熱巖資源資源簡(jiǎn)介

干熱巖蘊(yùn)藏著巨大的熱能，是世界發(fā)達(dá)國(guó)家積極開(kāi)發(fā)的重要資源之一。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是在干熱巖技術(shù)基礎(chǔ)上提出的，經(jīng)歷了40余年的研究。綜述了世界干熱巖的研究的發(fā)展歷程、示范工程中失敗和成功的經(jīng)驗(yàn)，論述了開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)的重要成就和不足之處，展望了高溫地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的技術(shù)發(fā)展方向及資源利用前景。

在闡述干熱巖資源賦存的指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)國(guó)內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)干熱巖資源的成因模式分析，結(jié)合中國(guó)地殼結(jié)構(gòu)背景，將中國(guó)干熱巖資源的賦存類型分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型干熱巖資源。比較了不同類型干熱巖資源的成因機(jī)制及差別，提出干熱巖資源賦存的有利前景區(qū)。

干熱巖作為清潔可再生能源，在中國(guó)分布廣泛。初步估算，10 km可開(kāi)發(fā)利用的干熱巖資源占地?zé)豳Y源總量的90%，經(jīng)濟(jì)地獲取深部干熱巖資源成為迫切任務(wù)。干熱巖資源開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的技術(shù)是儲(chǔ)層建造，為滿足商業(yè)化開(kāi)發(fā)的目的，激發(fā)后儲(chǔ)層必須達(dá)到一定體積的有效換熱空間，同時(shí)開(kāi)采井應(yīng)滿足理想的開(kāi)采流量及保證較長(zhǎng)的開(kāi)采年限。本文總結(jié)國(guó)際干熱巖工程的儲(chǔ)層激發(fā)情況及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

干熱巖作為清潔的可再生能源是地?zé)崮苤凶罹邼摿Φ牟糠?，是地?zé)崮艿奈磥?lái)。從分布上來(lái)講，干熱巖資源和淺層地溫能一樣，屬于無(wú)處不在的資源，然而，干熱巖與淺層地溫能相比受氣候等外界條件影響更?。粡馁Y源品質(zhì)來(lái)講，干熱巖資源主要用于發(fā)電，能解決國(guó)家能源根本需求，資源基數(shù)更大。因此干熱巖也被稱作可能改變未來(lái)的新能源，干熱巖發(fā)電為中國(guó)地?zé)崮芾玫拈L(zhǎng)期目標(biāo) 。

中國(guó)干熱巖資源潛力巨大，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局評(píng)價(jià)了中國(guó)陸區(qū)干熱巖資源潛力，中國(guó)陸區(qū)3.0～10.0 km深處干熱巖資源總量為2.52×10²⁵J，相當(dāng)于860萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按2%的可開(kāi)采資源量計(jì)算，相當(dāng)于中國(guó)2010年能源消耗總量的5300倍。

干熱巖開(kāi)發(fā)的具體工程技術(shù)稱為EGS（enhanced geother?mal system）。對(duì)于建造EGS而言，最關(guān)鍵的技術(shù)就是儲(chǔ)層的激發(fā)，國(guó)際上普遍認(rèn)為理想經(jīng)濟(jì)的EGS系統(tǒng)，激發(fā)儲(chǔ)層體積應(yīng)達(dá)到0.1 km³，有效熱交換面積應(yīng)達(dá)到100萬(wàn)m²。而言，國(guó)際上很多EGS工程儲(chǔ)層激發(fā)體積已能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.1 km³的目標(biāo)，而熱儲(chǔ)有效換熱面積距離商業(yè)化的要求還有一定的差距，主要原因在于激發(fā)過(guò)程中對(duì)裂隙系統(tǒng)的控制還不夠理想。

我國(guó)干熱巖資源特征

我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)潛力巨大，最新的計(jì)算結(jié)果表明，中國(guó)大陸（3-10Km） 深度干熱巖地?zé)豳Y源總量為20.9*10⁶EJ, 合719*10¹²t標(biāo)準(zhǔn)煤.若按2%的可開(kāi)發(fā)資源量計(jì)算,是傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源量的168倍，相當(dāng)于中國(guó)

