深部地?zé)崮芟到y(tǒng)主要挑戰(zhàn)與耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式

侯正猛，吳旭寧,,*，羅佳順,，張烈輝，李早元，曹 成，吳 林,，陳前均

(1.克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué) 地下能源系統(tǒng)研究所，德國 克勞斯塔爾–采勒費(fèi)爾德 38678；2.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

地?zé)崮苁侨∽缘厍蚝诵牡奶烊粺崮?，是一種綠色低碳、清潔環(huán)保的可再生能源，地?zé)崮馨l(fā)電站的碳排放不及傳統(tǒng)燃煤發(fā)電廠的5%[1]。由于地?zé)崮懿灰蕾囉谔鞖鈼l件，具有穩(wěn)定、持續(xù)的特點(diǎn)，比風(fēng)能和太陽能更可靠，地?zé)崮馨l(fā)電站年平均運(yùn)行時(shí)間可達(dá)8 000 h。地?zé)崮芘c能源存儲(chǔ)技術(shù)整合也是解決棄光、棄風(fēng)問題的關(guān)鍵措施[2]?？偟膩碚f，地?zé)崮馨l(fā)電具有穩(wěn)定性好、衍生產(chǎn)業(yè)廣、環(huán)境友好、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，在“雙碳”目標(biāo)背景下，具有廣闊的發(fā)展前景。

根據(jù)賦存深度和溫度可將地?zé)崮芊譃?類：淺層地?zé)崮艽嬖谟诘乇硪韵?00 m范圍內(nèi)，一般溫度低于25℃；中深層地?zé)崮苈翊嫔疃?00～3 000 m，根據(jù)溫度又分為低溫地?zé)豳Y源(25～90℃)、中溫地?zé)豳Y源(90～150℃)和高溫地?zé)豳Y源(高于150℃)；干熱巖指不含或僅含少量流體，溫度高于180℃的高溫巖體[3]，經(jīng)常用來代表深層地?zé)崮?。淺層地?zé)豳Y源和中低溫水熱型地?zé)豳Y源以供熱或通過地源熱泵換熱等技術(shù)直接利用，而高溫水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖主要用于發(fā)電。

全球地?zé)豳Y源總量豐富，但在空間分布上不平衡，高溫地?zé)豳Y源主要分布在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界，形成了4個(gè)大的地?zé)釒4]。中國西南部和東部分別處于環(huán)太平洋地?zé)釒Ш偷刂泻?喜馬拉雅地?zé)釒5]，地?zé)豳Y源非常豐富。2016年中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《中國地?zé)豳Y源調(diào)查報(bào)告》中指出，全國水熱型地?zé)豳Y源量相當(dāng)于1.25萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，水熱中低溫地?zé)豳Y源量相當(dāng)于1.23萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，水熱高溫地?zé)豳Y源量相當(dāng)于141億t標(biāo)準(zhǔn)煤；3～10 km深處干熱巖地?zé)豳Y源初步估算折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬億t。

中國在地?zé)崮苤苯永妙I(lǐng)域發(fā)展迅速，自2000年起，地?zé)嶂苯永靡?guī)模達(dá)到世界第一[6-7]，并一直穩(wěn)居世界首位[8-9]。但在近20 a可再生能源發(fā)展大潮中，中國在地?zé)崮馨l(fā)電方面進(jìn)步異常緩慢。“十一五”國家重點(diǎn)支持的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模增加了670倍，“十二五”國家重點(diǎn)支持的太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模增加了100倍[10]，然而，“十三五”國家重點(diǎn)支持的地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)規(guī)模只增加了18.08 MW，僅達(dá)到規(guī)劃指標(biāo)的3.6%。反觀世界地?zé)岚l(fā)電態(tài)勢依舊如火如荼，中國必須加快發(fā)展步伐。地層溫度隨深度增加而升高，溫度越高，發(fā)電效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好，以干熱巖為代表的我國深部地?zé)崮馨l(fā)電潛力巨大。

相較于淺層地?zé)崮芎椭猩顚拥責(zé)崮?，深部地?zé)崮荛_采難度較大，高溫高壓環(huán)境下巖石滲透性降低，需要建立工程型地?zé)嵯到y(tǒng)(Engineered Geothermal System，EGS)，通過水力壓裂對儲(chǔ)層進(jìn)行改造，以獲得具有較高滲透性的人工地?zé)醿?chǔ)層。要想保障地?zé)崮馨l(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，既要保證足夠的溫度，又要提供極大的流量。因此，不僅干熱巖需要壓裂，高溫水熱型地?zé)崮芤矔?huì)用到EGS技術(shù)提高流量。為了對EGS進(jìn)行統(tǒng)一的分析，將深部地?zé)崮芏x為埋藏3 km以深，溫度高于150℃，通過人工鉆井和水力壓裂開采利用的地?zé)崃黧w以及干熱巖體中的地?zé)豳Y源。國際上已經(jīng)進(jìn)行了多個(gè)深部地?zé)崮蹺GS先導(dǎo)性試驗(yàn)[11]，但受熱儲(chǔ)改造效果、地震風(fēng)險(xiǎn)控制、高效取熱等因素限制，僅有極少數(shù)EGS項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。

基于此，筆者分析目前水力壓裂熱儲(chǔ)改造的特點(diǎn)，系統(tǒng)剖析深部可再生工程型地?zé)崮芟到y(tǒng)面臨的發(fā)電產(chǎn)能低、注采連通差、誘發(fā)破壞性地震以及無補(bǔ)貼難盈利4大難題與挑戰(zhàn)，從創(chuàng)新壓裂和循環(huán)利用層面提出耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式，以期為我國深部地?zé)崮軣犭娐?lián)產(chǎn)和儲(chǔ)能一體化技術(shù)的實(shí)踐推廣提供基礎(chǔ)支持。

