干熱巖及其開發(fā)技術(shù)

1、干熱巖及其開發(fā)技術(shù)（1）胡經(jīng)國(guó)一、廣義與狹義干熱巖1、干熱巖一般定義眾所周知，地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的能量，地心溫度高達(dá)6000C。地球通過 火山、地震、地?zé)岬确绞皆丛床粩嗟蒯尫胖鴥?nèi)部的能量。干熱巖（Hot DryRock, HDR）是地球內(nèi)部熱能的一種賦存介質(zhì)。自20世紀(jì)70年代美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出干熱巖地?zé)崮艿母拍钜詠?，干熱巖的定義也在不斷地發(fā) 展。在最新的地?zé)崮苄g(shù)語中，十熱巖被定義為：內(nèi)部不存在或僅存在少量 流體、溫度高于180 C的異常高溫巖體。2、廣義與狹義干熱巖定義另外，考慮其客觀性、科學(xué)性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，干熱巖的基本含義可分 為廣義干熱巖和狹義十熱巖兩類。廣義干熱

2、巖是指流體含量很少、溫度為150400C的儲(chǔ)熱巖體。狹義干熱巖必須考慮地?zé)崮馨l(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和可行性，主要是指流體含量 少、埋深為38千米、溫度為200350C的儲(chǔ)熱巖體。其巖性主要是各種變質(zhì) 巖或結(jié)晶巖體，較常見的十熱巖體有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等。二、干熱巖開發(fā)利用潛力1、干熱巖開發(fā)利用潛力概述干熱巖資源就是存在于巖體中的熱量資源。人們通常通過溫度對(duì)十熱巖體 中的熱量資源量進(jìn)行評(píng)估。那么，干熱巖體中賦存的熱量究竟有多大？以一個(gè) 邊長(zhǎng)為1千米、溫度為200C的高溫巖體為例，其溫度下降10C所釋放的熱量 可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量約為1000萬MWh，可滿足2000萬平方米1年的建筑供暖需求。在地下達(dá)

3、到一定的深度以后，這樣的高溫巖體無處不在，可以說干熱巖資 源的潛力是巨大的。目前，限制干熱巖開發(fā)主要是技術(shù)問題。但是，就現(xiàn)階段 而言，由于技術(shù)和手段等限制，能被人類所揭露及開發(fā)利用的十熱巖資源主要 集中在埋深較淺、溫度較高、有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的地下干熱巖體。據(jù)保守估計(jì)，地殼中干熱巖（通常指310千米深處）所蘊(yùn)藏的能量相當(dāng) 于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍。2、中國(guó)干熱巖開發(fā)利用潛力中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大陸310千米深處的十熱巖資源 總量為2.5x1025 J，相當(dāng)于856萬億噸標(biāo)煤）；若能開采出2%，則相當(dāng)于中國(guó) 2015年全國(guó)一次性能耗總量的4400倍。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)

4、及地球物理研究所也對(duì)中國(guó)大陸310千米深處的十熱巖 資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出的結(jié)論是2.09x1025 J，相當(dāng)于715萬億噸標(biāo)煤。相近的 數(shù)字印證了中國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)利用的廣闊前景。三、干熱巖地?zé)崮荛_采方式1、最簡(jiǎn)單的開采方式鉆個(gè)幾千米深的鉆井，然后在井底安放炸藥，把周圍的巖石炸成粉末，并 在遠(yuǎn)處巖石中造成無數(shù)細(xì)小的裂隙；然后，向鉆井中注入冷水，冷水在十熱巖 中被加熱，然后把熱水抽取上來。這種開采方式簡(jiǎn)單粗暴，技術(shù)低下，目前沒有哪個(gè)國(guó)家使用。2、最難的開采方式在十熱巖中先鉆第一口鉆井，然后注入高壓水。高溫干熱巖遇水后，由于熱脹冷縮以及高壓作用因而會(huì)產(chǎn)生無數(shù)細(xì)小的裂 隙，高壓水進(jìn)入裂隙并繼續(xù)前