2010年全年能源消耗總量的4400倍；中國(guó)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?zé)豳Y源較豐富的國(guó)家之一。東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在臺(tái)灣、海南和東南沿海形成一個(gè)高地溫梯度區(qū))東部受太平洋板塊擠壓，形成長(zhǎng)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?zé)豳Y源，是干熱巖地?zé)豳Y源的優(yōu)先開(kāi)發(fā)區(qū)域。

美國(guó)干熱巖資源特征

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境以及其他數(shù)據(jù)的綜合研究顯示，美國(guó)有24個(gè)潛在的可供參考的開(kāi)發(fā)干熱巖的地區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，

資源多出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的地帶!根據(jù)這些有潛力地區(qū)的巖層和推斷的熱源進(jìn)行分類。其中新墨西哥州的芬頓山被認(rèn)為是干熱巖比較理想的區(qū)域!并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)研究。除此之外還有 其 他 三 個(gè) 具 有 前 瞻 性 價(jià) 值 的 地 方：加 州湖地區(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 在干熱巖開(kāi)發(fā)利用中有著顯著不同的地質(zhì)和地球物理特征!并且?guī)r石儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層溫度方面也特別適宜干熱巖資源的開(kāi)發(fā)利用。

干熱巖儲(chǔ)層的激發(fā)是指通過(guò)向儲(chǔ)層注入高壓流體使熱儲(chǔ)原有裂隙擴(kuò)展沿伸從而達(dá)到增大儲(chǔ)層換熱性能的目的。儲(chǔ)層的激發(fā)并不是干熱巖資源開(kāi)發(fā)工程的最終目的，如何通過(guò)儲(chǔ)層激發(fā)達(dá)到理想的熱提取效果才是干熱巖工程的關(guān)鍵。因此從這個(gè)角度而言，干熱巖資源儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)包括儲(chǔ)層的表征、儲(chǔ)層的激發(fā)和儲(chǔ)層的管理3個(gè)關(guān)鍵步驟。

1）儲(chǔ)層的表征是認(rèn)識(shí)熱儲(chǔ)原有裂隙系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)的過(guò)程，與傳統(tǒng)水熱系統(tǒng)的研究類似，很多鉆探、物探、測(cè)井技術(shù)在這方面能夠發(fā)揮重要作用，國(guó)際上使用較多的為鉆孔成像和微震監(jiān)測(cè)，前者可以獲取一維準(zhǔn)確的鉆孔裂隙參數(shù)，后者通過(guò)微震解譯可以獲取激發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的三維裂隙空間信息。

2）儲(chǔ)層的激發(fā)則是干熱巖工程所特有，關(guān)鍵技術(shù)包括創(chuàng)建新的裂隙通道和滲流途徑、有效滲流通道的解釋，儲(chǔ)存封隔等 。

3）儲(chǔ)層的管理需要對(duì)儲(chǔ)層有足夠的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)壓力、流量等參數(shù)的控制使熱儲(chǔ)能夠達(dá)到長(zhǎng)期熱提取的目的。EGS系統(tǒng)屬于人造熱儲(chǔ)系統(tǒng)，因此儲(chǔ)層的管理是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。相關(guān)技術(shù)包括裂隙通道及滲流途徑的控制、運(yùn)行過(guò)程中滲流監(jiān)測(cè)、開(kāi)采井鉆探以及實(shí)施模擬預(yù)測(cè)等。

，中國(guó)還未開(kāi)展過(guò)具體的干熱巖壓裂工程，中國(guó)科學(xué)院廣州能源所、吉林大學(xué)等在深部熱儲(chǔ)模擬上做了深入研究，提出了耦合THMC的裂隙換熱模型。隨著頁(yè)巖氣水力壓裂的開(kāi)展，中國(guó)陸續(xù)在個(gè)別深井開(kāi)展了多級(jí)壓裂、清水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復(fù)壓裂等壓裂工藝。干熱巖的壓裂通常采用清水壓裂，與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中壓裂最大的不同在于地層巖性，干熱巖的壓裂一般為堅(jiān)硬的結(jié)晶巖體，干熱巖壓裂可以從頁(yè)巖氣水力壓裂中得到啟發(fā)。

