，而经常更换钻头则会使地热开采变得十分不经济。据研究人员估算，挖掘一个深度为10公里的地热井的成本在6000万美元左右。然而，如果使用的是所谓的“热液分裂钻探”法，钻头的耗损率则会小很多，因为气体自燃产生的高温会使岩石破裂，因此钻头与岩石不会有机械接触。研究人员解释说，如果采用这种方法，随着地热井深度的增加，成本只会成线性上升；而如果使用传统的钻井方法，成本则会成指数上升。

　　模拟与示范

　　为了测试火焰在不同状况下的燃烧情况，研究人员正开发热反应过程及热传输过程的数值模拟工具。数值模拟让工作人员可以更好地控制及优化热液的流量、反应堆温度、压强等数据。目前，研究人员正用实验所取得的数据设计试验工厂。这座造价120万瑞士法郎的工厂将证实，用热液火焰的方法是否能真正地钻通岩石。项目由瑞士联邦能源部、苏黎士联邦理工学院以及瑞士国家科学基金共同赞助。瑞士联邦政府及工业界都一致高度肯定“热液分裂钻探”法的巨大潜力。他们认为，距离该技术能应用于商业领域还有一段时间，但它的可行性勿庸置疑。虽然加快该技术走向工业应用的步伐并非不可能，但研究人员眼下仍想将注意力集中在基础研究之上。

　　苏黎士联邦理工学院过程工程研究院是目前世界上唯一研究火焰在临界水中热传输特性的机构。那儿的研究人员想要开展既有广度，又有深度的研究。他们认为，也许在未来，该领域的知识将不只应用于地热能，也会有其他用途。