過去幾十年，全球許多機(jī)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?zé)崮埽珜以馐　?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?zé)徙@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(jí)夢想變成現(xiàn)實(shí)。

(資料圖片僅供參考)

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(gè)困擾他長達(dá)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(fēng)掃過鼠尾草覆蓋的山丘，猛烈地拍打著鉆機(jī)。這臺(tái)鉆機(jī)矗立在沙漠中，高50米，就像一座被放錯(cuò)了地方的燈塔。工人們已經(jīng)比計(jì)劃晚了一天，而這會(huì)使得項(xiàng)目組每天的消耗增加35萬美元。

最終，在日落之前，約翰·麥克倫南決定讓這個(gè)耗資2.18億美元、醞釀了4年的項(xiàng)目往前邁出關(guān)鍵一步。項(xiàng)目被稱為“地?zé)崮苎芯壳把仄脚_(tái)”（?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>

圖一：位于美國猶他州的FORGE項(xiàng)目的大型鉆機(jī)

狂風(fēng)終于不再繼續(xù)搖晃拖車。拖車?yán)铮溈藗惸洗┲c前一天一樣的棕色毛衣，面對(duì)著五個(gè)電腦屏幕，眼睛因疲憊而浮腫。拖車的門打開，一個(gè)戴著白色安全帽的高個(gè)子男人瞧了進(jìn)來，問，“你準(zhǔn)備好讓我開始了嗎？”

“是的，”麥克倫南回答，“我們準(zhǔn)備好了。”

這時(shí)，鉆機(jī)附近強(qiáng)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(gè)洞里，這個(gè)洞深達(dá)3公里，一直鑿到了堅(jiān)硬的花崗巖層中。

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(huì)向外溢出。在一些地方，地?zé)崮芤匀蹘r、蒸汽噴口和溫泉的形式出現(xiàn)在地球表面。然而，更多的時(shí)候，它們?nèi)匀槐焕г谏顚拥某练e物和巖石之中。

地?zé)崮軡摿o窮。根據(jù)一項(xiàng)最新的研究估計(jì)，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(jī)的5倍。地?zé)崮艿奈€在于，它不燃燒化石燃料，不需要進(jìn)口；此外，與太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)不同，它可以全天候運(yùn)行。

然而事實(shí)證明，利用這種熱量相當(dāng)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(jiān)硬干燥的基巖中提取熱量，這些巖石的溫度能達(dá)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(jià)，有時(shí)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?zé)崮苤惶峁┝巳?.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(jī)構(gòu)和私營公司已在這種稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(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(yuǎn)地區(qū)的FORGE項(xiàng)目備受矚目。

“如果我們不能使FORGE運(yùn)作，地?zé)峥赡軐o法發(fā)揮作用，”FORGE的負(fù)責(zé)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(duì)麥克倫南而言，F(xiàn)ORGE項(xiàng)目似曾相識(shí)。1983年，當(dāng)他還在一家油田公司擔(dān)任工程師時(shí)，他參與了美國能源部（DOE）的一個(gè)項(xiàng)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?cè)Ｍㄟ^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(cuò)判了地質(zhì)狀況，水消失在未被探測到的裂縫中。

圖二：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(jià)值1.44億美元的地?zé)岚l(fā)電廠也發(fā)生了類似的事情。泵入井中的的水流入一個(gè)此前未知的斷層，該項(xiàng)目僅僅存活了5年，于2016年關(guān)閉。

在一些地方，“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)”（EGS）項(xiàng)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(dòng)，繼而引發(fā)了地震。2006年，工程師們?cè)诘卣鹪斐奢p微破壞后，關(guān)閉了位于瑞士巴塞爾地下的一個(gè)EGS項(xiàng)目。11年后，韓國浦項(xiàng)市發(fā)生了一場5.5級(jí)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(gè)新的EGS項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，操作員在一個(gè)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(jì)的設(shè)備，在花崗巖等極端高溫、堅(jiān)硬的變質(zhì)巖中經(jīng)常會(huì)力不從心，狀態(tài)頻發(fā)。

如今，全球僅有3個(gè)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?yàn)榇蠹s9000個(gè)家庭供電。

在“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(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(huì)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(zhǔn)目標(biāo)，將石油和天然氣從狹窄的巖脈中釋放出來。