5、進(jìn)；然后，在距離這口鉆井幾百米的地方再鉆第 二口鉆井抽取熱水。這種方式的好處顯而易見，它大大地增加了十熱巖與水的熱交換面積；然 而這種方式充滿挑戰(zhàn)。比如說，在第一口鉆井中注入高壓水后，這些高壓水朝正東方向運(yùn)移；但 是，如果在東北邊鉆第二口井時(shí)沒有如期抽上來熱水，你在東南邊鉆第三口井 時(shí)還是沒有抽上來熱水，那么這就意味著開采失敗了，甚至?xí)?dǎo)致開采企業(yè)破 產(chǎn)。要想增加抽取熱水的概率，最簡(jiǎn)單的辦法是“注水井”距離“抽水井”近 一些。打個(gè)比方，比如說20米距離；然而，這樣的距離形成的熱交換面積又太 小，這會(huì)讓十熱巖開采變得沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以上困難在早期的十熱巖地?zé)崮荛_采試驗(yàn)中比較突出。但是，隨著技術(shù)的

6、發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)有可行的辦法知道干熱巖中裂隙的走向了，比如采用微震監(jiān)測(cè) 和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)等得知。另一個(gè)困難是，在30004000千米深的地下，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn) 漏水的情況；而人們甚至不知道它漏到哪兒去了。比如說，用高壓向井中注入 1萬噸冷水，結(jié)果僅只抽上來100噸熱水，這就虧大了。要想從十熱巖中獲得地?zé)崮芰孔銐虼?、持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，比如說20年以上 的地?zé)崮芰浚P(guān)鍵是需要在數(shù)千米深的十熱巖中形成一個(gè)足夠大的換熱區(qū)。這 需要注水井和抽水井相距比較遠(yuǎn)，比如說1000米。但是，困難是，如何使用水 力壓裂法或是其他什么方法將這1000米厚的巖體中的裂隙連通，而且還得像毛 細(xì)血管一樣地連通。其它的困難還

7、有，這里不再舉例。四、干熱巖開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)1、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)干熱巖資源開發(fā)主要利用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System, EGS）來提取其內(nèi)部的熱量。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，是指通過水力壓裂等 工程手段，在地下深部低滲透性、高溫巖體中形成人工地?zé)醿?chǔ)層，從而長(zhǎng)期經(jīng) 濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。2、干熱巖開發(fā)原理十熱巖開發(fā)原理是：從地表向深埋地下的十熱巖體中打一眼井（回灌 井），封閉井孔后向井中高壓注入溫度較低的水產(chǎn)生高的壓力，在巖體致密無 裂隙的情況下，高壓水會(huì)使巖體在大致垂直最小地應(yīng)力的方向產(chǎn)生許多裂隙。若巖體中本來就有少量的天然裂隙，這些高壓水會(huì)使之?dāng)U展成為更大

8、的裂 隙。隨著低溫水的不斷注入，裂隙不斷增多、擴(kuò)大、相互連通，最終形成一個(gè) 大致呈面狀的人工地?zé)醿?chǔ)層。在距回灌井合理的位置處，鉆幾口井并貫通人工 地?zé)醿?chǔ)層；這些井用來回收高溫水、汽，稱為生產(chǎn)井。向井中注入的水沿著裂隙運(yùn)動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生高溫高壓 水或水汽混合物。從貫通人工地?zé)醿?chǔ)層的生產(chǎn)井中提取高溫蒸汽到地面后，通 過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電和綜合利用。利用之后的溫水又通過回灌井 注入到地下干熱巖體中，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。五、干熱巖儲(chǔ)層開發(fā)干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)是指通過向儲(chǔ)層注入高壓流體，使儲(chǔ)層原有裂隙擴(kuò)展延 伸，從而達(dá)到增大儲(chǔ)層換熱性能的目的。干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)并不是十熱巖開發(fā)工 程