EGS儲(chǔ)層的激發(fā)與石油、天然氣中的壓裂有很多相似之處，其目的均是通過(guò)在巖體中高壓注水提高儲(chǔ)層滲透性，從而達(dá)到最大限度采油或提熱的目的。然而，兩者在壓裂原理上有著本質(zhì)不同，EGS的激發(fā)是水力剪切破壞，有別于石油、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的拉伸破壞 。

水力剪切是通過(guò)使巖體發(fā)生彼此間位移后，由于裂隙面表面粗糙度的作用在激發(fā)壓力釋放后仍然維持裂隙面的張開(kāi)。水力壓裂則不同，巖體不會(huì)形成彼此滑動(dòng)，因此，在注水壓力下降后，裂隙面會(huì)重新閉合，這也是在石油和天然氣的壓裂中需要通過(guò)支撐劑來(lái)維持裂隙面張開(kāi)的原因。

對(duì)于干熱巖熱量提取而言，剪切破壞的優(yōu)點(diǎn)在于使巖體形成的裂隙面足夠大而隙寬維持較小，流體在裂隙面中穿過(guò)時(shí)流速不會(huì)過(guò)快，這樣就可以使流體從注入井到生產(chǎn)井流動(dòng)過(guò)程中充分地與儲(chǔ)層換熱達(dá)到理想的開(kāi)發(fā)溫度，同時(shí)，也可以通過(guò)減少短路循環(huán)和過(guò)早形成熱突破而延長(zhǎng)儲(chǔ)層壽命。

為了創(chuàng)建最佳裂隙面大小、隙寬、密度和方向的裂隙網(wǎng)絡(luò)，在單井中的水力剪切通常需要進(jìn)行多級(jí)壓裂，多級(jí)激發(fā)的優(yōu)點(diǎn)有：

1）創(chuàng)建更大的儲(chǔ)層體積，大大增加儲(chǔ)層有效的換熱面積；

2）增加系統(tǒng)的滲透性和連通性，從而提高流體產(chǎn)能和降低注入壓力，提高系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電性能；

3）單井流量達(dá)到可提供商業(yè)化發(fā)電的流量75 kg/s（大約1200 g/m）；

4）使裂隙網(wǎng)絡(luò)半徑達(dá)到500 m以上，大大延長(zhǎng)儲(chǔ)層壽命。

隨著20世紀(jì)70年代美國(guó)第一個(gè)干熱巖資源開(kāi)發(fā)工程的建立，40多年來(lái)，很多國(guó)家的示范工程均在深部熱儲(chǔ)的建立上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層激發(fā)原理完善、激發(fā)壓力和時(shí)間的控制、激發(fā)中裂隙空間結(jié)構(gòu)的表征、多儲(chǔ)層激發(fā)等，綜合分析這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對(duì)于建立中國(guó)干熱巖示范工程不無(wú)裨益。表1總結(jié)了EGS工程的相關(guān)數(shù)據(jù)。可以看出所有的工程在初期激發(fā)試驗(yàn)時(shí)具有相似的注入率，但激發(fā)途徑卻各有不同，主要原因是儲(chǔ)層壓裂工藝和原生裂隙系統(tǒng)的不同 。

新墨西哥芬頓山

第一個(gè)干熱巖HDR示范工程在新墨西哥芬頓山于1974年開(kāi)始，位于Valles火山口西翼，屬于環(huán)狀裂隙帶的外側(cè)，項(xiàng)目最初目的是試圖利用水力激發(fā)來(lái)創(chuàng)造人造儲(chǔ)層。在1983年的試驗(yàn)中，產(chǎn)生了850個(gè)0～3級(jí)的微震事件，這些微震事件主要通過(guò)井下微震檢波器獲取。該項(xiàng)目?jī)?chǔ)層的建造采用傳統(tǒng)石油工程中的壓裂方法，因此產(chǎn)生了大量的張性裂隙，隨著后期認(rèn)識(shí)的不斷加深，發(fā)現(xiàn)張性裂隙并不是EGS儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)所期待的。