1 EGS水力壓裂特點(diǎn)

1.1 壓裂誤區(qū)：過度使用支撐劑

目前常用的深部地?zé)崮軆?chǔ)層改造技術(shù)主要借鑒油氣增產(chǎn)領(lǐng)域的水力壓裂工藝，即使用高壓向地?zé)醿?chǔ)層注入壓裂液，刺激地層原生裂隙二次拓展或激發(fā)形成新的裂隙。壓裂液中支撐劑占比很大，一般是具有一定粒徑和規(guī)格的砂?；蛱沾深w粒。當(dāng)液壓解除后，已經(jīng)注入的支撐劑仍能讓裂縫維持張開狀態(tài)。

支撐劑已在多個(gè)EGS項(xiàng)目中使用[12]，大部分都取得了一些效果[13-16]。在英國Rosemanowes干熱巖項(xiàng)目中，為了保持裂縫張開，使用高黏度凝膠將支撐劑注入地層中。支撐劑的效果比計(jì)劃的要好，顯著降低了阻抗和水損失。然而，支撐劑卻加劇了熱短路[16]。在美國愛達(dá)荷州Raft River項(xiàng)目，用支撐劑壓裂后，在返排期間，該井返排了大量支撐劑，等待10 d后，支撐劑流量才減少到能夠繼續(xù)進(jìn)行井下作業(yè)[17]。在法國中部Le Mayet項(xiàng)目，增產(chǎn)試驗(yàn)期間注入了砂子和凝膠，但注入300 kg砂子后，砂子堵塞了井筒，隨后需要清理[18]。

可見支撐劑并不是萬能的，其存在明顯的不足[19]。(1)支撐劑破碎和嵌入降低了裂縫寬度和地層滲透率，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力不能最大化。壓裂高應(yīng)力以及地層復(fù)雜應(yīng)力作用下，支撐劑破碎并產(chǎn)生大量碎屑阻塞裂縫。(2)停泵時(shí)封閉裂隙內(nèi)支撐劑承受壓力顯著增加，大部分壓力會(huì)集中于某些顆粒上，導(dǎo)致支撐劑顆粒嵌入地層，滲透率下降。(3)支撐劑在垂直裂縫中容易沉降，阻塞孔隙。為了獲得更大的壓裂范圍，使用低黏度壓裂液才能泵入更遠(yuǎn)的裂隙。壓裂液流動(dòng)性和穩(wěn)定性平衡不佳將引起支撐劑沉降問題。(4)井投產(chǎn)后往往會(huì)存在支撐劑的返排問題。由于油氣或地?zé)崴畷?huì)從儲(chǔ)層沿裂隙向井筒流動(dòng)，導(dǎo)致支撐劑有從地層裂隙中流出的趨勢，而近井筒區(qū)域滲透率最高，流速最快，可能會(huì)有裂隙坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 與油氣井增產(chǎn)壓裂的區(qū)別

深部地?zé)崮艿乃毫丫哂凶⑺看蟆Ⅲw積改造大等特點(diǎn)，與油氣行業(yè)的增產(chǎn)壓裂有顯著不同。主要表現(xiàn)可以歸納如下：

(1) 地?zé)峋毫蚜芽p破壞機(jī)理主要是剪切破壞。水力壓裂期間巖石破壞很大程度上取決于各向異性地應(yīng)力狀態(tài)、初始儲(chǔ)層壓力和巖石的拉伸/剪切強(qiáng)度。如圖1所示，其中σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，在抗拉強(qiáng)度相對較小且地應(yīng)力各向異性相對較低的情況下，如正斷層系統(tǒng)主導(dǎo)區(qū)域中，拉伸應(yīng)力狀態(tài)σv>σH>σh，拉伸破壞為主導(dǎo)機(jī)制。相反，如果地應(yīng)力高度各向異性，如滑動(dòng)斷層系統(tǒng)主導(dǎo)區(qū)域中的應(yīng)力狀態(tài)σH>σv>σh或者逆斷層系統(tǒng)主導(dǎo)區(qū)域中的應(yīng)力狀態(tài)σH>σh>σv，則剪切斷裂將成為主導(dǎo)[20]。其中 σv為垂直應(yīng)力，σH為水平最大主應(yīng)力，σh為水平最小主應(yīng)力。

如圖2a所示，油氣井水力壓裂的裂縫破壞形式以拉伸破壞為主[21-22]。當(dāng)流體壓力pf大于水平最小主應(yīng)力(pf>σh)時(shí)發(fā)生拉伸破壞，裂縫起裂為張開型，且沿井筒射孔層段形成雙翼對稱裂縫，以垂直于最小主應(yīng)力方向的主裂縫實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)層滲流能力的改善。而深部地?zé)崮艿膲毫阎辛芽p的起裂與擴(kuò)展不僅僅是張性破壞，當(dāng)流體壓力小于水平最小主應(yīng)力(pf<σh)時(shí)，更多的是產(chǎn)生剪切、滑移、錯(cuò)斷等力學(xué)行為，同時(shí)錯(cuò)位和起伏的剪切裂縫表面形成了自我支撐，如圖2b所示。

圖2 油氣井和地?zé)峋畨毫哑茐男问紽ig.2 Fracturing-induced damage modes in oil and gas wells and geothermal wells

(2) 循環(huán)回灌的低溫水與深部地?zé)崮軆?chǔ)層的溫差效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致巖石微破裂。循環(huán)回灌的低溫水會(huì)不斷冷卻深部地?zé)崮軆?chǔ)層，高達(dá)100℃以上溫差導(dǎo)致拉應(yīng)力，溫差效應(yīng)作用下巖石發(fā)生微破裂[23]。微裂隙向垂直于主裂縫的方向持續(xù)擴(kuò)展，低溫水連續(xù)不斷地滲入，使微裂隙的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，形成新的冷裂縫。隨著地?zé)崮艿某掷m(xù)開采，儲(chǔ)層溫度下降，巖體最小主應(yīng)力降低，裂縫寬度將進(jìn)一步增加，滲流阻力繼續(xù)下降。

