郭劍，陳繼良，曹文炅，蔣方明

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州市510640;2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市510640)

0 引言

目前，我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)是以火力發(fā)電為主，在提供能源供給的同時(shí)也造成了較大的環(huán)境問(wèn)題，而且煤炭、石油等化石能源正在日益耗竭，因此尋找環(huán)境友好的新型能源是我國(guó)能源領(lǐng)域的重要任務(wù)。2013年1月，國(guó)家能源局等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出我國(guó)地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量巨大，明確提出了未來(lái)地?zé)崮馨l(fā)展目標(biāo):到2015年，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到100 MW，地?zé)崮芾昧窟_(dá)到2 000萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤;到2020年，地?zé)崮芾卯?dāng)量達(dá)5 000 萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。

地?zé)崮芫哂蟹€(wěn)定、連續(xù)、利用系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為未來(lái)能源中的重要部分。但是貯存在地下3 km以內(nèi)、溫度＜150℃的中、低溫地?zé)豳Y源僅占地球地?zé)岬?0%，以水熱型為主，用于發(fā)電則效率相對(duì)較低，而且熱田規(guī)模通常較小，難于維系長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定產(chǎn)電要求。旨在開(kāi)發(fā)和利用地底深層3～10 km、以干熱巖(hot dry rock，HDR)熱能為主的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(enhanced geothermal systems，EGS)正在逐漸引起人們的廣泛關(guān)注［2］。

鑒于EGS巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景，世界各國(guó)正在展開(kāi)廣泛的研究，一些國(guó)家先后建立了野外試驗(yàn)場(chǎng)或示范電站，例如美國(guó)的 Fenton EGS、法國(guó)的 Soultz EGS、英國(guó)的 Rosemanowes EGS、日本的 Hijiori EGS、澳大利亞的Cooper EGS等。這些國(guó)家經(jīng)過(guò)近40年的野外試驗(yàn)研究，已經(jīng)在鉆井探測(cè)、水力壓裂、人造熱儲(chǔ)和采熱循環(huán)等方面獲得了技術(shù)成就。而我國(guó)的EGS研究還處于起步階段，目前尚未開(kāi)展野外試驗(yàn)研究，只進(jìn)行了一些資源評(píng)價(jià)［3-4］、前景分析［5-11］方面的研究工作。本文通過(guò)文獻(xiàn)綜述對(duì)國(guó)外野外試驗(yàn)場(chǎng)的研究經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外數(shù)值模擬的研究方法進(jìn)行整理和介紹，以期為我國(guó)的EGS研究和電站建設(shè)提供參考。

1 EGS原理

通過(guò)人為的手段如水力激發(fā)(hydraulic stimulation)，在低滲透性結(jié)晶質(zhì)HDR內(nèi)建設(shè)人工熱儲(chǔ)，然后灌注冷流體介質(zhì)、置換HDR的熱能，將熱流體開(kāi)采出來(lái)后用于地面發(fā)電，如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)建設(shè)過(guò)程示意Fig.1 Procedure of EGS construction

EGS產(chǎn)熱溫度通常可達(dá)150～350℃，用于發(fā)電具有高能量轉(zhuǎn)換效率，而且干熱巖的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量也巨大。麻省理工學(xué)院在2006年的一份報(bào)告［12］指出，美國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源總儲(chǔ)量為14×106EJ(不包括黃石公園地區(qū))，如果保守估計(jì)2%的有效開(kāi)發(fā)利用率，基于2005年美國(guó)總能耗100 EJ，干熱巖地?zé)豳Y源可滿足美國(guó)2 800年的能耗需求。該報(bào)告同時(shí)預(yù)測(cè)，只要投入足夠的經(jīng)費(fèi)開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，到2050年，美國(guó)干熱巖地?zé)犭娬緦?shí)現(xiàn)產(chǎn)能100 000 MW以上。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所汪集旸院士等的研究數(shù)據(jù)［3］顯示，我國(guó)大陸地區(qū)干熱巖地?zé)醿?chǔ)量為21×106EJ，而2010年我國(guó)總能耗為95.2 EJ，如果同樣假定2%的開(kāi)發(fā)利用率，干熱巖地?zé)豳Y源可以滿足我國(guó)4 400年左右的能耗所需。

2 野外試驗(yàn)場(chǎng)

EGS野外試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)包含鉆井、水力激發(fā)、循環(huán)采熱等多個(gè)階段，通過(guò)井下探測(cè)、微震監(jiān)測(cè)和水力循環(huán)參數(shù)等來(lái)研究相關(guān)問(wèn)題。在眾多的野外試驗(yàn)場(chǎng)中，以Soultz EGS的研究經(jīng)驗(yàn)和取得成果最為豐富。本文以Soultz試驗(yàn)場(chǎng)的研究為例，依次從井探研究、水力激發(fā)、微震監(jiān)測(cè)和循環(huán)測(cè)試這些方面對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

