干热岩及其开发技术

1、干热岩及其开发技术（1）胡经国一、广义与狭义干热岩1、干热岩一般定义众所周知，地球内部蕴藏着巨大的能量，地心温度高达6000C。地球通过 火山、地震、地热等方式源源不断地释放着内部的能量。干热岩（Hot DryRock, HDR）是地球内部热能的一种赋存介质。自20世纪70年代美国Los Alamos国家实验室提出干热岩地热能的概念以来，干热岩的定义也在不断地发 展。在最新的地热能术语中，十热岩被定义为：内部不存在或仅存在少量 流体、温度高于180 C的异常高温岩体。2、广义与狭义干热岩定义另外，考虑其客观性、科学性、可行性和经济性，干热岩的基本含义可分 为广义干热岩和狭义十热岩两类。广义干热

2、岩是指流体含量很少、温度为150400C的储热岩体。狭义干热岩必须考虑地热能发电的经济性和可行性，主要是指流体含量 少、埋深为38千米、温度为200350C的储热岩体。其岩性主要是各种变质 岩或结晶岩体，较常见的十热岩体有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。二、干热岩开发利用潜力1、干热岩开发利用潜力概述干热岩资源就是存在于岩体中的热量资源。人们通常通过温度对十热岩体 中的热量资源量进行评估。那么，干热岩体中赋存的热量究竟有多大？以一个 边长为1千米、温度为200C的高温岩体为例，其温度下降10C所释放的热量 可实现发电量约为1000万MWh，可满足2000万平方米1年的建筑供暖需求。在地下达

3、到一定的深度以后，这样的高温岩体无处不在，可以说干热岩资 源的潜力是巨大的。目前，限制干热岩开发主要是技术问题。但是，就现阶段 而言，由于技术和手段等限制，能被人类所揭露及开发利用的十热岩资源主要 集中在埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的地下干热岩体。据保守估计，地壳中干热岩（通常指310千米深处）所蕴藏的能量相当 于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。2、中国干热岩开发利用潜力中国地质调查局的评价数据显示，中国大陆310千米深处的十热岩资源 总量为2.5x1025 J，相当于856万亿吨标煤）；若能开采出2%，则相当于中国 2015年全国一次性能耗总量的4400倍。中国科学院地质

4、及地球物理研究所也对中国大陆310千米深处的十热岩 资源进行了评价，得出的结论是2.09x1025 J，相当于715万亿吨标煤。相近的 数字印证了中国干热岩地热资源开发利用的广阔前景。三、干热岩地热能开采方式1、最简单的开采方式钻个几千米深的钻井，然后在井底安放炸药，把周围的岩石炸成粉末，并 在远处岩石中造成无数细小的裂隙；然后，向钻井中注入冷水，冷水在十热岩 中被加热，然后把热水抽取上来。这种开采方式简单粗暴，技术低下，目前没有哪个国家使用。2、最难的开采方式在十热岩中先钻第一口钻井，然后注入高压水。高温干热岩遇水后，由于热胀冷缩以及高压作用因而会产生无数细小的裂 隙，高压水进入裂隙并继续前

5、进；然后，在距离这口钻井几百米的地方再钻第 二口钻井抽取热水。这种方式的好处显而易见，它大大地增加了十热岩与水的热交换面积；然 而这种方式充满挑战。比如说，在第一口钻井中注入高压水后，这些高压水朝正东方向运移；但 是，如果在东北边钻第二口井时没有如期抽上来热水，你在东南边钻第三口井 时还是没有抽上来热水，那么这就意味着开采失败了，甚至会导致开采企业破 产。要想增加抽取热水的概率，最简单的办法是“注水井”距离“抽水井”近 一些。打个比方，比如说20米距离；然而，这样的距离形成的热交换面积又太 小，这会让十热岩开采变得没有经济价值。以上困难在早期的十热岩地热能开采试验中比较突出。但是，随着技术的

6、发展进步，已经有可行的办法知道干热岩中裂隙的走向了，比如采用微震监测 和声发射监测等得知。另一个困难是，在30004000千米深的地下，岩体结构复杂，有时会出现 漏水的情况；而人们甚至不知道它漏到哪儿去了。比如说，用高压向井中注入 1万吨冷水，结果仅只抽上来100吨热水，这就亏大了。要想从十热岩中获得地热能量足够大、持续时间足够长，比如说20年以上 的地热能量，关键是需要在数千米深的十热岩中形成一个足够大的换热区。这 需要注水井和抽水井相距比较远，比如说1000米。但是，困难是，如何使用水 力压裂法或是其他什么方法将这1000米厚的岩体中的裂隙连通，而且还得像毛 细血管一样地连通。其它的困难还

