蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)我國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)的啟示*

翟海珍，蘇 正，吳能友

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及對(duì)我國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)的啟示*

翟海珍1,2，蘇 正1?，吳能友1

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層的方法，從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量深層熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。法國(guó)蘇爾士（Soultz）地?zé)犴?xiàng)目已有 20多年開(kāi)發(fā)研究歷史，但前人尚未對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入探討，對(duì)其成功經(jīng)驗(yàn)也未進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)歸納。本文通過(guò)回顧其發(fā)展歷程，總結(jié)該項(xiàng)目在鉆井、儲(chǔ)層激發(fā)、水力循環(huán)測(cè)試和儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提煉出地?zé)衢_(kāi)發(fā)中遇到的儲(chǔ)層建設(shè)和井下泵設(shè)備等方面的問(wèn)題，并指出數(shù)值模擬在地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用方面的啟示。蘇爾士地?zé)犴?xiàng)目開(kāi)發(fā)吸取了其他早期地?zé)崽锏慕?jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，成功地建造了商業(yè)規(guī)模的人工激發(fā)儲(chǔ)層，產(chǎn)生了大量的科研成果和先進(jìn)技術(shù)，對(duì)后續(xù)開(kāi)發(fā)的地?zé)犴?xiàng)目有重要指導(dǎo)意義。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）；蘇爾士；儲(chǔ)層激發(fā)

0 引 言

地?zé)崮茉从谌廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變，是來(lái)自地球深處潔凈的可再生能源，具有資源量巨大、受氣候等自然條件影響小、零污染排放、資源利用率高、利用成本低等優(yōu)點(diǎn)。通常把巖體溫度高于150℃的資源稱為高溫地?zé)豳Y源，可用于發(fā)電。高溫地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)溫度高，熱流穩(wěn)定性好，資源量巨大，占總地?zé)崮艿?0%以上，是地?zé)豳Y源的最主要存在形式。其中，全世界地殼10 km以內(nèi)的高溫巖體地?zé)豳Y源為（40～400） M quads（quads：夸特，1 quads≈ 0.348億噸標(biāo)準(zhǔn)煤=1018J），是全世界化石能源的100～1 000倍[1]。因此，成功地開(kāi)發(fā)高溫巖體的地?zé)豳Y源才算真正打開(kāi)了地球這個(gè)龐大的熱庫(kù)[1,2]。

為開(kāi)發(fā)高溫巖體蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源，美國(guó)洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?cè)诟蔁釒r（Hot Dry Rock）技術(shù)基礎(chǔ)上提出了增強(qiáng)型/工程型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-Enhanced/Engineered Geothermal Systems）的概念。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是采用人工建立地?zé)醿?chǔ)層的方法，從低滲透性巖體中經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量深層熱能的人工地?zé)嵯到y(tǒng)。即通過(guò)注入井將工質(zhì)注入人工建造的、張開(kāi)的連通裂隙帶，在地下實(shí)現(xiàn)循環(huán)，工質(zhì)被高溫巖體加熱，通過(guò)生產(chǎn)井返回地面，形成閉式回路，工質(zhì)采出的熱能通過(guò)地上發(fā)電裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

蘇爾士（Soultz）EGS項(xiàng)目已有20多年的研究開(kāi)發(fā)歷史，吸取了芬登山（Fenton Hill）、羅斯曼奴斯（Rosemanowes）、肘折（Hijiori）等地?zé)犴?xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，成功地造成了商業(yè)規(guī)模的人工激發(fā)儲(chǔ)層，期間產(chǎn)生了大量的科研成果和先進(jìn)技術(shù)[3-8]，對(duì)后續(xù)開(kāi)發(fā)的地?zé)犴?xiàng)目有重要指導(dǎo)意義。本文通過(guò)回顧蘇爾士項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)歷程，介紹其在鉆井與儲(chǔ)層激發(fā)、水力循環(huán)測(cè)試、儲(chǔ)層性能等方面的成功經(jīng)驗(yàn)，提出并討論了儲(chǔ)層建設(shè)、井下泵設(shè)備等方面面臨的問(wèn)題，以及數(shù)值模擬應(yīng)用方面得到的啟示，為今后EGS科學(xué)研究和項(xiàng)目實(shí)施提供參考。

1 法國(guó)蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)研究過(guò)程

蘇爾士地?zé)犴?xiàng)目位于上萊茵河谷蘇爾蘇斯發(fā)（Soultz-sous-Forets）和庫(kù)岑豪森（Kutzenhausen）之間，約在法國(guó)的阿爾薩斯（Alsace）斯特拉斯堡（Strasbourg）以北70 km，靠近上萊茵河地塹西緣。該地區(qū)以前是Pechelbron油田的現(xiàn)場(chǎng)，地下約1.5 km處（花崗巖基巖頂部）的地質(zhì)情況清楚。在油田鉆井時(shí)，發(fā)現(xiàn)明顯的地?zé)岙惓＃喜? km地層的地?zé)崽荻雀哌_(dá)105℃/km，熱流密度為176 MW/m2，于是將其選作試驗(yàn)基地。1992～1993年，在法國(guó)、德國(guó)CEC歐洲 HDR開(kāi)發(fā)計(jì)劃的共同支持下，在法國(guó)Soultz地區(qū)進(jìn)行了高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)試驗(yàn)。1996年開(kāi)始轉(zhuǎn)為公共資金和企業(yè)聯(lián)合資助[1,4,5]。

