胡才博 ,刘汉青

1 中国科学院大学地球与行星科学学院,

2 中国科学院计算地球动力学重点实验室

3 广东省梅州市蕉岭县科工商务局

地球是一个巨大的热库,地热能起源于地球内部熔融岩浆和放射性物质,通过热传导和热对流等方式向着地表释放热量(汪集旸等,2015)。根据全球平均大地热流值可以估算,每天从地球内部传送到地表的热量相当于现在人类平均每天使用能量的2.5倍(Wang等,2018)。

地热资源包括地热能、地热流体及其他伴生资源,是一种综合性矿产资源,可用于发电、采暖、种植、养殖等。按照分布位置和赋存状态,地热资源可以分为四类:浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩地热资源和岩浆型地热资源(汪集旸等,2015)。

干热岩是指埋藏于地球较深部,一般埋深3000-5000米,内部不存在或只存在少量流体,温度高于180 ℃ 的高温岩体(汪集旸等,2012;王贵玲和蔺文静,2018)。干热岩资源的开发和利用涉及到地质学、地球化学、地球物理、热储工程、钻探测井、水力压裂等多个学科及技术,虽然国内近年来各方面的技术都有了较大提升,不过与国外仍有较大的差距。

图1 增强地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)的三维工作原理图(修改自Olasolo等,2016)

我国大陆埋深为3-10 千米的干热岩所蕴含的能量约为2.09e25 J,折算成标准煤为714.9万亿吨,是传统水热型地热资源量的168倍,若按2%可开采资源量计算相当于我国2010年一次性能耗总量的4400倍(李瑞霞等,2019)。相较于浅层地热资源和水热型地热资源,干热岩地热资源分布范围更广,温度更高,资源储量更大,同时相较于岩浆型地热资源技术上更为成熟,是目前地热资源开发利用的热点。

尽管干热岩地热资源开发和利用有巨大的潜力,但迄今为止,商业地热能开发和利用大多局限于水热型地热资源。近几十年来,随着增强地热系统的成熟,干热岩地热资源的商业化开发也逐渐成为了可能(Kumari等,2019)。

增强地热系统(Enhanced Geothermal System,简称EGS)是一种干热岩开发常用的技术手段,通过水力压裂等方式将干热岩天然储层改造成具有较高渗透性的人工地热储层,通过注水井和生产井的连续注采形成人工流体循环,在此基础上从中长期经济地提取相当规模的热能并加以利用(许天福等,2018)。

目前,一般采用井网压裂的方式构建增强地热系统提取热量,通过注水井将高压水注入干热岩层,注入冷水充分吸收干热岩地层的热量后,经生产井将高温水和蒸汽采出驱动汽轮机发电,实现干热岩地热资源开发和利用。在整个操作过程中,流体形成一个闭环循环,提供长期、稳定的能量生产(Kumari等,2019)。

干热岩人工压裂方法通常有水力压裂、化学压裂和热压裂等,水力压裂是目前最常用的方法。国内外对干热岩水力压裂的研究很多,实验室水力压裂模拟、数值模拟、现场水力压裂监测被广泛运用于世界各地的增强地热系统项目中,以水力压裂压裂研究结果为约束,进行开采过程的数值模拟,从而对水力压裂和干热岩注采的各项参数进行优化和调整(刘汉青等,2023)。

20世纪70年代以来,国外对干热岩地热资源开发和利用进行了长期的探索,目前已经实施了41个干热岩开发项目,这些项目主要分布在欧洲、北美洲、澳洲、亚洲、中美洲的14个国家,其中德国、美国为实施干热岩开发项目最多的国家(毛翔等,2019)。

图2 共和盆地恰卜恰地区地质构造背景和地热资源分布图(刘汉青等,2023)

(a)青海共和盆地地质构造背景图,其中的蓝框放大之后为图(b)的区域;(b)青海共和盆地恰卜恰地区地热资源分布图

41个项目中,25个属于传统意义的干热岩开发项目,16个属于增强型地热系统(毛翔等,2019)。世界上首个干热岩地热资源开发和利用项目是美国于1973年开展的新墨西哥州芬顿山项目,实现了干热岩地热资源开发和利用从概念到实验的飞跃;苏尔茨项目是由德国、法国、英国联合在法国苏尔茨开展的增强型地热系统,是截止目前人工热储压裂效果较好的干热岩开发工程,同时也是运行情况最好的增强地热系统之一;世界上最大的增强型地热系统项目位于澳大利亚库珀盆地,不过该项目水损率在20%左右,难以长时间维系出口取热温度,一直未实现商业化开发(何淼等,2021)。

我国干热岩地热资源开发和利用较晚,尚属于刚刚起步。2012年,吉林大学、清华大学、中国科学院广州能源研究所先进能源系统实验室承担了国家高技术研究发展计划项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”,开启了国内专门针对干热岩工程的研究(李瑞霞等,2019)。目前仅在部分地区进行了干热岩资源调查,并在青海共和盆地、福建漳州和松辽盆地等进行了钻探研究(许天福等,2018)。

青海共和盆地干热岩型地热资源丰富,分布广泛,储量巨大,地热储层主要位于2100 米以下的印支期花岗岩地层,潜在干热岩总面积约为1.4e4 平方千米,静态干热岩资源总量为8974.74e18 J,换算成标准煤可达3066.19e8 t,是中国干热岩开发的最重要的远景区(张森琦等,2019)。其中恰卜恰地区是共和盆地干热岩的富集区域,呈椭圆状,东西长16 千米,南北宽10 千米,面积近160平方千米,即著名的恰卜恰干热岩体(贠晓瑞等,2020;张森琦等,2020;刘汉青等,2023)。

图3 共和盆地恰不恰地区GR1井开采1年、10年、30年后温度、压力和流体速度分布(刘汉青等,2023)

共和盆地恰卜恰地区干热岩埋深较浅,其中DR3在2104 米深度处即达到了干热岩标准(雷治红,2020)。地温梯度较高,该地区基底花岗岩层现今地温梯度为39~45.2 ℃/km,平均值为41.3 ℃/km(张超等,2018)。目前共和盆地恰卜恰地区干热岩开发已经进入水力压裂阶段(徐胜强等,2021;周健等,2021),针对共和盆地干热岩开发有大量的数值模拟研究(刘汉青等,2023),展示了干热岩开发过程中温度、孔隙流体压力和孔隙流体速度的时空分布,对于定量评估干热岩开发的商业价值和运行寿命具有重要的科学意义。

干热岩开发和利用前景远大,我国需要尽快出台规划相关法律法规和方针政策,加大勘查力度,进行科技攻关,逐步追上国外先进水平,早日实现干热岩的商业化开发。

参考文献

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