冰島深鉆工程探索深部非常規(guī)地?zé)豳Y源

1、冰島深鉆工程：探索深部非常規(guī)地?zé)豳Y源Gudmundur O. Fridleifsson a, , Wilfred A. Elders ba ISOR, Iceland GeoSurvey, Grensasvegur 9, IS-108 Reykjavik, Icelandb Department of Earth Sciences, University of California, Riverside, CA 92521-0423, USAReceived 17 May 2004; accepted 5 November 2004Available online 5 February 200

2、5前言冰島深鉆工程（IDDP），是一個(gè)通過從鉆井深部生產(chǎn)表面含水泥漿的長(zhǎng)期為提高地?zé)峤?jīng)濟(jì)效益的工程。產(chǎn)生的超臨界流體需要在3.55km深、溫度達(dá)450600o C深井中的巖石與土壤的樣本。IDDP計(jì)劃在冰島的Krafla、Nesjavellir 以及Reyk- janes地?zé)岬貐^(qū)開展相同深度的鉆井施工。在這三個(gè)含有高溫地?zé)豳Y源地區(qū)下面5km處存在活躍的地震帶。表現(xiàn)為：即便在地表，巖石破碎因而可能有地?zé)釢B出，有的地方溫度甚至超過了550650 o C。Krafla、Nesjavellir 較 Reykjanes地區(qū)溫度梯度更大但泥漿鹽度更小。但是在Reykjane區(qū)域地下進(jìn)行的一個(gè)有成效的鉆井工

3、程，通過IDDP來實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)有一些2.km深的鉆井深度延至5km深，來拓展現(xiàn)有的熱鉆探設(shè)備的能力。此外在這一大西洋中部洋脊的延伸區(qū)域進(jìn)行的深部鉆井工程，有著潛在的經(jīng)濟(jì)的價(jià)值，并吸引諸多的國際科學(xué)團(tuán)隊(duì)研究。本文闡述了在井內(nèi)深部表面溫度和壓力下匯聚產(chǎn)生的超臨界流體的前景。當(dāng)泥漿從40005000m深處取出時(shí)證實(shí)遭受了化學(xué)侵蝕。而當(dāng)泥漿性質(zhì)穩(wěn)定時(shí)才能保護(hù)井身和管材，這是通過狹窄的鉆桿內(nèi)腔抽取泥漿來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鳎喝绻仂嗜匠Ｒ?guī)情形產(chǎn)生的地?zé)嵴羝?，匯集后溫度會(huì)超過450 o C。在深井中匯集的蒸汽溫度在450 o C以上，其產(chǎn)生的速度為0.67m3（約為2400m3h），具有可以使用的價(jià)值，能

4、夠產(chǎn)生4050MW的電能。在冰島從這一常規(guī)地?zé)峋蝎@取超過典型數(shù)量級(jí)電能。IDDP的目標(biāo)是測(cè)定這類將提升價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的，如在非常規(guī)地?zé)崮苤谐R界情況下的熱能利用率。假如該IDDP獲得經(jīng)濟(jì)效益的成功，在別的地方針對(duì)另一類高溫火山地?zé)嵯到y(tǒng)的同樣研究將申請(qǐng)開展，這對(duì)增進(jìn)全世界地?zé)崮芄I(yè)的發(fā)展是重要的一步。關(guān)鍵詞：超臨界流體 地?zé)崮?科學(xué)鉆探 大西洋中部洋脊 井筒流動(dòng)1. 引言本文對(duì)4至5篇有關(guān)冰島深鉆工程（IDDP）的論文，進(jìn)行總結(jié)并提出新的觀點(diǎn)。本文已于2003年9月在Reykjavik召開的國際地?zé)釙?huì)議上發(fā)表1。第五次會(huì)議的論文2在拓展和更新看法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)3。這些論文是基于兩年來冰島深鉆

