基于因子分析法的干熱巖地熱資源熱儲評價

陳海雯, 宋榮彩, 張 超, 梁 元, 王迎春, 鄭 峰, 王彥力, 王洪輝

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.成都理工大學 管理科學學院,成都 610059;3.數(shù)學地質四川省重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

地熱資源作為目前發(fā)展勁頭強勢的清潔可再生能源[1],其儲量豐富、分布廣泛,并且相比于其他新能源(太陽能、風能、水能、潮汐能等),具有排放最環(huán)保、供能最穩(wěn)定(不受季節(jié)、氣候、晝夜變化的影響)、過程最安全等特點[2],這都使地熱能成為人類未來的重要替代能源之一。大規(guī)模開發(fā)利用地熱能,可有效應對目前全球所面臨的化石能源短缺及環(huán)境污染問題[3]。對于中國而言,地熱資源的有效開發(fā)利用可力促“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)。

地熱能分類方式多樣,按形成機制可分為沉積盆地型與隆起山地型;按熱量傳輸方式可分為傳導型、對流型[4];按溫度和賦存狀態(tài)可以分為淺層地熱型、水熱型、干熱巖型。其中,干熱巖型地熱資源具有儲層溫度高、儲量巨大、分布廣等特點,被認為是能夠有效緩解目前能源問題的一種最優(yōu)質、可再生的新型清潔能源。干熱巖最早由D.Brown[5]提出,基于Fenton Hill地熱鉆井研究工作,將干熱巖定義為埋藏于地面2～3 km以下、無流體及裂縫、溫度大于200 ℃的巖體。隨著對干熱巖的進一步研究,目前對于干熱巖的定義日漸完善,有部分學者提出對干熱巖的定義應有廣義和狹義之分,前者僅考慮了客觀性和科學性,而后者在此基礎上還考慮了經(jīng)濟性和可行性[6]。目前,中國能源局在其所頒布的《地熱能術語》中,將干熱巖定義為溫度高于 180 ℃,且不含或含有少量流體,并且在目前的技術經(jīng)濟條件下可開發(fā)利用的異常高溫巖體[7]。

自20世紀70年代,美國進行Fenton Hill干熱巖實驗開始,英國、澳大利亞、德國、日本等國家也相繼開展了干熱巖資源潛力評價及開發(fā)利用研究。據(jù)統(tǒng)計,全球先后實施的干熱巖開發(fā)項目共有47個[8]。目前,法國 Soultz、德國Laudau和Insheim、美國Desert Peak 等干熱巖項目已針對兆瓦級發(fā)電開展了相關工作[9-10],總裝機容量達到12.2 MW。其中,德國Laudau和Insheim采用雙工質ORC發(fā)電機成功發(fā)電,裝機容量達到8 MW,已完全實現(xiàn)商業(yè)化運行[11]。美國政府為促進地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展,出臺相關稅收減免和財政補貼等政策,預期在2030年實現(xiàn)干熱巖地熱資源發(fā)電的商業(yè)化運營[12]。

中國地熱資源分布廣泛,儲量豐富。其中干熱巖地熱資源占據(jù)全部地熱資源的 98%以上。從資源分布情況來看,中國干熱巖地熱資源主要分布在青藏高原,其次是華北地區(qū)、東南沿海地區(qū)以及東北地區(qū)。中國地質調查局評估了中國干熱巖資源,其資源量總計為 2.52×1025J,折合標準煤 860×1012t,是中國每年消耗總量的 26 萬倍[13]。近幾年來,渤海灣盆地馬頭營[14-15]以及青海共和盆地恰卜恰[16-17]干熱巖地熱資源的勘探研究是中國干熱巖研究的重大突破。但總體來說,中國干熱巖研究仍處在理論研究、實驗室模擬、鉆井普查階段[18],存在對干熱巖的形成機理及成因模式認識不清、干熱巖資源家底沒摸清、檢測體系不健全、關鍵技術及相關的開發(fā)設備落后等問題。在干熱巖研究中,熱儲研究是干熱巖可持續(xù)開發(fā)利用的關鍵,亟需加強。地熱資源主要取決于地溫梯度(地下深度和溫度關系)、熱儲巖石滲透率、裂隙及含水量[19]。在地熱資源中,熱儲主要指滲透性良好的孔隙、裂隙巖層以及斷裂裂隙系統(tǒng)。地熱儲層可以存在于自然界中含水層填充的孔隙、斷層和裂縫中[20],或者是在一定深度內具有充足的熱能、滲透率,但是由于斷裂封閉,致使?jié)B透率低、含水量少或無水,無法直接獲取地熱能,此時采用水力壓裂等方式提高熱儲含水量和滲透率,便于獲取豐富的地熱資源。這是實施增強地熱系統(tǒng)、建立人工熱儲的目的。

1 典型干熱巖地熱地質背景及熱儲特征

狹義干熱巖(即考慮了干熱巖地熱發(fā)電的經(jīng)濟型和可行性的情況下進行的定義)常指廣泛分布于地球熱構造活動強烈及深部熱源長期動態(tài)演變的地殼熱異常區(qū)[21]?；顒友箨戵w系及其關聯(lián)的盆山體系具有分層、分塊和分時差異流變特征,在熱活動強烈的構造區(qū)帶存在半固態(tài)和固態(tài)流變及其韌性變形,這種流體少、活性強、能量大、以水平剪切運動為特征的活動熱構造應當作為干熱巖地熱能開發(fā)的熱構造背景。干熱巖儲熱構造與強烈熱隆伸展活動區(qū)內脆性變形、脆韌性變形,活動造山帶內韌脆性變形、韌性剪切等有關[22],其中干熱巖熱儲是由向上持續(xù)吸熱的韌-脆性和脆-韌性構造及其間的各種巖石組合構成。