2.1 井探研究

井探數(shù)據(jù)主要包括切削樣本(chip samples)、巖石碎片(rock fragments)、光譜射線(spectral gamma ray)和超聲井像(ultrasonic borehole imagery，UBI)等。除了對(duì)切削樣本和巖石碎片的直接觀察獲取的礦物組成、巖石紋理、水熱填充物等初步信息，對(duì)其進(jìn)行X射線衍射分析可以比較準(zhǔn)確地區(qū)別蝕變裂隙區(qū)域和完整巖體區(qū)域。井下γ射線光譜分析用于確定巖相主要分布情況，包括種類變化、標(biāo)準(zhǔn)巖基區(qū)域和水熱蝕變裂隙區(qū)域。用分層上升歸類(hierarchy ascending classification，HAC)方法對(duì)γ射線光譜數(shù)據(jù)處理獲得連續(xù)的井下剖面圖，然后去除噪聲獲得光滑的HAC，與原始的HAC比較可以顯示裂隙的存在跡象。裂隙的高精度位置、傾斜方向和傾角信息可從超聲井像的波形和傳輸時(shí)間的分析獲得，例如根據(jù)振幅和傳輸時(shí)間確定裂隙張開(kāi)與否，根據(jù)正弦連續(xù)性確定裂隙的大小尺度。超聲井像數(shù)據(jù)已成為井下裂隙探測(cè)的主要依據(jù)。

2.1.1 應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)井探數(shù)據(jù)對(duì)小尺度裂隙的研究，可以按照裂隙的初始狀態(tài)將其劃分為:(1)自然裂隙(natural fracture)，在鉆井之前即已存在，與花崗巖巖體的地址構(gòu)造時(shí)代有關(guān);(2)誘發(fā)裂隙(induced fracture)，在鉆井過(guò)程中形成，與當(dāng)前應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)有關(guān)［13］。通過(guò)誘發(fā)裂隙特征推測(cè)應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)是應(yīng)力研究的重要方式。Cornet和 Jones［14］經(jīng)過(guò)研究，確定了地下 1.5～3.5 km的最大橫向應(yīng)力方向?yàn)镹170°E±15°，該結(jié)論獲得了大部分研究者的認(rèn)可［15-16］。近來(lái)，Valley和Evans［17］根據(jù)各井最新的數(shù)據(jù)，將地下1.5～5 km 的最大橫向應(yīng)力方向確定為N169°E±14°，僅存在微小的差異，但是在應(yīng)力大小與地理深度的線性關(guān)系上有較大不同。

從整個(gè)斷層特征上看，Soultz地區(qū)存在2個(gè)主要的節(jié)理組，走向分別為 N10°E和 N170°E，傾向分別為65°W、70°E，節(jié)理的平均密度高達(dá)3.2個(gè)/m，反映該地區(qū)花崗巖中存在普遍斷裂的現(xiàn)象［18-20］。

2.1.2 裂隙特征

圖2 Soultz各井下裂隙方向巖相剖面圖Fig.2 Major petrographical crystalline sections in wells of Soultz

根據(jù)Genter等［21］、Valley 等［22］、Dezayes 等［23-24］以及其他一些學(xué)者［25-27］的研究，各井地下裂隙結(jié)構(gòu)特征基本已獲認(rèn)知。圖2顯示了各井下花崗巖層中裂隙方向信息［24］?？梢钥闯?，花崗巖中裂隙主要方向以較強(qiáng)的東向和西向的趨勢(shì)從N160°E變化到NS。Valley等［22］用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將所有裂隙分為7組，其中60%的裂隙屬于N-S走向的傾東和傾西這2組，此外還有NW-SE走向和NE-SW走向的這2個(gè)次垂直組，以上4組涵蓋了花崗巖中已發(fā)現(xiàn)的95%的裂隙。對(duì)于GPK3和GPK4井，在實(shí)際垂直深度(true vertical depth，TVD)為1 420～2 700 m，裂隙組主要向東傾斜;在井中部TVD為2 700～4 800 m，主要是向東和向西傾斜的共軛裂隙組;在井底TVD為4 800～5 000 m，裂隙組主要是向西傾斜。

Dezayes等［23-24］對(duì)GPK3和GPK4井的裂隙密度隨著深度變化進(jìn)行了研究。GPK3井可以按照不同裂隙密度值分為9段，其中最大密度值為1.4 fract/m，出現(xiàn)在3 000～3 100 m以及4 800～4 900 m，僅占很小一部分，大部分深度以0.3、0.4 fract/m的小密度值為主。對(duì)于GPK4井，出現(xiàn)了密度值高達(dá)2.86、1.76 fract/m的深度段，也僅占井深的微小部分，而在3 500～4 750 m內(nèi)，裂隙密度以最低值0.23 fract/m維持不變。

由于技術(shù)方法的局限，超聲井像只能探測(cè)到裂隙的位置、傾角和傾向等信息，而無(wú)法探測(cè)裂隙的種類、水熱填充物的性質(zhì)以及裂隙的長(zhǎng)度等信息，另外在裂隙的厚度探測(cè)方面也存在較大的困難。Genter等［21］對(duì)參考井ESP1進(jìn)行了連續(xù)的巖心分析，對(duì)其地下3 000多個(gè)裂隙和一些裂隙區(qū)域進(jìn)行了表征，尤其是對(duì)巖心裂隙的厚度進(jìn)行了研究。其結(jié)論是裂隙的厚度按照冪函數(shù)分布，大小為0.1～250 mm。Genter等［21］把這些裂隙按照形成機(jī)理分為剪切斷裂的延伸裂隙(Mode I)和純粹的剪切斷裂裂隙(Mode II)，厚度為0.1～10 mm的小裂隙主要屬于前者，而其他大部分裂隙都屬于后者。

