熱岩資源

熱岩資源（全稱乾熱岩資源）是以熱能的方式賦存在深部熱岩體中能量，其熱量本質來源於地球物質中放射性元素衰變。根據大地熱流在上地殼熱流由兩部分組成，一部分為以熱傳遞方式由地幔向地表傳導的熱量；一部分為地殼表層（10 km）岩體中U、Th、K放射性衰變產生的熱量。乾熱岩資源潛力巨大，然而，目前為止，受鑽探技術、物探手段、熱能轉換技術等條件的制約，可供開發的乾熱岩示範基地相當局限。詳細介紹了乾熱岩資源的概念、特徵、乾熱岩存儲激發工程等內容。

基本介紹

• 中文名：熱岩資源
• 外文名：hot rock resource
• 全稱：乾熱岩資源
• 英文全稱：hot dry rock resource
• 領域：能源
• 學科：熱力學

資源簡介

乾熱岩蘊藏著巨大的熱能，是世界已開發國家積極開發的重要資源之一。增強型地熱系統是在乾熱岩技術基礎上提出的，經歷了40餘年的研究。綜述了世界乾熱岩的研究的發展歷程、示範工程中失敗和成功的經驗，論述了開發過程中關鍵科學技術的重要成就和不足之處，展望了高溫地熱資源開發的技術發展方向及資源利用前景。
在闡述乾熱岩資源賦存的指標參數的基礎上，通過國內外已發現乾熱岩資源的成因模式分析，結合中國地殼結構背景，將中國乾熱岩資源的賦存類型分為高放射性產熱型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構造活動帶型乾熱岩資源。比較了不同類型乾熱岩資源的成因機制及差別，提出乾熱岩資源賦存的有利前景區。

乾熱岩作為清潔可再生能源，在中國分布廣泛。初步估算，10 km可開發利用的乾熱岩資源占地熱資源總量的90%，經濟地獲取深部乾熱岩資源成為迫切任務。乾熱岩資源開發最關鍵的技術是儲層建造，為滿足商業化開發的目的，激發後儲層必須達到一定體積的有效換熱空間，同時開採井應滿足理想的開採流量及保證較長的開採年限。本文總結目前國際乾熱岩工程的儲層激發情況及相關關鍵技術。

乾熱岩作為清潔的可再生能源是地熱能中最具潛力的部分，是地熱能的未來。從分布上來講，乾熱岩資源和淺層地溫能一樣，屬於無處不在的資源，然而，乾熱岩與淺層地溫能相比受氣候等外界條件影響更小；從資源品質來講，乾熱岩資源主要用於發電，能解決國家能源根本需求，資源基數更大。因此乾熱岩也被稱作可能改變未來的新能源，乾熱岩發電為中國地熱能利用的長期目標。

中國乾熱岩資源潛力巨大，中國地質調查局評價了中國陸區乾熱岩資源潛力，中國陸區3.0～10.0 km深處乾熱岩資源總量為2.52×10²⁵J，相當於860萬億噸標準煤，按2%的可開採資源量計算，相當於中國2010年能源消耗總量的5300倍。

乾熱岩開發的具體工程技術稱為EGS（enhanced geother⁃mal system）。對於建造EGS而言，最關鍵的技術就是儲層的激發，國際上普遍認為理想經濟的EGS系統，激發儲層體積應達到0.1 km³，有效熱交換面積應達到100萬m²。目前而言，國際上很多EGS工程儲層激發體積已能遠遠超過0.1 km³的目標，而熱儲有效換熱面積距離商業化的要求還有一定的差距，主要原因在於激發過程中對裂隙系統的控制還不夠理想。

資源特徵

我國乾熱岩資源特徵

我國乾熱岩地熱資源開發潛力巨大，最新的計算結果表明，中國大陸（3-10Km）深度乾熱岩地熱資源總量為20.9*10⁶EJ, 合719*10¹²t標準煤.若按2%的可開發資源量計算,是傳統水熱型地熱資源量的168倍，相當於中國
2010年全年能源消耗總量的4400倍；中國處於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線!是地熱資源較豐富的國家之一。東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在台灣、海南和東南沿海形成一個高地溫梯度區)東部受太平洋板塊擠壓，形成長白山、五大連池等休眠火山或火山噴發區和京津$膠東半島等高地溫梯度區。這些熱異常區存在著豐富的高溫地熱資源，是乾熱岩地熱資源的優先開發區域。