表1 蘇爾士項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程主要階段[4-7]Table 1 Main phases of development process of the Soultz project[4-7]

蘇爾士項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)可分為三個(gè)階段：預(yù)備階段，鉆井、勘探和儲(chǔ)層建設(shè)階段，電廠建設(shè)及后續(xù)的科技監(jiān)測(cè)階段（表1）[4-7]。

預(yù)備階段主要完成了開(kāi)發(fā)前的準(zhǔn)備工作，1984～1987年間對(duì)蘇爾士項(xiàng)目基地進(jìn)行了文獻(xiàn)搜集、地震調(diào)查再處理及解釋和鉆井準(zhǔn)備工作。

鉆井，勘探和儲(chǔ)層建設(shè)階段由三個(gè)連續(xù)階段組成。首先1987～1988年，GPK1井鉆至2 km（圖1），井底溫度140℃，1.4～2.0 km取芯失敗。1991年，將舊油井EPS1加深至2.227 km，在0.930～2.227 km進(jìn)行了連續(xù)取芯，為后續(xù)的巖石學(xué)、礦物學(xué)以及裂隙系統(tǒng)的研究提供了寶貴資料[3,4]。

1991～1998 年在地下 3.6 km 處建立GPK1/GPK2雙井系統(tǒng)。1992年將GPK1井加深至3.6 km，井底溫度為168℃。1995年鉆成GPK2井，井底距GPK1約450 m，溫度為168℃。1997年，在GPK1和GPK2井間進(jìn)行了首次長(zhǎng)期（4個(gè)月）循環(huán)測(cè)試，產(chǎn)出溫度為 142℃，注入和產(chǎn)出流量穩(wěn)定在25 L/s，完全沒(méi)有流體損失。但地層水比例不斷增加，產(chǎn)出流體密度由1.048 g/cm3最終升至1.063 g/cm3。

隨后在1999～2007年間在地下5 km處建立三井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三井循環(huán)[3-6]。1999年將GPK2井加深至5.08 km，儲(chǔ)層溫度升高至202℃，在4.5～5 km井段進(jìn)行裸眼井激發(fā)。2001年鉆GPK3井至5.1 km，與GPK2井底間距為600 m，隨后在GPK2和GPK3兩井間進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，測(cè)試表明兩井連通良好，生產(chǎn)指數(shù)達(dá)0.35 L·s-1·bar-1。2003年在同一井場(chǎng)鉆取GPK4井，深度為5.27 km，井底距GPK3約650 m。2004年對(duì)GPK4進(jìn)行裸眼激發(fā)，隨后在2005年在三井間進(jìn)行了五個(gè)月的循環(huán)測(cè)試，循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示儲(chǔ)層有較強(qiáng)的不對(duì)稱性，GPK4與GPK3間連通不良，隨后對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行了整體化學(xué)激發(fā)[4,6]。

圖1 Soultz地?zé)峋吧?、下?chǔ)層沿N-S垂直剖面分布圖[3-7]Fig. 1 N-Svertical cross-section through the Soultz site showing the Soultz wells and the location of the upper and lower Reservoirs[3-7]

第三階段的地面電廠建設(shè)始于2007年，安裝了總功率容量為1.5 MWe發(fā)電機(jī)組。地?zé)崃黧w礦化度高，采用有機(jī)朗肯循環(huán)，熱電轉(zhuǎn)換選用低沸點(diǎn)的異丁烷作為有機(jī)工質(zhì)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為13 000 r/min，發(fā)電機(jī)采用異步方式，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，機(jī)組輸出功率為11 kW，發(fā)出電力并入當(dāng)?shù)?0 kV電網(wǎng)。朗肯循環(huán)單元發(fā)電效率可達(dá)11.4%，系統(tǒng)產(chǎn)熱量穩(wěn)定，一至兩口生產(chǎn)井即可滿足系統(tǒng)循環(huán)發(fā)電[6-8]。隨后安裝測(cè)試了總軸泵（LSP-Line Shaft Pump）和電潛泵（ESP-Electro Submersible Pump），并進(jìn)行了一系列電廠初步測(cè)試和井間循環(huán)測(cè)試。其間法國(guó)、德國(guó)及瑞士等國(guó)科技人員共同開(kāi)展了蘇爾士電廠開(kāi)發(fā)過(guò)程中的儲(chǔ)層性能、電廠技術(shù)和環(huán)境污染方面的監(jiān)測(cè)工作[7,8]。

2 蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)

蘇爾士項(xiàng)目開(kāi)發(fā)在芬登山、羅斯曼奴斯等地?zé)犴?xiàng)目之后進(jìn)行，明顯受益于前人的熱干巖體/增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)項(xiàng)目所獲得的經(jīng)驗(yàn)。所以在蘇爾士項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中在鉆井、儲(chǔ)層激發(fā)、水力循環(huán)測(cè)試和儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)等方面均有許多成功之處，其儲(chǔ)層性能良好，是可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)[4]。