從板塊構造角度分析,目前全世界的干熱巖項目主要分布在歐亞、印澳板塊內地熱域,東太平洋離散-匯聚、西太平洋匯聚板緣型地熱域以及加勒比海火山活動島弧區(qū)[23]。其所處的大地構造背景主要包括克拉通盆地、前陸盆地、裂谷盆地、弧前及弧后盆地、近現(xiàn)代火山地區(qū)和褶皺帶地區(qū)。其中前陸盆地(以歐洲阿爾卑斯褶皺帶磨拉石盆地為代表)和裂谷盆地(以歐洲阿爾卑斯褶皺帶上萊茵地塹、北美新生代科迪勒拉造山帶內華達盆地為代表)是全球干熱巖開發(fā)項目最為集中的兩種盆地類型。前者主要開發(fā)中生界碳酸鹽巖儲層(阿爾卑斯褶皺帶)及三疊系砂巖儲層(西歐地臺)內的干熱巖地熱資源,后者則主要開發(fā)石炭紀火山巖及其上覆的上古生界碎屑巖(上萊茵地塹)和新生界火成巖儲層(內華達盆地)內的干熱巖地熱資源,弧前-弧后地區(qū)及火山帶干熱巖項目集中于環(huán)太平洋地區(qū)。

目前部分正在運行、停止運行以及探索階段的干熱巖項目分布情況如圖1所示[24]。

圖1 全球典型干熱巖項目分布圖Fig.1 Distribution map of global typical dry hot rock projects(修改自張超等[24])

據(jù)統(tǒng)計,自美國 1974 年于 Fenton Hill 進行第一次 EGS 測試以來,截至目前,全球共進行79個干熱巖開采項目,這些項目主要由 21 個國家進行[25],分布于歐洲、北美、亞洲、大洋洲(表1,表中僅展現(xiàn)了部分干熱巖開采項目[26-38])。

表1 國外典型干熱巖項目Table 1 Typical dry hot rock projects abroad

其中,仍在運營的項目共有13個(如法國 Soultz、美國 Geysers、美國 Newberry Volcano、意大利 Lardarello、中國羊八井等)。以中國共和盆地及美國 Milford 為代表的 EGS 項目處于鉆探階段,英國 Eden、匈牙利 Szeged即法德合作的 GEOSTRAS 處于計劃實施階段;德國 Landau 及澳大利亞 Paralana 因經(jīng)費或地震因素暫停運營;日本 Ogachi、澳大利亞 Habanero、德國 Falkenberg等11個干熱巖項目由于出現(xiàn)相關技術問題或經(jīng)費問題被迫結束;此外,日本 Hijiori、法國 LeMayet 及英國 Roesmanowe 等 7 個干熱巖項目因工區(qū)發(fā)生地震、發(fā)生施工意外而終止。本文選取典型的仍在運營、停止運營及處于鉆探階段干熱巖項目的展開論述,重點關注各干熱巖項目的熱儲條件,據(jù)此選取熱儲評價指標,并結合因子分析法,初步對國內干熱巖項目熱儲條件進行評價。

1.1 仍在運營的Geysers與Soultz干熱巖項目

Geysers項目位于美國加利福尼亞州北部,毗鄰著清湖火山區(qū)。清湖火山區(qū)是一個活躍的火山系統(tǒng),距離加利福尼亞州北部120 km。Geysers目前是世界上最大的用于生產(chǎn)的地熱田。從整體結構上看,Geysers 地熱田位于圣安德烈亞斯斷層系統(tǒng)的地層中[39](圖2)。Geysers 干熱巖示范項目主要包含兩套熱儲,熱儲大致形態(tài)為層狀。第一套儲層是深度為 1.6～2.6 km的常溫儲層,巖性為雜砂巖,溫度大約為 240 ℃;第二套儲層是深度>2.6 km的高溫儲層,巖性為熱變雜砂巖,測試溫度達到了 400 ℃(深度為3 352 m),地溫梯度為 182 ℃/km。儲層主要以構造角礫巖和變質雜砂巖組成,受到區(qū)域整體走滑斷層的影響,砂巖層發(fā)育有較多的斷層及節(jié)理裂隙,這為地熱資源的開發(fā)利用提供了良好的通道。上部的蓋層主要由頁巖、硅質巖以及蛇紋巖等混雜巖體組成,這些都是滲透性比較低的巖石,對下部熱流有著很好的封存及保護作用。

圖2 蓋瑟爾斯地熱田位置[39]Fig.2 Location of Gaithers geothermal field[39]

Soultz干熱巖場地位于法國東北部的阿薩爾斯地區(qū),靠近萊茵地塹西邊緣[40](圖3),具有較高的地溫梯度和大地熱流值,是目前世界上最為成功的示范項目。萊茵地塹形成于晚始新世,響應 NNE 方向的擠壓,通過地震調查研究萊茵地塹深部熱結構顯示,其成因可能與地幔隆升有關。該地塹目前處于活躍狀態(tài),地理位置位于法國和德國邊界處,地塹南北被萊茵地塊與侏羅山褶皺帶包圍[41]。在地塹演化歷程中,在最上部形成了很薄的沉積層,沉積層中出現(xiàn)異常高的地溫梯度。

圖3 Soultz項目地理位置[40]及上萊茵地塹地質概況[43]Fig.3 Location of Soultz project [40] and geological situation of upper Rhine graben[43]

