增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)儲(chǔ)層建造及其評(píng)價(jià)

郭 盼， 吳 波， 李 朋， 劉萬亮

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

干熱巖是指埋藏于距地表3～10 km深度范圍內(nèi)低滲透性的高溫巖體[1]。由于干熱巖天然滲透率極低,無法經(jīng)濟(jì)地提取出地?zé)崮?所以干熱巖的開發(fā)必須建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS,Enhanced Geothermal System)。EGS是利用人工手段在干熱巖中建立高滲透性的人工熱儲(chǔ),然后注入低溫流體介質(zhì),置換干熱巖中的熱能(圖1)[2]。EGS最關(guān)鍵的技術(shù)是儲(chǔ)層改造,目的是在低滲透性巖石中建立大體積的儲(chǔ)水層,使原有天然裂隙錯(cuò)動(dòng)或形成新的裂縫,從而使注入井和生產(chǎn)井系統(tǒng)建立適當(dāng)?shù)倪B通性。常用的儲(chǔ)層改造方法有水力壓裂、熱刺激和化學(xué)刺激[3-5]。水力壓裂是最主要的EGS儲(chǔ)層改造手段,目前國外幾乎所有EGS工程都采用了水力壓裂技術(shù)來形成換熱構(gòu)造(表1),如美國Fenton Hill,法國Soultz,日本Hijiori等。該技術(shù)最初來源于油氣行業(yè),但近些年已經(jīng)成為干熱巖人工熱儲(chǔ)形成的重要手段[6-7]。然而,由于巖石構(gòu)造不同,天然裂隙的差異以及壓裂過程的各種不確定性因素,導(dǎo)致壓裂過程中裂隙系統(tǒng)的發(fā)展和壓裂的效果難以預(yù)測(cè)[8-12]。儲(chǔ)層的裂隙結(jié)構(gòu)直接影響流體在熱儲(chǔ)中的滲流換熱過程,是決定EGS可開采熱能和運(yùn)行壽命的關(guān)鍵因素。因此,監(jiān)測(cè)水力裂縫的起裂及擴(kuò)展規(guī)律,評(píng)價(jià)EGS水力壓裂的效果,對(duì)于EGS的開發(fā)利用具有重要意義。本文從干熱巖水力壓裂面臨的技術(shù)問題、監(jiān)測(cè)方法和效果評(píng)價(jià)幾個(gè)方面出發(fā),對(duì)水力壓裂的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納、總結(jié),以期為中國EGS工程方案設(shè)計(jì)和建造提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

圖1 干熱巖開發(fā)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖[13]
Fig.1 Enhanced geothermal system in thermal
energy development of hot dry rock

表1 國外主要EGS工程儲(chǔ)層激發(fā)方法Table 1 Reservoir stimulation methods of some EGS projects

1 水力壓裂研究現(xiàn)狀

1973年,美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室率先在新墨西哥州的芬頓山開始了增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的研究,至今干熱巖的開發(fā)已歷時(shí)四十余年。早期,EGS的水力壓裂技術(shù)主要以傳統(tǒng)支撐劑型壓裂為主,基本原理是：通過壓裂車向注入井內(nèi)泵入高壓、大排量的壓裂液,使巖層被壓開形成水力裂縫；隨后注入攜帶支撐劑的高粘度攜砂液,促使裂縫逐漸向前擴(kuò)展；最后將壓裂液抽出,支撐劑則均勻分布于裂縫中,從而形成了滲透性良好的人工熱儲(chǔ)[14]。最初美國Fenton Hill和英國Rosemanowes的EGS工程應(yīng)用了這種壓裂方式,但沒有取得預(yù)期效果[15],隨后雖然仍有部分國家和工程進(jìn)行傳統(tǒng)支撐劑型壓裂方式的研究,但大部分EGS工程開始轉(zhuǎn)向于另一種水力壓裂方式——清水剪切為主結(jié)合化學(xué)刺激的水力壓裂。