美國乾熱岩資源特徵

根據地質環境以及其他數據的綜合研究顯示，美國有24個潛在的可供參考的開發乾熱岩的地區。研究發現，
資源多出現在地質構造發育的地帶!根據這些有潛力地區的岩層和推斷的熱源進行分類。其中新墨西哥州的芬頓山被認為是乾熱岩比較理想的區域!並對其進行了詳細研究。除此之外還有 其 他 三 個 具 有 前 瞻 性 價 值 的 地 方：加 州湖地區、猶他州羅斯福溫泉區!新罕布夏州 懷 特 山 脈 地 區。這 些 地 區 都 是 因 為 在乾熱岩開發利用中有著顯著不同的地質和地球物理特徵!並且岩石儲層結構和儲層溫度方面也特別適宜乾熱岩資源的開發利用。

儲層激發

乾熱岩儲層的激發是指通過向儲層注入高壓流體使熱儲原有裂隙擴展沿伸從而達到增大儲層換熱性能的目的。儲層的激發並不是乾熱岩資源開發工程的最終目的，如何通過儲層激發達到理想的熱提取效果才是乾熱岩工程的關鍵。因此從這個角度而言，乾熱岩資源儲層的開發包括儲層的表征、儲層的激發和儲層的管理3個關鍵步驟。

1）儲層的表征是認識熱儲原有裂隙系統和滲流系統的過程，與傳統水熱系統的研究類似，很多鑽探、物探、測井技術在這方面能夠發揮重要作用，目前國際上使用較多的為鑽孔成像和微震監測，前者可以獲取一維準確的鑽孔裂隙參數，後者通過微震解譯可以獲取激發過程中產生的三維裂隙空間信息。

2）儲層的激發則是乾熱岩工程所特有，關鍵技術包括創建新的裂隙通道和滲流途徑、有效滲流通道的解釋，儲存封隔等。

3）儲層的管理需要對儲層有足夠的認識基礎上，通過對壓力、流量等參數的控制使熱儲能夠達到長期熱提取的目的。EGS系統屬於人造熱儲系統，因此儲層的管理是系統運行的關鍵。相關技術包括裂隙通道及滲流途徑的控制、運行過程中滲流監測、開採井鑽探以及實施模擬預測等。

目前，中國還未開展過具體的乾熱岩壓裂工程，中國科學院廣州能源所、吉林大學等在深部熱儲模擬上做了深入研究，提出了耦合THMC的裂隙換熱模型。隨著頁岩氣水力壓裂的開展，中國陸續在個別深井開展了多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重複壓裂等壓裂工藝。乾熱岩的壓裂通常採用清水壓裂，與頁岩氣開發中壓裂最大的不同在於地層岩性，乾熱岩的壓裂一般為堅硬的結晶岩體，乾熱岩壓裂可以從頁岩氣水力壓裂中得到啟發。

儲層激發原理

EGS儲層的激發與石油、天然氣中的壓裂有很多相似之處，其目的均是通過在岩體中高壓注水提高儲層滲透性，從而達到最大限度採油或提熱的目的。然而，兩者在壓裂原理上有著本質不同，EGS的激發是水力剪下破壞，有別於石油、頁岩氣開發中的拉伸破壞。

水力剪下是通過使岩體發生彼此間位移後，由於裂隙面表面粗糙度的作用在激發壓力釋放後仍然維持裂隙面的張開。水力壓裂則不同，岩體不會形成彼此滑動，因此，在注水壓力下降後，裂隙面會重新閉合，這也是在石油和天然氣的壓裂中需要通過支撐劑來維持裂隙面張開的原因。

對於乾熱岩熱量提取而言，剪下破壞的優點在於使岩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時流速不會過快，這樣就可以使流體從注入井到生產井流動過程中充分地與儲層換熱達到理想的開發溫度，同時，也可以通過減少短路循環和過早形成熱突破而延長儲層壽命。
為了創建最佳裂隙面大小、隙寬、密度和方向的裂隙網路，在單井中的水力剪下通常需要進行多級壓裂，多級激發的優點有：

1）創建更大的儲層體積，大大增加儲層有效的換熱面積；

2）增加系統的滲透性和連通性，從而提高流體產能和降低注入壓力，提高系統的綜合經濟性和發電性能；

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

4）使裂隙網路半徑達到500 m以上，大大延長儲層壽命。

熱岩開發工程

隨著20世紀70年代美國第一個乾熱岩資源開發工程的建立，40多年來，很多國家的示範工程均在深部熱儲的建立上積累了豐富的經驗，主要體現在儲層激發原理完善、激發壓力和時間的控制、激發中裂隙空間結構的表征、多儲層激發等，綜合分析這些經驗和教訓對於建立中國乾熱岩示範工程不無裨益。表1總結了目前EGS工程的相關數據。可以看出所有的工程在初期激發試驗時具有相似的注入率，但激發途徑卻各有不同，主要原因是儲層壓裂工藝和原生裂隙系統的不同。

