冰岛深钻工程探索深部非常规地热资源

1、冰岛深钻工程：探索深部非常规地热资源Gudmundur O. Fridleifsson a, , Wilfred A. Elders ba ISOR, Iceland GeoSurvey, Grensasvegur 9, IS-108 Reykjavik, Icelandb Department of Earth Sciences, University of California, Riverside, CA 92521-0423, USAReceived 17 May 2004; accepted 5 November 2004Available online 5 February 200

2、5前言冰岛深钻工程（IDDP），是一个通过从钻井深部生产表面含水泥浆的长期为提高地热经济效益的工程。产生的超临界流体需要在3.55km深、温度达450600o C深井中的岩石与土壤的样本。IDDP计划在冰岛的Krafla、Nesjavellir 以及Reyk- janes地热地区开展相同深度的钻井施工。在这三个含有高温地热资源地区下面5km处存在活跃的地震带。表现为：即便在地表，岩石破碎因而可能有地热渗出，有的地方温度甚至超过了550650 o C。Krafla、Nesjavellir 较 Reykjanes地区温度梯度更大但泥浆盐度更小。但是在Reykjane区域地下进行的一个有成效的钻井工

3、程，通过IDDP来实现由现有一些2.km深的钻井深度延至5km深，来拓展现有的热钻探设备的能力。此外在这一大西洋中部洋脊的延伸区域进行的深部钻井工程，有着潜在的经济的价值，并吸引诸多的国际科学团队研究。本文阐述了在井内深部表面温度和压力下汇聚产生的超临界流体的前景。当泥浆从40005000m深处取出时证实遭受了化学侵蚀。而当泥浆性质稳定时才能保护井身和管材，这是通过狭窄的钻杆内腔抽取泥浆来实现的。实验模型表明：如果地焓泉超越常规情形产生的地热蒸汽，汇集后温度会超过450 o C。在深井中汇集的蒸汽温度在450 o C以上，其产生的速度为0.67m3（约为2400m3h），具有可以使用的价值，能

4、够产生4050MW的电能。在冰岛从这一常规地热井中获取超过典型数量级电能。IDDP的目标是测定这类将提升价格竞争优势的，如在非常规地热能中超临界情况下的热能利用率。假如该IDDP获得经济效益的成功，在别的地方针对另一类高温火山地热系统的同样研究将申请开展，这对增进全世界地热能工业的发展是重要的一步。关键词：超临界流体 地热能 科学钻探 大西洋中部洋脊 井筒流动1. 引言本文对4至5篇有关冰岛深钻工程（IDDP）的论文，进行总结并提出新的观点。本文已于2003年9月在Reykjavik召开的国际地热会议上发表1。第五次会议的论文2在拓展和更新看法的基础上进行了总结3。这些论文是基于两年来冰岛深钻

5、工程的可行性报告而开展的研究4。这一报告可见IDDP网站：。未来几年IDDP计划在冰岛现有的三个地热资源开采区域（如图1所示）地下进行一系列的钻井工程来了解超临界流体。这需要钻进深度达45km，同时地热流体取样温度在450600 o C之间。IDDP是“深部梦想”的产物，这是一个由冰岛三大能源公司财团以及Orkustofnun部门（冰岛国家能源机构）正在实现的工程。这是由冰岛密集型电力能源工业不断发展的需求所决定的。深部梦想的目的是通过利用非常规地热中的超临界地热流体来促进地热经济的发展。冰岛具有本土研究超临界流体的优势，这是由于在活跃的地质运动环境中频繁的地震和活跃的火山活动带来深井中的高温

6、性与高渗性。这样的环境造就了冰岛特殊的地质环境，分叉的板块像羽状覆盖大西洋中部洋脊的分界处（如图1所示）。 图1 冰岛活跃地裂与火山运动区域。IDDP考虑实施的三个钻井区域的位置图中所示：Reykjanes 和Nesjavellir的西南部以及 Krafla的东北部。冰岛由东向西跨度约为500km。2. 工程进展1985年在Nesjavellir地热区域的Hengill中心火山进行的NJ-11钻井，没有像预期的那样仅在2220m井深处的超过380 o C的环境中遇到之前确信存在的超临界流体5。井内流体的高压与高流速让钻井存在失控的危险，因而用600m厚的砂砾石袋封隔了这一超临界区域。该井作为一

7、口常规地热生产井分两阶段完工，至今仍为Nesjavellir地区的电厂提供热蒸汽。在冰岛的这一钻井经验激发了人们对生产超临界流体所需钻井深度的进行慎重地思考与认识。同年六月邀请国际地热组织参加的世界地热大会在日本召开，会上提出了立足于探寻对超临界流体新的认识而在2000年初期实施深部钻井工程这一设想6。2001年三月至2003年之间为IDDP可行性研究阶段，通过三个工作组各自分配的工作完成：（1）地质科学：确定钻井对象并将候选井位区分优先次序；（2）钻井技术：注重考虑安全性和经济性确定最合适的超临界井的钻井施工方案；（3）流体处理技术与价值评估：评估超临界流体的生产、取样以及利用的技术。200

8、3年12月随着详细计划的展开与钻井科学基金的成立使得深部梦想工程得到广泛的支持与认可，并初步探讨了一些潜在的国际工业合作伙伴。工程决定采用Reykjanes地区地热行业供应的地热钻井设备使钻井深度在2005年初加深至2.7km。如果有合适的合作伙伴和资金在适时的时候加入进来，预计在2006年钻至4km深并在2007年至5km深。Reykjanes地热地质情况可由的一个简单岩层模型（如图2所示）来形象地描述。图2 Reykjanes地热地质情况简单岩层模型图深部钻井工程也对整合科学研究和工程学充满兴趣，IDDP目的在于利用二者的优势。在国际大陆科学钻探项目的资助下，在2001年6月由冰岛与国际共同组成科学应用咨询组织（SAGA）旨在为该科学项目的资金审查者（本文作者）提供建议。SAGA于2002年3月成立了一个国际工作小组，确定预先的钻井环境和对象并推荐最佳的钻井、取样、测量工艺技术。第二工作小组于2002