(3) 整個(gè)地?zé)衢_發(fā)過程中，注水井壓裂裂縫中的注入壓力始終高于圍巖地層水壓，能保持剪切裂縫的張開狀態(tài)。油氣井水力壓裂主要目的是增加儲(chǔ)層裂縫和孔隙率，提高油氣向井筒流動(dòng)的滲透率，增加油氣產(chǎn)能。而地?zé)峋毫咽菫榱双@得更高的儲(chǔ)層導(dǎo)流面積，提高注入水向地層流動(dòng)的滲透率，增加換熱能力。壓裂后，正常運(yùn)行過程中地?zé)峋擦黧w的流動(dòng)方向與油氣井是相反的。

綜合考慮支撐劑的不足和深部地?zé)崮軌毫训奶攸c(diǎn)，深部地?zé)崮軌毫巡恍枰褂弥蝿?，可采用清水或滑溜水，依靠體積壓裂產(chǎn)生的剪切裂縫、溫差效應(yīng)引起的冷裂隙以及持續(xù)注水的高壓力來維持裂縫導(dǎo)流能力。

2 存在的挑戰(zhàn)

2.1 深部地?zé)崮馨l(fā)電產(chǎn)能低

利用EGS技術(shù)開發(fā)深部地?zé)崮芤殉蔀閲H能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美、英、日、法、德等相繼實(shí)施了多個(gè)EGS地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目。但由于熱儲(chǔ)層水力壓裂容易沿最大主應(yīng)力方向形成優(yōu)勢裂隙通道，僅產(chǎn)生少量伴生的微小裂隙，獲得的壓裂和導(dǎo)流面積太小(<1 km2)，造成投入大、產(chǎn)出效率低(發(fā)電<10 MW，供熱<100 MW)，目前世界上還沒有盈利的商業(yè)化EGS項(xiàng)目。

從20世紀(jì)70年代全球首個(gè)干熱巖EGS示范工程(美國Fenton Hill)至今，世界范圍內(nèi)已陸續(xù)開展了60余項(xiàng)EGS開發(fā)示范項(xiàng)目，其中深部地?zé)崮馨l(fā)電產(chǎn)能并不高。以歐洲典型的商業(yè)化EGS項(xiàng)目(表1)為例，法國Soultz是目前公認(rèn)的商業(yè)化運(yùn)行最為成功的EGS工程，也只有1.5 MW的連續(xù)水熱發(fā)電廠投入運(yùn)營。德國EGS試點(diǎn)地?zé)岚l(fā)電廠Landau和Insheim位于德國萊茵河上游地塹地區(qū)，其儲(chǔ)層巖性與法國Soultz的幾乎相同。Landau項(xiàng)目發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3.8 MW，Insheim項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了4.8 MW發(fā)電裝機(jī)容量。

表1 歐洲典型深部EGS發(fā)電廠項(xiàng)目[24]Table 1 Typical EGS power plants in Europe[24]

盡管中國的干熱巖儲(chǔ)量相當(dāng)可觀，但目前僅在青海共和盆地實(shí)現(xiàn)了首例試驗(yàn)性發(fā)電并網(wǎng)。“十三五”期間，青海共和盆地GR1干熱巖勘探井終孔深度3 705 m，獲得了井底236℃的峰值溫度[25]，是中國目前鉆獲溫度最高的干熱巖。2019年，設(shè)計(jì)并施工了首口干熱巖生產(chǎn)測試井GH-01，2020年壓裂改造后，根據(jù)裂縫分布特征，設(shè)計(jì)并施工了2口定向井(GH-02和GH-03)，構(gòu)建形成“1眼直井+2眼定向井”的干熱巖井組[26]。2021年經(jīng)過對儲(chǔ)層的多段壓裂，成功實(shí)現(xiàn)了井間連通，隨后建造了兩臺(tái)340、1 200 kW有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組，首次發(fā)電試驗(yàn)總共運(yùn)行了189 h[27]。Lei Zhihong等[28]研究指出采用一注兩采的井組，可在青海共和盆地恰卜恰地?zé)崽锝ㄔO(shè)一座4.02～4.74 MW的EGS示范電站。

2.2 注水井與生產(chǎn)井連通差或熱短路

EGS的主要目標(biāo)是在注入井和生產(chǎn)井之間建立低阻抗連接，從而實(shí)現(xiàn)高流速、最小的熱下降和最小的水損失。圖3為采用直井生產(chǎn)的常規(guī)EGS注水井與生產(chǎn)井連通情況[29]。注入井壓裂后，形成一定范圍的裂縫帶。要想將生產(chǎn)井準(zhǔn)確鉆至裂縫改造區(qū)，需要借助壓裂過程監(jiān)測技術(shù)，及時(shí)掌握熱儲(chǔ)層水力縫網(wǎng)發(fā)育狀態(tài)。目前，EGS構(gòu)建過程中普遍采用微地震監(jiān)測技術(shù)，即在深井、淺井和地面布設(shè)地震監(jiān)測臺(tái)站，記錄壓裂過程中裂隙發(fā)育所伴生的地震波信號(hào)，據(jù)此反演確定震源位置和屬性[30]。

圖3 常規(guī)EGS注水井與生產(chǎn)井連通情況[29]Fig.3 Connectivity between injection and production wells of a conventional EGS[29]

然而，EGS水力壓裂過程中通常會(huì)發(fā)生成千上萬次微地震事件，且地震能量微弱?，F(xiàn)場監(jiān)測獲取的地震波信號(hào)噪聲多，數(shù)據(jù)處理和解釋難度非常大，裂縫帶定位精度不足(誤差數(shù)十米)。再加上直井水力壓裂裂縫擴(kuò)展區(qū)域窄，生產(chǎn)井難以導(dǎo)向至裂縫帶。常用的處理方法是在生產(chǎn)井中也進(jìn)行水力壓裂，期望將兩次壓裂的裂縫連通。然而這種做法不確定性因素多，效果不明顯，如果兩口井距離太近，壓裂沒有分散到多個(gè)區(qū)域，又可能會(huì)形成優(yōu)先路徑，從而導(dǎo)致更快的熱突破。