瑞士巴塞爾

2006 年，在瑞士巴塞爾開(kāi)展了深部地?zé)衢_(kāi)采計(jì)劃（DHM），通過(guò)施工了一個(gè)深鉆來(lái)創(chuàng)建人造熱儲(chǔ)層。整個(gè)

激發(fā)過(guò)程起始注入流量為1.7 L/s，當(dāng)井口壓力達(dá)到11 MPa時(shí)開(kāi)始誘發(fā)地震。在持續(xù)6 d的激發(fā)過(guò)程中，注入流量增加了5倍。初期隨著流量的增加，壓力反而降低，顯示注入量的逐漸提高。在流量達(dá)到28 L/s后，壓力和微震頻率有表現(xiàn)出持續(xù)24 h的增加，反映出熱儲(chǔ)中壓力的逐漸形成。隨后流量增大到41 L/s，第一個(gè)大于2級(jí)的地震被誘發(fā)。在達(dá)到最大流量后（55 L/s），井口壓力達(dá)到29.7 MPa，產(chǎn)生了4個(gè)大于2級(jí)的微震，隨后注入停止并閉井。然而，由于儲(chǔ)層壓力的持續(xù)積累，微震事件并沒(méi)有馬上減弱，在井口壓力消散前產(chǎn)生了3.4級(jí)的微震，整個(gè)激發(fā)過(guò)程用水11000 m³。

澳大利亞庫(kù)珀盆地

澳大利亞庫(kù)珀盆地具備大量放射性的元古代花崗巖，勘察結(jié)果顯示，該地區(qū)熱能儲(chǔ)量高達(dá)500億桶原油當(dāng)量。由于庫(kù)珀盆地處于極高的壓應(yīng)力機(jī)制，需要很高的井口注入壓力激發(fā)裂隙，這使其有別于其他干熱巖激發(fā)工程而成為世界EGS儲(chǔ)層激發(fā)的重要組成部分。澳大利亞庫(kù)珀盆地成功激發(fā)了Habanero1和Jolokia2兩個(gè)地?zé)峋瓾abanero1激發(fā)持續(xù)時(shí)間為9 d，注入水量超過(guò)20000 m³，最大注入流量為48 L/s，最大井口壓力為75 MPa。由于很高的注入壓力，誘發(fā)了3.7級(jí)微震，是為止世界EGS工程所誘發(fā)的最大的地震事件。Jolokia2儲(chǔ)層改造結(jié)果還未公布。

德國(guó)Gross-Schoenebeck

2007年，德國(guó)在東北部盆地區(qū)開(kāi)展了對(duì)井EGS激發(fā)工程，該地區(qū)處于正斷層以及走滑斷層應(yīng)力機(jī)制，與法國(guó)Soultz工程極為相似。但與其他EGS工程不同的是，為減小激發(fā)過(guò)程中裂隙面所產(chǎn)生的阻力，在壓裂液中添加了化學(xué)物質(zhì)。主要添加物包括降低裂隙面摩擦的化學(xué)物、醋酸、低濃度砂粒等。激發(fā)過(guò)程中的最大注入流量達(dá)到150 L/s，最大井口壓力為58.6 MPa，大流量的好處是可以控制流體黏度過(guò)低對(duì)支撐劑運(yùn)行距離的影響，從而達(dá)到理想的裂隙面填充效果。裂隙變形持續(xù)了4.4 d，整個(gè)過(guò)程注入量達(dá)到13000 m³。該工程的激發(fā)由于添加了過(guò)多的化學(xué)物質(zhì)，與國(guó)際上公認(rèn)的EGS清水壓裂相違背，因此，其壓裂效果不能作為中國(guó)干熱巖開(kāi)發(fā)示范工程的有效參考。