9、的最終目的。如何通過儲(chǔ)層激發(fā)達(dá)到理想的熱提取效果，才是干熱巖工程的 關(guān)鍵。因此，從這個(gè)角度而言，干熱巖儲(chǔ)層開發(fā)包括儲(chǔ)層表征、儲(chǔ)層激發(fā)和儲(chǔ) 層管理3個(gè)關(guān)鍵步驟。1、儲(chǔ)層表征儲(chǔ)層的表征是認(rèn)識(shí)熱儲(chǔ)原有裂隙系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)的過程，與傳統(tǒng)水熱系統(tǒng) 的研究類似，很多鉆探、物探、測(cè)井技術(shù)在這方面能夠發(fā)揮重要作用。目前， 國(guó)際上使用較多的為鉆孔成像和微震監(jiān)測(cè)。前者可以獲取一維準(zhǔn)確的鉆孔裂隙 參數(shù)；后者通過微震解譯，可以獲取激發(fā)過程中產(chǎn)生的三維裂隙空間信息。2、儲(chǔ)層激發(fā)儲(chǔ)層的激發(fā)為干熱巖工程所特有。其關(guān)鍵技術(shù)包括：創(chuàng)建新的裂隙通道和 滲流途徑、有效滲流通道的解釋、儲(chǔ)存封隔等。3、儲(chǔ)層管理儲(chǔ)層的管理需要在對(duì)儲(chǔ)層有足

10、夠認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)壓力、流量等參數(shù) 的控制，使熱儲(chǔ)能夠達(dá)到長(zhǎng)期熱提取的目的。EGS系統(tǒng)屬于人造熱儲(chǔ)系統(tǒng)，因 此儲(chǔ)層的管理是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。相關(guān)技術(shù)包括：裂隙通道及滲流途徑的控 制、運(yùn)行過程中的滲流監(jiān)測(cè)、開采井鉆探以及實(shí)施模擬預(yù)測(cè)等。目前，中國(guó)還未開展過具體的十熱巖壓裂工程。中國(guó)科學(xué)院廣州能源所、 吉林大學(xué)等，在深部熱儲(chǔ)模擬上做了深入研究，提出了耦合THMC的裂隙換熱 模型。隨著頁巖氣水力壓裂的開展，中國(guó)陸續(xù)在個(gè)別深井開展了多級(jí)壓裂、清 水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復(fù)壓裂等壓裂工藝。干熱巖的壓裂通常 采用清水壓裂。它與頁巖氣開發(fā)中的壓裂的最大不同在于地層巖性；干熱巖壓 裂巖體一般為堅(jiān)硬

11、的結(jié)晶巖體。干熱巖壓裂可以從頁巖氣水力壓裂中得到啟 發(fā)。六、干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)原理EGS儲(chǔ)層的激發(fā)與石油、天然氣中的壓裂有很多相似之處。其目的都是通 過在巖體中高壓注水來提高儲(chǔ)層滲透性，從而達(dá)到最大限度采油采氣或提熱的 目的。然而，兩者在壓裂原理上有著本質(zhì)不同。EGS的激發(fā)是水力剪切破壞， 有別于石油、頁巖氣開發(fā)中的拉伸破壞。水力剪切是通過使巖體在發(fā)生彼此之間相對(duì)位移之后，由于裂隙面表面粗 糙度的作用，因而在激發(fā)壓力釋放以后仍然維持裂隙面的張開。而水力壓裂則 不同，巖體不會(huì)產(chǎn)生彼此之間相對(duì)滑動(dòng)，因而在注水壓力下降以后，裂隙面會(huì) 重新閉合。這也是在石油和天然氣的壓裂中，需要通過支撐劑來維持裂隙面張

