中國干熱巖資源賦存類型與開發(fā)利用

余 毅，馬藝媛

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610051）

中國地?zé)豳Y源種類較多，按照地質(zhì)構(gòu)造背景、熱流傳輸方式及溫度等因素，可以分為淺層地溫能資源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖地?zé)豳Y源三種類型。從目前已探明的資源儲(chǔ)量來看，干熱巖地?zé)豳Y源潛力巨大，熱能連續(xù)性好，并且安全環(huán)保。干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）地?zé)豳Y源是指埋深在3～10 km，不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體[1]，需要通過人工壓裂形成增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）才能獲取其蘊(yùn)藏的熱能。

美國科學(xué)家莫頓和史密斯在1970年首次提出干熱巖的概念，1974年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的Fenton Hill鉆成世界上第一口干熱巖井，開啟了世界對(duì)干熱巖資源的研究[2-3]。在接下來的40多年里，歐美日韓等多國對(duì)干熱巖的賦存和成因、勘查和開發(fā)技術(shù)等進(jìn)行研究，陸續(xù)建成多個(gè)干熱巖開發(fā)利用示范基地[4-9]。而中國目前還處于干熱巖靶區(qū)圈定和深井科學(xué)鉆探階段，集中探討了干熱巖資源評(píng)價(jià)、鉆井、監(jiān)測、數(shù)值模擬等方面的進(jìn)展，并取得一定的成果[10-15]，但尚未正式開展干熱巖發(fā)電試驗(yàn)和商業(yè)化開發(fā)。

1 干熱巖特征分類及資源儲(chǔ)量

1.1 中國干熱巖的類型及分布

根據(jù)地殼結(jié)構(gòu)和成因機(jī)制，中國干熱巖地?zé)豳Y源可分為：高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型4種類型[10，13，16-17]，4種類型干熱巖的特征簡述見表1，成因模式如圖1所示。

表1 中國干熱巖的類型及特征[18-22]

圖1 干熱巖成因模式圖（據(jù)甘浩男等，2015）

1.2 中國干熱巖資源儲(chǔ)量

據(jù)統(tǒng)計(jì)[14，19，23-24]，全球陸區(qū) 3～10 km 深度地殼中的干熱巖資源相當(dāng)于4950×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤，中國大陸地區(qū)3～10km深處的干熱巖資源量總計(jì)約為2.09×107EJ，折合856×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，占世界資源量的六分之一左右。若按照2%的可開采資源量計(jì)，中國干熱巖資源量相當(dāng)于17×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤。

從干熱巖地?zé)豳Y源分布來看，青藏高原總資源量占中國大陸地區(qū)的20.5%，溫度最高，資源潛力大；其次為華北地區(qū)和東南沿海中生代巖漿活動(dòng)區(qū)，分別占8.6%和8.2%；東北地區(qū)占5.2%；云南西部地區(qū)干熱巖資源溫度較高，但分布面積有限（圖2）[25]。

圖2 中國大陸地區(qū)主要干熱巖分布區(qū)資源量統(tǒng)計(jì)

2 干熱巖資源賦存指標(biāo)

干熱巖資源通常位于地表以下3～10 km處，在進(jìn)行鉆探工作前，難以直接勘查與評(píng)價(jià)。這就需要通過地?zé)岬刭|(zhì)背景和相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)，間接反映地表熱異常，這些指標(biāo)參數(shù)中包括區(qū)域酸性巖體分布、大地?zé)崃髦岛途永锩媛裆畹鹊責(zé)岙惓Ｖ岛突顒?dòng)構(gòu)造分布等。

2.1 酸性巖體分布

干熱巖的巖性主要為各種變質(zhì)巖和結(jié)晶巖，通常包括花崗巖、花崗閃長巖和黑云母片麻巖等。地殼中的酸性花崗巖體相對(duì)富含U、Th和K等放射性生熱元素，其衰變釋放的熱量增高了地殼熱流，是形成干熱巖資源的最佳巖體。其次，花崗巖體的規(guī)模需要相對(duì)較大，有利于干熱巖資源的開發(fā)利用，降低勘探技術(shù)難度。