2.1 鉆井

井孔既是流體進(jìn)出儲(chǔ)層的必經(jīng)通道，又是進(jìn)行后期儲(chǔ)層激發(fā)的基礎(chǔ)，因此鉆井是深層地?zé)衢_(kāi)采的第一步，是 EGS系統(tǒng)運(yùn)行的最基本要素。鉆井涉及的關(guān)鍵問(wèn)題包括井孔位置、井孔深度和井位配置等。井孔位置的選取需在對(duì)站點(diǎn)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目碧?，并?duì)局部應(yīng)力場(chǎng)、已有裂縫和巖體巖性等特征了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行。并需保證井間儲(chǔ)層的連通性，因此需對(duì)已鉆取的井進(jìn)行儲(chǔ)層激發(fā)的基礎(chǔ)上鉆取下一口井。合理的鉆井深度是在鉆井技術(shù)水平和鉆井成本允許的前提下，可達(dá)到的最高溫度的巖體深度。井位配置會(huì)影響儲(chǔ)層激發(fā)和水力連通效果以及地?zé)崮艿拈_(kāi)采效率。連通井孔需要最大限度貫穿水力激發(fā)的裂縫體系，以產(chǎn)生最大的流體換熱空間。地?zé)峋牡孛骈g距不宜過(guò)大，地下間距不宜過(guò)小，取600～1 000 m為宜[1,2,4,5]。

早期鉆井先鉆兩口井，再通過(guò)激發(fā)造成儲(chǔ)層連通兩井，芬登山、羅斯曼努斯、肘折和雄勝（Ogachi）等地的地?zé)犴?xiàng)目中均采取這種鉆井方法，但均未能成功地連通儲(chǔ)層。蘇爾士地?zé)崽锏拈_(kāi)發(fā)是在油田的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，已經(jīng)掌握了詳細(xì)的地質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)資料，并吸取了早期地?zé)崽锏你@井教訓(xùn)[1,2,4,5]，在工程實(shí)施時(shí)開(kāi)創(chuàng)性地采取了鉆井-激發(fā)-再鉆井的方法。在1987年鉆取GPK1井至2 km，1991年對(duì)1.4～2 km深度井段進(jìn)行了高流量激發(fā)[3-5]；1992年，將GPK1井加深至3.6 km，隨后對(duì)GPK1井再次進(jìn)行水力激發(fā)。1995年在成功激發(fā)的裂隙帶內(nèi)選取最適宜位置鉆取GPK2井，隨后進(jìn)行的儲(chǔ)層激發(fā)和循環(huán)測(cè)試表明兩井連通良好。隨著鉆井技術(shù)的提高，井孔深度也由3 km加深至5 km，井底溫度升高至202℃。GPK2、GPK3和GPK4都是在同一平臺(tái)上直接鉆取的（圖1），這種結(jié)構(gòu)使得占地面積小，地面設(shè)施規(guī)模最小化，更便于地?zé)犭姀S的運(yùn)行與管理，實(shí)現(xiàn)高效的地面作業(yè)。井間垂向水平距離約600～700 m，水力連通性較好，保證了足夠的儲(chǔ)層體積和與流體進(jìn)行熱交換的面積[4,5]。

2.2 儲(chǔ)層激發(fā)

深部花崗巖的儲(chǔ)滲能力差，在完成鉆井之后，需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行人工激發(fā)，構(gòu)造高滲透性的裂隙體系。在高溫巖體層溫度確定的前提下，人工儲(chǔ)層的空間范圍是決定開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的出力和壽命的關(guān)鍵因素。因此，儲(chǔ)層的激發(fā)和作業(yè)會(huì)直接影響系統(tǒng)的產(chǎn)熱效率，并決定系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。良好的地?zé)醿?chǔ)層熱交換面積大，阻抗低，允許循環(huán)流體快速通過(guò)，并能對(duì)流體進(jìn)行有效加熱。蘇爾士項(xiàng)目的儲(chǔ)層激發(fā)以水壓致裂為主，并輔助進(jìn)行化學(xué)激發(fā)，成功建立了具有一定規(guī)模的人工儲(chǔ)留層。

蘇爾士項(xiàng)目所有的地?zé)峋歼M(jìn)行了水壓致裂，并采用水泥固結(jié)的鋁制膨脹封隔器，取得了良好的效果，注入/生產(chǎn)指數(shù)（即：穩(wěn)態(tài)下單元井口壓力對(duì)應(yīng)的注入流率）均提高。其中，上儲(chǔ)層（地下3 km處）的水力激發(fā)使 GPK1井注入/生產(chǎn)指數(shù)提高 15倍；對(duì)下儲(chǔ)層（地下 5 km處）的激發(fā)，GPK2和GPK4井效果明顯，激發(fā)后生產(chǎn)力指數(shù)均增大20倍；激發(fā)前GPK3的注入/生產(chǎn)指數(shù)已較高，激發(fā)后仍提高至激發(fā)前的1.5倍[3,6]。