德國(guó)蘭道

位于德國(guó)蘭道的EGS工程同樣由一組對(duì)井組成，分別為GTLA1和GTLA2，正處于發(fā)電中。該井最初的鉆探目標(biāo)是尋找一個(gè)已知存在的斷裂帶，GTLA1水量很大，并不需要激發(fā)，而GTLA2相對(duì)較差，因此試圖通過(guò)注入高速流體來(lái)擴(kuò)大儲(chǔ)層增加產(chǎn)能。

由于儲(chǔ)層本身的滲透性很好，因此進(jìn)行高流量的注入來(lái)激發(fā)更多裂隙是非常必要的。整個(gè)激發(fā)過(guò)程注入水量約為5000 m³，注入最高流量達(dá)187 L/s，井口壓力為13 MPa。德國(guó)蘭道在EGS 儲(chǔ)層激發(fā)上是成功的，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層增產(chǎn)的目的。

法國(guó)蘇爾茨

在20多年的研究中，法國(guó)蘇爾茨是世界上公認(rèn)的儲(chǔ)層激發(fā)效果最好的EGS工程。整個(gè)系統(tǒng)包括：200℃的EGS熱儲(chǔ)層、一口注入井、兩口生產(chǎn)井，井下泵以及1.5 MW的雙工質(zhì)發(fā)電機(jī)組。在激發(fā)GPK2井時(shí)，大約23000 m³的水在6 d多的時(shí)間注入井中，最大誘發(fā)微震等級(jí)為2.5，最大注入流量為50 L/s，伴隨的最大井口壓力為14.5 MPa。最終的注入率提高了25倍，從天然狀態(tài)的0.18 L（/s·MPa）提高到激發(fā)后的4.48 L（/s·MPa），導(dǎo)致了中等規(guī)模裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通。與此相反，對(duì) GPK3 井的激發(fā)持續(xù) 10.6 d，注入水量38000 m³，所誘發(fā)的最大地震2.9級(jí)。激發(fā)過(guò)程中最大的注入流量50 L/s，最大井口壓力16 MPa，最終注入量增大了1.5~3倍，由開(kāi)始的2.01~3.48 L（/s·MPa）增大到5.31 L（/s·MPa）。盡管井口流量和壓力與GPK2井相類似，而滲透性的增長(zhǎng)卻

不是十分明顯，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示70%的水量進(jìn)入了一個(gè)已有4705 m的裂隙帶。

熱巖資源人工壓裂技術(shù)

針對(duì)不同的深部地應(yīng)力場(chǎng)條件和裂隙發(fā)育特征，通過(guò)控制注入水流量使深部熱儲(chǔ)達(dá)到理想的剪切破壞是人工壓裂技術(shù)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。干熱巖開(kāi)發(fā)本身的壓裂設(shè)備和石油天然氣開(kāi)發(fā)中壓裂設(shè)備基本相同，主要的區(qū)別在于干熱巖的壓裂設(shè)備需要解決耐高溫問(wèn)題。而高溫巖體冷卻收縮效應(yīng)也使干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)相對(duì)于傳統(tǒng)油氣儲(chǔ)層更容易發(fā)生 。

上述各國(guó)的儲(chǔ)層激發(fā)試驗(yàn)均表明，在堅(jiān)硬的花崗巖中創(chuàng)造新的裂隙幾乎是不可能的，通過(guò)注入水壓力的控制使儲(chǔ)層已有的裂隙面錯(cuò)動(dòng)和延伸從而形成有效的換熱面積是國(guó)際公認(rèn)的EGS儲(chǔ)層建造方法。實(shí)際干熱巖開(kāi)發(fā)工程中，熱儲(chǔ)的創(chuàng)建主要包括以下關(guān)鍵步驟：

1）安裝微震監(jiān)測(cè)器；

2）形成已有注入井的剪切破壞；

3）施工兩口開(kāi)采井，并對(duì)其儲(chǔ)層進(jìn)行水力剪切破壞；

4）開(kāi)展30～60 d的儲(chǔ)層循環(huán)測(cè)試，評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)連通性及表現(xiàn)。

