最新“聚变的”地热能开发技术：100天完成20公里深的地下钻井

根据科学家的研究，地球表面下有如此多的热能，而仅仅利用其中的0.1%就可以满足全世界2000多万年的能源需求。

如果我们能钻得足够深，我们可以把地热发电站放在任何我们想要的地方。

地壳的厚度在5-75公里（3-47英里）之间变化，最薄的部分往往位于深海。

头图

人类历史上最深的地下井还不够深

人类钻过的最深的井是1970年，俄罗斯在挪威边境附近开展了一个项目，旨在将地壳直接刺入地幔。1989年，该项目的一个钻孔达到了12289米（40318英尺）的垂直深度，之后该团队决定无法再深入下去。

岩石的密度比预期的要低，多孔性也更大，这些因素与高温相结合，创造了梦魇般的钻探条件。科拉遗址已经年久失修，这个“地狱之门”，人类成就的巅峰（或许是未来的低谷），现在是一个匿名的、焊接的封闭空间。

2012年拍摄的完全废弃的科拉超深钻孔。世界上最深钻井项目的不幸结局

德国的挑战

80年代末，德国在自己的本土上花费了相当于25多亿欧元的资金，但是，只到达9101米（29859英尺）就终止了。

同样，温度的上升比预期的要早得多，钻井团队也惊讶地发现，在这个深度的岩石不是固体，大量的流体和气体涌入钻孔，使工作进一步复杂化。

这些温度足以阻碍钻探过程，因而使得开发地热裹足不前。因此，虽然这些项目和其他项目都是宝贵的科学资源，但需要新技术来挖掘我们脚下的地热潜力。

新的钻井技术：钻井机器人

在物理钻头难以操作的情况下，研究人员一直在测试定向能束的能力，以加热、熔化、断裂，甚至在钻头接触基底岩石之前，通过一种称为层裂的过程蒸发基底岩石。

你可以从下面的图中看到坚硬岩石上的层裂

机器人加热并粉碎地球上最坚硬的岩石，而不接触它

新的钻井技术：激光

上世纪90年代末的军事实验显示，有希望的结果表明，激光辅助钻井可以比传统钻井快10-100倍穿过岩石。

采用激光进行钻井的巨大优势：

1）井筒中没有可能磨损或破裂的机械系统，

2）没有温度限制，

3）同样容易穿透任何岩石硬度，

4）有可能用耐用的玻璃化尾管代替套管/固井。”

采用激光钻井，可以有效地烧灼它所钻穿的岩石，在钻孔过程中熔化井筒，并将其玻璃化成一层玻璃，从而密封流体、气体和其他污染物，这些污染物曾在以前的超深钻井项目中造成过问题。

激光钻井存在的困难

“迄今为止，激光穿透岩石的最深深度仅为30厘米（11.8英寸）。缺乏激光钻孔进展有一些基本的物理和技术原因。

1、岩石破碎产生的颗粒流与短波能量不相容，短波能量在接触所需岩石表面之前被[灰尘和颗粒云]散射和吸收。

2、激光技术缺乏能量和效率，而且成本太高。

因而，激光技术需要很大的创新和改进后，才可能用于钻井。

最新聚变的钻井技术：采用毫米波能量束的回旋管来加热岩石

看来，解决方案可能来自核聚变领域。

为了复制在太阳中心将原子粉碎在一起的条件，从而释放出最安全、最清洁的核能形式，聚变研究人员需要产生惊人的热量。

在核聚变领域使用了回旋管，这是一种最初于20世纪60年代中期在苏联开发的设备。回旋管在光谱的毫米波部分产生电磁波，其波长比微波短，但比可见光或红外光长。20世纪70年代初，研究聚变反应堆托卡马克设计的研究人员发现，这些毫米波的回旋管是一种有效加热岩石的好方法。

在过去的50年里，回旋管的开发在聚变研究和能源部的资助下取得了令人印象深刻的进展。

事实上，能够产生超过1兆瓦功率的连续能量束的回旋管现在已经面世，这对深部钻探者来说是一个惊人的消息。

“在30至300 GHz频率下定向能毫米波凿岩的科学依据、技术可行性和经济潜力都很强。它避免了瑞利散射，在存在小颗粒提取羽流的情况下，可以比激光源更有效地将能量耦合/传输到岩石表面。连续兆瓦功率的毫米波也可以通过各种模式和波导（管道）有效地（>90%）引导到很远的距离（>10公里）系统，包括使用光滑孔连续油管和连接/连接油管的可能性”。