德國Horstberg項(xiàng)目對一口斜井底部進(jìn)行了壓裂，形成的垂直裂縫預(yù)計(jì)將連接到井底部上方的多孔區(qū)域。雖然壓裂確實(shí)造成了裂縫延伸，但巖體破裂不充分、厚度小，注入井和生產(chǎn)井之間仍然沒有建立足夠的連通[16]。這種連通性問題在美國Fenton Hill[31]、英國Rosemanowes 和日本Hijiori EGS 項(xiàng)目初始階段尤為明顯，這些項(xiàng)目在注入井壓裂和分析壓裂區(qū)域位置之前建造了生產(chǎn)井。這些項(xiàng)目需要進(jìn)行額外昂貴的鉆探，才能更準(zhǔn)確地進(jìn)入實(shí)際壓裂造縫的熱儲(chǔ)層區(qū)域。

當(dāng)注入井和生產(chǎn)井之間形成優(yōu)先的高滲透率路徑時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱短路。注入的流體主要流經(jīng)該路徑，冷卻該路徑周圍的巖石，短路減少了傳熱的停留時(shí)間和面積，并最終導(dǎo)致采出水溫度低。Fenton Hill項(xiàng)目第一階段在EE-1井和GT-2井之間進(jìn)行了為期75 d的循環(huán)測試。生產(chǎn)溫度從測試開始時(shí)的175℃降至測試結(jié)束時(shí)的85℃，可能的原因是儲(chǔ)層由單個(gè)300英尺(100 m)垂直裂縫組成，因此沒有獲得足夠的換熱面積。

2.3 大規(guī)模注水壓裂誘發(fā)破壞性地震

一般來說，石油與天然氣的壓裂增產(chǎn)通常只需要向儲(chǔ)層注入幾百立方米的流體即可，而地?zé)犴?xiàng)目則需要注入數(shù)萬立方米的水才能獲得足夠的裂縫區(qū)[32]。EGS單井壓裂一次性注水規(guī)模超大(>20 000 m3)，例如美國俄勒岡州Newberry項(xiàng)目的55-29井在壓裂時(shí)注入液量為26 225 m3；Fenton Hill試驗(yàn)場的EE-2井注入液量21 300 m3，EE-3井注入液量則達(dá)到了75 903 m3。與油氣儲(chǔ)層壓裂相比，地?zé)嵩霎a(chǎn)作業(yè)誘發(fā)地震活動(dòng)的可能性更大，全球已有多個(gè)EGS項(xiàng)目報(bào)道受人工地震影響[33]。

EGS水力壓裂引起的典型地震事件有2006年12月瑞士Basel里氏3.4級(jí)地震、2017年11月韓國浦項(xiàng)矩震級(jí)5.4級(jí)地震等。以瑞士Basel地震事件為例，該項(xiàng)目旨在建立一個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)試點(diǎn)工廠，通過工程型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)生產(chǎn)電力和熱能用于區(qū)域供暖。2006年，BS1井鉆探總深度為5 000 m，井底溫度約190℃。計(jì)劃對BS1裸眼井段(海平面以下4 379～4 750 m)進(jìn)行持續(xù)21 d的水力壓裂。然而在開始注水后的6 d內(nèi)，微地震活動(dòng)發(fā)生頻率非常高，共檢測到地震事件13 500次，震級(jí)高達(dá)里氏2.6級(jí)，決定停止注水。然而關(guān)井約5 h后，在準(zhǔn)備放空至靜水條件期間發(fā)生了里氏3.4級(jí)地震，在接下來的56 d內(nèi)，記錄到3次大于里氏3級(jí)的余震[34]。2006年12月2日至12日期間，注入水量為11 570 m3，最大流量逐漸增加到3 500 L/min，井口壓力達(dá)到29.6 MPa。在壓裂開始時(shí)，地震集中在BS1井4 379 m以下的裸眼井頂部周圍，隨著壓裂的進(jìn)行，地震位置從裸眼井向外發(fā)展[35]。圖4為BS1井注水速率與地震事件的統(tǒng)計(jì)，裂縫監(jiān)測結(jié)果表明，壓裂結(jié)束關(guān)井后，仍產(chǎn)生大量微地震事件，說明因溫差應(yīng)力的長期作用，微裂隙仍在繼續(xù)擴(kuò)展?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大震級(jí)出現(xiàn)在降低注水速率的后期。

圖4 瑞士BS1井注水速率與地震事件統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of the injection rate and induced earthquake events of well BS1 in Switzerland

壓裂結(jié)束后微裂隙會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，因此，EGS項(xiàng)目在水力壓裂和循環(huán)運(yùn)行期間都有可能發(fā)生地震。德國Landau項(xiàng)目運(yùn)行期間[36]，2009年發(fā)生了里氏2.7級(jí)和2.4級(jí)兩次地震，當(dāng)?shù)鼐用裼姓鸶校瑢?dǎo)致項(xiàng)目暫停。2010年德國Insheim項(xiàng)目儲(chǔ)層改造期間發(fā)生了里氏2.2級(jí)和2.4級(jí)兩起誘發(fā)地震[36]。法國Soultz項(xiàng)目在2002年和2003年儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)期間分別發(fā)生了矩震級(jí)2.4級(jí)和2.9級(jí)地震[37]。

在人口稀少地區(qū)，誘發(fā)人工地震活動(dòng)不會(huì)對EGS項(xiàng)目產(chǎn)生影響，因?yàn)楦浇鼪]有建筑物受到損壞，也沒有居民感到地震振動(dòng)。單個(gè)EGS項(xiàng)目水力壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果顯示的地震數(shù)量可達(dá)上萬次，多數(shù)為無法被人感知的微地震。事實(shí)上，微震事件有利于儲(chǔ)層開發(fā)，并且可以幫助確定儲(chǔ)層增產(chǎn)發(fā)生的位置，從而有助于確定生產(chǎn)井的鉆井目標(biāo)。然而，在當(dāng)?shù)鼐用翊_實(shí)感受到人工地震的區(qū)域，地震活動(dòng)常常給EGS項(xiàng)目帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