2.1.3 裂隙區(qū)域

目前，在Soultz地區(qū)的6口井下一共確定了39個(gè)裂隙區(qū)域，如圖3所示［21，24，28］?？梢詫⑵鋭澐譃?個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別反映了不同的滲流能力。一級(jí)(Level I)涉及到主要裂隙區(qū)域，在鉆井過(guò)程中已探測(cè)到的并伴隨著嚴(yán)重的泥漿損失現(xiàn)象，在水力激發(fā)之前即存在一定的滲流能力;二級(jí)(Level II)裂隙區(qū)域在水力激發(fā)時(shí)顯示了20%的水流損失，其特征為1條以上的厚裂隙伴隨著一些水熱蝕變的圈痕;三級(jí)(Level III)裂隙區(qū)域在水力激發(fā)時(shí)水流損失在20%以下，基本沒(méi)有水熱蝕變的圈痕。

在地下約1 200 m處有1個(gè)Level I級(jí)的大斷層裂隙區(qū)域，分為3個(gè)子區(qū)域，分別和EPS1、GPK1、4550這3口井相交，GPK1和4550井的鉆井過(guò)程泥漿損失主要就發(fā)生在此處。對(duì)于GPK1井，地下約1 800 m處還有1個(gè)Level I的主裂隙區(qū)域，在鉆井過(guò)程中也發(fā)生過(guò)鹵水自發(fā)滲流。對(duì)于GPK2井只在測(cè)量深度(measured depth，MD)2 120 m處發(fā)現(xiàn)1個(gè)Level I級(jí)裂隙區(qū)域，在鉆井過(guò)程中所有的泥漿損失都發(fā)生在這里，并且在后來(lái)的水力激發(fā)過(guò)程中95%的水流從這里滲入。在MD為2 120 m以下，各井都沒(méi)有Level I裂隙區(qū)域，只在GPK3井底部MD為4 770 m處例外，GPK3井70%的滲流對(duì)應(yīng)此區(qū)域［20］。

圖3 Soultz各井下裂隙區(qū)域綜合圖Fig.3 Synthesis of all fracture zones along Soultz wells

總體上看，這39個(gè)裂隙區(qū)域可以按照不同的深度范圍劃歸為3個(gè)群集:TVD為1 800～2 000 m的Cluster I，TVD 為3 000～3 400 m 的Cluster II和TVD為4 500～5 000 m的Cluster III。這種劃分除了對(duì)聚合特征不明顯的GPK4井外，對(duì)其他各井都比較吻合。Genter等［29-30］研究?jī)A向認(rèn)為花崗巖中的這3個(gè)群集反映了1個(gè)較大的斷層，與在沉積層中發(fā)現(xiàn)的斷層可能等同。Cluster I位于斑巖花崗巖層中，包含有Level I的具有一定滲透率的主要裂隙區(qū)域。Cluster II未包含Level I的裂隙區(qū)域，位于有蝕變斷裂的花崗巖層中。該巖層由于普遍和強(qiáng)烈的蝕變，具有大量中小尺度的裂隙，并且導(dǎo)致巖體弱化，從而易于受水力激發(fā)提高滲透率［31］。1997年的水力循環(huán)試驗(yàn)表明GPK1和GPK2井通過(guò)該區(qū)域形成了良好的連通［32］。Cluster III所在的巖層也具有一定低程度的普遍蝕變，該區(qū)域也是目前熱儲(chǔ)層底部主要的水力通路。

裂隙區(qū)域由眾多裂隙復(fù)合構(gòu)成。在某些情況下(例如，當(dāng)裂隙無(wú)法完全看做一個(gè)平面時(shí))，裂隙的方向就變得難以計(jì)算。因此通過(guò)裂隙方向的合成來(lái)確定裂隙區(qū)域的方向也就比較困難。通常在裂隙區(qū)域中有一些特殊的角礫化和微角礫化的裂隙軌跡，在一定程度上這些角礫化和微角礫化區(qū)域的接界可以假設(shè)為裂隙區(qū)域的方向。通過(guò)這種假設(shè)方法，一些關(guān)于裂隙區(qū)域方向的結(jié)論也被一些研究者給出［23-24］，但是他們也都強(qiáng)調(diào)了不準(zhǔn)確性。