清水剪切結(jié)合化學(xué)刺激的水力壓裂一般步驟為：①以遠(yuǎn)低于儲(chǔ)層破裂壓力的注入壓力注入清水,使原有裂隙產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),小幅度階梯式提高注水壓力,使剪切刺激體積逐步從井筒附近向遠(yuǎn)井區(qū)域擴(kuò)展,當(dāng)提高注入壓力而儲(chǔ)層的注入率卻一直不增長(zhǎng)為止；②根據(jù)儲(chǔ)層巖石礦物的類型選擇合適的化學(xué)刺激劑,注入到已裂開的儲(chǔ)層中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)溶蝕作用,以提高儲(chǔ)層注入率；③反復(fù)交替進(jìn)行步驟①、②,直到儲(chǔ)層的注入率不再增加為止；④以高于破裂壓力的注入壓力進(jìn)行清水拉張壓裂,產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步使儲(chǔ)層向遠(yuǎn)井?dāng)U展并與先前形成的裂縫連通。反復(fù)進(jìn)行清水剪切壓裂、化學(xué)刺激和清水拉張壓裂,直到儲(chǔ)層注入率達(dá)到工程設(shè)計(jì)目標(biāo)為止[15]。該壓裂方式最初應(yīng)用于法國Soultz工程,并取得了巨大的成功,隨后美國Desert Peak工程也運(yùn)用了這種壓裂方式。

隨著近幾年水平井技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用,許多學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)與水平井技術(shù)結(jié)合上來。例如，研究人員在美國Desert Peak工程中基于DP23-1井的地質(zhì)數(shù)據(jù),通過兩個(gè)水平井的水循環(huán),模擬了該地?zé)嵯到y(tǒng)的熱生產(chǎn)潛力[16]；國內(nèi)也有學(xué)者針對(duì)大慶地區(qū)的營城組儲(chǔ)層,研究了水平井結(jié)合傳統(tǒng)支撐劑型壓裂技術(shù)來改造儲(chǔ)層的滲透性,并進(jìn)行了發(fā)電和供暖潛力分析[17]。從EGS的發(fā)展歷程來看,以后越來越多的工程傾向于根據(jù)地方的需求進(jìn)行EGS的水力壓裂和開采方案設(shè)計(jì)。

2 水力壓裂面臨的主要技術(shù)問題

通過水力壓裂可以改善EGS儲(chǔ)層的滲透性,但通過這種方法提高滲透性會(huì)產(chǎn)生兩種負(fù)面效應(yīng)：①在水力壓裂過程中大裂隙通道優(yōu)先發(fā)展,注入水快速流經(jīng)此類大通道并從生產(chǎn)井排出,即短路循環(huán)；②注入壓力可能超過裂隙生長(zhǎng)的臨界壓力,從而使儲(chǔ)層擴(kuò)大,使水流到儲(chǔ)層中的非循環(huán)部分不能被開采利用,即水流損失。

短路循環(huán)是影響EGS運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)可行性的主要問題之一,會(huì)造成巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)中很大一部分無法發(fā)揮換熱功能,這可能在壓裂初期即已出現(xiàn),也可能在長(zhǎng)期流體循環(huán)后形成[18]。石油工業(yè)常通過添加可控制粘度的流體來預(yù)防短路循環(huán),然而,目前控制流體流變性的添加劑溫度上限約為175 ℃,低于高品位的EGS目標(biāo)儲(chǔ)層溫度(200 ℃)。因此,設(shè)法提高流體添加劑的溫度上限,以達(dá)到增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的要求,是解決短路循環(huán)的重要方法。水流損失也是EGS工程水力壓裂面臨的一個(gè)重要技術(shù)問題。在美國Fenton Hill工程中,通過提高注入壓力以維持張開的裂隙來改善滲透性,裂隙的體積持續(xù)增長(zhǎng),但產(chǎn)生的新裂隙無法與生產(chǎn)井連通,造成循環(huán)系統(tǒng)中水的損失；在英國Rosemanowes工程中,也遇到了類似的問題,試圖通過增大注入壓力以改善裂隙滲透性時(shí),導(dǎo)致了遠(yuǎn)離井區(qū)裂隙體系的生長(zhǎng),加劇了水損失而并沒有改善連通性。