2.4 深部地?zé)崮軣o補(bǔ)貼難盈利

深部地?zé)崮軆?chǔ)層巖石強(qiáng)度高、鉆井深、孔徑大、高溫高壓高應(yīng)力，對鉆井設(shè)備要求高、鉆井費(fèi)用高。鉆井和增產(chǎn)成本可達(dá)到EGS項(xiàng)目的50%以上[38]。J.Tester等[16]將鉆井成本列為美國Fenton Hill項(xiàng)目的3個(gè)主要問題之一，成為EGS商業(yè)化的障礙。在澳大利亞Habanero項(xiàng)目中，H03井因故障和惡劣的鉆井環(huán)境而失敗，隨后重新鉆進(jìn)的H04井順利完成，但單井成本高達(dá)3 440萬美元(2.46億人民幣)。

通常EGS按照30 a以上的使用壽命設(shè)計(jì)，工程建設(shè)初期，裝機(jī)規(guī)模按照當(dāng)前可采水量和溫度計(jì)算。雖然深部地?zé)崮芸稍偕?，但?chǔ)層能量恢復(fù)速度低于采出速度。初始裝機(jī)規(guī)模的利用率隨運(yùn)行時(shí)間逐漸降低，常規(guī)EGS項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間越長，每年的收益將越低，即便收回了建設(shè)成本，后期產(chǎn)能也難以平衡運(yùn)行成本，在無補(bǔ)貼的情況下無法盈利。

除了初期建設(shè)一次性投資大外，深部地?zé)崮茼?xiàng)目還存在補(bǔ)貼相對低、投資見效慢的問題。中國的風(fēng)電和光伏已有國家優(yōu)惠政策補(bǔ)貼，但地?zé)岚l(fā)電還沒有相關(guān)的補(bǔ)貼政策；而世界上其他地?zé)崮馨l(fā)電突飛猛進(jìn)的國家，早已建立相關(guān)法規(guī)提供電價(jià)補(bǔ)貼。土耳其2005年頒布的《可再生能源電力生產(chǎn)法》和2007年頒布的《地?zé)岷偷V泉水法》，實(shí)施了0.105 美元/(kW·h)的電價(jià)補(bǔ)貼政策，對于干熱巖發(fā)電項(xiàng)目，電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)更是高達(dá)0.30 美元/(kW·h)。德國政府不斷完善地?zé)豳Y源開發(fā)利用的相關(guān)法規(guī)，2004年的《可再生能源法》就規(guī)定了基本補(bǔ)貼和特殊補(bǔ)貼，地?zé)岚l(fā)電可獲得基本電價(jià)補(bǔ)貼。

由于缺少補(bǔ)貼，導(dǎo)致中國地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目難以快速收回成本，投資周期顯著增長。中國地?zé)岚l(fā)電的障礙并非不可克服，可參考土耳其和德國，制訂和實(shí)施相關(guān)地?zé)岱ㄒ?guī)，對地?zé)岚l(fā)電實(shí)施上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼。

3 耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式

傳統(tǒng)EGS井以縱向鉆遇單一裂縫區(qū)為主，水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍窄。針對上述問題和挑戰(zhàn)，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，侯正猛教授團(tuán)隊(duì)從創(chuàng)新壓裂和循環(huán)利用層面提出了耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式(Regenerative Engineered Geothermal System，REGS)。采用水平井非等距、非等面積、非等注水量分段壓裂，通過優(yōu)化壓裂工藝使其不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性傷害地震。結(jié)合可再生能源大規(guī)模地下存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)可再生增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電?供熱?儲(chǔ)能一體化。

3.1 REGS創(chuàng)新壓裂方案

如圖5所示，REGS創(chuàng)新壓裂方案采用水平井技術(shù)+分段壓裂技術(shù)，沿地?zé)醿?chǔ)層兩側(cè)最小水平主應(yīng)力方向，建立具有對稱水平段的分支井作為注水井。采用清水壓裂方式建立6～12段壓裂縫，再建立兩口生產(chǎn)井分別穿過兩側(cè)裂縫區(qū)。REGS創(chuàng)新壓裂方案可以實(shí)現(xiàn)橫向串聯(lián)多個(gè)裂縫區(qū)的目標(biāo)，增加系統(tǒng)連通性。

圖5 REGS水平井非等距、非等面積、非等注水量創(chuàng)新壓裂方案Fig.5 Innovative fracturing scheme of a REGS using horizontal wells and unequal spacings,areas,and volumes of injected water

注水時(shí)，流體優(yōu)先進(jìn)入距離注水井更近的裂縫區(qū)，然后流向生產(chǎn)端。而生產(chǎn)井采水時(shí)，對多段壓裂縫的流體動(dòng)用并非是等量的，距離生產(chǎn)井更近的區(qū)域流體優(yōu)先采出。若采用常規(guī)等距離造縫，生產(chǎn)井遠(yuǎn)端區(qū)域的地?zé)崮茈y以充分采出，造成能源浪費(fèi)。因此，REGS創(chuàng)新壓裂方案按照非等距、非等面積、非等注水量設(shè)計(jì)壓裂段。

非等距壓裂指多段壓裂縫按照與注水井水平距離先密后疏的規(guī)律分布。生產(chǎn)井遠(yuǎn)端鉆遇的壓裂縫越多，滲透率越高，以此增加生產(chǎn)井遠(yuǎn)端的流體動(dòng)用能力，使地?zé)醿?chǔ)層的熱水盡可能均勻采出。