化學(xué)激發(fā)酸化處理可以加強(qiáng)近井區(qū)域的裂隙結(jié)構(gòu)，提高裂隙滲透率。蘇爾士項(xiàng)目對(duì)GPK2、GPK3和GPK4三井進(jìn)行了一系列的化學(xué)激發(fā)，由表2可見(jiàn)，激發(fā)后三井生產(chǎn)指數(shù)均提高。GPK2與 GPK3井之間連通性更好，在雙井循環(huán)測(cè)試中，GPK2生產(chǎn)指數(shù)達(dá)到0.8 L·s-1·bar-1。GPK3的生產(chǎn)指數(shù)在化學(xué)激發(fā)后提高不多，主要是由于大規(guī)模高導(dǎo)性裂隙穿過(guò)裸眼井段減弱了化學(xué)激發(fā)作用。GPK4生產(chǎn)指數(shù)的大幅增長(zhǎng)表明，用 RMA和螯合劑（NTA）進(jìn)行的化學(xué)激發(fā)進(jìn)一步改善了GPK3與GPK4井之間的水力連通性[3-6]。

水壓致裂法是目前高溫巖體人工儲(chǔ)留層建造中常用的技術(shù)，對(duì)不同儲(chǔ)層、不同井孔進(jìn)行多次水力激發(fā)，并選用良好可靠的裸眼井段耐高溫封隔器，可以建立較大規(guī)模的人工儲(chǔ)留層。在此基礎(chǔ)上，配合進(jìn)行化學(xué)激發(fā)，可擴(kuò)大儲(chǔ)層換熱面積，降低儲(chǔ)層阻抗，并可減少高壓流體激發(fā)造成微震事件的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到商業(yè)開(kāi)采要求。

表2 蘇爾士三口5 km深井化學(xué)激發(fā)總結(jié)表[6]Table 2 Summary of the chemical stimulations performed in the three 5 km deep Soultz[6]

2.3 水力循環(huán)測(cè)試

水力循環(huán)測(cè)試在儲(chǔ)層成功激發(fā)后進(jìn)行，是開(kāi)采地?zé)豳Y源的重要一步。通過(guò)水力循環(huán)測(cè)試可以了解儲(chǔ)層內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)狀況以及儲(chǔ)層性能，為長(zhǎng)期地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用的相關(guān)技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。水力循環(huán)測(cè)試過(guò)程中的注入水量的損耗情況，生產(chǎn)井的出水量、水溫和水壓是否穩(wěn)定等，可反映儲(chǔ)層的熱流穩(wěn)定性及儲(chǔ)層的發(fā)展情況，直接影響高溫巖體的地?zé)衢_(kāi)采效益。另外可通過(guò)水力循環(huán)測(cè)試的結(jié)果不斷調(diào)整注采策略，提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，減少微震事件的發(fā)生。

蘇爾士項(xiàng)目在完成儲(chǔ)層激發(fā)后，在不同工況下進(jìn)行了多次短期測(cè)試和長(zhǎng)期測(cè)試。表3為2005年和2010年兩次三井系統(tǒng)的水力循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)照表，對(duì)比發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)井流速和示蹤劑的回收率均有所增加，這是化學(xué)激發(fā)和長(zhǎng)期循環(huán)水力激發(fā)共同作用的結(jié)果，表明人工儲(chǔ)留層及其圍巖體產(chǎn)生了二次甚至三次破裂，儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)發(fā)生了擴(kuò)展。示蹤測(cè)試還表明，流循環(huán)中未發(fā)生短路循環(huán)。隨著地?zé)岬奶崛。⑺畵p失率仍保持在較低水平。另外微震事件的頻率和震級(jí)都有所降低，表明儲(chǔ)層的發(fā)展已較為充分，對(duì)周?chē)用竦挠绊懼饾u減弱。

圖2所示為2010年對(duì)GPK1、GPK3（注入井）和GPK2（生產(chǎn)井）組成的三井系統(tǒng)進(jìn)行了11個(gè)月的循環(huán)測(cè)試，共生產(chǎn)出5 × 105m3熱流體。生產(chǎn)井流速為18 L/s，注水井壓力和出水井壓力幾乎不變，產(chǎn)出井溫度穩(wěn)定在 164℃左右。測(cè)試結(jié)果表明深層儲(chǔ)層熱流穩(wěn)定性好，開(kāi)發(fā)潛力大。

通過(guò)調(diào)整水力循環(huán)測(cè)試策略，改變注入順序，可提高系統(tǒng)的采收率，并減少誘發(fā)地震的頻率和量級(jí)。2011年，采用增加GPK1井的回注速率，同時(shí)減小GPK3井的回注速率的回注策略，使回注壓力降低，采出熱流體流量達(dá)3 × 105m3，流速為24 L/s，溫度為159℃。由于地?zé)嵘a(chǎn)過(guò)程中裂隙網(wǎng)絡(luò)的自清潔作用，儲(chǔ)層阻抗大大降低，GPK2生產(chǎn)指數(shù)顯著提高至（1.2～1.9）L·s-1·bar-1，表明GPK2生產(chǎn)井與深部熱儲(chǔ)層連通性良好[7,8,12]。對(duì)于注入井，GPK1注入指數(shù)大于2 L·s-1·bar-1，GPK3的注入指數(shù)基本維持穩(wěn)定在0.4 L·s-1·bar-1，表明儲(chǔ)層裂隙中沒(méi)有化學(xué)沉淀產(chǎn)生。誘發(fā)型地震活動(dòng)大大減少，少于5起。