一般研究把裂隙區(qū)域的群集現(xiàn)象歸因于萊茵地塹構(gòu)造中發(fā)生的大尺度常規(guī)斷裂［30］。但是Dezayes等［23］指出，裂隙區(qū)域的方向以及中尺度裂隙的方向與沉積層中的主要斷層方向存在差異。后者對(duì)應(yīng)于漸新世地塹展開(kāi)的萊茵河走向N20°E，而花崗巖中大量裂隙方向?yàn)镹160°E，與海西運(yùn)動(dòng)和阿爾卑斯山脈構(gòu)造有關(guān)。從這方面看，裂隙區(qū)域的群集現(xiàn)象無(wú)法用斷層來(lái)解釋，但是Dezayes等［23］也沒(méi)有得到其他解釋。環(huán)測(cè)試這些方面對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

2.2 水力激發(fā)

水力激發(fā)可分為物理激發(fā)和化學(xué)激發(fā)這2種，前者通過(guò)水流的力學(xué)作用，使原已存在的密封裂隙重新張開(kāi)，或者使靠近臨界應(yīng)力狀態(tài)的巖體碎裂，而后者主要通過(guò)水流的化學(xué)作用對(duì)自然裂隙中的填充礦物進(jìn)行酸性溶解。通常，在物理激發(fā)初期也會(huì)在注射水中添加一定濃度的重鹵水，其目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)井下深部高熱區(qū)域進(jìn)行激發(fā)［33］。Soultz試驗(yàn)場(chǎng)的多次水力激發(fā)試驗(yàn)表明，以鹵水填充物的形式增加注射水的密度對(duì)水力激發(fā)非常重要，因?yàn)槠鋸?qiáng)烈影響著熱儲(chǔ)層的初始狀態(tài)以及生成(影響其向上、水平還是向下生長(zhǎng))［34］。另外，重鹵水有助于水力激發(fā)產(chǎn)生的出水口沿著深度更均勻的分布，有效避免出水口過(guò)分集中于casing shoes附近。

目前，化學(xué)激發(fā)的方式是通過(guò)內(nèi)套環(huán)往井頭注入酸性液體，按照酸性液體的成分，化學(xué)激發(fā)可分為傳統(tǒng)酸系統(tǒng)(conventional acid systems)，蟄合劑(chelatants)和緩速酸系統(tǒng)(retarded acid systems)這3種［35-36］。傳統(tǒng)酸系統(tǒng)使用的酸有:(1)鹽酸，用于溶解碳酸鹽，如方解石和白云石等;(2)常規(guī)泥酸，用于溶解粘土和長(zhǎng)石等礦質(zhì)。蟄合劑使用氨三乙酸，通過(guò)形成陽(yáng)離子復(fù)合物以減少陽(yáng)離子的活性，從而增強(qiáng)礦石溶解作用。緩速酸系統(tǒng)使用有機(jī)黏土酸激發(fā)，用于一般酸質(zhì)敏感的高溫和高黏土含量條件，有機(jī)黏土酸的遲滯特性可以對(duì)深層熱儲(chǔ)進(jìn)行激發(fā)。表1給出了GPK2，GPK3和GPK4井使用過(guò)的酸性激發(fā)情況［35］。

表1 各井使用過(guò)的化學(xué)激發(fā)情況Tab.1 Chemical stimulation methods for Soultz wells

從激發(fā)效果上看，雖然GPK2和GPK4井的總出水量提升了50%，但是Nami等［36］認(rèn)為至少有一部分是套環(huán)水泥脫落的2個(gè)地方的物理激發(fā)貢獻(xiàn)的，GPK3井就沒(méi)有表現(xiàn)明顯的改善，因此化學(xué)激發(fā)的作用還有待研究。Nami等［36］同時(shí)提出，化學(xué)激發(fā)的作用可以通過(guò)區(qū)域選擇性的激發(fā)方式來(lái)提高，例如對(duì)斷裂晶體結(jié)構(gòu)中的裂隙區(qū)域接合處進(jìn)行“聚焦”酸性激發(fā)。Portier等［37］認(rèn)為化學(xué)激發(fā)和水力激發(fā)的協(xié)同可以減少水力激發(fā)對(duì)高水壓的依賴，從而可以降低高壓水力激發(fā)帶來(lái)的地震危險(xiǎn)。

2.3 微震監(jiān)測(cè)

對(duì)微震云圖演變的分析是研究水力激發(fā)條件下壓裂事件的首要工具。為了對(duì)激發(fā)產(chǎn)生的微震進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位，Soultz地區(qū)布置了井下監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)這2種地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)。井下監(jiān)測(cè)網(wǎng)由四軸加速計(jì)探頭和三軸聲波探頭連接于高速數(shù)據(jù)采集儀和處理系統(tǒng)構(gòu)成，探頭分別置于4550，4601，EPS1，OPS4 和 GPK1這5口井底。地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)有35個(gè)站點(diǎn)，用于對(duì)較大的震動(dòng)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)［33］。