這些技術(shù)進(jìn)展促使全球政府和投資者重新審視EGS項(xiàng)目。據(jù)美國非營利組織“內(nèi)部空間項(xiàng)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?zé)峁尽＿@比她在過去十年中統(tǒng)計(jì)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(huì)（(Helmholtz Association of German Research Centers)6月宣布，將投入3500萬歐元建立一個(gè)新的地下實(shí)驗(yàn)室，專門負(fù)責(zé)深層結(jié)晶巖的地?zé)嵫芯浚‥GS。今年4月，美國能源部宣布其將計(jì)劃在4個(gè)EGS試點(diǎn)項(xiàng)目上投入8400萬美元。項(xiàng)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(xiàng)目的成果為基礎(chǔ)。FORGE項(xiàng)目由美國能源部于2014年發(fā)起，目的是建立起一個(gè)用于打磨EGS工具的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2018年，美國能源部宣布猶他大學(xué)及其合作伙伴獲得了項(xiàng)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。

圖三：FORGE項(xiàng)目的鉆井平臺(tái)

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(shí)候，約瑟夫.摩爾站在一個(gè)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(gè)基本的邊界。”他說。

就地?zé)崮芏裕@堵墻將兩個(gè)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(dòng)。在墻以西，地下水被一層堅(jiān)硬的花崗巖阻擋，花崗巖的溫度可達(dá)到235°C。FORGE項(xiàng)目的鉆井平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)特征，而這些特征在增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）項(xiàng)目中仍屬前沿。例如，F(xiàn)ORGE的鉆機(jī)以接近水平的角度切入目標(biāo)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(kuò)大巖石中已有的微小裂縫。

在最深的地方，鉆機(jī)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(shí)只前進(jìn)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(jiān)硬的鉆頭——這也是在花崗巖中進(jìn)行地?zé)徙@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(biāo)準(zhǔn)鋼套管。操作人員使用特殊設(shè)計(jì)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(diǎn)一點(diǎn)地破碎巖石——這是EGS項(xiàng)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(jìn)的方法可以幫助EGS項(xiàng)目避免在地震敏感區(qū)域進(jìn)行水力壓裂而引發(fā)斷層的可能。但他警告說，在堅(jiān)硬的基巖中發(fā)現(xiàn)問題斷層仍然是“一個(gè)極其困難的成像問題”。

此外，在FORGE項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(shí)探測出地球微小振動(dòng)的光纖電纜。

今年4月16日，麥克倫南和FORGE團(tuán)隊(duì)為他們的第一次大型測試做好了準(zhǔn)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(kuò)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(dòng)機(jī)的轟鳴聲回蕩在空氣中，強(qiáng)大的車載泵將水通過細(xì)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?cè)趲r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(dòng)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(gè)好消息：這可能意味著巖石就要坍塌了。

在接下來的半個(gè)小時(shí)里，信號(hào)繼續(xù)令人鼓舞。這些天來，麥克倫南第一次顯得如釋重負(fù)。

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(diǎn)，標(biāo)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(dòng)并不是警報(bào)，只是水力壓裂按計(jì)劃進(jìn)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?yàn)閹r石的堅(jiān)不可摧，F(xiàn)ORGE團(tuán)隊(duì)將永遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)。

1個(gè)小時(shí)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(tuán)隊(duì)在同一井中更高位置又進(jìn)行了兩次后續(xù)的水力壓裂。現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)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(dòng)。

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(jì)劃進(jìn)行，2023年，他們將把水從第一個(gè)洞中泵入，再看是否有水能夠從第二個(gè)洞里出來。

圖四：增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS)的運(yùn)作原理

更多的人也在密切關(guān)注FORGE項(xiàng)目的進(jìn)展。瑞士地?zé)峁綠eo Energie Suisse的工程師兼首席執(zhí)行官彼得.邁耶（Peter Meier）是瑞士EGS項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他希望FORGE采用的小型分段壓裂技術(shù)將為降低“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)”（EGS）引起破壞性地震的風(fēng)險(xiǎn)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(dāng)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(shí)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(rèn)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(rèn)為應(yīng)該瞄準(zhǔn)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(biāo)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(huì)使用液態(tài)二氧化碳代替水，因?yàn)槎趸嫉姆悬c(diǎn)較低。由此產(chǎn)生的蒸汽將驅(qū)動(dòng)專門的二氧化碳渦輪機(jī)。

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(duì)于FORGE，研究人員們認(rèn)為，在其幾公里以下的炎熱干燥巖石儲(chǔ)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(gè)測試平臺(tái)，該設(shè)施可能永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生足夠的電力來點(diǎn)亮單個(gè)燈泡。

但在FORGE的負(fù)責(zé)人約瑟夫.摩爾看來，這并不成為困擾。“我們的目的不是解決所有問題，”摩爾在第一次水力壓裂后的第二天說，當(dāng)時(shí)他站在離鉆機(jī)不遠(yuǎn)的一條土路上。相反，他說，F(xiàn)ORGE的目標(biāo)是看看它是否可以“將增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）引入私營部門，并探索其更大的可行性。”

關(guān)鍵詞： 鉆燧取火