新墨西哥芬頓山

第一個乾熱岩HDR示範工程在新墨西哥芬頓山於1974年開始，位於Valles火山口西翼，屬於環狀裂隙帶的外側，項目最初目的是試圖利用水力激發來創造人造儲層。在1983年的試驗中，產生了850個0～3級的微震事件，這些微震事件主要通過井下微震檢波器獲取。該項目儲層的建造採用傳統石油工程中的壓裂方法，因此產生了大量的張性裂隙，隨著後期認識的不斷加深，發現張性裂隙並不是EGS儲層開發所期待的。

瑞士巴塞爾

2006 年，在瑞士巴塞爾開展了深部地熱開採計畫（DHM），通過施工了一個深鑽來創建人造熱儲層。整個
激發過程起始注入流量為1.7 L/s，當井口壓力達到11 MPa時開始誘發地震。在持續6 d的激發過程中，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。在流量達到28 L/s後，壓力和微震頻率有表現出持續24 h的增加，反映出熱儲中壓力的逐漸形成。隨後流量增大到41 L/s，第一個大於2級的地震被誘發。在達到最大流量後（55 L/s），井口壓力達到29.7 MPa，產生了4個大於2級的微震，隨後注入停止並閉井。然而，由於儲層壓力的持續積累，微震事件並沒有馬上減弱，在井口壓力消散前產生了3.4級的微震，整個激發過程用水11000 m³。

澳大利亞庫珀盆地

澳大利亞庫珀盆地具備大量放射性的元古代花崗岩，勘察結果顯示，該地區熱能儲量高達500億桶原油當量。由於庫珀盆地處於極高的壓應力機制，需要很高的井口注入壓力激發裂隙，這使其有別於其他乾熱岩激發工程而成為世界EGS儲層激發的重要組成部分。澳大利亞庫珀盆地成功激發了Habanero1和Jolokia2兩個地熱井Habanero1激發持續時間為9 d，注入水量超過20000 m³，最大注入流量為48 L/s，最大井口壓力為75 MPa。由於很高的注入壓力，誘發了3.7級微震，是目前為止世界EGS工程所誘發的最大的地震事件。Jolokia2儲層改造結果目前還未公布。

德國Gross-Schoenebeck

2007年，德國在東北部盆地區開展了對井EGS激發工程，該地區處於正斷層以及走滑斷層應力機制，與法國Soultz工程極為相似。但與其他EGS工程不同的是，為減小激發過程中裂隙面所產生的阻力，在壓裂液中添加了化學物質。主要添加物包括降低裂隙面摩擦的化學物、醋酸、低濃度砂粒等。激發過程中的最大注入流量達到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低對支撐劑運行距離的影響，從而達到理想的裂隙面填充效果。裂隙變形持續了4.4 d，整個過程注入量達到13000 m³。該工程的激發由於添加了過多的化學物質，與目前國際上公認的EGS清水壓裂相違背，因此，其壓裂效果不能作為中國乾熱岩開發示範工程的有效參考。

德國蘭道

位於德國蘭道的EGS工程同樣由一組對井組成，分別為GTLA1和GTLA2，目前正處於發電中。該井最初的鑽探目標是尋找一個已知存在的斷裂帶，GTLA1水量很大，並不需要激發，而GTLA2相對較差，因此試圖通過注入高速流體來擴大儲層增加產能。

由於儲層本身的滲透性很好，因此進行高流量的注入來激發更多裂隙是非常必要的。整個激發過程注入水量約為5000 m³，注入最高流量達187 L/s，井口壓力為13 MPa。德國蘭道在EGS 儲層激發上是成功的，實現了儲層增產的目的。

法國蘇爾茨

在20多年的研究中，法國蘇爾茨是目前世界上公認的儲層激發效果最好的EGS工程。整個系統目前包括：200℃的EGS熱儲層、一口注入井、兩口生產井，井下泵以及1.5 MW的雙工質發電機組。在激發GPK2井時，大約23000 m³的水在6 d多的時間注入井中，最大誘發微震等級為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，從天然狀態的0.18 L（/s·MPa）提高到激發後的4.48 L（/s·MPa），導致了中等規模裂隙網路的連通。與此相反，對 GPK3 井的激發持續 10.6 d，注入水量38000 m³，所誘發的最大地震2.9級。激發過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，由開始的2.01~3.48 L（/s·MPa）增大到5.31 L（/s·MPa）。儘管井口流量和壓力與GPK2井相類似，而滲透性的增長卻
不是十分明顯，監測結果顯示70%的水量進入了一個已有4705 m的裂隙帶。