非等面積壓裂指水平段壓裂縫垂直方向非對稱分布。鉆井時(shí)，將注水井水平段建造在靠近儲(chǔ)層底部位置，壓裂時(shí)流體接觸底部封閉層后阻力增加，壓裂縫將主要垂直向上擴(kuò)展，直至接觸頂部蓋層。增加生產(chǎn)井和注水井的垂直距離，減少熱短路風(fēng)險(xiǎn)，可以提高地?zé)醿?chǔ)層能量利用率。

非等注水量壓裂指每段壓裂縫的流體注入量可以不同。在流體阻力更大的壓裂段注入更多水，盡可能獲得足夠的裂縫擴(kuò)展。多段壓裂縫可有效形成裂縫區(qū)，擴(kuò)大地?zé)醿?chǔ)層壓裂改造體積，使生產(chǎn)井更容易連通儲(chǔ)層。

3.2 優(yōu)化壓裂工藝控制誘發(fā)地震震級(jí)

壓裂過程中大量水被注入到儲(chǔ)層中，導(dǎo)致孔隙壓力升高，因此，有效應(yīng)力降低，相應(yīng)的巖石強(qiáng)度降低，更容易產(chǎn)生剪切和拉伸破壞。巖石破壞釋放大量變形能，對于相同的巖層，通過剪切破壞釋放的能量可能比通過拉伸破壞釋放的能量相對多。大量巖層天然裂隙的剪切破壞及其強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化行為可能是EGS增產(chǎn)作業(yè)期間引發(fā)相對較強(qiáng)的微地震的原因。

在生產(chǎn)過程中，壓力或者注入/產(chǎn)出速率等運(yùn)營參數(shù)突然大幅度變化也會(huì)增加誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)。注水速率影響誘發(fā)地震震級(jí)，而生產(chǎn)速率影響斷層滑移趨勢。誘發(fā)地震主要集中在開始注入與停止注入時(shí)期，并有一定的延后性。因此，通過優(yōu)化運(yùn)營方案能一定程度減小和控制誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)瑞士Basel地?zé)嵯到y(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)，在FLAC3D中建立注水過程中的誘發(fā)地震數(shù)值模擬，建模過程見參考文獻(xiàn)[39]。地震矩M0由下式計(jì)算：

在FLAC3Dplus中，地震矩M0通過實(shí)施時(shí)間相關(guān)FISH函數(shù)計(jì)算：

由此得到矩震級(jí)Mw大?。?/p>

對于單次注水，假設(shè)注水體積和持續(xù)時(shí)間不變，分別模擬4種注入方式的誘發(fā)地震情況。從圖6中的模擬結(jié)果可知，最大矩震級(jí)僅出現(xiàn)在降低注水速率的后期。4種注入方式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表中結(jié)果可知，注水速率降低用時(shí)為增加用時(shí)的2倍情況下，最大矩震級(jí)最小，且能獲得最大裂縫面積。

表2 4種注水方式的模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of earthquakes induced by four water injection methods

圖6 4種注水方式誘發(fā)地震結(jié)果Fig.6 Earthquakes induced by four water injection methods

因此，注水速率緩慢而持久地降低對于控制地震震級(jí)和擴(kuò)大裂縫是最有利的。進(jìn)一步假設(shè)注水體積不變，按照圖6d的注水速率增加/降低時(shí)間比例，模擬多段壓裂開發(fā)模式，分別模擬了2、4、6個(gè)壓裂段。從圖7中的結(jié)果可知，多段壓裂開發(fā)模式使最大矩震級(jí)降低，且矩震級(jí)隨壓裂段數(shù)增加顯著降低。

圖7 壓裂段數(shù)與矩震級(jí)模擬結(jié)果和關(guān)系Fig.7 Simulation results and relationships of fracturing stage number versus earthquake magnitude

綜上所述，對于單次注水的誘發(fā)地震震級(jí)控制，注水量越大，停泵時(shí)間應(yīng)越長，使巖層累積的變形能充分釋放；初始期間應(yīng)快速提高注水速率，而后期應(yīng)緩慢降低注水速率，避免井筒壓力的突然波動(dòng)。多段壓裂模式可以增加壓裂面積，同時(shí)優(yōu)化注水策略即可以有效控制誘發(fā)地震的最大矩震級(jí)。

3.3 “發(fā)電?供熱?儲(chǔ)能”一體化

耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式包括4個(gè)主要過程：(1) 熱能提取?地下的熱流體被抽出以提取熱能；(2) 發(fā)電/熱利用?熱流體被梯級(jí)利用，高溫流體用于發(fā)電，降溫后的流體用于供暖；(3) 電力轉(zhuǎn)熱?利用電網(wǎng)的多余能量對流體進(jìn)行加壓和加熱，從而將電力轉(zhuǎn)化為熱能；(4) 地下儲(chǔ)存?將加壓加熱后的流體注入地下，儲(chǔ)存能量。因此，將耦合儲(chǔ)能的增強(qiáng)型創(chuàng)新開發(fā)模式分為產(chǎn)能模式和儲(chǔ)能模式[40]。

3.3.1 產(chǎn)能模式：產(chǎn)熱?發(fā)電?供熱?回注(循環(huán))

如圖8所示，在產(chǎn)能模式中，遵循普通EGS的開發(fā)方式。高溫采出水用于發(fā)電，發(fā)電后溫度降低的熱水繼續(xù)進(jìn)行供熱直接利用，最后將低溫水回注到地?zé)醿?chǔ)層。整個(gè)REGS開發(fā)過程中，僅對儲(chǔ)層熱能進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)采熱不采水的循環(huán)方式。

圖8 產(chǎn)能模式：產(chǎn)熱?發(fā)電?供熱?回注(循環(huán))Fig.8 Production mode: heat production-power generationheating-water reinjection (cycle)