2.2 地?zé)岙惓Ｖ?/h3>

2.2.1 大地?zé)崃髦?/p>

大地?zé)崃髦岛喎Q熱流，是指單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由地球內(nèi)部傳輸至地表，而后散發(fā)到太空中去的熱量，可以定量反映一個(gè)地區(qū)的地?zé)岜尘癧15，23，26]。中國大陸大地?zé)崃髦当憩F(xiàn)為東部和西南部高，中部和西北部相對(duì)偏低[27-32]。在中國西藏、滇西、東南沿海及臺(tái)灣地區(qū)熱流值較高，表明這些地方蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源潛力很大，可作為研究重點(diǎn)區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查開發(fā)利用。

2.2.2 居里面埋深

地球巖石圈上部的磁性殼層，當(dāng)含有鈦鐵礦、磁鐵礦等礦物的巖石埋藏深度向下增加時(shí)，其溫度也會(huì)隨之提高；當(dāng)達(dá)到磁性礦物的消磁溫度界面埋藏深度時(shí)，它們的鐵磁性特征相繼消失，該界面就稱之為居里面[33]。居里面展示了大陸地殼磁性層以及熱流的分布狀態(tài)，一般穩(wěn)定地塊的居里面埋深30～45 km；若居里面埋藏深度小，表明這些地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)性大、巖漿活動(dòng)劇烈或較劇烈[34]。對(duì)比中國大陸大地?zé)崃髦岛途永锩媛裆?，顯示較弱的負(fù)相關(guān)性，隨著居里面埋深減小，大地?zé)崃骱偷販靥荻仍谝欢ǔ潭壬显龃?。中國青藏高原、東南沿海和東北松遼盆地等地區(qū)均有大面積顯示居里面上隆的特點(diǎn)，結(jié)合大地?zé)崃髦蹬c地質(zhì)構(gòu)造背景來看，這些地區(qū)值得深入探討研究。

2.3 活動(dòng)構(gòu)造分布

根據(jù)中國大地?zé)崃?構(gòu)造分區(qū)可以明顯看出[30，32]，高溫地?zé)豳Y源與板塊邊界密切相關(guān)，地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)度隨著靠近板塊邊界而增強(qiáng)。中國西藏、滇西、川西地區(qū)及臺(tái)灣地區(qū)，分別處于印度板塊與歐亞板塊、歐亞板塊與菲律賓板塊的邊界，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，具有產(chǎn)生強(qiáng)烈高溫水熱活動(dòng)必要的構(gòu)造條件和熱背景，也是中國地?zé)豳Y源最為豐富的地區(qū)，可作為干熱巖勘探研究區(qū)之一。

3 干熱巖的應(yīng)用

3.1 干熱巖發(fā)電

利用干熱巖發(fā)電之前，需要在天然的干熱巖體內(nèi)部通過壓裂等技術(shù)形成網(wǎng)裂縫，形成能夠加熱一定容量冷水的人工熱儲(chǔ)水庫[35-36]。冷水通過注水井輸入熱儲(chǔ)水庫，經(jīng)過高溫巖體加熱后，以高溫水、汽的形式通過生產(chǎn)井回收發(fā)電[37]。發(fā)電后將冷卻水重新排至注水井中，循環(huán)利用（圖3），減少廢水廢氣的排放，可以大幅降低溫室效應(yīng)和酸雨對(duì)環(huán)境污染的影響。目前，美國、法國、德國、日本等科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了一套成熟的技術(shù)體系，中國還未進(jìn)行正式的干熱巖發(fā)電運(yùn)行工程，正處于檢測試驗(yàn)階段。