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

為了對(duì)水力激發(fā)的微震源進(jìn)行定位，各學(xué)者采用了不同的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通常采取的是由 Jones和 Stewart［38］提出來(lái)的collapsing方法，在假設(shè)震形結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的條件下得出其圖形。聯(lián)合震源定位(joint hypocentral determination，JHD)反演法［39］可用于提高震形結(jié)構(gòu)圖的精度，因此通常將collapsing方法作為約束條件與JHD反演法結(jié)合使用［40］。collapsing是一種倒轉(zhuǎn)隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)優(yōu)化方法，這種處理會(huì)導(dǎo)致相近的震源位置趨向分離，比較適用于移除震云結(jié)構(gòu)中的模糊點(diǎn)，但對(duì)于小于誤差橢圓的結(jié)構(gòu)則無(wú)法處理［41］。為了獲得表征微震活動(dòng)云圖結(jié)構(gòu)的精微特征，一些學(xué)者使用了有別于基于統(tǒng)計(jì)論的collapsing方法而基于確定性的其他方法，例如雙重/多重態(tài)分析法(doublet/multipletanalysis)［42］，群集分析法(clustering analysis)［43］以及多重－群集綜合分析法(multipletclustering analysis)［44］等。這些方法都是通過(guò)減小P波和S波觸發(fā)時(shí)間誤差來(lái)提高震源定位精度的。此外，基于波形關(guān)聯(lián)技術(shù)的相對(duì)遷移法［45］也在提升定位精度上具有較好的效果。

通過(guò)微震云圖研究水力激發(fā)過(guò)程，不僅需要對(duì)震源準(zhǔn)確定位，還需要將震源演變和流動(dòng)參數(shù)同步對(duì)應(yīng)，為此 Cuenot等［46］應(yīng)用了三維局部斷層掃描法(three-dimensional local tomography)實(shí)現(xiàn)。該方法通過(guò)同步轉(zhuǎn)置可在三維各向異性介質(zhì)中同時(shí)檢索微震速度參量和震源定位參量:在定位計(jì)算的每次迭代中都考慮微震速度結(jié)構(gòu)的演變。通過(guò)這種方法以及整個(gè)水力激發(fā)過(guò)程中微震事件的完整記錄，Cuenot等［46］獲得了震源演變和流動(dòng)參數(shù)的同步比較分析。

2.3.2 微震分析

2000年6月30日，GPK2井進(jìn)行了一次為期數(shù)日的水力激發(fā)試驗(yàn)，圖4給出了微震事件和水力參數(shù)隨時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖5給出了最終的微震云圖［47］。本次激發(fā)按照不同的注水流量分為3個(gè)步驟，Step I和Step I、Step II的井頭壓力變化都有先迅速增大到峰值隨后緩慢減小的共同特征，而Step III有所不同，井頭壓力持續(xù)增大直到注水關(guān)閉才緩慢減小，這種現(xiàn)象表明受激發(fā)區(qū)域是一個(gè)未與可以吸釋壓力的斷層相連的封閉系統(tǒng)。激發(fā)過(guò)程中一共監(jiān)測(cè)到了30 000 個(gè)微震事件，其中有14 000 個(gè)被 Dyer［48］進(jìn)行了定位。Dorbath等［47］又對(duì)這些定位震源進(jìn)行了篩選，確定了7 215個(gè)可信度較高的定位，并挑選其中M＞1(M為地震量級(jí))的震源繪制了圖5的微震云圖。

圖4 2000年GPK2井水力激發(fā)的微震事件和水力參數(shù)Fig.4 Seismic events and hydraulic parameters in 2000 stimulation of GPK2

圖5 2000年GPK2井水力激發(fā)的最終微震云圖Fig.5 Clouds of induced seismic events in 2000 stimulation of GPK2

圖5顯示了一個(gè)濃密、緊湊和均勻的震云，看不出明顯的結(jié)構(gòu)特征。為了研究激發(fā)過(guò)程中微震云圖的演變情況，Dorbath等［47］將此次激發(fā)過(guò)程分為6個(gè)階段:Phase I(30 L/s)，Phase II(40 L/s)，Phase III和Phase IV(分別對(duì)應(yīng)Step III的前后兩部分)，Phase V和Phase VI(分別對(duì)應(yīng)注水關(guān)閉前、后)，并研究了這6個(gè)階段的微震云圖演變情況。研究發(fā)現(xiàn)，在激發(fā)過(guò)程中以及注水關(guān)閉之后的很長(zhǎng)時(shí)間微震活動(dòng)主要向北和向下發(fā)展，在Phase I和Phase II階段微震云生長(zhǎng)迅速，2天以后緩慢生長(zhǎng)到最終結(jié)構(gòu)。值得一提的是，在大約4 400 m深的地方(大概對(duì)應(yīng)圖3的Cluster III裂隙區(qū)域)發(fā)生了1次M=2.6的較大級(jí)微震事件。

2003年5月27日，GPK3井進(jìn)行了一次為期數(shù)日的水力激發(fā)試驗(yàn)，圖6給出了微震事件和水力參數(shù)隨時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖7給出了最終的微震云圖［47］。本次激發(fā)采用了雙井注入方案，除了主要從GPK3井注入了33 000 m3的水量外，也從GPK2井短期注入了4 300 m3的水量。通過(guò)對(duì)比圖4、6的微震活動(dòng)情況可以發(fā)現(xiàn)，在2000年GPK2井注水關(guān)閉之前微震活動(dòng)已經(jīng)開(kāi)始減少，而在2003年GPK3井注水關(guān)閉之后，微震活動(dòng)似乎已成獨(dú)立事件，不受水力參數(shù)的影響繼續(xù)發(fā)生。Dorbath等［47］對(duì)這2次激發(fā)的b值(反映地殼強(qiáng)弱的參數(shù))計(jì)算發(fā)現(xiàn)，GPK3井可能處于斷層構(gòu)造地帶，一旦斷層被激發(fā)，微震活動(dòng)就只受斷層本身機(jī)制作用而與注水計(jì)劃無(wú)關(guān)。因此，從避免地震危害的角度考慮，未來(lái)EGS鉆井的選址應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離斷層構(gòu)造區(qū)域，而對(duì)這類區(qū)域的勘探是未來(lái)選址的重要任務(wù)。