根據(jù)平準(zhǔn)化度電成本(Levelized Cost of Energy，LCOE)來評(píng)估地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。開發(fā)REGS項(xiàng)目的費(fèi)用主要由3類組成：地面成本、地下成本和O&M(運(yùn)營和維護(hù))成本，這些成本均納入LCOE。平準(zhǔn)化度電成本按總投資成本除以總發(fā)電量來計(jì)算[41]。

1) 地面成本

地面成本主要包括地?zé)峥碧胶驮O(shè)備安裝成本。地?zé)峥碧讲捎门c油氣勘探相同的設(shè)備，選擇隨地質(zhì)條件和勘探深度而異。與設(shè)備安裝直接相關(guān)的初始投資成本和發(fā)電站的裝機(jī)容量成正比。但由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，單位資本成本隨著發(fā)電容量的增加呈指數(shù)下降?；谘b機(jī)容量的總地面成本可以使用下式計(jì)算[42]：

對于約4 000 m深度的中國恰卜恰地?zé)崽锏目碧匠杀竟烙?jì)為450萬美元[43]。設(shè)備安裝成本和發(fā)電站的裝機(jī)容量呈線性關(guān)系，但由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，單位安裝成本隨著發(fā)電容量的增加呈指數(shù)下降。例如地面安裝的單位成本可以從5 MW發(fā)電廠的2 000美元/kW下降到150 MW發(fā)電廠的1 000美元/kW，因此，假設(shè)建造一座裝機(jī)容量為3 MW的EGS發(fā)電廠，地面安裝成本估計(jì)為600萬美元[42]。

2) 地下成本

由于地下鉆井情況的復(fù)雜性，地下成本是成本估算中最不確定的部分。通常采用估計(jì)的方式，例如冰島Namafjall一座20 MW地?zé)岚l(fā)電廠的項(xiàng)目總成本為3 500萬美元，其中地下成本約為1 300萬美元[44]。地下成本包括鉆井和完井費(fèi)用、測井費(fèi)用以及增產(chǎn)費(fèi)用。

鉆井和完井費(fèi)用是投資成本的重要組成部分，如在中低品位EGS項(xiàng)目中占總投資資本的20%～50%，甚至可以超過75%[45]。根據(jù)地下地質(zhì)條件、勘探深度和其他因素，不同地點(diǎn)的鉆井成本可能會(huì)有很大差異。Zhang Yanjun等[42]估計(jì)一口垂直和水平長度分別為4 500和3 000 m的井成本為1 500萬美元。Lei Zhihong等[43]計(jì)算中國恰卜恰地?zé)崽?口直井和水平井的鉆探總成本約為936萬美元。

測井費(fèi)用取決于測井儀器的類型、強(qiáng)度和精度。由于地?zé)醿?chǔ)層較深，井眼條件比油氣井相對復(fù)雜。因此，通常使用特殊的測井設(shè)備和冷卻泥漿。對于深度為3 700 m的高精度測井，中國恰布恰地?zé)崽锏馁M(fèi)用估計(jì)為45萬美元[43]。

增產(chǎn)費(fèi)用取決于作業(yè)期間使用的壓裂液，其他支出包括設(shè)備費(fèi)用(壓裂車、附屬設(shè)備等)和運(yùn)營費(fèi)用。Lei Zhihong等[43]估計(jì)不同油藏使用滑溜水的一次壓裂費(fèi)用為45萬美元；Zhang Yanjun等[42]假設(shè)大慶油田深度約4 500 m的一次壓裂費(fèi)用為48.6萬美元。一般來說，清水壓裂的成本會(huì)降低，根據(jù)壓裂作業(yè)的現(xiàn)場估算，12次清水壓裂預(yù)計(jì)費(fèi)用為450萬美元。

3) 運(yùn)營和維護(hù)成本

運(yùn)營和維護(hù)成本CO&M(簡稱運(yùn)維成本)涉及注入泵和生產(chǎn)泵及儲(chǔ)層維護(hù)的能源消耗。同樣，隨著產(chǎn)能的增加，運(yùn)維成本呈指數(shù)下降。每兆瓦時(shí)運(yùn)維成本可以使用下式進(jìn)行估算[45]：

將FLAC3D獲得的大規(guī)模壓裂結(jié)果導(dǎo)入TOUGH-2MP-TMVOC用于地?zé)崮苌a(chǎn)[40]模擬。在建立12條壓裂縫隙的模型中，以30 a運(yùn)行時(shí)間為例，通過優(yōu)化采出水流量和井距，對注水井一側(cè)12條裂縫研究區(qū)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析。

計(jì)算結(jié)果指出，單井流量為144 L/s生產(chǎn)井的LCOE計(jì)算為5.46 美分/(kW·h)，相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。為了分析多段壓裂EGS優(yōu)勢，在表3 中列出了2021年德國其他可再生能源的LCOE[46]。在地?zé)崮軆?chǔ)量巨大且發(fā)電系統(tǒng)高度穩(wěn)定的情況下，多段壓裂EGS的經(jīng)濟(jì)性是非常優(yōu)秀的。

表3 德國可再生能源的LCOE[46]Table 3 LCOEs of renewable energy in Germany[46]

EGS總成本的主要占比是鉆井和30 a發(fā)電的運(yùn)維成本，合計(jì)比例約占總投資成本的66%。通過使用同一注入井在另一側(cè)創(chuàng)建額外的12個(gè)裂縫，可將發(fā)電潛力加倍。采用水平井分段壓裂建立的一注兩采REGS開發(fā)方式，可以達(dá)到滿足盈利能力的最低要求，即導(dǎo)流面積大于2×5 km2，發(fā)電裝機(jī)大于2×5 MW，供熱裝機(jī)大于2×50 MW，儲(chǔ)能裝機(jī)大于2×50 MW。

3.3.2 儲(chǔ)能模式：過剩風(fēng)光電轉(zhuǎn)熱注入地層儲(chǔ)能(多能互補(bǔ))