12、開的原因。對(duì)于十熱巖熱量提取而言，剪切破壞的優(yōu)點(diǎn)在于使巖體形成的裂隙面足夠 大而裂隙寬度維持較小，流體在裂隙面中穿過時(shí)流速不會(huì)過快。這樣，就可以 使流體在從注入井到生產(chǎn)井流動(dòng)過程中，充分地與儲(chǔ)層換熱并達(dá)到理想的開發(fā) 溫度；同時(shí)，也可以通過減少短路循環(huán)和避免過早形成熱突破來延長(zhǎng)儲(chǔ)層的壽 命。為了創(chuàng)建具有最佳裂隙面大小、寬度、密度和方向的裂隙網(wǎng)絡(luò)，在單井中 的水力剪切通常需要進(jìn)行多級(jí)壓裂，多級(jí)激發(fā)的優(yōu)點(diǎn)有：、創(chuàng)建更大的儲(chǔ)層體積，大大增加儲(chǔ)層有效的換熱面積；、增加系統(tǒng)的滲透性和連通性，從而提高流體產(chǎn)能和降低注入壓力，提 高系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電性能；、單井流量達(dá)到可提供商業(yè)化發(fā)電的流量75 kg/s

13、 （大約1200 g/m）；、使裂隙網(wǎng)絡(luò)半徑達(dá)到500米以上，大大延長(zhǎng)儲(chǔ)層壽命。七、干熱巖開發(fā)工程實(shí)例自20世紀(jì)70年代美國(guó)第一個(gè)十熱巖資源開發(fā)工程的建立，40多年來，很 多國(guó)家的示范工程均在深部熱儲(chǔ)的建立上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。這主要體現(xiàn)在儲(chǔ) 層激發(fā)原理完善、激發(fā)壓力和時(shí)間的控制、激發(fā)中裂隙空間結(jié)構(gòu)的表征、多儲(chǔ) 層激發(fā)等。綜合分析這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對(duì)于建立中國(guó)干熱巖示范工程不無裨益。 從EGS工程的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，所有工程在初期激發(fā)試驗(yàn)時(shí)都具有相似的注 入率，但是激發(fā)途徑卻各有不同。其主要原因是由于儲(chǔ)層壓裂工藝和原生裂隙 系統(tǒng)的不同。1、新墨西哥芬頓山第一個(gè)干熱巖HDR示范工程在新墨西哥芬頓山于1

14、974年開始。它位于 Valles火山口西翼，屬于環(huán)狀裂隙帶的外側(cè)。該項(xiàng)目最初目的是試圖利用水力 激發(fā)來創(chuàng)造人造儲(chǔ)層。在1983年的試驗(yàn)中，產(chǎn)生了 850個(gè)03級(jí)的微震事 件，這些微震事件主要通過井下微震檢波器獲取。該項(xiàng)目?jī)?chǔ)層的建造采用傳統(tǒng) 石油工程中的壓裂方法，因此產(chǎn)生了大量的張性裂隙。隨著后期認(rèn)識(shí)的不斷加 深，發(fā)現(xiàn)張性裂隙并不是EGS儲(chǔ)層開發(fā)所期待的。2、瑞士巴塞爾2006年，在瑞士巴塞爾開展了深部地?zé)衢_采計(jì)劃（DHM），通過施工1 口 深鉆井來創(chuàng)建人造熱儲(chǔ)層。整個(gè)激發(fā)過程起始注入流量為1.7 L/s；當(dāng)井口壓力 達(dá)到11 MPa時(shí)開始誘發(fā)地震。在持續(xù)6d的激發(fā)過程中，注入流量增加了 5

15、倍。初期隨著流量的增加，壓力反而降低，顯示注入量的逐漸提高。在流量達(dá) 到28 L/s后，壓力和微震頻率又表現(xiàn)出持續(xù)24 h的增加，反映出熱儲(chǔ)中壓力的 逐漸形成。隨后流量增大到41L/s，第一個(gè)大于2級(jí)的地震被誘發(fā)。在達(dá)到最大 流量后（55 L/s），井口壓力達(dá)到29.7 MPa，產(chǎn)生了 4個(gè)大于2級(jí)的微震，隨后 注入停止并閉井。然而，由于儲(chǔ)層壓力的持續(xù)積累，微震事件并沒有馬上減 弱；在井口壓力消散前產(chǎn)生了 3.4級(jí)的微震。整個(gè)激發(fā)過程用水11000 立方米。3、澳大利亞庫珀盆地澳大利亞庫珀盆地具有大量元古代放射性花崗巖。勘察結(jié)果顯示，該地區(qū) 熱能儲(chǔ)量高達(dá)500億桶原油當(dāng)量。由于庫珀盆地處于極高