3 水力壓裂的基本步驟

根據(jù)迄今為止的EGS各項(xiàng)目獲得的經(jīng)驗(yàn),水力壓裂的基本步驟可概括為：①鉆一口深井(注入井),在適當(dāng)?shù)纳疃认绿坠?獲取深部熱儲(chǔ)溫度,地應(yīng)力場(chǎng)、節(jié)理、裂隙發(fā)育特征,天然流體賦存特征,巖石力學(xué)特征等重要參數(shù),并在合適的位置布置微震傳感器,安裝監(jiān)測(cè)和成像系統(tǒng),獲取質(zhì)量上佳的微震震源定位波；②進(jìn)行流量分級(jí)注入,直到每次注入的壓力變得穩(wěn)定為止,維持最高注入流量,直到地震活動(dòng)傳遞到生產(chǎn)井的目標(biāo)區(qū)；③進(jìn)行關(guān)井實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)層范圍,并在注入井進(jìn)行流動(dòng)測(cè)井,確定主要流動(dòng)區(qū),隨后排空儲(chǔ)層內(nèi)的注入流體,在較低的流量下進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn),以評(píng)估滲透性的永久剩余增強(qiáng)值(Enhancement Of Permeability)；④在儲(chǔ)層激發(fā)范圍內(nèi)進(jìn)行第二口井(生產(chǎn)井)的鉆進(jìn),并使生產(chǎn)井與注入井的井間距符合經(jīng)濟(jì)指標(biāo),此外,應(yīng)同時(shí)保證該井的完井設(shè)計(jì)符合下水井泵的條件；⑤對(duì)該生產(chǎn)井再進(jìn)行分步壓裂,以提高與先前被激發(fā)區(qū)的連通,使流體最終能夠被采出,此后,分別進(jìn)行短期循環(huán)試驗(yàn)和示蹤試驗(yàn),以評(píng)估注入井與生產(chǎn)井之間的連通性、儲(chǔ)層的流通體積,并識(shí)別所有的短路通道；⑥如果系統(tǒng)需要第三口井(也就是第二口生產(chǎn)井)、第四口井甚至第五口井,則重復(fù)步驟④—⑤；最后重復(fù)上述過程以建造足夠大的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng),滿足商業(yè)發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)需求。需要注意的是,在不同地區(qū),考慮到地?zé)岬刭|(zhì)條件的差異,水力壓裂步驟可能會(huì)稍有不同,但整體思路一般均按此步驟進(jìn)行。

4 水力壓裂監(jiān)測(cè)方法

在干熱巖儲(chǔ)層改造過程中,為了使人工壓裂最優(yōu)化,需要對(duì)熱儲(chǔ)層的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),常用的監(jiān)測(cè)方法有微震監(jiān)測(cè)、示蹤技術(shù)和數(shù)值模擬。

4.1 微震監(jiān)測(cè)

在熱儲(chǔ)形成過程中,巖體開裂滑移常常伴隨有微震等聲學(xué)現(xiàn)象,因此可以在井附近建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)用高精度的地震檢測(cè)器收集大量波形信號(hào)數(shù)據(jù),繪制熱儲(chǔ)系統(tǒng)的形狀、結(jié)構(gòu)和方位,確定熱儲(chǔ)建造的空間分布特征[19]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高精度、高分辨率的特點(diǎn),對(duì)于了解干熱巖熱儲(chǔ)層的形成及其開發(fā)過程中發(fā)生的巖石動(dòng)力學(xué)過程,有著極其重要的作用。微震監(jiān)測(cè)獲得的信息可用來指導(dǎo)生產(chǎn)井的鉆探,使其鉆入深層裂隙系統(tǒng),與注入井建立相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò),最大效率地抽取注入水。微震監(jiān)測(cè)在后期生產(chǎn)過程中,還可用來監(jiān)測(cè)EGS系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。

Baria等[20]對(duì)法國Soultz干熱巖項(xiàng)目?jī)?chǔ)層激發(fā)產(chǎn)生的微震進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位,確定了4個(gè)裂隙結(jié)構(gòu)(F1、F2、F3和F4)。F1位于4 660～4 710 m,具有偏西方向55°傾角,在注水最初階段開始形成；F2位于4 870～4 920 m,具有偏西方向65°傾角,在F1之后形成,；F3也是偏西方向約65°傾角,裂隙結(jié)構(gòu)較大,呈向上和向下生長(zhǎng)的趨勢(shì)；F4呈偏西方向40°傾角,在4 000 m處與F3相交。