在德国的Wendelstein 7-X恒星聚变实验中，一个1兆瓦、150千兆赫的回旋管

“热力学计算表明，在5厘米（1.97英寸）的钻孔中，使用1兆瓦的回旋管可以100%的效率耦合到岩石上，70米/小时（230英尺/小时）的穿透率是可能的。使用较低或较高功率的电源（例如100千瓦到2兆瓦）可以改变钻孔尺寸和/或穿透率。”

这将对传统的石油和天然气钻探项目产生巨大的推动作用——但是，除非有太多的意外，否则这也将极大地改变超深钻探的进程，使深入地壳以释放地球巨大的地热能潜力成为可能，并使其有利可图。

回旋管钻井技术的商业化进程

麻省理工学院的地热创业公司Quaise公司表示，他们已经找到了一种释放地球上最难获取的热源的方法：使用高频光束向下钻孔，熔化和蒸发岩石。现在，该公司将有机会在该领域部署其技术。

地热能源初创公司Quaise energy使用毫米波回旋管技术，将坚硬的岩石进行融化并蒸发。

他们使用混合系统的超深地热，该系统将传统旋转钻井与回旋管驱动的毫米波技术相结合，同时泵入氩气作为吹扫气体，以清洁和冷却钻孔，同时将岩石颗粒传输回地面并避开障碍物。

它将利用毫米波能量束的回旋管来加热岩石来钻取历史上最深的洞，释放清洁、几乎无限、超临界的地热能，为世界各地的化石燃料电网重新供电。

Quaise设计的回旋管转井设备

Quaise已经完成了由Safar Partners牵头的4000万美元A轮融资，其中包括Prelude Ventures、引擎和其他投资者。这笔资金将使这家初创公司的工程团队增加一倍，达到40人，并开始将其先进的钻井系统从实验室实验扩展到现实世界的演示。

到目前为止，该公司已经筹集了约6300万美元，其中包括1800万美元的种子基金、500万美元的赠款，以及本月早些时候结束的一轮融资中的4000万美元。

Quaise计划钻井深度达到20公里（12.4英里），假设是使用1兆瓦的回旋管，预计过程只需100天。相比于俄罗斯的“地狱之门”，俄罗斯使用了近20年的时间才达到极限。

混合式超深钻机将传统旋转钻井与毫米波能量束的回旋管技术相结合，使用电磁透明氩气进行压力净化

Quaise预计，在这些深度处，温度将在500 C（932 F）左右，远远超过现有的地热能，在效率上实现了巨大的飞跃。

在压力高于22兆帕，温度高于374摄氏度时（705华氏度），水是一种超临界流体。与非超临界电厂相比，使用超临界水作为工作流体的电厂可以从每一滴水中提取多达10倍的有用能量。

Quaise正在研发全尺寸、可现场部署的演示机，该公司表示将于2024年开始运行。该公司计划在2026年前建成首个额定功率为100兆瓦的“超高温强化地热系统”。

Quaise正在研发全尺寸、可现场部署的演示机

Quaise计划利用现有的基础设施，如燃煤发电厂，随着排放限制变得越来越严格，燃煤发电厂最终将被封存。这些设施已经拥有将蒸汽转化为电能的巨大能力，以及成熟的商业运营商和经验丰富的劳动力，并且可以方便地预先连接到电网。

Quaise将简单地用足够的超临界地热能取代现有的化石燃料热源，以使涡轮机无限期地运转，而不需要另一块煤或一股甲烷。

Quaise预计将在2028年为其第一座化石燃料发电厂重新供电，然后在全世界范围内继续完善和复制该过程，因为通过这种钻探技术，地球上任何地方都绝对可以获得热量。

全世界大约有8500多座燃煤发电厂，总容量超过2000千兆瓦，到2050年，它们都将不得不寻找其他事情来做，因此机会显然是巨大的。

Quaise为我们的地球提供了最具资源效率和几乎无限可扩展的解决方案之一。它是我们当前可再生能源解决方案的完美补充，使我们能够在不久的将来实现基本负荷可持续电力。

这对基线清洁能源和脱碳过程来说可能是多么巨大的转变。事实上，如果这项技术能像预期的那样发挥作用（而地壳没有找到新的方法来反击我们的入侵），而且经济效益不断增加，那么回旋管的这种新用途可能会讽刺地导致聚变反应堆(人造太阳)没有必要再进行工作。

重要的是，与太阳能和风能相比，它几乎不占用地表空间。它还将加速全球地缘政治的转变，因为每个国家都将平等地获得自己几乎取之不尽的能源，当大国不必“解放”小国的人口，以获得能源资源时，这肯定是好事。