儲(chǔ)層壓裂相關(guān)的技術(shù)主要包括：微震解譯、井下電視成像、區(qū)域構(gòu)造雷達(dá)反演、光纖式溫度測(cè)井、巖體室內(nèi)切片分析、電鏡掃描、模擬預(yù)測(cè)等。

熱巖資源儲(chǔ)層封隔技術(shù)

為止，世界干熱巖資源開(kāi)發(fā)工程大部分采用的是高溫物理封隔器，通過(guò)對(duì)目標(biāo)層位的封堵達(dá)到對(duì)特定儲(chǔ)層激發(fā)的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于，封隔器深度可以自由調(diào)節(jié)，可對(duì)指定深度進(jìn)行儲(chǔ)層激發(fā)。缺點(diǎn)在于受溫度影響，很多封隔器采用彈性密封元件，溫度上限為225℃，同時(shí)，高溫封隔技術(shù)操作過(guò)程中需要鉆機(jī)配合，存在較高的施工卡鉆危險(xiǎn)，容易造成井孔報(bào)廢，從而對(duì)整個(gè)工程造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為止，大多數(shù)的高溫儲(chǔ)層封隔器僅適用于套管段，而EGS儲(chǔ)層激發(fā)的目標(biāo)為裸孔段，因此，傳統(tǒng)物理封隔技術(shù)的應(yīng)用受到了很大的限制。

化學(xué)和生物封隔技術(shù)在部分發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展了廣泛的研究。一種高溫降解生物隔離技術(shù)（TZIM）在美國(guó)剛剛成功應(yīng)用于Newberry干熱巖工程。相對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)層封隔器具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、耐溫性能好等特點(diǎn)。具體如下：

1）注入井后保持顆粒狀；

2）密度與水接近，操作時(shí)和注水一起進(jìn)入最滲透的裂縫；

3）TZIM 會(huì)密封已有裂縫，通過(guò)激發(fā)可裂開(kāi)更多層的巖石；

4）操作無(wú)需井架，可采用分布式光纖溫度傳感器（DTS）監(jiān)控井下隔離效果。

熱巖資源化學(xué)刺激技術(shù)

化學(xué)刺激最早應(yīng)用于油氣井的增產(chǎn)，通過(guò)將酸注入儲(chǔ)層裂隙，目的是將裂隙面流體長(zhǎng)期運(yùn)移和沉淀過(guò)程中產(chǎn)生的礦物溶解，達(dá)到增大對(duì)近井區(qū)巖體滲透性的目標(biāo)。對(duì)于EGS而言，結(jié)合化學(xué)刺激和水力激發(fā)可以降低注入壓力、減小微震等級(jí)，優(yōu)化儲(chǔ)層管理。

近30年來(lái)，許多不同的化學(xué)酸化刺激法被應(yīng)用于地?zé)?。然而，同一種化學(xué)激發(fā)劑可能只適用于特定的地層，

對(duì)于EGS儲(chǔ)層激發(fā)而言，正在研究針對(duì)各種不同地層的綜合化學(xué)刺激法。法國(guó)Soultz干熱巖工程采用了化學(xué)刺激方法使注入率提高了1.12~2.5倍。激發(fā)結(jié)果顯示注入酸與花崗巖體的裂隙之間的礦物發(fā)生了較為強(qiáng)烈的反應(yīng)，增加了儲(chǔ)層的滲透性?？傮w而言，化學(xué)刺激受到時(shí)間、體積和濃度等方面的制約，因此其發(fā)展還需要更多的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及工程驗(yàn)證。

結(jié)合具體的干熱巖開(kāi)發(fā)工程，在干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)方面主要存在以下挑戰(zhàn)：

1）提高注水壓力可以破裂巖石并可產(chǎn)生更多的熱能，但所注的水大多被導(dǎo)入最滲透的巖體；

2）在整個(gè)儲(chǔ)層的激發(fā)過(guò)程中，儲(chǔ)層很多部位得不到有效激發(fā)，熱儲(chǔ)采熱量受到了限制；

3）過(guò)分增加井口壓力提高注水量，會(huì)誘發(fā)較大的地震；

4）單層裂縫不足以提供滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)電所需的熱交換面積，系統(tǒng)循環(huán)水流量低。