圖6 2003年GPK3井水力激發(fā)的微震事件和水力參數(shù)Fig.6 Seismic events and hydraulic parameters in 2003 stimulation of GPK3

圖7 2003年GPK3井水力激發(fā)的最終微震云圖Fig.7 Clouds of induced seismic events in 2003 stimulation of GPK3

圖7的最終云圖也顯示出了北向發(fā)展的特征，與圖5的濃密、緊湊和均勻特征不同的是，此次微震云圖具有明顯的發(fā)散特征。Baria等［33］對(duì)本次激發(fā)的水力參數(shù)和微震演變進(jìn)行了詳細(xì)研究，確定了4個(gè)裂隙結(jié)構(gòu)(圖中 F1、F2、F3、F4)。

F1位于4 660～4 710 m，具有偏西方向55°傾角，在注水最初階段開(kāi)始形成。F2位于4 870～4 920 m，具有偏西方向65°傾角，在F1之后隨之形成，具有沿著井垂直向上生長(zhǎng)的趨勢(shì)。F3是一個(gè)較大的裂隙結(jié)構(gòu)，呈向上和向下生長(zhǎng)的趨勢(shì)，也是偏西方向約65°傾角。值得注意的是，此次激發(fā)大部分較大的微震活動(dòng)都發(fā)生在F3，而且其包含的4 400 m也與2000年GPK2井激發(fā)時(shí)M=2.6的較大微震事件發(fā)生點(diǎn)一致。F4在4 000 m處與F3相交，呈偏西方向40°傾角，向上東向生長(zhǎng)與GPK2井在其3 870 m拐彎處相交。

2.4 循環(huán)測(cè)試

對(duì)注水試驗(yàn)和循環(huán)測(cè)試中的流量－壓力曲線、流量記錄、溫度記錄以及示蹤濃度曲線的研究也極大地豐富了地下熱儲(chǔ)層的知識(shí)。1993年9月，Soultz EGS進(jìn)行了幾次重要的注水試驗(yàn)，圖8給出了其井頭流量－壓力曲線［49］，從中可以看出注水過(guò)程中傳輸率的變化。巖石的滲透率一開(kāi)始非常小(0.15 L/s階段時(shí)為1.5×10－17m2)，當(dāng)注水壓力上升到5 MPa時(shí)開(kāi)始迅速增大，表明了巖石中裂隙開(kāi)始形成和生長(zhǎng)，與微震監(jiān)測(cè)的5 MPa監(jiān)測(cè)到第1個(gè)微震事件的結(jié)果一致［50-51］。當(dāng)流量上升到 6 L/s階段，壓力上升到7.6 MPa的穩(wěn)定值，此時(shí)巖石的滲透率比初始值增大了20倍以上。此后當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，壓力的增大逐漸減小，最終以9 MPa作為上限，表明裂隙的生長(zhǎng)已經(jīng)完成，熱儲(chǔ)層處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.4.1 流量和溫度研究

受井下裂隙分布結(jié)構(gòu)影響，流量沿著深度變化的曲線會(huì)呈現(xiàn)出階梯狀，如圖9所示，這些階梯反映了流體流進(jìn)或者流出巖石的位置，從而可以推斷井下裂隙的分布情況［52］。以圖9為例，最上面50 m包含5個(gè)離散的流體進(jìn)出點(diǎn)，每個(gè)進(jìn)出點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著獨(dú)立的裂隙結(jié)構(gòu)。再往下底層700 m只包含5個(gè)明顯的階梯，以100～150 m的距離間隔。基于這種分布規(guī)律，Evans［50-52］將井下這部分長(zhǎng)度分為6個(gè)區(qū)域。但是單純的流量記錄只能看出主要的流體進(jìn)、出點(diǎn)，而受到橫截面(cross-sectional area，CSA)流體波動(dòng)的噪聲和阻力干擾因而無(wú)法對(duì)小流量的細(xì)微點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。雖然CSA波動(dòng)影響可以從理論上修正，但是實(shí)際上CSA修正能量的殘差經(jīng)常存在，這種問(wèn)題在擾動(dòng)劇烈的流體進(jìn)出區(qū)域尤其嚴(yán)重。溫度記錄可以克服這些問(wèn)題，從而可以精確判斷流體進(jìn)、出點(diǎn)，其原理是:由于更深層巖石的加熱，井中上行的流體溫度通常會(huì)高于周圍巖石的溫度，因而當(dāng)有流體從巖石中流出時(shí)會(huì)造成井中流體溫度的階躍現(xiàn)象，井中流體下行時(shí)也會(huì)類似。