該項目的目的層位是深度為1.4 km的基底花崗巖。在較寬的深度范圍內,花崗巖基底具有高度的裂縫性和滲透性[42]。上部為沉積蓋層,滲透性較小,對下部的熱流體起著很好的保護與封存作用。在 Soultz 地熱田內充填湖相以及海相的灰?guī)r、泥灰?guī)r和蒸發(fā)巖沉積物,在不整合界面上覆蓋著侏羅紀的灰?guī)r以及三疊紀的地層,新生代和中生代沉積地層之下為古生代基底[43](圖3),巖性為斑狀二長花崗巖和二云母花崗巖[44]。在花崗巖熱儲 1.4～5 km深度范圍內,顯示出大量的斷裂帶[45],這些斷裂帶為地熱流體的運移提供了良好的通道?；诂F(xiàn)場 BS-1、GPK-1、GPK-2等鉆井的測井資料顯示,熱液蝕變花崗巖儲層的溫度在 160～170 ℃。在 5 km深度達到的井底溫度為 200 ℃。場地的地溫梯度在沉積層高達 100 ℃/km,其下基底約為 28 ℃/km,測得的高熱流值超過 140 mW/m2。在高地溫梯度與大地熱流值背景下,以及熱儲發(fā)育有許多的天然裂隙,使得其儲層性能良好,是可長期穩(wěn)定運行的增強型地熱系統(tǒng)。

1.2 停止運營的Fenton Hill和Habanero干熱巖項目

美國Fenton Hill干熱巖是全球最早提出嘗試在地下深部建立工業(yè)規(guī)模干熱巖熱儲的EGS項目。該項目位于新墨西哥州中北部,位于太平洋板塊和北美板塊俯沖碰撞帶[46](圖4),具有高地溫梯度、高大地熱流值的特點。Fenton Hill 項目建造了兩個熱儲目的在于能夠從高溫結晶巖或變質巖中經(jīng)濟地提取熱能。第一熱儲層的深度為2 800～2 950 m,巖性為前寒武紀黑云母花崗閃長巖,最高熱儲溫度為200 ℃。第二熱儲層深度約為3.5 km,巖性為變質巖,最高熱儲溫度達240 ℃(圖4)。1974年鉆注入井GT-2,深度約為 2 932 m,溫度達 180 ℃,并且完成了水力壓裂測試;在1975年鉆生產(chǎn)井EE-1,深度為3 064 m,同樣進行了水力壓裂測試,但兩口井間并未建立良好的水力連同。因此,首先在GT-2約2.5 km深度處進行變道鉆井GT-2A,仍未實現(xiàn)連通;又在GT-2A約2 530 m深度變道鉆井GT-2B,最終與井EE-1在2 673 m深度建立水力連通[47],并在此后一段時間內,進行多次的循環(huán)取熱實驗,熱提取率為3～5 MW,由此建立了世界上第一個干熱巖地熱發(fā)電站,發(fā)電量可達60 kW。隨后于 1979-2000年鉆井EE-2及EE-3,兩井相距約400 m。在1982-1984年間通過監(jiān)測微震事件發(fā)現(xiàn)人工壓裂的裂縫并未按照預測的方向擴展,因此剛開始EE-2與EE-3井并未連通。1985年,對EE-3井約2 830 m深度處進行變道鉆井EE-3A,深度達4 018 m,最終與EE-2井取得水力連通。雖然該項目可以進行循環(huán)取熱,但是由于井壁被破壞、設備存在缺陷以及經(jīng)費不足等原因,導致原有井筒沒有得到修理、必要鉆孔沒有完成等問題,最終導致該項目于2000年完全停止。

圖4 Fenton Hill 干熱巖儲層深度與地質構造和地溫梯度示意圖及場地地熱地質圖[46]Fig.4 Schematic diagram of the Fenton Hill dryheat rock reservoir depth, geological structure, geothermal gradients and geothermal geological map of the site [46]

通過Fenton Hill干熱巖項目可以得知:

a.在設備條件良好的情況下,可實現(xiàn)在堅硬、高溫的磨蝕性巖石中進行深部鉆探。

b.當熱儲溫度達200～300 ℃時,便可進行商業(yè)發(fā)電,并且利用常規(guī)的鉆井方式就可以進行鉆探。

c.針對低滲透的結晶巖體可采用水力壓裂產(chǎn)生連通裂隙,對于足夠大的巖體,可產(chǎn)生長時間開放的裂隙網(wǎng)絡,為熱能提取提供通道。此外,通過地球物理及地球化學等方式可以繪制裂隙網(wǎng)絡的分布圖。

d.通過在地下深部建立鉆孔之間的水力連通,流體可以完成商業(yè)性溫度循環(huán)取熱,但減少井筒損壞才能夠保證該循環(huán)的長時間進行。比如,若能夠保證裂隙熱儲體積不繼續(xù)增長或增長緩慢的情況下進行循環(huán)取熱試驗,在一定程度上可以減少水損。

澳大利亞 Habanero 干熱巖項目開始于 2000 年,其選址位于塔曼斯褶皺帶庫珀盆地內。庫珀盆地是澳大利亞中部大型克拉通盆地的早期裂陷,為二疊紀至三疊紀盆地,被侏羅紀-白堊紀伊羅曼加盆地不整合覆蓋。其主要構造單元受寒武紀-奧陶紀古構造控制,以地塹和北東-南西向的GMI隆起為主[41](圖 5)。Habanero項目的熱儲層是庫珀盆地基底300～320 Ma B.P.的中-粗粒高溫花崗巖層(Innamincka花崗巖),該花崗巖層地溫梯度約為31 ℃/km,并且在冰川和熱液侵蝕作用下儲層發(fā)育有高壓鹽水的天然裂隙[48]?；◢弾r上部為庫珀和伊羅曼加盆地的連續(xù)沉積序列和華拉賓海槽沉積物[49],該沉積覆蓋層的厚度約3 640 m,其地溫梯度接近 60 ℃/km[50],具有較好的隔熱效果。Habanreo場地共鉆有4口干熱巖鉆井(Habanero-1、Habanero-2、Habanero-3及Habanero-4井),且均鉆至花崗巖層中。據(jù)測井資料,最大鉆井深度為 4.3 km,井底溫度為 244 ℃,在該項目熱儲層中存在上沖斷層,水平應力方位角約為 82°[51]。