5、工程的可行性報(bào)告而開展的研究4。這一報(bào)告可見IDDP網(wǎng)站：。未來幾年IDDP計(jì)劃在冰島現(xiàn)有的三個(gè)地?zé)豳Y源開采區(qū)域（如圖1所示）地下進(jìn)行一系列的鉆井工程來了解超臨界流體。這需要鉆進(jìn)深度達(dá)45km，同時(shí)地?zé)崃黧w取樣溫度在450600 o C之間。IDDP是“深部夢(mèng)想”的產(chǎn)物，這是一個(gè)由冰島三大能源公司財(cái)團(tuán)以及Orkustofnun部門（冰島國家能源機(jī)構(gòu)）正在實(shí)現(xiàn)的工程。這是由冰島密集型電力能源工業(yè)不斷發(fā)展的需求所決定的。深部夢(mèng)想的目的是通過利用非常規(guī)地?zé)嶂械某R界地?zé)崃黧w來促進(jìn)地?zé)峤?jīng)濟(jì)的發(fā)展。冰島具有本土研究超臨界流體的優(yōu)勢(shì)，這是由于在活躍的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)環(huán)境中頻繁的地震和活躍的火山活動(dòng)帶來深井中的高溫

6、性與高滲性。這樣的環(huán)境造就了冰島特殊的地質(zhì)環(huán)境，分叉的板塊像羽狀覆蓋大西洋中部洋脊的分界處（如圖1所示）。 圖1 冰島活躍地裂與火山運(yùn)動(dòng)區(qū)域。IDDP考慮實(shí)施的三個(gè)鉆井區(qū)域的位置圖中所示：Reykjanes 和Nesjavellir的西南部以及 Krafla的東北部。冰島由東向西跨度約為500km。2. 工程進(jìn)展1985年在Nesjavellir地?zé)釁^(qū)域的Hengill中心火山進(jìn)行的NJ-11鉆井，沒有像預(yù)期的那樣僅在2220m井深處的超過380 o C的環(huán)境中遇到之前確信存在的超臨界流體5。井內(nèi)流體的高壓與高流速讓鉆井存在失控的危險(xiǎn)，因而用600m厚的砂礫石袋封隔了這一超臨界區(qū)域。該井作為一

7、口常規(guī)地?zé)嵘a(chǎn)井分兩階段完工，至今仍為Nesjavellir地區(qū)的電廠提供熱蒸汽。在冰島的這一鉆井經(jīng)驗(yàn)激發(fā)了人們對(duì)生產(chǎn)超臨界流體所需鉆井深度的進(jìn)行慎重地思考與認(rèn)識(shí)。同年六月邀請(qǐng)國際地?zé)峤M織參加的世界地?zé)岽髸?huì)在日本召開，會(huì)上提出了立足于探尋對(duì)超臨界流體新的認(rèn)識(shí)而在2000年初期實(shí)施深部鉆井工程這一設(shè)想6。2001年三月至2003年之間為IDDP可行性研究階段，通過三個(gè)工作組各自分配的工作完成：（1）地質(zhì)科學(xué)：確定鉆井對(duì)象并將候選井位區(qū)分優(yōu)先次序；（2）鉆井技術(shù)：注重考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性確定最合適的超臨界井的鉆井施工方案；（3）流體處理技術(shù)與價(jià)值評(píng)估：評(píng)估超臨界流體的生產(chǎn)、取樣以及利用的技術(shù)。200

8、3年12月隨著詳細(xì)計(jì)劃的展開與鉆井科學(xué)基金的成立使得深部夢(mèng)想工程得到廣泛的支持與認(rèn)可，并初步探討了一些潛在的國際工業(yè)合作伙伴。工程決定采用Reykjanes地區(qū)地?zé)嵝袠I(yè)供應(yīng)的地?zé)徙@井設(shè)備使鉆井深度在2005年初加深至2.7km。如果有合適的合作伙伴和資金在適時(shí)的時(shí)候加入進(jìn)來，預(yù)計(jì)在2006年鉆至4km深并在2007年至5km深。Reykjanes地?zé)岬刭|(zhì)情況可由的一個(gè)簡(jiǎn)單巖層模型（如圖2所示）來形象地描述。圖2 Reykjanes地?zé)岬刭|(zhì)情況簡(jiǎn)單巖層模型圖深部鉆井工程也對(duì)整合科學(xué)研究和工程學(xué)充滿興趣，IDDP目的在于利用二者的優(yōu)勢(shì)。在國際大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目的資助下，在2001年6月由冰島與國際共同組成科學(xué)應(yīng)用咨詢組織（SAGA）旨在為該科學(xué)項(xiàng)目的資金審查者（本文作者）提供建議。SAGA于2002年3月成立了一個(gè)國際工作小組，確定預(yù)先的鉆井環(huán)境和對(duì)象并推薦最佳的鉆井、取樣、測(cè)量工藝技術(shù)。第二工作小組于2002