4.2 示蹤技術(shù)

除了微震監(jiān)測(cè)以外,示蹤技術(shù)也是用來監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層激發(fā)效果的重要手段。示蹤試驗(yàn)在分析儲(chǔ)層中流體流動(dòng)路徑、確定生產(chǎn)井和注入井的連通情況、優(yōu)化注采井布設(shè)、預(yù)測(cè)生產(chǎn)井熱突破、估算儲(chǔ)層熱交換面積等方面發(fā)揮了重要作用[21-23]。應(yīng)用地?zé)崾聚檮┑幕驹硎牵河勺⑷刖⑷胍阎獫舛鹊氖聚檮┤芤旱綗醿?chǔ)層,使其隨著注入流體在儲(chǔ)層中運(yùn)移,并在生產(chǎn)井處連續(xù)取樣,檢測(cè)示蹤劑濃度,通過生產(chǎn)井處示蹤劑的初始出現(xiàn)時(shí)刻、示蹤劑濃度峰值出現(xiàn)時(shí)刻、峰值濃度等數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)注入井和生產(chǎn)井的連通性和導(dǎo)熱性。按照地?zé)崾聚檮┑男再|(zhì)可分為保守示蹤劑和反應(yīng)示蹤劑,其中保守示蹤劑不與巖石發(fā)生反應(yīng),僅作為一種溶解組分隨注入水在熱儲(chǔ)中運(yùn)移,例如KI、萘磺酸鹽等[24]；而反應(yīng)示蹤劑在隨溶液遷移過程中會(huì)與周圍的儲(chǔ)層巖石發(fā)生反應(yīng),如Rhodamine WT、Safranin T等。保守示蹤劑往往被用于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層連通程度,而反應(yīng)示蹤劑通常與保守示蹤劑結(jié)合應(yīng)用于評(píng)價(jià)裂隙—基質(zhì)熱交換面積[25-26]。

美國、法國、澳大利亞、冰島等國家的EGS工程曾先后進(jìn)行過多次地?zé)崾聚櫾囼?yàn),并取得了顯著效果。Rose等[27]在美國Desert Peak場(chǎng)地利用多種保守示蹤劑進(jìn)行了多井交叉示蹤試驗(yàn),通過對(duì)示蹤劑突破曲線的分析,估算了儲(chǔ)層空隙體積,并確定了最優(yōu)注水井和生產(chǎn)井的布設(shè)方案。Rose等[28]利用多種示蹤劑于美國Soda Lake 地?zé)釄?chǎng)地進(jìn)行了示蹤試驗(yàn),分析了裂隙儲(chǔ)層的熱交換面積。Sanjuan等[26]詳細(xì)分析了法國Soultz場(chǎng)地2000—2005年間的全部示蹤試驗(yàn)結(jié)果,確定了注水井和生產(chǎn)井之間的水力連通性和水流流動(dòng)路徑。Yanagisawa等[29]在澳大利亞Cooper Basin場(chǎng)地使用熒光素鈉等保守示蹤劑進(jìn)行示蹤試驗(yàn),刻畫了注入井和生產(chǎn)井間的連通性并估算了儲(chǔ)層體積。Axelsson等[30]分別利用熒光素鈉和碘化鉀在冰島Laugaland地?zé)釄?chǎng)地進(jìn)行示蹤試驗(yàn),并通過注入井和生產(chǎn)井間的連通程度預(yù)測(cè)了生產(chǎn)井的熱突破情況。