關鍵技術

人工壓裂技術

針對不同的深部地應力場條件和裂隙發育特徵，通過控制注入水流量使深部熱儲達到理想的剪下破壞是目前人工壓裂技術重點解決的問題。乾熱岩開發本身的壓裂設備和石油天然氣開發中壓裂設備基本相同，主要的區別在於乾熱岩的壓裂設備需要解決耐高溫問題。而高溫岩體冷卻收縮效應也使乾熱岩儲層激發相對於傳統油氣儲層更容易發生。

上述各國的儲層激發試驗均表明，在堅硬的花崗岩中創造新的裂隙幾乎是不可能的，通過注入水壓力的控制使儲層已有的裂隙面錯動和延伸從而形成有效的換熱面積是目前國際公認的EGS儲層建造方法。實際乾熱岩開發工程中，熱儲的創建主要包括以下關鍵步驟：

1）安裝微震監測器；

2）形成已有注入井的剪下破壞；

3）施工兩口開採井，並對其儲層進行水力剪下破壞；

4）開展30～60 d的儲層循環測試，評價熱儲連通性及表現。

儲層壓裂相關的技術主要包括：微震解譯、井下電視成像、區域構造雷達反演、光纖式溫度測井、岩體室內切片分析、電鏡掃描、模擬預測等。

儲層封隔技術

目前為止，世界乾熱岩資源開發工程大部分採用的是高溫物理封隔器，通過對目標層位的封堵達到對特定儲層激發的目的。其優點在於，封隔器深度可以自由調節，可對指定深度進行儲層激發。缺點在於受溫度影響，很多封隔器採用彈性密封元件，溫度上限為225℃，同時，高溫封隔技術操作過程中需要鑽機配合，存在較高的施工卡鑽危險，容易造成井孔報廢，從而對整個工程造成較大的經濟損失。目前為止，大多數的高溫儲層封隔器僅適用於套管段，而EGS儲層激發的目標為裸孔段，因此，傳統物理封隔技術的套用受到了很大的限制。

化學和生物封隔技術目前在部分已開發國家已開展了廣泛的研究。一種高溫降解生物隔離技術（TZIM）目前在美國剛剛成功套用於Newberry乾熱岩工程。相對傳統儲層封隔器具有成本低、風險小、耐溫性能好等特點。具體如下：

1）注入井後保持顆粒狀；

2）密度與水接近，操作時和注水一起進入最滲透的裂縫；

3）TZIM 會密封已有裂縫，通過激發可裂開更多層的岩石；

4）操作無需井架，可採用分散式光纖溫度感測器（DTS）監控井下隔離效果。

化學刺激技術

化學刺激最早套用於油氣井的增產，通過將酸注入儲層裂隙，目的是將裂隙面流體長期運移和沉澱過程中產生的礦物溶解，達到增大對近井區岩體滲透性的目標。對於EGS而言，結合化學刺激和水力激發可以降低注入壓力、減小微震等級，最佳化儲層管理。

近30年來，許多不同的化學酸化刺激法被套用於地熱。然而，同一種化學激發劑可能只適用於特定的地層，
對於EGS儲層激發而言，目前正在研究針對各種不同地層的綜合化學刺激法。法國Soultz乾熱岩工程採用了化學刺激方法使注入率提高了1.12~2.5倍。激髮結果顯示注入酸與花崗岩體的裂隙之間的礦物發生了較為強烈的反應，增加了儲層的滲透性。總體而言，化學刺激受到時間、體積和濃度等方面的制約，因此其發展還需要更多的室內實驗及工程驗證。

主要挑戰

結合具體的乾熱岩開發工程，在乾熱岩儲層激發方面主要存在以下挑戰：

1）提高注水壓力可以破裂岩石並可產生更多的熱能，但所注的水大多被導入最滲透的岩體；

2）在整個儲層的激發過程中，儲層很多部位得不到有效激發，熱儲采熱量受到了限制；

3）過分增加井口壓力提高注水量，會誘發較大的地震；

4）單層裂縫不足以提供滿足經濟發電所需的熱交換面積，系統循環水流量低。

如何在經濟的條件下，創建足夠大的儲層有效換熱空間，是目前EGS發展需要迫切解決的問題。發展高溫儲層封隔技術，通過多次激發來增大儲層空間是實現EGS商業化的有效手段。