圖3 干熱巖發(fā)電示意圖（李川等，2008）

3.2 干熱巖輔助采油

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，用來加熱油層，從而提高稠油流動(dòng)能力[38-39]。原油用途非常廣泛，比地?zé)豳Y源附加值高，這是干熱巖輔助采油的首要優(yōu)勢；其次，原油比地?zé)豳Y源便于運(yùn)輸，經(jīng)濟(jì)效益好；而且干熱巖輔助采油適用廣泛，安全節(jié)能。因此，干熱巖輔助采油技術(shù)在理論上可以大幅度提高稠油開采利用，降低稠油開采成本，但還需要更深入地研究利用，完善技術(shù)工藝。

4 干熱巖開發(fā)利用技術(shù)要求

4.1 干熱巖鉆井技術(shù)難點(diǎn)

（1）鉆井環(huán)境溫度高，鉆井井下工具抗高溫能力不足。干熱巖儲(chǔ)層溫度在350℃以上才具有工業(yè)開發(fā)價(jià)值[40]，但不論是鉆頭、鉆井液，還是各種井下工具都難以適應(yīng)這樣的高溫。而且由于鉆井環(huán)境的溫度較高，鉆井液及處理劑容易降解失效，難以發(fā)揮正常功能[41]。所以，干熱巖鉆井過程中高溫問題給鉆頭、鉆井液等帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（2）干熱巖鉆井深度大，巖石硬度大，破巖效率較低。干熱巖井深一般為3～6 km，深鉆井需要鉆穿多套地層，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。由于干熱巖主要巖性為各種變質(zhì)巖和結(jié)晶巖，硬度較大，可鉆性極差，常規(guī)鉆井技術(shù)在高溫高壓下鉆井速度慢，周期長，給施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

（3）井壁圍巖穩(wěn)定性差。在鉆井過程中，圍巖會(huì)發(fā)生熱破裂現(xiàn)象，形成大量裂紋，造成掉塊、卡鉆等事故，而且因?yàn)閮?chǔ)層中裂縫和斷層的影響，鉆井過程中容易發(fā)生井壁坍塌。美國Fenton Hill[42]和韓國Pohang[43]干熱巖地?zé)醿?chǔ)層都曾遇到井壁坍塌的問題。發(fā)生井下鉆井事故的主要原因是對(duì)儲(chǔ)層缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，缺少高溫井的測井?dāng)?shù)據(jù)和分析，導(dǎo)致鉆井方法和預(yù)防措施不適用于干熱巖儲(chǔ)層。

（4）水力壓裂的裂縫擴(kuò)展預(yù)測困難。在干熱巖儲(chǔ)層中，高溫等復(fù)雜環(huán)境造成測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致對(duì)預(yù)測水力裂縫的形態(tài)和延伸方位較困難。除了對(duì)儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)缺乏認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致水力裂縫若沿天然裂縫擴(kuò)展而無法預(yù)測其形態(tài)以外，另一個(gè)重要原因是地應(yīng)力數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。干熱巖儲(chǔ)層與淺部地殼的地應(yīng)力通常相差較大，地應(yīng)力數(shù)據(jù)的差異也容易導(dǎo)致水力裂縫擴(kuò)展預(yù)測的錯(cuò)誤[44-45]。

4.2 干熱巖開發(fā)技術(shù)要求

4.2.1 鉆井技術(shù)

針對(duì)干熱巖儲(chǔ)層致密、溫度高的特征，鉆井材料必須強(qiáng)度大、耐久和抗腐蝕性能好，而且鉆頭、破巖、導(dǎo)向、測井等工具應(yīng)適合于干熱巖儲(chǔ)層的高溫環(huán)境。目前較為前沿的鉆井技術(shù)有彈丸鉆、火焰裂鉆、激光鉆孔和化學(xué)鉆孔等，這些技術(shù)發(fā)展的成功可以大幅降低鉆井成本，更可以拓展深鉆能力[13，46]。黃雪琴等[47-48]進(jìn)行了液氮在干熱巖鉆探中的可行性探討，液氮具有極低溫度、低黏度、高導(dǎo)熱系數(shù)等特征，通過高壓噴射至巖石表面，可在巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和射流沖擊作用，在干熱巖表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，誘導(dǎo)微裂縫的萌生和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)高效破巖。