如何在經(jīng)濟(jì)的條件下，創(chuàng)建足夠大的儲(chǔ)層有效換熱空間，是EGS發(fā)展需要迫切解決的問(wèn)題。發(fā)展高溫儲(chǔ)層封隔技術(shù)，通過(guò)多次激發(fā)來(lái)增大儲(chǔ)層空間是實(shí)現(xiàn)EGS商業(yè)化的有效手段。2100433B

干熱巖是地球內(nèi)部熱能的一種賦存介質(zhì)，是一種國(guó)際公認(rèn)的清潔能源。通俗來(lái)講，干熱巖資源就是存在于巖石中的熱量，具有資源量大、分布廣、可持續(xù)利用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，是未來(lái)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的重要方向。

干熱巖是指一種沒(méi)有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體。干熱巖埋藏于距地下2000～6000m 的深處，溫度為150～650℃。美國(guó)人莫頓和史密斯于1970 年提出利用地下干熱巖體發(fā)電的設(shè)想。1972 年，他們?cè)谛履鞲缰荼辈看蛄? 口約4000m 的深斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體， 從另一口井取出由巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽，功率達(dá)2300kW。進(jìn)行干熱巖發(fā)電研究的還有日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和俄羅斯，但迄今尚無(wú)大規(guī)模應(yīng)用。干熱巖發(fā)電系統(tǒng)較干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽溫度更高。美國(guó)洛斯-阿拉斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)基地鉆2 口井，其深度約為3000m，溫度約為200℃，1977 年首次進(jìn)行了循環(huán)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這一方案的可行性。自1985 年以來(lái)，日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NFDO）在山形縣某試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)施了干熱巖工程。到1991 年，通過(guò)3 個(gè)1800m 深的生產(chǎn)井和1 個(gè)回灌井提取熱量。世界上每年獲取的干熱巖能量約為255 TWh，相當(dāng)于430 萬(wàn)桶原油。首先鉆一口注入井，并進(jìn)行壓裂，形成裂縫破碎帶，再鉆一口橫穿該裂縫破碎帶的生產(chǎn)井，然后將高壓水從加壓井向下泵入，橫穿蓄水池，水流過(guò)熱巖中的人工裂隙而過(guò)熱（水、汽溫度可達(dá)150～200℃），并從生產(chǎn)井泵上來(lái)。發(fā)電后的冷卻水再次通過(guò)高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)利用。干熱巖發(fā)電的整個(gè)過(guò)程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，即沒(méi)有硫化物等有毒、有害物質(zhì)或堵塞管道的物質(zhì)，也無(wú)任何環(huán)境污染，其采熱的關(guān)鍵技術(shù)是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)。干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富，比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多，比煤炭、石油、天然氣蘊(yùn)藏的總能量還要大。地下熱巖的能量能被自然泉水帶出的幾率僅有1%，而99%的熱巖是干熱巖，沒(méi)有與水共存，因此，干熱巖發(fā)電的潛力很大。在正常地溫梯度地區(qū)（3℃/100m），采用常規(guī)技術(shù)，發(fā)電成本達(dá)23 美分/kW.h，但如果采用線性先進(jìn)鉆井技術(shù)，發(fā)電成本可降低到6 美分/kW.h，而我國(guó)大慶地區(qū)地溫梯度達(dá)到4℃/100m 以上，發(fā)電成本將更低。如果考慮中國(guó)鉆井成本低于美國(guó)，則發(fā)電成本更低。

利用干熱巖發(fā)電與傳統(tǒng)的熱電站發(fā)電的區(qū)別主要是采熱方式不同。干熱巖地?zé)岚l(fā)電的流程為:注入井將低溫水輸入熱儲(chǔ)水庫(kù)中, 經(jīng)過(guò)高溫巖體加熱后, 在臨界狀態(tài)下以高溫水、汽的形式通過(guò)生產(chǎn)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(fù)利用。在此閉合回流系統(tǒng)中不排放廢水、廢物、廢氣,對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響。