表3 兩次三井系統(tǒng)水力循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)照表[4,6,10-13]Table 3 Comparison of two hydraulic test in three-well systems[4,6,10-13]

圖2 2010年循環(huán)測(cè)試中的流體產(chǎn)出溫度、流量及壓力變化曲線[9]Fig. 2 The changing curve of fluid production rate, temperature and back pressure during the circulation testing in 2010[9]

2.4 儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)

在地?zé)犴?xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從鉆井、儲(chǔ)層激發(fā)、水力循環(huán)測(cè)試直至水力發(fā)電，均需對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鉆井時(shí)需要通過(guò)地下儲(chǔ)層分布情況確定適宜鉆井靶位；儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層裂隙發(fā)展情況以達(dá)到預(yù)期規(guī)模；水力循環(huán)測(cè)試時(shí)，由于流體-巖體間的相互作用，需要監(jiān)測(cè)地下儲(chǔ)層裂隙的變化和發(fā)展，以確定儲(chǔ)層性能。通過(guò)不同儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)技術(shù)可全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層，確定儲(chǔ)層裂隙規(guī)模、裂隙發(fā)展方向、儲(chǔ)層透水性、水流阻抗及水損失率，評(píng)估儲(chǔ)層性能。

應(yīng)力狀態(tài)可指導(dǎo)鉆井和儲(chǔ)層的激發(fā)，并預(yù)測(cè)裂隙的發(fā)展方向，是地?zé)衢_(kāi)采的重要參數(shù)。蘇爾士項(xiàng)目采用水力壓裂壓力測(cè)量法測(cè)得地應(yīng)力是深度的函數(shù)[14]。

為獲取人工儲(chǔ)留層的準(zhǔn)確形態(tài)，水壓致裂前布置了地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，共計(jì)布置了8個(gè)三分量地表微震儀，在井中布置了3個(gè)4分量加速度儀和2個(gè)水聲器[4,14]，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巨型壓裂實(shí)施時(shí)的巖體破裂形態(tài)，確定地震波的位置和強(qiáng)度。隨后還開(kāi)發(fā)出了井筒內(nèi)裂縫成像技術(shù)、超聲井下電視、裂縫顯微成像和井筒應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，且操作的溫度上限提高，對(duì)了解應(yīng)力狀態(tài)，已有天然裂縫和流體流動(dòng)通道均有重要作用。在儲(chǔ)層激發(fā)（見(jiàn)圖 3）和水力循環(huán)測(cè)試過(guò)程中不間斷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄下地震次數(shù)和震級(jí)，并在地面安裝地震監(jiān)測(cè)裝置，評(píng)估地震對(duì)周?chē)用竦挠绊憽?/p>

水力循環(huán)測(cè)試時(shí)，進(jìn)行了流體化學(xué)成分的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)表明井口處與儲(chǔ)層深部的流體的化學(xué)同位素組分相似，證明地下 5 km內(nèi)的流體具有相同的沉積源，且經(jīng)歷了相同的流體-巖體間的相互作用過(guò)程[14]。同時(shí)采用示蹤劑測(cè)試的方法，測(cè)得流體循環(huán)通道的寬度、滲透性及流循環(huán)水損失率[11]。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)水力循環(huán)策略，提高地?zé)崮荛_(kāi)采效率。

圖3 水力激發(fā)微震影像（M ＞ 1）沿N-S剖面圖[15]（a）2002年GPK2井水力激發(fā)微震影像圖；（b）2004年GPK4井水力激發(fā)微震影像圖Fig. 3 Seismic clouds of （M ＞ 1）events are plotted on nearlyN-Scross-section[15]. Microseismic image of (a) Hydraulic stimulation in the GPK2 well in 2002, (b) Hydraulic stimulation in the GPK4 well in 2004.

3 蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程面臨的問(wèn)題及啟示

蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)雖然借鑒了其他地?zé)犴?xiàng)目的許多成功經(jīng)驗(yàn)，但是在開(kāi)發(fā)和運(yùn)行過(guò)程中仍然遇到了許多問(wèn)題，如天然裂隙影響儲(chǔ)層，導(dǎo)致井間連通性差、儲(chǔ)層不平衡；井下泵設(shè)備亟待改進(jìn)；儲(chǔ)層規(guī)模待擴(kuò)大等。這些問(wèn)題并不是每個(gè)地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)過(guò)程中都會(huì)遇到，但是針對(duì)目前遇到的問(wèn)題開(kāi)展研究，尋求解決辦法，可為今后遇到此類問(wèn)題時(shí)提供參考。此外，科研工作者還對(duì)蘇爾士項(xiàng)目進(jìn)行了多方面的數(shù)值模擬，我們可從中得到啟示，在今后的地?zé)衢_(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并行，不斷優(yōu)化地?zé)衢_(kāi)采策略。