圖5 Habanero EGS項目位置[51] 及干熱巖場地及其周圍構造格架圖[41]Fig.5 Location of Habanero EGS Project [51] and tectonic framework of Cooper Basin[41]

Habanero項目的工程目標在于驗證高溫花崗巖體中建立 EGS 系統(tǒng)的可行性,最終建立示范項目,并且能夠實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電[52]。該項目通過水力壓裂產(chǎn)生了大量的裂縫,但通過微震檢測,這些裂縫網(wǎng)絡基本沒有相互連通[50](圖 6),因此無法實現(xiàn)井間流體的顯著流動。此外,由于水平斷裂發(fā)育,地處擠壓構造環(huán)境,一定程度上造成4口干熱巖鉆井的滲透率與熱恢復率(<2%)極低。目前,由于經(jīng)費、技術等問題,該EGS項目已被迫中止。

圖6 庫珀盆地Habanero 裂縫分布示意圖[50]Fig.6 Distribution of Habanero fracture in Cooper Basin[50]

從Habanero干熱巖項目開發(fā)情況中可知:

a.巨大的地熱資源可能存在于分布廣泛且性質較為均勻的花崗巖體中。

b.花崗巖體中可能存在許多近似水平的天然裂隙帶,但許多天然裂縫呈閉合狀態(tài)。

c.開放的、可滲透且預先存在的裂隙及斷層比較容易激發(fā)。

d.地下深部若存在超壓水,有利于重新打開閉合裂縫,以此增加熱儲滲透率,但與此同時也會增加一定的鉆井難度和成本。

e.當技術條件成熟,在地下深部花崗巖體中建立長期連通裂隙網(wǎng)絡是具有一定可行性的。

f.在開發(fā)及利用過程中需要降低成本,才能夠保證項目的長期運營。

1.3 處于鉆探階段的Milford和青海共和盆地干熱巖項目

從整體區(qū)域上看,Milford 場地位于美國西部環(huán)太平洋地熱帶內,地處北美科迪勒拉山系中央軸帶的盆嶺省盆山交接區(qū)?？频侠绽焐綆潜泵栏蔁釒r項目最為集中的單元,由多個增生地體、花崗巖和變質巖組成,并且在新生代發(fā)育成為了火山島弧且延伸至拉丁美洲[53],區(qū)域應力場顯示該地區(qū)最大水平主應力方向為北北東向。自 1970 年以來,先后在Milford 干熱巖場地完鉆了 100 多個鉆孔,現(xiàn)已收集到超過 100 多個地溫梯度井和深井數(shù)據(jù)[8],場地地質條件復雜,以伸展性斷裂、第四紀巖漿活動和高熱流為主要特征。

鉆井巖性資料顯示,Milford干熱巖場地的基底巖石主要由前寒武紀片麻巖和第三紀花崗巖組成[54](圖7),斷層上部為火山沉積物和第四紀湖湘沖積物。熱儲位于第三紀花崗巖體中,熱儲分布面積很大且呈帶狀,由于崩解而局部被剪切,花崗巖體中節(jié)理裂隙較為發(fā)育,預先存在的節(jié)理裂隙為干熱巖場地的開發(fā)發(fā)揮了重要的作用。其熱儲埋深大約在 3 km以下,根據(jù)場地最深的Acord-1井的測溫數(shù)據(jù)可知(圖7),其井底3 854 m深度的溫度達到230 ℃,花崗巖熱儲中地溫梯度達到 41 ℃/km,場地大地熱流值高達(120±5) mW/m2。Acord-1井、9-1井82-33井的測井結果表明其深部的結晶巖透水性極差[55]。

自2016年由猶他大學能源與地質研究院優(yōu)選出Milford EGS場地開始,到目前一直在對該場地進行研究。通過前文可知,Milford EGS場地具有良好的干熱巖地熱資源;但結合澳大利亞庫珀盆地Habanero EGS項目以及美國Fenton EGS項目的失敗經(jīng)驗可知,當已探明EGS場地的干熱巖資源情況后,對干熱巖進行水力壓裂造儲以及井間裂縫網(wǎng)絡的連通就成為 EGS 項目能否進入下一個階段的關鍵,也決定著該項目能否長久運行[54]。

圖7 Milford 干熱巖場地不同地熱系統(tǒng)井深-溫度曲線及歐珀丘斷層地熱地質特征[54]Fig.7 Well depth-temperature curves of different geothermal systems and geothermal geological characteristics of the Opal Mound Fault at the Milford dry hot rock site [54]