天然的干熱巖沒(méi)有熱儲(chǔ)水庫(kù), 需在巖體內(nèi)部形成網(wǎng)裂縫, 以使注入的冷水能夠被干熱巖體加熱形成一定容量的人工熱儲(chǔ)水庫(kù)。人工網(wǎng)裂縫熱儲(chǔ)水庫(kù)可采用水壓法、化學(xué)法或定向微爆法形成。其中, 水壓法應(yīng)用最廣, 它是向注水井高壓注入低溫水, 然后經(jīng)過(guò)干熱巖加熱產(chǎn)生非常高的壓力。在巖體致密無(wú)裂隙的情況下, 高壓水會(huì)使巖體在垂直最小地應(yīng)力方向上產(chǎn)生許多裂縫。若巖體中本來(lái)就有少量天然節(jié)理, 則高壓水會(huì)先向天然節(jié)理中運(yùn)移, 形成更大的裂縫, 其裂縫方向受地應(yīng)力系統(tǒng)的影響。隨著低溫水的不斷注入, 裂縫持續(xù)增加、擴(kuò)大, 并相互連通, 最終形成面狀的人工熱儲(chǔ)水庫(kù), 而其外圍仍然保持原來(lái)的狀態(tài)。由于人工熱儲(chǔ)水庫(kù)在地面以下, 可利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、化學(xué)示蹤劑、聲發(fā)射測(cè)量等方法監(jiān)測(cè), 并反演出人工熱儲(chǔ)水庫(kù)構(gòu)造的空間三維分布。

從生產(chǎn)井提取到高溫水、蒸汽等中間介質(zhì)后, 即可采用常規(guī)地?zé)岚l(fā)電的方式發(fā)電, 包括直接蒸汽法、擴(kuò)容法以及中間介質(zhì)法等。由于直接蒸汽法要求從井下取出高溫蒸汽, 效率較低, 因此應(yīng)用較少。擴(kuò)容法是將生產(chǎn)井中的熱水先輸送至擴(kuò)容器, 通過(guò)減壓擴(kuò)容產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。我國(guó)西藏羊八井地?zé)犭娬炯磳贁U(kuò)容法地?zé)岚l(fā)電。目前研究較多的是應(yīng)用中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電, 例如有機(jī)蘭金循環(huán)和卡里納循環(huán)等。蒸發(fā)器是中間介質(zhì)法干熱巖發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備, 地?zé)崴ㄟ^(guò)蒸發(fā)器把低沸點(diǎn)物質(zhì)加熱, 使其產(chǎn)生高壓蒸汽并通過(guò)汽輪機(jī)發(fā)電, 做完功的排氣在冷凝器中被還原成液態(tài)低沸點(diǎn)物質(zhì)。

美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNAL）于1977年在該地進(jìn)行了干熱巖型地?zé)醿?chǔ)試驗(yàn)，論證了由干熱巖提取地?zé)崮艿目尚行浴Ｔ囼?yàn)表明：①循環(huán)水水質(zhì)良好；②水量損耗隨時(shí)間的推移而逐漸減??；③未檢測(cè)到對(duì)周圍環(huán)境的不良影響。為進(jìn)一步淪證利用干熱巖型地?zé)豳Y源進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作的可行性，在20世紀(jì)80年代中期，在芬頓山又建立起一處新的干熱巖型地?zé)醿?chǔ)，其深度為3680米，巖石溫度達(dá)238℃。經(jīng)過(guò)30天的抽水試驗(yàn)，供水量達(dá)50米^3/時(shí)，水溫200℃，熱功率達(dá)10兆瓦。已在此地建造了一座干熱巖地?zé)犭娬灸M商業(yè)發(fā)電，成為世界上干熱巖型地?zé)豳Y源試驗(yàn)性開(kāi)發(fā)利用的首例。