干熱巖資源特征及開發(fā)利用研究進展

楊　麗，孫占學，高　柏

(東華理工大學核資源與環(huán)境省部共建國家重點實驗室培育基地，江西 南昌 330013)

干熱巖資源特征及開發(fā)利用研究進展

楊麗，孫占學，高柏

(東華理工大學核資源與環(huán)境省部共建國家重點實驗室培育基地，江西 南昌 330013)

摘要：隨著傳統(tǒng)化石能源的日漸短缺，干熱巖作為一種清潔的可再生地熱資源，符合現代化工業(yè)社會的需求，對干熱巖資源特征及開發(fā)利用研究越來越得到人們的重視，成為新能源開發(fā)和研究的熱點。文中分析了中美干熱巖資源特征，巖石裂隙在熱傳輸過程中的重要作用，總結了優(yōu)化鉆孔布局的方法、地熱資源鉆井成本估算，高溫地熱鉆探技術與干熱巖地熱資源的利用等方面的研究進展。根據中國干熱巖資源特征及開發(fā)利用現狀，建議高度重視干熱巖賦存特征與開采條件的研究，加強壓裂貫通技術的研發(fā)，大力提升現有的鉆探設備水平。

關鍵詞：干熱巖；鉆探技術；資源特征；應用現狀；進展

HDR(hot dry rock)代表著一個龐大的潛在能源，據報道，在美國地面以下3～10km深度干熱巖總熱量超過了14×106EJ[1]。不同作者的評估顯示，我國大陸3～10km深度干熱巖所蘊藏的熱量大約為(20.9～25)×106EJ[2-3]。HDR代表著一個龐大的潛在能源，這個熱量可以提供電能、替代原油輔助采油，以及用于采暖等。利用HDR可以滿足快速增長的能源要求，是一個重要的能源策略。干熱巖熱能提取和利用的研究和開發(fā)可以追溯到1970年，HDR概念首次被美國科學家提出[1，4]，采用人工壓裂的方式，在干熱巖體中產生連通的裂隙，打一口井到目標巖層，注入冷水流經巖層，儲存在HDR巖體中的熱量轉移到注入的冷水中，將這些載熱液體收集到生產井用于發(fā)電或者其他用途，排出的液體冷卻以后又可以注入井中循環(huán)利用。

目前，世界各地積極研究開發(fā)HDR的技術，創(chuàng)建了多個HDR技術開發(fā)示范點。中國也在積極參與HDR技術開發(fā)工作，但在熱儲計算、技術應用等多方面還存在不足，本文通過對當前干熱巖地熱資源現狀研究的分析，為我國的干熱巖地熱資源開發(fā)利用提出建議。

1資源特征

1.1我國干熱巖資源特征

我國干熱巖地熱資源開發(fā)潛力巨大，最新的計算結果表明，中國大陸(3～10km深度)干熱巖地熱資源總量為20．9×106EJ，合714．9×1012t標準煤。若按2%的可開發(fā)資源量計算，是傳統(tǒng)水熱型地熱資源量的168倍，相當于中國2010年全年能源消耗總量的4400倍[3]。中國處于全球歐亞板塊的東南邊緣，在東部和南部分別與太平洋板塊和印度洋板塊連接，是地熱資源較豐富的國家之一[5]。東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在臺灣、海南和東南沿海形成一個高地溫梯度區(qū)；東部受太平洋板塊擠壓，形成長白山、五大連池等休眠火山或火山噴發(fā)區(qū)和京津、膠東半島等高地溫梯度區(qū)。這些熱異常區(qū)存在著豐富的高溫地熱資源，是干熱巖地熱資源的優(yōu)先開發(fā)區(qū)[6]。