共和盆地位于青海省東部,盆地總面積為21 186 km2,海拔高度約為2 850 m。通過地熱地質調查、地球物理、地球化學方法結合區(qū)域地質構造分析,發(fā)現(xiàn)該盆地北東部的共和縣恰卜恰地區(qū)存在干熱巖資源,其上部蓋層主要巖性為泥巖、泥質粉砂巖,巖石粒度細、密度較大、滲透性差、熱導率低,為深部干熱巖聚熱提供有利條件。為進一步研究該地區(qū)干熱巖賦存條件,在恰卜恰巖體內鉆4口深度在2 927～3 705 m的干熱巖勘探井(圖8)。鉆孔放射性數(shù)據(jù)顯示,恰卜恰花崗巖體的U、Th、K放射性元素含量稍高于中國大陸大地背景值,而前人分析共和盆地底部侵入巖在一定深度內存在熔融體,由于放射性生熱對熱源的貢獻較小,因此殼內熔融體很有可能就是干熱巖的主要熱源體。鉆井穩(wěn)態(tài)溫度測量數(shù)據(jù)顯示,恰卜恰地區(qū)為顯著高溫異常區(qū),該地區(qū)花崗巖平均地溫梯度為 41.3 ℃/km。其中GR 1井在2 550 m深度達到150 ℃,在3 705 m深度達230 ℃[16](圖8),是目前中國鉆獲干熱巖的最高溫度。共和盆地共發(fā)育4套熱儲,前人將其分為四層兩類,淺部3層為碎屑巖水熱型地熱資源,深層中-晚三疊世花崗巖即為干熱巖熱儲。深層花崗巖具有較高的熱導率和熱擴散系數(shù),不僅是溝通深部熱源的導熱層,也是干熱巖熱儲的母巖。淺層新生代碎屑巖熱儲上、下含有的黏土巖則是較好的隔水層及隔熱層。恰卜恰干熱巖總體勘探成果大致和 Milford EGS 場地屬于“同步”階段,兩個場地對比來看,Milford EGS場地的鉆井深度較深,沉積蓋層厚度大,但恰卜恰EGS場地的隔熱保溫效果優(yōu)于Milford,兩者鉆遇溫度和地溫梯度上相差較小。此外,Milford EGS場地壓裂技術相較于恰卜恰場地,其壓裂技術準備較為充足,但水力壓裂造儲和井間裂縫網(wǎng)絡的連通問題是兩個場地共同亟需解決的問題。

圖8 恰卜恰地區(qū)GR1干熱巖勘探孔深度-溫度曲線及干熱巖勘探井分布圖[16]Fig.8 Well depth-temperature profile of GR1 dry-thermal exploration holes and distribution of dry-thermal exploration wells in the Chabchai area[16]

2 熱儲評價方法及參數(shù)分析

2.1 指標參數(shù)選取

地熱資源一般由4個要素構成:熱源、熱儲、蓋層及熱通道。結合前文對目前全球典型干熱巖開發(fā)項目進行分析后,發(fā)現(xiàn)干熱巖熱儲是EGS現(xiàn)場試驗項目中必不可少的研究內容,熱儲條件(包括熱儲埋深、熱儲溫度、熱儲物性、熱儲巖性)的好壞、大地熱流值、地溫梯度很大程度上能夠影響EGS現(xiàn)場試驗項目進展和運行情況,但目前針對干熱巖型地熱資源熱儲條件好壞的研究甚少。本文借鑒油氣行業(yè)儲層評價的思路,結合全球典型干熱巖項目熱儲特點,選取儲層深度、儲層溫度、地溫梯度、大地熱流值、熱儲物性及熱儲巖性作為干熱巖地熱資源熱儲評價指標,基于因子分析法,初步對中國干熱巖項目熱儲條件進行評價。

2.1.1 地熱特征

地熱特征包括大地熱流及地溫梯度。大地熱流值是能夠直接反映地熱背景、評價一個地區(qū)地熱資源好壞的基礎參數(shù)。大地熱流值高可能是由于該地區(qū)構造活動強烈或構造-熱事件年齡小;而構造穩(wěn)定的古老塊體,往往其大地熱流值較低。根據(jù)目前全國大地熱流數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),中國大地熱流值分布很不均勻,但總體上呈現(xiàn)“東高西低,西南高西北低”的特點。其中藏南地區(qū)、滇西地區(qū)、南海及東海局部地區(qū)熱流值大于75 mW/m2,個別地區(qū)高達 304 mW/m2,屬于高熱流區(qū);其次為四川盆地、南方沿海盆地、華北南部、松遼盆地北部、蘇北、渤海灣盆地等地區(qū),熱流平均值在 65～75 mW/m2;新疆的塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地北部以及松遼盆地北部等地區(qū),熱流平均值為 30～50 mW/m2,為冷盆。依據(jù)中國大陸現(xiàn)有的熱流特征,認為大地熱流值>70 mW/m2時較好。一般情況下,當某個地區(qū)地溫梯度>30 ℃/km時,即將該地區(qū)視為地熱異常區(qū),中國不同地區(qū)的地溫梯度取值區(qū)別較大。大地熱流與地溫梯度和地表溫度可以推算出地下一定深度范圍的熱儲層溫度條件[56]。

2.1.2 熱儲巖性

開發(fā)深層地熱能的關鍵是通過人工壓裂進行造儲,人工造儲效果的好壞直接決定干熱巖項目是否能夠持續(xù)、安全且經(jīng)濟地運行。目前主要的人工壓裂技術包括水力壓裂及化學溶蝕技術,這兩種技術都是通過對熱儲層巖石進行改造進而開發(fā)深層地熱能,因此,熱儲層巖石是否容易被改造是熱儲好壞的重要評價因素。由上文可知,目前全球干熱巖熱儲巖性多為花崗巖,除此之外,還包括碳酸鹽巖、砂巖及變質巖。總的來說,干熱巖熱儲巖性可分為3類:結晶巖、砂巖、碳酸鹽巖。