圖8 Soultz EGS測(cè)試的井頭流量隨壓力的變化曲線Fig.8 Chang curve of well head flow with pressure in Soultz EGS test

圖9 GPK1井1993年注水試驗(yàn)的井下一段流量分布記錄Fig.9 Selection of flow profiles from spinner logs during 1993 injection of GPK1

Evans［50］結(jié)合流量記錄和溫度記錄對(duì) GPK1井下一段長(zhǎng)度35 m的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，如圖10所示。從超聲井像(UBI)分析判斷，這一段包含2個(gè)先于水力激發(fā)的自然裂隙。從流量記錄上看，這2個(gè)自然裂隙并非流體主要進(jìn)出點(diǎn)，流體主要從高于他們的Z4-F1裂隙進(jìn)出。除此之外，流量記錄并沒(méi)有顯示此區(qū)域還有其他的流體通道，只能看到3 230～3 235 m間有流體進(jìn)入，但是由于CSA波動(dòng)影響而無(wú)法判斷準(zhǔn)確位置。這種問(wèn)題在溫度記錄的輔助下得到了解決，大部分溫度曲線都顯示了2個(gè)階梯，階躍位置處于3 235 m處，正是其中一個(gè)自然裂隙所在，表明這一個(gè)自然裂隙有流體流通。

圖10 GPK1井下一段長(zhǎng)度35 m的超聲井像、流量記錄和溫度記錄Fig.10 Ultrasonic well image，flow and temperature record for a 35 m section of GPK1

2.4.2 示蹤曲線研究

在歷次循環(huán)試驗(yàn)中，Soultz EGS都在循環(huán)流體中摻入了一些化學(xué)物質(zhì)作為示蹤分析，這些示蹤物質(zhì)的種類 有 Na-benzoate，1，5-naphthalene disulfonate(nds)，2，7-nds，1，6-nds和2，6-nds以及熒光劑。對(duì)這些循環(huán)試驗(yàn)的示蹤分析可以大致研究各井之間的連通情況，其中有重要意義的一次研究是2005年7月至12月的為期5個(gè)月的循環(huán)測(cè)試。向GPK3井以大約15 L/s的速率注入冷水，在開(kāi)始階段向水中加入150 kg 82.5%純度的熒光劑，GPK2和GPK4井分別產(chǎn)出了11.9 L/s(80%)和3.1 L/s(20%)的熱水，產(chǎn)出水的熒光劑的濃度曲線如圖11所示［53］。熒光劑是在測(cè)試開(kāi)始之后第8天摻入GPK3井的，4天之后即從GPK2井探測(cè)到，其濃度在第9至16天達(dá)到峰值(630～770 μg/s)并在接下來(lái)5個(gè)月期間逐漸減少。而GPK4井是在熒光劑注入之后第28天才開(kāi)始探測(cè)到的，比GPK2井晚了24天，而且濃度也遠(yuǎn)低于GPK2井，在整個(gè)測(cè)試期間都沒(méi)有達(dá)到峰值。從以上GPK2和GPK4井的產(chǎn)水量和熒光劑濃度可以看出，GPK3井與GPK2井之間有比較好的水力連通，而GPK3井與GPK4井之間的連通效果不佳。GPK2和GPK4井的熒光劑濃度變化趨勢(shì)也引起了大家對(duì)熱儲(chǔ)層中水流路徑的研究興趣。

圖11 2005年循環(huán)試驗(yàn)中GPK2井和GPK4井的熒光劑濃度隨事件變化Fig.11 Fluorescein concentration change in fluid discharged from wells GPK2 and GPK4 in 2005 circulation tests

Sanjuan等［53］用離散傳輸模型分別對(duì) GPK2和GPK4的熒光劑濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算模擬，其中GPK2井獲得了很好的吻合效果。由計(jì)算結(jié)果推斷，GPK3和GPK2之間存在著2條連通路徑，一條是短而快的循環(huán)通路Loop I，另一條是長(zhǎng)而慢的循環(huán)通路Loop II，如圖12所示。由于GPK3和GPK4的連通性較差，因此Sanjuan等［53］推斷其間沒(méi)有連通路徑，而只在 Loop II有1條支線 Loop III通向 GPK4。Sanjuan等［53］關(guān)于 GPK3和 GPK2，GPK4井之間通路分析獲得了后來(lái)眾多學(xué)者的認(rèn)同，他們都基于這種3通路結(jié)構(gòu)對(duì)此次示蹤試驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算研究。Blumenthal等［54］采用簡(jiǎn)單二維數(shù)值模型，由于把流體路徑簡(jiǎn)化在平行通道中，計(jì)算結(jié)果與流量曲線并不吻合。Genter等［55］在離散裂隙網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用粒子追蹤方法構(gòu)建計(jì)算模型，首次在同一個(gè)組合模型中對(duì)GPK2和GPK4井的濃度曲線進(jìn)行了同時(shí)模擬，其中GPK2井的吻合較好。Kosack等［56］分別用全物理梯度貝葉斯轉(zhuǎn)換法(full-physics gradient-based Bayesian inversion)、蒙特卡洛法(monte carlo approach)和總體卡爾曼濾波吸收法(ensemble-Kalman-filter assimilation)進(jìn)行了計(jì)算，雖然全物理梯度貝葉斯轉(zhuǎn)換法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線有較好吻合，但是存在滲透率和孔隙率設(shè)置相反的不合理問(wèn)題。Vogt等［57］也采了用蒙特卡洛法進(jìn)行研究，與Kosack等［56］對(duì)滲透率均勻分配不同的是，Vogt等［57］用地球統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)滲透率進(jìn)行隨機(jī)分配，使模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了隨機(jī)吻合。Radillaa等［58］采用分層多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，GPK2和GPK4井都取得了較好的吻合效果，為其通道構(gòu)造給出了較好解釋。