7、有，这里不再举例。四、干热岩开发关键技术1、增强型地热系统干热岩资源开发主要利用增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）来提取其内部的热量。增强型地热系统，是指通过水力压裂等 工程手段，在地下深部低渗透性、高温岩体中形成人工地热储层，从而长期经 济地采出相当数量热能的人工地热系统。2、干热岩开发原理十热岩开发原理是：从地表向深埋地下的十热岩体中打一眼井（回灌 井），封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水产生高的压力，在岩体致密无 裂隙的情况下，高压水会使岩体在大致垂直最小地应力的方向产生许多裂隙。若岩体中本来就有少量的天然裂隙，这些高压水会使之扩展成为更大

8、的裂 隙。随着低温水的不断注入，裂隙不断增多、扩大、相互连通，最终形成一个 大致呈面状的人工地热储层。在距回灌井合理的位置处，钻几口井并贯通人工 地热储层；这些井用来回收高温水、汽，称为生产井。向井中注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生高温高压 水或水汽混合物。从贯通人工地热储层的生产井中提取高温蒸汽到地面后，通 过热交换及地面循环装置用于发电和综合利用。利用之后的温水又通过回灌井 注入到地下干热岩体中，从而达到循环利用的目的。五、干热岩储层开发干热岩储层激发是指通过向储层注入高压流体，使储层原有裂隙扩展延 伸，从而达到增大储层换热性能的目的。干热岩储层激发并不是十热岩开发工 程

9、的最终目的。如何通过储层激发达到理想的热提取效果，才是干热岩工程的 关键。因此，从这个角度而言，干热岩储层开发包括储层表征、储层激发和储 层管理3个关键步骤。1、储层表征储层的表征是认识热储原有裂隙系统和渗流系统的过程，与传统水热系统 的研究类似，很多钻探、物探、测井技术在这方面能够发挥重要作用。目前， 国际上使用较多的为钻孔成像和微震监测。前者可以获取一维准确的钻孔裂隙 参数；后者通过微震解译，可以获取激发过程中产生的三维裂隙空间信息。2、储层激发储层的激发为干热岩工程所特有。其关键技术包括：创建新的裂隙通道和 渗流途径、有效渗流通道的解释、储存封隔等。3、储层管理储层的管理需要在对储层有足

10、够认识的基础上，通过对压力、流量等参数 的控制，使热储能够达到长期热提取的目的。EGS系统属于人造热储系统，因 此储层的管理是系统运行的关键。相关技术包括：裂隙通道及渗流途径的控 制、运行过程中的渗流监测、开采井钻探以及实施模拟预测等。目前，中国还未开展过具体的十热岩压裂工程。中国科学院广州能源所、 吉林大学等，在深部热储模拟上做了深入研究，提出了耦合THMC的裂隙换热 模型。随着页岩气水力压裂的开展，中国陆续在个别深井开展了多级压裂、清 水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂等压裂工艺。干热岩的压裂通常 采用清水压裂。它与页岩气开发中的压裂的最大不同在于地层岩性；干热岩压 裂岩体一般为坚硬

11、的结晶岩体。干热岩压裂可以从页岩气水力压裂中得到启 发。六、干热岩储层激发原理EGS储层的激发与石油、天然气中的压裂有很多相似之处。其目的都是通 过在岩体中高压注水来提高储层渗透性，从而达到最大限度采油采气或提热的 目的。然而，两者在压裂原理上有着本质不同。EGS的激发是水力剪切破坏， 有别于石油、页岩气开发中的拉伸破坏。水力剪切是通过使岩体在发生彼此之间相对位移之后，由于裂隙面表面粗 糙度的作用，因而在激发压力释放以后仍然维持裂隙面的张开。而水力压裂则 不同，岩体不会产生彼此之间相对滑动，因而在注水压力下降以后，裂隙面会 重新闭合。这也是在石油和天然气的压裂中，需要通过支撑剂来维持裂隙面张

12、开的原因。对于十热岩热量提取而言，剪切破坏的优点在于使岩体形成的裂隙面足够 大而裂隙宽度维持较小，流体在裂隙面中穿过时流速不会过快。这样，就可以 使流体在从注入井到生产井流动过程中，充分地与储层换热并达到理想的开发 温度；同时，也可以通过减少短路循环和避免过早形成热突破来延长储层的寿 命。为了创建具有最佳裂隙面大小、宽度、密度和方向的裂隙网络，在单井中 的水力剪切通常需要进行多级压裂，多级激发的优点有：、创建更大的储层体积，大大增加储层有效的换热面积；、增加系统的渗透性和连通性，从而提高流体产能和降低注入压力，提 高系统的综合经济性和发电性能；、单井流量达到可提供商业化发电的流量75 kg/s