結晶巖類巖體通常而言硬度較大、結構致密且滲透率極低。其中例如花崗巖,其富含的高放射性元素(U、Th、K)衰變產(chǎn)生的熱量被認為是干熱巖地熱資源的重要熱來源[24],但與此同時,巖性與熱能聚散也存在一定的相關性。唐顯春等[57]針對花崗巖對共和盆地地熱資源形成過程中的作用進行調查,結果發(fā)現(xiàn),共和盆地花崗巖、三疊系變質砂巖形成的圍巖及上覆的漸新統(tǒng)黏土巖或粉砂巖的熱導率分別約為 2.79 W/(m·K)、1.69 W/(m·K)及 0.38 W/(m·K)?？梢钥闯龌◢弾r的熱導率值最高,這表明在接收相同條件下的熱源,花崗巖往往具有更好的導熱或聚熱能力,利于干熱巖地熱資源的形成。需要注意的是,高熱導率往往代表著在暴露情況下,其散熱能力也會相對較高,對于良好的熱儲,其上覆往往會存在熱導率較低的蓋層,降低散熱量,保證花崗巖聚熱。

砂巖類熱儲層大部分是由于該干熱巖項目并未鉆遇至花崗巖層或部分鉆遇至斑狀花崗巖層,將其上部具有埋深合適、溫度高、熱導率大、裂隙少等特性的沉積巖地層作為儲層。

碳酸鹽巖熱儲通常呈層狀分布、具有明顯層理結構及可溶性,在高熱流值背景下,與高濃度CO2、H2S等深部存在的酸性氣體反應,促使碳酸鹽巖發(fā)生深部溶蝕,增加巖石孔隙度和滲透性。歐洲阿爾卑斯褶皺帶磨拉石盆地以碳酸鹽巖為主要熱儲層,德國Unterhaching、奧地利Altheim及瑞士St.Gallen干熱巖項目主要是中生界碳酸鹽巖儲層[23]。隨著EGS技術的不斷拓展,利用人工造儲提取深部熱量時,往往選取更易于改造的熱儲,此時,高熱流值背景下的中-厚層碳酸鹽巖熱儲通常作為優(yōu)質的干熱巖熱儲[58]。這是由于碳酸鹽巖在水力壓裂或酸化壓裂過程中都易發(fā)生溶蝕;并且對于中-厚層碳酸鹽巖熱儲,其構造裂隙通常密集、短小且分布均勻,在人工壓裂下可形成較為均勻的裂隙型熱儲,利于深層地熱能的開采。

2.1.3 熱儲物性

熱儲物性的好壞取決于熱儲是否發(fā)育孔隙或天然裂隙。對于EGS人工造儲而言,熱儲中是否存在孔隙及天然裂縫,人工造儲效果會有明顯差別。具體來說,天然孔隙通道少,在使用水力壓裂或酸化溶蝕時改造效果差,形成的裂隙網(wǎng)絡不均勻且滲透性低,可能會導致儲層改造成本高;相反,具有裂隙或天然孔隙則更能夠經(jīng)濟有效地進行人工造儲。

2.2 儲層評價

2.2.1 參數(shù)評價標準及取值

對地熱特征、熱儲巖性及熱儲物性條件進行綜合考慮,本文初步建立了干熱巖熱儲選區(qū)評價參數(shù)體系及各項參數(shù)取值標準(表2)。并在分析干熱巖熱儲條件的基礎上,參考前期不同研究單位所選擇的評價及鉆探對象,本文初步篩選出黑龍江五大連池、雷瓊斷陷盆地、河北滄縣、山東利津、蘇北盆地、松遼盆地、福建漳州、青海共和盆地、云南騰沖、冀東平原馬頭營、藏南羊八井等11個目標區(qū)作為干熱巖儲層評價區(qū),參照儲層評價參數(shù)取值標準得出評價結果(表3)。

表2 干熱巖儲層評價參數(shù)取值標準Table 2 Evaluation parameters of dry hot rock reservoir

表3 干熱巖儲層評價結果Table 3 Evaluation results of dry hot rock reservoirs in China

2.2.2 參數(shù)模型檢驗及計算

因子分析是基于降維的思想,在盡可能不損失或者少損失原始數(shù)據(jù)信息的情況下,將錯綜復雜的眾多變量聚合成少數(shù)幾個獨立的公共因子,這幾個公共因子可以反映原來眾多變量的主要信息,在減少變量個數(shù)的同時,又反映了變量之間的內在聯(lián)系[59]。其基本目的就是用少數(shù)幾個因子去描述許多指標或因素之間的聯(lián)系,即將關系比較密切的幾個變量歸在同一類中,每一類變量就成為一個因子,以較少的幾個因子反映原資料的大部分信息(圖 9)。

圖9 因子分析示意圖Fig.9 Schematic diagram of factor analysis

在采用因子分析法之前需進行KMO及Bartlett球形度檢驗,KMO 值大于 0.5 則說明可以進行因子分析;如果此值小于 0.5,說明不適合進行因子分析。Bartlett 檢驗對應p值小于 0.05 也說明適合進行因子分析。但需要注意的是,如果僅兩個分析項,則KMO無論如何均為 0.5[60]。將干熱巖儲層評價結果代入KMO及Bartlett檢驗,KMO為0.535且Bartlett檢驗對應p值為0.039,說明可以采用因子分析法(表4)。

表4 KMO和Bartlett 的檢驗Table 4 KMO and Bartlett’s tests

df代表自由度,p值代表顯著性。

基于因子分析法進行降維,計算特征根。表5為總方差解釋表格,用來觀察因子對于變量解釋的貢獻率。按照特征值大于1的標準,選取3個因子。如表5所示,前3個因子的貢獻率分別達到44.012%、23.716%及17.502%,累計共85.230%,說明前3個因子能夠較為全面地包含原始參數(shù)的主要信息,因此,我們選取這3個因子作為模型來代表原始的7 個指標參數(shù)是可行的。