16、的壓應(yīng)力機(jī)制，需要 很高的井口注入壓力激發(fā)裂隙，這使其有別于其他干熱巖激發(fā)工程而成為世界 EGS儲(chǔ)層激發(fā)的重要組成部分。澳大利亞庫珀盆地成功激發(fā)了Habanero1和Jolokia2兩個(gè)地?zé)峋?。Habanero1激發(fā)持續(xù)時(shí)間為9d，注入水量超過 20000立方米，最大注入流量為48 L/s，最大井口壓力為75 MPa。由于很高的 注入壓力，誘發(fā)了 3.7級(jí)微震，是目前為止世界EGS工程所誘發(fā)的最大的地震 事件。Jolokia2儲(chǔ)層改造結(jié)果，目前還未公布。4、德國(guó) Gross-Schoenebeck2007年，德國(guó)在東北部盆地區(qū)開展了對(duì)井EGS激發(fā)工程。該地區(qū)處于正斷 層以及走滑斷層應(yīng)力機(jī)制，與

17、法國(guó)Soultz工程極為相似。但是，與其他EGS工 程不同的是，為減小激發(fā)過程中裂隙面所產(chǎn)生的阻力，在壓裂液中添加了化學(xué) 物質(zhì)。主要添加物包括降低裂隙面摩擦的化學(xué)物、醋酸、低濃度砂粒等。激發(fā) 過程中的最大注入流量達(dá)到150 L/s，最大井口壓力為58.6 MPa。大流量的好處 是可以控制流體黏度過低對(duì)支撐劑運(yùn)行距離的影響，從而達(dá)到理想的裂隙面填 充效果。裂隙變形持續(xù)了 4.4 d，整個(gè)過程注入量達(dá)到13000立方米。該工程的 激發(fā)由于添加了過多的化學(xué)物質(zhì)，與目前國(guó)際上公認(rèn)的EGS清水壓裂相違背， 因而其壓裂效果不能作為中國(guó)干熱巖開發(fā)示范工程的有效參考。5、德國(guó)蘭道位于德國(guó)蘭道的 EGS工程同樣

18、由一組對(duì)井組成，分別為 GTLA1和 GTLA2。目前，正處于發(fā)電中。該井最初的鉆探目標(biāo)是尋找一個(gè)已知存在的斷 裂帶。GTLA1水量很大，并不需要激發(fā)；而GTLA2相對(duì)較差，因此試圖通過 注入高速流體來擴(kuò)大儲(chǔ)層增加產(chǎn)能。由于儲(chǔ)層本身的滲透性很好，因而進(jìn)行高流量的注入來激發(fā)更多裂隙是非 常必要的。整個(gè)激發(fā)過程注入水量約為5000立方米，注入最高流量達(dá)187 L/s， 井口壓力為13 MPa。德國(guó)蘭道在EGS儲(chǔ)層激發(fā)上是成功的，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層增產(chǎn) 的目的。6、法國(guó)蘇爾茨在20多年的研究中，法國(guó)蘇爾茨是目前世界上公認(rèn)的儲(chǔ)層激發(fā)效果最好的 EGS工程。整個(gè)系統(tǒng)目前包括：200C的EGS熱儲(chǔ)層、一口注入井、兩口生產(chǎn) 井，井下泵以及1.5 MW的雙工質(zhì)發(fā)電機(jī)組。在激發(fā)GPK2井時(shí)，大約23000立方米的水在6d多的時(shí)間注入井中，最大 誘發(fā)微震等級(jí)為2.5，最大注入流量為50 L/s，伴隨