1.2美國干熱巖資源特征

根據地質環(huán)境以及其他數據的綜合研究顯示，美國有24個潛在的可供參考的開發(fā)干熱巖的地區(qū)。研究發(fā)現，HDR資源多出現在地質構造發(fā)育的地帶，根據這些有潛力地區(qū)的巖層和推斷的熱源進行分類，其中新墨西哥州的芬頓山被認為是發(fā)展HDR比較理想的區(qū)域，并對其進行了詳細研究。除此之外還有其他三個具有前瞻性價值的地方：加州Greysers-clear湖地區(qū)，猶他州羅斯福溫泉區(qū)，新罕布什爾州懷特山脈地區(qū)。這些地區(qū)都是因為在HDR開發(fā)利用中有著顯著不同的地質和地球物理特征，并且?guī)r石儲層結構和儲層溫度方面也特別適宜HDR資源的開發(fā)利用[7]。

2干熱巖裂縫熱流區(qū)的三維模擬

作為一種清潔、可再生的地質資源，干熱巖將會得到廣泛的應用。干熱巖里面儲存著大量的熱量，但干熱巖通常儲存在地球深處，想要直接利用這種資源十分困難。需要通過向傳輸巖層注入冷水，將熱能被交換到地面加以使用，在熱提取過程中，流體的流動和傳熱起著關鍵性的作用[8-10]。通常，注入的液體和干熱巖之間的熱交換是通過液體流經巖石縫隙來完成的。在熱量傳輸的過程中，干熱巖的特征和結構扮演了十分重要的角色。為了更好更合理地開發(fā)地熱資源，研究三維縫隙的特征以及干熱巖熱傳輸的影響因素是十分有必要的。干熱巖里的天然裂縫十分狹窄，不能滿足熱傳輸的需要，用來熱交換的縫隙通常由人工壓裂來產生足夠的孔隙度。按照人工壓裂以后的分布類型，根據相關的孔隙度以及空隙的半徑來建立縫隙的三維模型。Lunli等幾位學者[11]，用理想形狀的孔隙模擬、討論了液體流經裂隙的壓力、通量、速度、孔隙度之間的關系，并且分析了熱傳輸的原理，指出三維模擬研究在發(fā)展和利用干熱巖方面具有指導意義。研究表明：熱交換時，滲流會導致熱量在巖石與液體之間發(fā)生交換，然后推動巖體的內部溫度場重新分布，使得液體與巖石層在貫穿裂縫的滲流場和溫度場之下相互作用。裂隙較大的滲流區(qū)域主要引起液體流動，同時也直接影響溫度場的分布。在分析單一裂隙平行板模型基礎上，還研究了圓柱形滲流通道，根據貫通巖體裂縫的滲流和溫度數據，分析裂隙的壓力、通量、速度、孔隙度之間的相互關系。

3優(yōu)化鉆井布局

HDR熱提取技術的實現包括選址調查、鉆井、人工壓裂產生裂隙、建立流動循環(huán)系統(tǒng)，如果用于發(fā)電，就涉及到地表電站的建設和輸電線路的安裝。鉆井過程成本昂貴又必不可少，根據許多地熱項目的成本統(tǒng)計表明，鉆井的成本可能達到投資總成本的50%～60%以上[12-13]。干熱巖體更堅硬，溫度更高，就對鉆井技術提出了更高的要求。HDR開采的商業(yè)運營目標是：出流量達到80kg/s，液體溫度至少達到423.15k[14]，為獲得足夠高的生產能力，就需要提高單井生產能力。單井循環(huán)率低主要是因為巖層滲透性和井間連通性差[15-16]。采用多井策略可以增加壓裂，這有助于產生更多的裂縫，使儲層滲透率和孔隙分布更加均勻，同時，更多的井可以縮短井間距離，提高井間連通性，促進流體循環(huán)，同時減少流體損失的可能性。鑒于目前巖石壓裂技術，多井策略可能是提高生產能力為數不多的幾個有效方法之一，但鉆井耗時長、成本高，因此，優(yōu)化鉆井布局是降低成本的重要環(huán)節(jié)。

在長期的干熱巖熱提取過程中，井的布局的數值模擬包括：標準的兩井模式、三井模式和五井模式，根據仿真模擬的結果對干熱巖提取性能的分析發(fā)現：僅僅部署更多生產井不一定能提高干熱巖提取效率，三井模式比五組或兩井模式都要好；此外，干熱巖提取過程中，注入井位置附近會獲得更多的熱量；同時，一個優(yōu)化的HDR地熱系統(tǒng)布局必須確保長期有主要流動路徑和優(yōu)先流。最后，用實驗結果驗證了模擬設計[17]。