通過場(chǎng)地多井示蹤試驗(yàn)結(jié)果,可直觀判斷EGS儲(chǔ)層水流的流動(dòng)方向及注入井和生產(chǎn)井之間連通程度的好壞。但若需要進(jìn)一步探明儲(chǔ)層主要裂隙方向、滲透率分布規(guī)律及熱交換面積,需要運(yùn)用示蹤試驗(yàn)數(shù)值模擬或解析分析等技術(shù)方法。Rose等[31]對(duì)比分析了美國內(nèi)華達(dá)州Beowawe和Dixie Valley兩個(gè)EGS場(chǎng)地?zé)醿?chǔ)層示蹤試驗(yàn)的結(jié)果,利用數(shù)值模擬方法分析了注水井和生產(chǎn)井之間的距離對(duì)孔隙體積的影響。Gentier等[32]通過三維裂隙水流數(shù)值模擬模型結(jié)合示蹤試驗(yàn)結(jié)果,模擬了法國Soultz干熱巖項(xiàng)目水流循環(huán)試驗(yàn)過程,確定了儲(chǔ)層主要裂隙數(shù)和發(fā)育方向。Vogt等[33]同樣利用法國Soultz EGS場(chǎng)地示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用Monte Carlo隨機(jī)方法分析了水流在熱儲(chǔ)層的流動(dòng)路徑及注入井和生產(chǎn)井之間儲(chǔ)層滲透率的變化情況。

4.3 數(shù)值模擬

EGS工程的地?zé)醿?chǔ)層位于幾千米的地下深處,儲(chǔ)層的實(shí)際溫度和相關(guān)參數(shù)很難獲取,需要可行的監(jiān)測(cè)工具來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),快速發(fā)展的數(shù)值模擬技術(shù)為描述儲(chǔ)層壓裂過程中的巖石變形、裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展、流體滲流過程、采熱階段流體—巖石換熱過程、流體—巖石化學(xué)反應(yīng)等機(jī)制提供了良好的解決方法,并取得了很多重要成果[34-37]。具體而言,一個(gè)完整的EGS數(shù)值模擬軟件應(yīng)具備同時(shí)反映熱量傳遞過程(Thermal)、流體流動(dòng)過程(Hydraulic)、力學(xué)過程(Mechanical)和化學(xué)過程(Chemical)的特點(diǎn),并能刻畫裂隙分布特征及其連通性[38-39]。

目前,國際上用于EGS數(shù)值模擬的典型軟件主要包括FRACTure,GEOTH3D,FRACSIM-3D,GEOCRACK和GeoSys/Rock-Flow[23,40]。FRACTure可以實(shí)現(xiàn)EGS激發(fā)過程中T-H-M-C過程的全耦合,且計(jì)算速度快[41]。GEOTH3D的特點(diǎn)是不包括離散裂隙過程,采用空隙介質(zhì)模型,利用水壓致裂的聲發(fā)射數(shù)據(jù),結(jié)合注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出熱儲(chǔ)滲透系數(shù)的空間分布[42]。FRACSIM-3D采用的是裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,通過模擬裂隙的剪切和擴(kuò)張、熱—彈效應(yīng)以及簡(jiǎn)單的化學(xué)溶解和沉淀過程,來描述EGS系統(tǒng)的水力壓裂過程,并能夠運(yùn)用于地?zé)崽锏臏y(cè)試運(yùn)行階段[43]。GEOCRCAK采用了離散裂隙方法,能夠針對(duì)地?zé)崃黧w在熱儲(chǔ)裂隙中的運(yùn)移進(jìn)行T-H-M-C全耦合計(jì)算[44]。GeoSys/RockFlow是一個(gè)地質(zhì)力學(xué)模型,考慮了熱接觸面積和裂隙表面的粗糙程度,可以用來描述裂隙系統(tǒng)在溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下的參數(shù)變化[45]。

5 水力壓裂效果評(píng)價(jià)

EGS系統(tǒng)在熱儲(chǔ)層壓裂過程中或者壓裂成功后,需要對(duì)熱儲(chǔ)層的壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià),以確保達(dá)到商業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。衡量EGS壓裂效果的直接參數(shù)包括熱儲(chǔ)溫度、激發(fā)體積、儲(chǔ)層換熱面積、儲(chǔ)層水流阻抗和儲(chǔ)層水流損失等,這些參數(shù)共同決定著壓裂儲(chǔ)層的性能。表2總結(jié)了國外典型EGS項(xiàng)目?jī)?chǔ)層性能的試驗(yàn)結(jié)果[15,39,46]。