13、 （大约1200 g/m）；、使裂隙网络半径达到500米以上，大大延长储层寿命。七、干热岩开发工程实例自20世纪70年代美国第一个十热岩资源开发工程的建立，40多年来，很 多国家的示范工程均在深部热储的建立上积累了丰富的经验。这主要体现在储 层激发原理完善、激发压力和时间的控制、激发中裂隙空间结构的表征、多储 层激发等。综合分析这些经验和教训对于建立中国干热岩示范工程不无裨益。 从EGS工程的相关数据可以看出，所有工程在初期激发试验时都具有相似的注 入率，但是激发途径却各有不同。其主要原因是由于储层压裂工艺和原生裂隙 系统的不同。1、新墨西哥芬顿山第一个干热岩HDR示范工程在新墨西哥芬顿山于1

14、974年开始。它位于 Valles火山口西翼，属于环状裂隙带的外侧。该项目最初目的是试图利用水力 激发来创造人造储层。在1983年的试验中，产生了 850个03级的微震事 件，这些微震事件主要通过井下微震检波器获取。该项目储层的建造采用传统 石油工程中的压裂方法，因此产生了大量的张性裂隙。随着后期认识的不断加 深，发现张性裂隙并不是EGS储层开发所期待的。2、瑞士巴塞尔2006年，在瑞士巴塞尔开展了深部地热开采计划（DHM），通过施工1 口 深钻井来创建人造热储层。整个激发过程起始注入流量为1.7 L/s；当井口压力 达到11 MPa时开始诱发地震。在持续6d的激发过程中，注入流量增加了 5

15、倍。初期随着流量的增加，压力反而降低，显示注入量的逐渐提高。在流量达 到28 L/s后，压力和微震频率又表现出持续24 h的增加，反映出热储中压力的 逐渐形成。随后流量增大到41L/s，第一个大于2级的地震被诱发。在达到最大 流量后（55 L/s），井口压力达到29.7 MPa，产生了 4个大于2级的微震，随后 注入停止并闭井。然而，由于储层压力的持续积累，微震事件并没有马上减 弱；在井口压力消散前产生了 3.4级的微震。整个激发过程用水11000 立方米。3、澳大利亚库珀盆地澳大利亚库珀盆地具有大量元古代放射性花岗岩。勘察结果显示，该地区 热能储量高达500亿桶原油当量。由于库珀盆地处于极高

16、的压应力机制，需要 很高的井口注入压力激发裂隙，这使其有别于其他干热岩激发工程而成为世界 EGS储层激发的重要组成部分。澳大利亚库珀盆地成功激发了Habanero1和Jolokia2两个地热井。Habanero1激发持续时间为9d，注入水量超过 20000立方米，最大注入流量为48 L/s，最大井口压力为75 MPa。由于很高的 注入压力，诱发了 3.7级微震，是目前为止世界EGS工程所诱发的最大的地震 事件。Jolokia2储层改造结果，目前还未公布。4、德国 Gross-Schoenebeck2007年，德国在东北部盆地区开展了对井EGS激发工程。该地区处于正断 层以及走滑断层应力机制，与

17、法国Soultz工程极为相似。但是，与其他EGS工 程不同的是，为减小激发过程中裂隙面所产生的阻力，在压裂液中添加了化学 物质。主要添加物包括降低裂隙面摩擦的化学物、醋酸、低浓度砂粒等。激发 过程中的最大注入流量达到150 L/s，最大井口压力为58.6 MPa。大流量的好处 是可以控制流体黏度过低对支撑剂运行距离的影响，从而达到理想的裂隙面填 充效果。裂隙变形持续了 4.4 d，整个过程注入量达到13000立方米。该工程的 激发由于添加了过多的化学物质，与目前国际上公认的EGS清水压裂相违背， 因而其压裂效果不能作为中国干热岩开发示范工程的有效参考。5、德国兰道位于德国兰道的 EGS工程同样

18、由一组对井组成，分别为 GTLA1和 GTLA2。目前，正处于发电中。该井最初的钻探目标是寻找一个已知存在的断 裂带。GTLA1水量很大，并不需要激发；而GTLA2相对较差，因此试图通过 注入高速流体来扩大储层增加产能。由于储层本身的渗透性很好，因而进行高流量的注入来激发更多裂隙是非 常必要的。整个激发过程注入水量约为5000立方米，注入最高流量达187 L/s， 井口压力为13 MPa。德国兰道在EGS储层激发上是成功的，实现了储层增产 的目的。6、法国苏尔茨在20多年的研究中，法国苏尔茨是目前世界上公认的储层激发效果最好的 EGS工程。整个系统目前包括：200C的EGS热储层、一口注入井、两口生产 井，井下泵以及1.5 MW的双工质发电机组。在激发GPK2井时，大约23000立方米的水在6d多的时间注入井中，最大 诱发微震等级为2.5，最大注入流量为50 L/s，伴随