3.1 儲(chǔ)層不平衡

聲波圖像顯示GPK4井鉆入的是一個(gè)反應(yīng)出大量聲波信號(hào)的無(wú)地震區(qū)塊，事實(shí)上它并未在注入井與生產(chǎn)井間產(chǎn)生良好的連通，由表3可見(jiàn)，示蹤劑測(cè)試和水力循環(huán)結(jié)果均表明儲(chǔ)層響應(yīng)不對(duì)稱，GPK3井同GPK2井間的水力連通遠(yuǎn)比同GPK4井間的水力連通更加快速直接，該狀況在水力激發(fā)和化學(xué)激發(fā)后仍沒(méi)有明顯改善[15]。表明該區(qū)塊可能是一個(gè)傳導(dǎo)性斷裂帶，它妨礙了壓力的積累，阻礙了流體流動(dòng)，限制了GPK4井與其他儲(chǔ)層的連通。

花崗巖儲(chǔ)層中普遍存在天然裂隙，天然裂隙優(yōu)于任何人造裂縫，水力激發(fā)形成的人造裂隙和鉆井形成的裂縫都會(huì)受天然裂縫體系控制。而天然裂隙對(duì)斷層儲(chǔ)層的發(fā)展影響比較復(fù)雜，可能形成大通道、阻礙流體流動(dòng)、改變流體通道的設(shè)計(jì)、造成短路循環(huán)甚至將流體引出循環(huán)儲(chǔ)層[4]。為充分高效開(kāi)采儲(chǔ)層中蘊(yùn)藏的熱能，需排除大規(guī)模的斷裂帶和斷層的影響，加強(qiáng)儲(chǔ)層以及儲(chǔ)層與井之間的連通性。

3.2 井下泵設(shè)備

蘇爾士項(xiàng)目的首個(gè)LSP在2008年5月安裝在GPK2井地下350 m深處，隨后進(jìn)行了兩個(gè)月的循環(huán)試驗(yàn)，流體流速為25 L/s，出水溫度為155℃，比之前未安裝LSP時(shí)產(chǎn)水率明顯提高，但經(jīng)過(guò)六周的地?zé)嵘a(chǎn)后發(fā)現(xiàn)軸的潤(rùn)滑部分出現(xiàn)結(jié)垢，隨后由于潤(rùn)滑情況變差導(dǎo)致軸折斷。2012年的地?zé)嵫h(huán)中，LSP由于軸上扭矩過(guò)高停止運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸嚴(yán)重?fù)p壞，影響地?zé)犭姀S運(yùn)行。

在高壓下注入循環(huán)流體會(huì)消耗能量，使注入井到生產(chǎn)井的系統(tǒng)中較短的流通路徑趨向于發(fā)展，長(zhǎng)期循環(huán)可能導(dǎo)致流徑短路。另外，高壓注入還可能導(dǎo)致流體流入未通向生產(chǎn)井的那部分儲(chǔ)層而損失掉。采用生產(chǎn)井進(jìn)行泵抽會(huì)得到大流量下需要的大壓力降，而不需要增大整個(gè)儲(chǔ)層的壓力，在高流量的生產(chǎn)條件下，還能夠降低短路的風(fēng)險(xiǎn)。而生產(chǎn)井采用泵抽，與注入井采用中等壓力注入相結(jié)合，循環(huán)流體會(huì)從整個(gè)激發(fā)了的裂縫巖體體積內(nèi)被抽吸到生產(chǎn)井，使損失到遠(yuǎn)區(qū)的流體達(dá)到最少[4]，是較適宜的注采策略。針對(duì)蘇爾士地區(qū)腐蝕性的地?zé)釛l件，需要更新技術(shù)方案，選用適宜材料制造抗磨損及侵蝕的泵，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行[15]。目前，安裝深度不受限制的ESP已應(yīng)用于蘇爾士項(xiàng)目。

3.3 儲(chǔ)層規(guī)模

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)是：水流速率大于 40 L/s、溫度大于 180℃、儲(chǔ)層阻抗小于0.2 MPa·L-1·s-1、水損耗率低于10%[2]。蘇爾士項(xiàng)目生產(chǎn)井流體溫度約160℃，產(chǎn)水速率最高可達(dá)25 L/s，上層儲(chǔ)層阻抗為0.1 MPa·L-1·s-1[6]，深層儲(chǔ)層GPK2井與GPK3井之間儲(chǔ)層阻抗約為0.29 MPa·L-1·s-1[14]，水損耗率小于6%。雖然蘇爾士地?zé)嵯到y(tǒng)水力循環(huán)狀況較理想，操作也較靈活，但與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相比，產(chǎn)出流體的溫度未達(dá)到商業(yè)所需溫度，產(chǎn)水速率也遠(yuǎn)小于指標(biāo)要求，儲(chǔ)層阻抗也比指標(biāo)大。因此，要實(shí)現(xiàn)地?zé)崮芙?jīng)濟(jì)高效的開(kāi)采，獲得商業(yè)性的成功，必須擴(kuò)大儲(chǔ)層規(guī)模。