表2 典型EGS項(xiàng)目?jī)?chǔ)層性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental results of reservoir features in several typical EGS projects

5.1 儲(chǔ)層溫度

儲(chǔ)層溫度直接影響EGS熱能開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性能,目前適合EGS開發(fā)的儲(chǔ)層平均溫度為190 ℃左右,不低于150 ℃[15,39]。EGS系統(tǒng)儲(chǔ)層溫度越高,產(chǎn)出流體溫度越高,流體做功能力增加,從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。研究表明,單位質(zhì)量的熱流體在壓力一定時(shí),其做功能力隨著溫度升高而增大,在25 MPa壓力條件下,400 ℃的熱流體要比225 ℃的做功能力高約5倍[47]。此外,流體溫度還決定了最優(yōu)的發(fā)電系統(tǒng),溫度在100～200 ℃范圍內(nèi)宜采用雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng),200～250 ℃范圍內(nèi)宜采用雙工質(zhì)或閃蒸發(fā)電系統(tǒng),250～400 ℃宜采用單級(jí)或三級(jí)膨脹系統(tǒng)。

5.2 儲(chǔ)層激發(fā)體積

由表2可以看出法國Soultz干熱巖項(xiàng)目熱儲(chǔ)總激發(fā)體積已經(jīng)超過6.0 km3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)濟(jì)性能的0.2 km3,現(xiàn)有技術(shù)手段已能夠建造足夠大體積的干熱巖熱儲(chǔ)層[15,48]。激發(fā)體積是影響熱能采收率(熱能被開采出來的比例)的重要因素。Sanyal和Butler[48]用三維有限元建模方法進(jìn)行了儲(chǔ)層各種性質(zhì),如激發(fā)體積、裂縫間距、滲透率、孔隙度以及原位地?zé)崮荛_采部分的井網(wǎng)等影響的敏感性研究,通過變換不同的滲透率、流速、裂隙間距、井間距、注入井—生產(chǎn)井配置模式以及激發(fā)體積,他們發(fā)現(xiàn)影響采熱能多少的唯一重要參數(shù)是裂隙體積。

5.3 儲(chǔ)層換熱面積

達(dá)到商業(yè)要求的儲(chǔ)層換熱面積一般不低于2×106m2。儲(chǔ)層的有效換熱面積主要由生產(chǎn)井與注入井的間距、配置模式和裂縫的長(zhǎng)度、寬度、間距控制。假設(shè)儲(chǔ)層溫度200 ℃,項(xiàng)目運(yùn)行30年,經(jīng)計(jì)算要產(chǎn)生50 kg/s的流體并使溫降不超過10 ℃,需要的儲(chǔ)層換熱面積約為100萬m2。到目前為止,儲(chǔ)層換熱面積的測(cè)量、表征和模擬方法還不太完善。近年來FRACTure、FRACSIM等數(shù)值模擬軟件已能基本模擬儲(chǔ)層的裂隙結(jié)構(gòu)[39],但更精確的測(cè)量?jī)?chǔ)層換熱面積的方法仍是今后EGS發(fā)展中需要重點(diǎn)研究的問題。

5.4 儲(chǔ)層水流阻抗

儲(chǔ)層水流阻抗是EGS裂隙儲(chǔ)層通過單位流量的壓力降值,反映了水流循環(huán)和能量生產(chǎn)的動(dòng)力消耗[49],是衡量EGS激發(fā)效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一,滿足商業(yè)要求的EGS儲(chǔ)層水流阻抗應(yīng)<0.1 MPa/(L·s-1)。水流阻抗主要由儲(chǔ)層的裂隙寬度、間距、連通程度和流體性質(zhì)決定[50-51],近似為裂隙間距的函數(shù),隨裂隙間距的減小而增大[52]。系統(tǒng)水流阻抗是入口阻抗、井間距阻抗和出口阻抗的總和。由于生產(chǎn)井通常維持在較低壓力,故出口阻抗最大且為一個(gè)固定值,是系統(tǒng)水流阻抗的主體[53]。提高注入壓力、注入一定量的化學(xué)刺激劑、在生產(chǎn)井附近注入支撐劑均能有效降低出口阻抗,從而降低總水流阻抗[50,51,53]。曾玉超等[54]以美國Desert Peak項(xiàng)目資料為依據(jù),利用TOUGH2軟件對(duì)其生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明較大的井距和較高的循環(huán)流量將增大水流阻抗,但效果不明顯,而在一定范圍內(nèi)提高儲(chǔ)層滲透率將顯著降低儲(chǔ)層水流阻抗。