4石油、天然氣以及地熱資源鉆井成本分析

經濟成本是開采過程中必須要考慮的問題，由API根據美國海岸上石油和天然氣鉆井從1976年到2009年數據，采用當前的物價水平，作出了鉆探深度與成本的指數關系。研究歷年鉆探成本與深度的指數關系，根據不同的鉆探深度，劃分成9個深度指標，并且每年都根據鉆探活動對指數加以修正。一系列的研究表明，地熱鉆探的成本升級費用，遠遠低于石油、天然氣鉆探成本的升級費用，用來評價化石能源成本的指數并不適合描述地熱資源的鉆探成本[18]。

一般來說，人們都希望可以開采更深處的石油、天然氣、地熱儲層，以此來獲得更多的資源，并希望通過提高鉆探技術來減少由于深度的增加所帶來的成本消耗。Cornell Energy Institute (CEI)指數[16]是一個全新的可以隨時間和環(huán)境條件不斷更新的指數，它趨向于提供更高的精度并且使其所描述的事物不隨時間的推移而改變?；剂系你@探相關統(tǒng)計分析表明：在同樣一個地點，一口開采井的成本要比一口勘探井的成本便宜8%左右，并且如果開采井更大或者優(yōu)化管線的布局，成本將會進一步降低。

除了不同的地質條件、井孔直徑的大小，以及井管線布置的復雜程度這幾個因素對鉆井成本的影響外，其它地熱開采成本和化石能源的開采成本差不多。石油和天然氣的鉆井花費指數已被證明并不適合描述常規(guī)的地質鉆探花費。主要原因是：在過去的35年里，地質鉆探技術有了重大的改進，但成本的升級費用卻遠低于同時期的石油天然氣鉆探成本升級費用。Maciej Z． Lukawski等專業(yè)人士評估了當前的地質鉆井成本，并提供了一個包含146個地質鉆井成本的數據庫，通過這個數據庫，可以讓以后相關的鉆井成本模擬計算更加精確[18]。

5高溫地熱資源鉆探技術的研究

隨著對地熱資源研究的深入，鉆井數量、深度、初始溫度都在逐年提高。目前為止，高溫地質鉆探技術并沒有被相關人員過多的關注。高溫地質鉆探面臨著很多復雜的問題：初始溫度、極限溫度、飽和蒸汽壓、傳輸介質循環(huán)溫度等，這些數據的獲取和計算都十分重要，利用Rotary Blow Out Preventer (RBOP)技術，可以幫助獲取這一系列的數據，進一步指導開采活動[19]。在國外，RBOP技術得到了廣泛的應用，但在國內卻沒有RBOP的應用實例[20]，為了確保高溫鉆探的安全和效率，加快RBOP技術的研究和應用速度是十分重要的。除此以外，循環(huán)溫度和地熱鉆井的壓力對整個鉆探過程的安全和效率來說十分重要，但目前卻缺少相關的研究。Zhang Delong等[20]研究人員為了增加地熱鉆探鉆井技術的可操作性，設計了適應高速且溫度適合RBOP技術的改進結構。

6干熱巖應用現狀

6.1干熱巖發(fā)電

干熱巖作為一種可再生的清潔能源，可在地熱發(fā)電中得到應用。干熱巖地熱發(fā)電與其他發(fā)電方式相比：干熱巖地熱發(fā)電不僅可大幅降低溫室效應和酸雨對環(huán)境污染的影響，而且價格更具競爭力。產生區(qū)別的主要原因是采熱方式不同，干熱巖地熱發(fā)電的流程為注入井將低溫水輸入熱儲中，水經過高溫巖體加熱后，在臨界狀態(tài)下以高溫水、汽的形式通過生產井回收發(fā)電。發(fā)電后將冷卻水排至注入井中，重新循環(huán)，反復利用。在此閉合回流系統(tǒng)中不排放廢水、廢物、廢氣，對環(huán)境沒有影響[21]。