此外,利用碎石圖(scree plot)來進一步驗證。從碎石圖上可以顯示各因子的重要程度,其中橫軸代表因子編號,特征值大小為縱坐標值,按照特征值從大到小進行排列,從圖中可以直接觀察到哪些為重要的因子,即折線的斜率大所對應的因子作用明顯,反之,則因子的影響較弱。從圖10中可以看出,在此次研究中僅需考慮前 3 個因子即可。

表5 方差解釋率Table 5 Variance interpretation rate

圖10 碎石圖Fig.10 Gravel diagram

采用最大方差法對計算結果進行旋轉,使得前 3 個因子具有更大的載荷,從而能夠更好地解釋主因子。具體旋轉后的因子載荷矩陣見表6。

表6 旋轉后因子載荷系數(shù)Table 6 Factor load coefficient after rotation

由表6可以看出,儲層溫度、大地熱流值、熱儲物性、熱儲巖性在第一因子下載荷系數(shù)很高;儲層深度、儲層物性在第二因子下載荷系數(shù)很高;地溫梯度及大地熱流值則在第三因子下載荷系數(shù)較高。計算各個因子得分(表7)。

表7 成分得分系數(shù)矩陣Table 7 Component score coefficient matrix

干熱巖儲層評價結果矩陣中的第i行為第i個干熱巖區(qū)域在每個評價指標下的評價結果,乘以每個因子對應的單位特征向量即為該區(qū)域在各個因素下的得分。從上文可知,已選出3個因子最能夠代表原始變量,是使原始數(shù)據(jù)信息損失最小的變量,因此,通過因子分析法將11個干熱巖區(qū)域在6個指標下的評價結果轉化為一個得分,作為綜合值進行排序。其中各因子的表達式為

Fi=a1X1+a2X2+…+aiXi

(1)

式中:Xi為原始表格中的每個區(qū)域中的每個指標的評價結果數(shù)據(jù);ai為各指標的成分得分。

最終通過計算Z值對每個干熱巖區(qū)域進行綜合評價,具體方程如下

Z=ai1F1+ai2F2+ai3F3

(2)

式中:ai1,ai2,ai3分別表示每個因子的解釋度占總信息解釋度的比重。綜合上文的數(shù)據(jù)可知:ai1=0.5164,ai2=0.2726,ai3=0.2054。11 個區(qū)塊的綜合評價得分及排名如表8所示。

表8 熱儲綜合評價得分及排名Table 8 Comprehensive evaluation score and ranking of thermal storage

由表8可知,11 個干熱巖熱儲評價區(qū)中的熱儲優(yōu)劣依次為:藏南羊八井、青海共和盆地、冀東平原馬頭營、云南騰沖、雷瓊斷陷盆地、蘇北盆地、山東利津、河北滄縣、福建漳州、松遼盆地、黑龍江五大連池。

2.3 藏南羊八井地區(qū)

羊八井地區(qū)處于東特提斯匯聚板緣型地熱域,在印度-歐亞大陸強烈碰撞的宏觀背景之下,其活動構造十分強烈,是中國也是全球性地熱最為富集的區(qū)域之一[61]。羊八井地熱田高溫地熱鉆井條件十分優(yōu)越,對深部熱情況的認識較為全面,根據(jù)目前羊八井已有的鉆探測溫記錄:ZK 4001井深度為1 495.09 m,井底溫度為251 ℃;ZK 4002井于1 850 m深度測得329.8 ℃高溫,可推測羊八井地熱田區(qū)域及其周邊深部存在高溫干巖體,且深度在1 500～2 000 m,溫度即可達到200 ℃以上。此外,前期鉆探資料顯示,該區(qū)熱儲裂縫發(fā)育,后期儲層改造難度及技術風險小[62],加之羊八井高溫地熱發(fā)電已開展了近半個世紀,具備一定經(jīng)濟市場條件。因此,羊八井地熱田是開展干熱巖試驗非常有利的地區(qū)。

2.4 青海共和盆地

共和盆地地處青海省東中部,位于青藏高原東北部,經(jīng)歷了早古生代—晚古生代的裂谷拗陷與中生代以來的陸內構造演化,是昆侖斷裂、阿爾金斷裂、南祁連斷裂共同左旋走滑斷裂作用下所控制的新生代陸內盆地[63]。該盆地巖漿侵入活動強烈,熱流值較高,平均地溫梯度可達 68 ℃/km,其內部及周邊地區(qū)地熱資源異常豐富。目前共和盆地恰卜恰地區(qū)已開展 4 口干熱巖井的鉆探工作,鉆探資料表明該地區(qū)存在顯著的高溫異常,其中,GR 1井在3 705 m深度鉆遇236 ℃的高溫干熱巖,這是中國首次鉆遇的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體[64]。共和花崗巖體頂界埋深2.1～2.3 km,頂界溫度一般為150 ℃;巖體在3 km深度時溫度普遍達到180 ℃以上,滿足中國地熱行業(yè)認定的干熱巖溫度標準。目前共和盆地的干熱巖研究范圍為230 km2,根據(jù)航磁、重力、鉆探資料相互印證,推測該地區(qū)干熱巖前景區(qū)分布面積約為 1.4×104km2。張盛生等[65]采用體積法對3.0～6.0 km深度范圍的干熱巖資源潛力進行估算,結果表明,該深度范圍內保守的靜態(tài)干熱巖資源總量為 8974.74×1018J,換算標準煤 3066.199×108t。由此可見,青海共和盆地所賦存的干熱巖地熱資源具有廣闊的開發(fā)利用前景。