5.5 儲(chǔ)層水流損失

儲(chǔ)層水流損失是指注入儲(chǔ)層的水流流向儲(chǔ)層外圍地層，而無法從生產(chǎn)井產(chǎn)出的現(xiàn)象。滿足商業(yè)要求的EGS儲(chǔ)層水流損失一般<10%。到目前為止的EGS項(xiàng)目,除了法國Soultz以外其他場(chǎng)地試驗(yàn)水流損失均超過了10%(表2),在日本Hijiori項(xiàng)目淺部熱儲(chǔ)的循環(huán)試驗(yàn)中,還觀測(cè)到了70%以上的水流損失。由于深部地質(zhì)構(gòu)造、地層應(yīng)力狀況復(fù)雜,造成儲(chǔ)層裂隙的分布和延伸也較為復(fù)雜,給水流損失帶來了極大的不確定性。研發(fā)水流損失監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)已成為當(dāng)前EGS開發(fā)的重大課題。

6 認(rèn)識(shí)與展望

筆者基于干熱巖人工壓裂、監(jiān)測(cè)方法和效果評(píng)價(jià)幾個(gè)方面,總結(jié)了目前國內(nèi)外增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)層的研究進(jìn)展,并取得了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 水力壓裂是EGS儲(chǔ)層改造最主要的手段,常用方式包括傳統(tǒng)支撐劑型和以清水剪切為主結(jié)合化學(xué)刺激型兩種；水力壓裂在提高儲(chǔ)層滲透性的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生短路循環(huán)和水流損失,因此避免短路循環(huán)、減少水流損失已成為當(dāng)前EGS開發(fā)重點(diǎn)研究的問題。

(2) 在干熱巖儲(chǔ)層改造過程中,利用微震監(jiān)測(cè)、示蹤技術(shù)和數(shù)值模擬等方法,監(jiān)測(cè)熱儲(chǔ)層的巖石力學(xué)特征、裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展、注入井—生產(chǎn)井的連通情況、流體—巖石換熱過程、流體—巖石化學(xué)反應(yīng)等機(jī)制,可以使人工壓裂達(dá)到最優(yōu)化,有助于EGS的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。

(3) EGS在熱儲(chǔ)層壓裂成功后,需要對(duì)儲(chǔ)層壓裂效果做出科學(xué)評(píng)價(jià),評(píng)估其商業(yè)開發(fā)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益；衡量EGS壓裂效果的直接參數(shù)包括熱儲(chǔ)溫度、激發(fā)體積、儲(chǔ)層換熱面積、儲(chǔ)層水流阻抗和儲(chǔ)層水流損失等。

歐美國家在干熱巖開發(fā)上已經(jīng)積累了40余年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),對(duì)EGS人工壓裂及儲(chǔ)層性能已有了基本認(rèn)識(shí),并形成了初步的壓裂監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但是在精確測(cè)定儲(chǔ)層的壓裂體積、換熱面積、水流阻抗、水流損失與短路循環(huán)方面還存在較多技術(shù)瓶頸。為了使建立的干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)達(dá)到商業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),以后的研究重點(diǎn)應(yīng)主要集中在以下4個(gè)方面：①克服水流損失和短路循環(huán)；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層壓裂參數(shù)；③精確測(cè)量?jī)?chǔ)層激發(fā)體積和熱交換面積；④科學(xué)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果。總體來看,盡管目前還面臨眾多工程技術(shù)問題,但EGS顯示出的巨大潛力,足以要求地質(zhì)工作者抓住契機(jī)、應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn),通過建立國家級(jí)研發(fā)平臺(tái)，實(shí)施增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)示范工程,使干熱巖資源成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)有力的能源保障。