干熱巖發(fā)電過程有許多影響因素，為了驗證通過水循環(huán)可以從干熱巖體中獲得熱量用于發(fā)電，Yu Chaozeng 等[22]研究人員對Desert Peak地熱田中兩個水平井開展了數值模擬[23-29]，根據Desert Peak地熱田DP23-1的地質資料，整個生產過程可分為兩個階段：穩(wěn)定生產階段和衰退階段。在穩(wěn)定階段，首先，提取注入井附近的熱量，穩(wěn)定的從巖石中開采熱量，并保持一定的生產溫度，使電力生產能力保持在恒定水平；在衰退階段，隨著工作的開展，儲層中生產井附近的熱量不斷降低，水溫以及電力生產能力不斷下降，儲層平均溫度不斷降低，伴隨著相應的水粘度、密度不斷增加，引起儲層阻抗不斷增加。 在生產過程中，在注入井周圍形成區(qū)域低溫，壓力和密度越靠近生產井區(qū)域越高。模擬結果如下所述。①裂縫滲透率K是影響熱量生產最重要的因素之一，在一定范圍內，K越大，意味著注入水與巖石的接觸面積越大，溫度提高越多。盡管對電力生產能力沒有多大影響，但是阻抗會明顯減少，因此，能源效率也會大大提高。 ②流量也是影響熱量生產最重要的因素之一。在一定范圍內研究發(fā)現，低流量更有利于電力生產，阻抗值較小，能源效率更高。然而，較低的流量會明顯降低電力生產能力。③溫度也是影響熱量產出的重要因素之一，在某一定范圍內，注水溫度越高，電力生產能力明顯降低，但是能源效率顯示輕微的增高趨勢。因此，改善系統(tǒng)熱生產性能，可以適當增加儲層滲透率，降低出水流量或降低注水溫度[22]。

6.2干熱巖代替原油技術

王學忠[30]提到：針對稠油熱采中需要燃燒大量原油產生蒸汽的問題，開發(fā)了干熱巖替代技術。干熱巖輔助采油是通過向干熱巖中注水形成高溫蒸汽或熱水后，再由地面采出用于加熱油層，從而提高稠油流動能力。物理模擬試驗證實，熱水驅油能夠明顯提高采收率[31]。進行干熱巖采油流程概念設計，可選擇深層探井作為干熱巖源井，推薦在干熱巖源井同井場，施工稠油層多分支水平井作為注入井，單體增壓泵直接將從干熱巖源井采出的熱流體注入目的油層，在周圍油井采油[32]。

利用干熱巖輔助采油還有幾個重要的理由：第一是原油用途非常廣泛，比地熱資源附加值高；第二是原油比地熱資源便于運輸，運輸方便可以擴大應用范圍，提高經濟效益；第三是干熱巖熱水采油原理簡單，廣泛適用于其他各類油藏，安全、節(jié)能又環(huán)保，具有廣闊的應用前景。因此，干熱巖輔助采油技術理論上在所有油田都具備實施條件，配套技術成熟，可以大幅度提高稠油開采動用水平和采收率，大幅度降低稠油開采成本[30]。

6.3干熱巖采暖

與干熱巖地熱發(fā)電原理相似，干熱巖型地熱能采暖是根據自然環(huán)境條件、當地人口資源環(huán)境配置、地熱資源分布以及地熱地質條件，打出合適的注水井和生產井，用水力壓裂技術使地下裂隙連通，用高壓注水泵向一井內注水，水通過干熱巖層，將干熱巖中的熱量吸收后，從另一口井中抽出，進入換熱器進行熱量交換，抽出的高溫的熱水供給到千家萬戶，換熱后的溫水再回到注水井中。這樣就好像把一個鍋爐放在深部的地下，水在這個系統(tǒng)中不停地循環(huán)就可以取出熱能加以利用。

國外已經開始了這樣的取暖方式，經濟而且環(huán)保。目前，沈陽地區(qū)已經開始對干熱巖資源供暖技術研究，并得出沈陽地區(qū)深部干熱巖存在可能性非常高，具有干熱巖資源進行供暖的有利條件[33]。