擴(kuò)大儲(chǔ)層規(guī)模可采取增加生產(chǎn)井?dāng)?shù)量，加強(qiáng)儲(chǔ)層激發(fā)強(qiáng)度的方法，以增大流體換熱面積；并配合化學(xué)激發(fā)和水力循環(huán)的方法降低儲(chǔ)層阻抗，提高儲(chǔ)層裂隙導(dǎo)流能力；并通過(guò)采用井下泵設(shè)備，配合適當(dāng)注采策略，在避免微震事件的基礎(chǔ)上增加產(chǎn)水速率。針對(duì)蘇爾士上層儲(chǔ)層地?zé)崽荻雀?、?chǔ)層阻抗小的地質(zhì)特征，可適當(dāng)提高淺層地?zé)岬拈_(kāi)采力度。

3.4 數(shù)值模擬在地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用方面的啟示

數(shù)值模擬是地?zé)釕?zhàn)略利用細(xì)化和評(píng)估的最基本手段，可用于了解裂縫特性、自然狀態(tài)和生產(chǎn)方案的評(píng)估以及儲(chǔ)層管理。除現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)外，許多研究者也針對(duì)蘇爾士項(xiàng)目進(jìn)行了不同方面的數(shù)值模擬研究，內(nèi)容包括巖石圈構(gòu)造和形變場(chǎng)特性[16]、儲(chǔ)層激發(fā)過(guò)程中的水巖相互作用[17]、酸-巖相互作用[18]、微通道[19]及采用CO2作為工質(zhì)[20]對(duì)采熱過(guò)程的改善作用、THMC（Thermo-Hydro-Mechanical and Chemical）多場(chǎng)耦合模型[9,21,22]分析水熱系統(tǒng)運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)模型[23]對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性研究。

研究表明，數(shù)值模擬需要與大型商業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)層進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證模擬是否能夠預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的特性。根據(jù)鉆井和儲(chǔ)層的分布情況建立合理的數(shù)學(xué)模型，考慮到流動(dòng)、熱傳輸、壓力以及水-巖相互作用情況對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)期間收集的資料相結(jié)合，可以用于預(yù)測(cè)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)儲(chǔ)層的性能。蘇爾士地?zé)犴?xiàng)目可用于驗(yàn)證和改進(jìn)數(shù)學(xué)模型，并參考數(shù)值模擬的結(jié)果優(yōu)化生產(chǎn)方案、管理儲(chǔ)層。

4 蘇爾士項(xiàng)目對(duì)中國(guó)增強(qiáng)型地?zé)岬膯⑹?/h2>

中國(guó)地表熱流與構(gòu)造熱活動(dòng)顯著相關(guān)，西南部受印度洋板塊的擠壓作用，東南部受菲律賓板塊的擠壓作用，東部受太平洋板塊的擠壓作用，地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈，地?zé)崽荻雀?，形成了資源豐富、類型多樣的地?zé)豳Y源?？偟臒崃髭厔?shì)為：東部高、西部低，南部及西南部高、西北及北部低[1,24-26]。典型代表如：云南騰沖地區(qū)，是特提斯——喜馬拉雅造山帶的一部分，熱流高，水熱活動(dòng)強(qiáng)烈，有眾多的熱泉、沸泉等[1,27]。熱流極大值可達(dá)120.5 MW/m2，約為全球均值（61.6 MW/m2）的兩倍。地下5 km深度以內(nèi)平均地溫梯度為8.02℃/hm，屬高品位高溫巖體地?zé)豳Y源，是地?zé)嵫芯康闹攸c(diǎn)區(qū)域[28-30]；青藏高原中南部受巖石圈應(yīng)力的影響，形成了豐富的地?zé)岙惓?，特別是羊八井地區(qū)平均地?zé)崽荻瓤蛇_(dá) 10℃/hm，實(shí)測(cè)區(qū)域背景熱流達(dá)108 MW/m2[1,2,31-33]。

中國(guó)目前開(kāi)采的地?zé)豳Y源是淺部水熱型地?zé)豳Y源，但水熱型地?zé)豳Y源量小，發(fā)電效率低，受季節(jié)影響大，而且由于過(guò)度開(kāi)發(fā)已經(jīng)造成嚴(yán)重的地質(zhì)和環(huán)境破壞。相比之下，深部高溫巖體地?zé)豳Y源量巨大，可進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定開(kāi)發(fā)。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)針對(duì)深部高溫巖體地?zé)?，熱電轉(zhuǎn)化效率高，流體工質(zhì)循環(huán)發(fā)電，對(duì)環(huán)境污染小，是地?zé)衢_(kāi)采發(fā)展的必然趨勢(shì)。