風(fēng)能或太陽能等可再生能源的能源供應(yīng)高度依賴于天氣條件，并且常常與瞬時(shí)能源需求不匹配。在可再生能源產(chǎn)量高的時(shí)期，輸電線路可能不夠充足，因此會(huì)關(guān)閉發(fā)電廠[47]。

避免能源生產(chǎn)中斷的合適選擇之一是儲(chǔ)存剩余能源，以補(bǔ)償?shù)碗娏ιa(chǎn)時(shí)期的能源短缺。為此，建議利用枯竭的EGS來存儲(chǔ)剩余能量。如圖9所示，REGS儲(chǔ)能模式可以提高深部地?zé)崮艿脑偕芰硌娱L壽命，同時(shí)加壓熱水的注入也有助于清洗管道。

圖9 儲(chǔ)能模式：過剩風(fēng)光電轉(zhuǎn)熱注入地層儲(chǔ)能(多能互補(bǔ))Fig.9 Energy storage mode: surplus wind and PV solar energy being converted into heat and injected into strata for storage(multi-energy complementation)

在儲(chǔ)能模式中，假設(shè)井筒中的熱損失可以忽略不計(jì)，使用恢復(fù)系數(shù)來評(píng)估能量存儲(chǔ)。恢復(fù)系數(shù)RF定義為當(dāng)注入和生產(chǎn)等量的水時(shí)，回收能量與存儲(chǔ)能量相對于儲(chǔ)層環(huán)境溫度的比率[48]：

恢復(fù)系數(shù)RF為零意味著存儲(chǔ)能量沒有被恢復(fù)，恢復(fù)系數(shù)的增加將降低存儲(chǔ)效率，反之亦然。圖10為不同循環(huán)周期儲(chǔ)能模式計(jì)算結(jié)果。能量存儲(chǔ)結(jié)果表明，能量回收和地層溫度隨著注入/生產(chǎn)循環(huán)而增加。

圖10 不同循環(huán)周期儲(chǔ)能模式計(jì)算結(jié)果Fig.10 Calculation results of energy storage modes with different cycle periods

因此，與標(biāo)準(zhǔn)EGS相比，通過結(jié)合能量存儲(chǔ)，實(shí)際上可以建立再生REGS。這種再生REGS方案也可以應(yīng)用于現(xiàn)有的EGS領(lǐng)域，以便利用剩余能源，降低能源生產(chǎn)成本，并通過降低地?zé)醿?chǔ)層溫度下降率來保持地?zé)醿?chǔ)層的可再生性。此外，在能量存儲(chǔ)階段，可以使用高注入壓力和溫度的水去除井筒中的鹽結(jié)垢/結(jié)晶。

4 結(jié)論

a.EGS水力壓裂不需要使用支撐劑。深部地?zé)崮芩毫蚜芽p破壞主要以剪切機(jī)理為主，冷水回灌引起的溫差效應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力會(huì)促使裂縫向更遠(yuǎn)處擴(kuò)展，持續(xù)的注水使注入井井筒壓力高于地層壓力，有助于保持裂縫處于張開狀態(tài)。

b.采用直井建設(shè)的EGS水力壓裂存在明顯不足：(1) 常規(guī)直井壓裂獲得的導(dǎo)流面積太小，造成投入大、產(chǎn)出效率低；(2) 儲(chǔ)層改造區(qū)域窄，微地震監(jiān)測技術(shù)精度不足，增產(chǎn)造縫區(qū)定位困難，即便生產(chǎn)井再次壓裂也不能與注水井有效連通；(3) 單井壓裂一次性注水規(guī)模超大，誘發(fā)破壞性地震的風(fēng)險(xiǎn)增加；(4) 鉆井費(fèi)用高，前期投資大，在無政府補(bǔ)貼情況下，常規(guī)EGS難以盈利。

c.采用水平井分段壓裂建立的一注兩采REGS開發(fā)方式，根據(jù)非等距、非等面積、非等注水量分段壓裂方案，可以顯著擴(kuò)大裂縫區(qū)，提高注水井與生產(chǎn)井的連通能力，不僅可以減少熱短路風(fēng)險(xiǎn)，還能實(shí)現(xiàn)每個(gè)裂縫對采出熱能的貢獻(xiàn)基本相同，并達(dá)到滿足盈利能力的最低要求。結(jié)合可再生能源大規(guī)模地下存儲(chǔ)，既能實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，又能提高REGS項(xiàng)目生產(chǎn)壽命和盈利能力。

d.通過優(yōu)化壓裂工藝，采用多段壓裂模式，每次壓裂初始期間采用較大注水速率，后期緩慢降低注水速率，且隨壓裂段數(shù)增加逐步延長停泵時(shí)間，使地層累積的變形能基本均勻和無傷害性充分釋放。而在地?zé)嵘a(chǎn)過程中，對工程參數(shù)(如采出和回注速度、回注溫度等)的調(diào)整應(yīng)盡可能緩慢進(jìn)行，以避免井筒壓力和圍巖應(yīng)力的突然波動(dòng)，達(dá)到預(yù)防發(fā)生實(shí)質(zhì)性傷害地震的目的。

符號(hào)注釋：

A為剪切/拉伸破壞面積，m2；Cs為地面成本，美元；Ce為勘探成本，美元；CO&M為單位運(yùn)維成本，美元/MWh；dt為時(shí)間增量，s；為剪切/拉伸破壞面積平均位錯(cuò)量，m；Δ為一秒內(nèi)破壞面積的平均位移，m；Ee為采出能量，TJ；Ei為注入能量，TJ；G為巖石剪切模量，Pa；M0為地震矩，N·m；i為計(jì)算時(shí)間步長，s；Mw為矩震級(jí)，級(jí)；n為計(jì)算總步數(shù)；Pt為平均發(fā)電廠容量，MW；Qt為采水速率，L/s；t為時(shí)間，s；Ta為儲(chǔ)層環(huán)境溫度，℃；Te為采出溫度，℃；Ti為注入溫度，℃；λ為拉梅參數(shù)，Pa。