7我國干熱巖資源開發(fā)存在的問題及展望

干熱巖地熱資源擁有巨大的儲量，能源開發(fā)過程中污染較小，被看做未來能源支柱之一。與國外已較為成型的技術相比，我國干熱巖的開發(fā)還處在起步階段。造成這一現象的原因大概有以下幾點。

1)賦存特征與開采條件不明確。干熱巖資源的賦存特征與開采條件是開發(fā)利用干熱巖資源的基礎，需要做好干熱巖資源的勘察評價以及關鍵開采技術體系的研發(fā)，建立相對應的數據庫。

2)壓裂連通技術難度高。在實現干熱巖應用中，都必須使用壓裂技術，使得致密不透的熱巖體能夠產生裂隙，使得井與井之間連通。將井連通的工作很復雜，也很難解決，我國需要加強這方面的深入研究。

3)推進有疑慮。如前所述，我國干熱巖在3～10km范圍內的儲熱量巨大。但是很多學者專家認為：作為地熱資源的一種，干熱巖發(fā)電是否會面臨常規(guī)地熱發(fā)電同樣的困境。目前我國利用地熱供暖和供熱水發(fā)展非常迅速，但利用地熱發(fā)電一直止步不前。

4)鉆井技術與裝備差。因為開發(fā)干熱巖地熱資源需要深井鉆探，施工高溫巖體發(fā)電井的鉆頭耐熱溫度需達350℃，另外在實際工作中需要應用防斜鉆井技術，這就增加了開發(fā)過程中的難度和生產費用。成本高成為干熱巖開發(fā)的困擾，因此，還需在壓裂鉆進技術方面多下功夫。

縱觀上述問題，為了讓干熱巖資源的開發(fā)利用在我國更快發(fā)展，首先應該查明我國干熱巖資源的賦存特征與開采條件，為我國開發(fā)利用干熱巖資源奠定基礎。同時，應加大對干熱巖地熱資源研究的投入，設立勘查開發(fā)利用研究專項，為我國的干熱巖資源勘查開發(fā)利用提供技術支撐并建立示范工程。與此同時，推動人才隊伍建設以及數據資源的共享，對干熱巖資源的開發(fā)和利用也有著十分重要的作用。干熱巖資源有著其獨有的優(yōu)點，隨著研究力度的加大，未來將在很大程度上解決能源危機，使得我國在能源問題上取得長足進步和跨越式發(fā)展。

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A review on geothermal resources characteristics and development potential for hot dry rock

YANG Li，SUN Zhan-xue，GAO Bai

(State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Abstract:With the shortage of conventional fossil fuels，hot dry rock as a clean，renewable geothermal energy resource，in line with the needs of modern industrial society，and the characteristics and exploitation study of hot dry rock resources has become a new focus of energy development and research.In this paper，the characteristics of hot dry rock resources in China and the United States，the important effects of rock fractures on heat transfer process are discussed，and the advancement of the methods optimizing drilling distributions，estimation of geothermal drilling costs，high temperature geothermal drilling techniques，and the utilization of hot dry rock geothermal resources.Based on the characteristics of the hot dry rock resources，and exploitation and utilization status of China，it is recommended that researches on the formation features of hot dry rocks，exploitation conditions，fracturing and connecting technologies and advanced drilling equipment should be paid highly attention.

Key words：hot dry rock；drilling technology；resource characteristics；utilization status；advancement

收稿日期：2015-05-17

基金項目：中國地質調查局項目“大型盆地和東南沿海典型地區(qū)深部水文地質調查與綜合評價”資助(編號： 12120114025101)；國家自然科學基金項目資助(編號：41162007；41362011)；江西省自然科學基金項目資助(編號：20132BAB203031)

作者簡介：楊麗(1990-)，女，漢族，四川宜賓人，東華理工大學碩士研究生，主要從事水文地質與工程地質研究工作。E-mail：594495900@qq．com。 通訊作者：孫占學(1962-)，男，江西修水人，教授，博導，主要從事地熱地球化學、鈾礦采冶與水文地質方面的研究工作。E-mail：zhxsun@ecit.cn。

中圖分類號：P967

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0016-05