3 干熱巖熱儲層研究啟示

優(yōu)質的干熱巖熱儲,其主要特征在于埋藏相對較淺、溫度高、儲層改造較為容易,能夠在現(xiàn)有技術水平下經(jīng)濟、持續(xù)地進行開發(fā)。人工造儲是提取干熱巖地熱能的關鍵技術,造儲技術的好壞能夠很大程度決定儲層中換熱流體循壞及換熱效率,進而影響項目的開發(fā)經(jīng)濟成本、可持續(xù)性及環(huán)境安全性。目前人工造儲技術主要有水力壓裂技術及化學溶蝕技術。前者是采用高壓水注入封閉井孔壓裂地層,致使井壁附近巖體產(chǎn)生裂隙;后者則是利用酸性溶液使巖石中可溶性礦物發(fā)生溶解,產(chǎn)生孔隙空間。由上可見,熱儲巖石是影響熱儲改造效果好壞的關鍵因素,其中如何提高儲層巖體的滲透性是干熱巖造儲的難點之一?？偨Y目前全球干熱巖項目,以花崗巖作為儲層的EGS項目占多數(shù)。本文以法國Soultz(目前仍在運行)、德國Habanero(停止運營)及中國青海共和盆地干熱巖項目(處于研究階段)作為典型案例。對比前兩個干熱巖示范項目發(fā)現(xiàn),雖然二者都是花崗巖熱儲且發(fā)育有一定的天然裂縫,Soultz項目熱儲層中發(fā)育有大量天然裂縫且裂縫之間的連通性較好;Habanero項目在人工水力壓裂下產(chǎn)生的大量裂縫網(wǎng)絡并未實現(xiàn)連通,使得井間流體并未實現(xiàn)良好流動,干熱巖井之間的滲透率與熱回復率極低,最終由于經(jīng)費、技術等問題該項目被迫中止。包括美國Geysers的變質砂巖熱儲及德國Landau的碎屑巖熱儲都說明,當熱儲巖石為花崗巖、變質巖、砂巖這類天然孔隙發(fā)育少,采用人工壓裂方式效果差,會導致人工造儲或儲層改造成本增大且存在不穩(wěn)定性,最終很有可能導致失敗。因此將人工造儲技術實施在更易于改造的巖體中是更為可靠的選擇。其中高熱背景條件下的中-厚層碳酸鹽巖便是干熱巖項目的優(yōu)質儲層,一方面碳酸鹽巖一般具有較為明顯的層理結構,在進行人工造儲時可以提供優(yōu)勢通道,且高熱背景地區(qū)其深部通常存在高濃度酸性氣體(CO2、H2S 等)可與碳酸鹽巖發(fā)生溶蝕,增大巖石孔隙度和滲透率;另一方面,相較于花崗巖和砂巖,碳酸鹽巖更易于形成均勻分布的裂隙網(wǎng)絡,使得井間流體能夠更好地流通。

綜上所述,熱儲層作為干熱巖勘探開發(fā)的對象,在評價選區(qū)時熱儲層特性至關重要。適宜開發(fā)的熱儲層特性除了具有適合的埋藏深度(3～6 km)、較高的溫度(>150 ℃)、良好的蓋層之外,熱儲巖石是否易于進行人工造儲等因素都對干熱巖的勘探開發(fā)具有明顯的影響。隨著EGS技術的不斷發(fā)展,選取易于改造的巖體可有效降低人工造儲提取深部地熱資源的成本,并且也能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性。

4 結 論

本文在總結全球干熱巖項目的基礎上,按運行現(xiàn)狀分為3類:仍在運營、停止運營和處于鉆探階段,并從中各選取 2 個典型項目,對其地熱地質背景及熱儲特征進行分析梳理,進而得出 6 個干熱巖熱儲評價參數(shù),結合干熱巖儲層評價指標及數(shù)學分析方法,對中國 11 個干熱巖潛力區(qū)的熱儲情況進行研究,得出以下結論:

a.基于優(yōu)選出的干熱巖項目的地熱地質背景及熱儲特征進行分析梳理,選取熱儲埋深、熱儲溫度、熱儲物性、熱儲巖性、大地熱流值、地溫梯度這 6 個參數(shù),作為干熱巖熱儲的評價指標,結合因子分析法建立干熱巖地熱資源儲層評價方法。該方法可用于中國干熱巖地熱資源儲層評價。

b.選取中國11個干熱巖潛力區(qū),采用本次研究建立的干熱巖地熱資源儲層評價方法,對 11 個干熱巖潛力區(qū)熱儲進行綜合評分排名。結果表明,西藏羊八井、青海共和盆地、冀東平原馬頭營熱儲條件相對較好。

c.采用因子分析法能夠對干熱巖地熱資源熱儲條件進行定量評價,并且因子分析法的降維優(yōu)勢可在保留原始數(shù)據(jù)大部分信息的前提下,有效降低對熱儲評價影響因素的分析難度,從而減少評價過程中的工作量。該評判方法比傳統(tǒng)的評估手段具有更高的客觀性,為以后的干熱巖地熱資源熱儲條件的評價工作提供參考。但目前干熱巖地熱資源研究中關于熱儲的研究較少,相關數(shù)據(jù)仍較匱乏,在未來干熱巖地熱資源研究過程中,需要重視干熱巖熱儲研究在經(jīng)濟穩(wěn)定、安全有效開發(fā)干熱巖地熱資源工作中的重要性。