4.2.2 裂縫激發(fā)技術(shù)

干熱巖的開發(fā)利用是通過形成EGS來獲取高溫巖體中的熱能，即在注入井與采出井之間的儲(chǔ)熱巖層中通過裂縫激發(fā)技術(shù)產(chǎn)生一定規(guī)模的裂縫，使其連通起來，形成一個(gè)“地下熱交換器”。目前熱儲(chǔ)層的激發(fā)方式主要是水力壓裂法、化學(xué)激發(fā)法和熱激發(fā)法[25，49]。裂縫激發(fā)技術(shù)首先需要研究在高溫高壓環(huán)境中干熱巖體的裂縫形成機(jī)理，考慮溫度-流體-應(yīng)力-化學(xué)多場耦合效應(yīng)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，而且在儲(chǔ)層裂縫激發(fā)過程中還要監(jiān)測并反演裂縫的形態(tài)，評(píng)價(jià)壓裂效果[50-53]。

4.2.3 對(duì)流循環(huán)試驗(yàn)

在干熱巖儲(chǔ)層巖體中激發(fā)裂縫完成后，首先需開展對(duì)流循環(huán)試驗(yàn)，用來評(píng)價(jià)EGS的換熱產(chǎn)熱能力和效率。對(duì)流循環(huán)試驗(yàn)過程系在注入井中灌入低溫水，測試采出井中出水能否穩(wěn)定循環(huán)產(chǎn)出高溫流體和達(dá)到高效利用的目的；而且在試驗(yàn)中還需要通過數(shù)值模擬建立模型，研究儲(chǔ)層溫度場、滲流場、力學(xué)場和化學(xué)場的時(shí)空演化規(guī)律及耦合作用，了解EGS儲(chǔ)層狀態(tài)，保證干熱巖EGS的可持續(xù)開發(fā)利用[54-56]。

5 認(rèn)識(shí)及結(jié)語

本文梳理了中國干熱巖資源的賦存類型與資源分布，總結(jié)了影響干熱巖資源賦存的地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)指標(biāo)，結(jié)合開發(fā)研究現(xiàn)狀，介紹了干熱巖資源在鉆井勘查過程中所遇到的技術(shù)難點(diǎn)，探討了干熱巖資源勘查開發(fā)技術(shù)的要求與進(jìn)展，主要有以下認(rèn)識(shí)。

（1）干熱巖主要巖性多為花崗巖，巖體致密，基本不含流體，需要激發(fā)裂縫形成EGS進(jìn)行開發(fā)。

（2）中國大陸地區(qū)干熱巖資源的賦存類型主要分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型。影響干熱巖資源賦存的指標(biāo)包括溫度、酸性巖體分布、大地?zé)崃髦?、居里面埋深和活?dòng)構(gòu)造分布等。

（3）干熱巖鉆井技術(shù)難點(diǎn)主要有鉆井環(huán)境溫度高，井下工具與鉆井液受到很大限制；鉆井深度大，巖石硬度大，影響破巖效率；圍巖穩(wěn)定性差，易造成井下事故；水力壓裂的裂縫擴(kuò)展預(yù)測困難等。

（4）干熱巖勘查首先需要明確地?zé)岬刭|(zhì)環(huán)境，圈定良好的靶區(qū)。其次，要提高鉆井液和井下工具的抗高溫性能，實(shí)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下的有效工作。鉆探期間還需要通過數(shù)值模擬及多場耦合作用，加強(qiáng)監(jiān)測與人工裂縫反演技術(shù)，保證鉆井勘探的安全性與準(zhǔn)確性。

目前中國干熱巖勘探技術(shù)仍處于探索實(shí)踐階段，應(yīng)該結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際情況，優(yōu)選地質(zhì)靶區(qū)，加快干熱巖鉆探開發(fā)示范工程建設(shè)，制定全國干熱巖資源勘查和開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，盡快形成適合中國干熱巖開發(fā)需求的配套技術(shù)方案。