我國(guó)最大的地?zé)犭娬尽鞑匮虬司責(zé)犭娬?，開(kāi)發(fā)迄今已逾30年，淺層熱儲(chǔ)熱流體大量開(kāi)采，生產(chǎn)井的井口參數(shù)顯示其能量和質(zhì)量都表現(xiàn)出明顯下降，熱田急劇萎縮，已趨枯竭，淺層資源已不能滿足25.18 MW裝機(jī)容量發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行[32-34]。熱儲(chǔ)溫度和壓力也發(fā)生變化，熱田附近出現(xiàn)了地面沉降等嚴(yán)重的開(kāi)發(fā)效應(yīng)[35]。大量地?zé)崴吹玫娇茖W(xué)回灌和處理，被直接排放，給生態(tài)環(huán)境造成影響。此外還存在嚴(yán)重的腐蝕、結(jié)垢等問(wèn)題[36]。深部熱儲(chǔ)較淺部地?zé)豳Y源具有溫度高、壓力大、不結(jié)垢、流量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。為了保證西藏地區(qū)主要是拉薩地區(qū)電力的正常供給，并減輕環(huán)境污染，羊八井地?zé)崽锏纳畈繜醿?chǔ)開(kāi)發(fā)與擴(kuò)容勢(shì)在必行。羊八井地區(qū)高溫巖體是結(jié)構(gòu)較為單一、均勻的酸性花崗巖，易于鉆井和建造人工儲(chǔ)層，已有多年的淺層熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，且該區(qū)地?zé)岚l(fā)電成本遠(yuǎn)低于其它能源，是發(fā)展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的最佳區(qū)域[32-34,37-40]。

我國(guó)深層地?zé)嵫芯科鸩捷^晚，場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，尚未完全掌握EGS開(kāi)發(fā)過(guò)程的鉆井、儲(chǔ)層激發(fā)和流體循環(huán)測(cè)試等技術(shù)，缺乏對(duì)EGS中溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)理論研究[2]。蘇爾士EGS的開(kāi)發(fā)研究較為成熟，已用實(shí)踐證明了深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)的可行性，多年開(kāi)發(fā)積累了豐富的場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在鉆井、儲(chǔ)層激發(fā)、流體循環(huán)測(cè)試和儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)方面取得許多成功經(jīng)驗(yàn)，泵等設(shè)備經(jīng)不斷改進(jìn)工藝較為成熟，可用于指導(dǎo)我國(guó)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

5 結(jié) 論

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)采用人工工程方法形成儲(chǔ)層，從地殼深部低滲透的干熱巖體中，經(jīng)濟(jì)地采出具有相當(dāng)數(shù)量的熱能。蘇爾士增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)成就在于：采取先鉆井后激發(fā)再鉆井的鉆井策略，水壓致裂與化學(xué)激發(fā)相結(jié)合的方法成功地建造了一定規(guī)模的儲(chǔ)層；成功進(jìn)行了多次水力循環(huán)測(cè)試，改善了儲(chǔ)層性能，并實(shí)時(shí)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的地?zé)衢_(kāi)采。后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)井間連通性，使儲(chǔ)層平衡；針對(duì)蘇爾士地質(zhì)條件，改進(jìn)井下泵等設(shè)備；擴(kuò)大儲(chǔ)層規(guī)模，經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)地?zé)崮?。此外，?shù)值模擬研究需要與大規(guī)模儲(chǔ)層的長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證模擬是否能夠預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的特性，并指導(dǎo)地?zé)犭姀S的運(yùn)行。我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，蘇爾士項(xiàng)目可為我國(guó)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參考。

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Development Experiences of the Soultz Enhanced Geothermal Systems and Inspirations for Geothermal Development of China

ZHAI Hai-zhen1,2, SU Zheng1, WU Neng-you1
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Enhanced geothermal systems (EGS) is artificial engineered reservoirs that is created to extract economical amounts of heat from deep located hot dry rock of low permeability and/or porosity. The Soultz EGS project has been exploited for 20 years and is still going on. But during this process neither critical issue about the project was intensively investigated, nor was the success of the project systematically summarized. This paper reviews the history of the project, and summarizes the successful experiences in drilling, reservoir stimulation, hydraulic test, and reservoir monitoring. The reservoir construction and downhole pump problems faced in geothermal development are therefore extracted at the same time. And then some enlightenments are gained from the application of numerical simulations on geothermal energy exploitation. The Soultz project learned lessons from other earlier geothermal fields, successfully created the artificial reservoir of business scale, and meanwhile produced a large number of scientific research achievements and advanced technologies. The Soultz geothermal project has great significance on guiding the later geothermal researches.

enhanced geothermal systems (EGS); Soultz; reservoir stimulation

TK521；TK529；P314

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.04.008

2095-560X（2014）04-0286-09

翟海珍（1990-），女，博士研究生，主要從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究。

2014-05-14

：2014-06-25

國(guó)家863計(jì)劃（2012AA052802）；中科院廣州能源所所長(zhǎng)基金培育項(xiàng)目（y107a41001）

? 通信作者：蘇 正，E-mail：suzheng@ms.giec.ac.cn

蘇 正（1980-），男，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事天然氣水合物成藏機(jī)制和開(kāi)采潛力評(píng)價(jià)、海洋地質(zhì)和地質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)、深層地?zé)豳Y源和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）研究。