圖12 GPK3井與GPK2井、GPK4井之間的連通情況推測(cè)Fig.12 Connectivity conjecture between GPK3 and GPK2，GPK4 wells

3 數(shù)值模擬

根據(jù)Soultz等野外試驗(yàn)場(chǎng)的研究，一個(gè)有效的熱儲(chǔ)層是由眾多相互連通的裂隙帶構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如何構(gòu)建熱儲(chǔ)層的數(shù)值模型并對(duì)熱量傳遞過(guò)程(Thermal-T)、流體流動(dòng)過(guò)程(Hydraulic-H)、力學(xué)過(guò)程(Mechanical-M)和化學(xué)過(guò)程(Chemical-C)進(jìn)行THMC耦合計(jì)算是EGS數(shù)值模擬研究的重要問(wèn)題。目前THMC多場(chǎng)耦合技術(shù)已經(jīng)比較完善，一些學(xué)者都比較成功地研究了各個(gè)過(guò)程的耦合問(wèn)題［59-62］。在熱儲(chǔ)層模型的構(gòu)建方面仍然有待發(fā)展，將會(huì)繼續(xù)成為EGS數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此外，近來(lái)有學(xué)者提出了用超臨界二氧化碳(supercritical CO2，SCCO2)代替水作為EGS換熱工質(zhì)的理念，并進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬研究。由于目前所有EGS試驗(yàn)場(chǎng)都沒(méi)有用SCCO2工質(zhì)的試驗(yàn)研究，因此數(shù)值模擬在EGS工質(zhì)研究方面就比較重要。

3.1 模型研究

根據(jù)數(shù)值計(jì)算對(duì)熱儲(chǔ)層模型的處理方法，熱儲(chǔ)層計(jì)算模型大體上可以分為規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型(圖13［63］)、隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型(圖14［64］)和等價(jià)多孔介質(zhì)模型等。規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型是把熱儲(chǔ)層原本復(fù)雜的裂隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為規(guī)則排列的裂隙網(wǎng)格，包括單一裂隙(single fracture)和平行裂隙組(parallel fracture arrays)等，這種簡(jiǎn)化處理有助于用解析法對(duì)熱儲(chǔ)層中的熱交換過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析。采用規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，DuTeau 和 Swenson［65］對(duì) Fenton EGS 的巖石變形、流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了耦合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)巖石的冷卻和變形對(duì)流體的傳輸阻抗有重要影響。Taron和Elsworth［62］在規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型中增加裂隙的形變控制，研究了熱儲(chǔ)層中水力和化學(xué)激發(fā)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)通過(guò)機(jī)械剪切產(chǎn)生的大尺度裂隙的激活是造成采熱循環(huán)短路的重要因素。

圖13 規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.13 Regular fracture network model

一個(gè)實(shí)際的熱儲(chǔ)層包括裂隙方向、裂隙孔徑、裂隙維度和裂隙密度等復(fù)雜信息，而規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型無(wú)法將這些綜合信息考慮在內(nèi)，因此需要用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)對(duì)熱儲(chǔ)層進(jìn)行構(gòu)建。隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型是采用蒙特卡洛法確定熱儲(chǔ)層的平均特征，生成眾多的結(jié)構(gòu)各異但統(tǒng)計(jì)學(xué)上等效的裂隙網(wǎng)絡(luò)。隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型最先由Long［66］和一些學(xué)者在研究“migration of chemical species from waste disposals to bedrock”的問(wèn)題中提出來(lái)的，Bruel和 Cacas［67］以及 Lanyon 和Batchelor［68］將其應(yīng)用到EGS熱儲(chǔ)層模型構(gòu)造問(wèn)題。雖然隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型比規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型更接近熱儲(chǔ)層研究實(shí)際，但其存在由于自由變量過(guò)多而自由度太大的問(wèn)題，給計(jì)算帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)。為此，Watanabe 和 Takahashi［69］采用分形法來(lái)約束隨機(jī)參數(shù)的變化。同時(shí)，為了限制計(jì)算任務(wù)，裂隙和巖體之間的換熱也采用簡(jiǎn)化的傳輸函數(shù)或者一維擴(kuò)散函數(shù)來(lái)近似處理，這樣又給數(shù)值計(jì)算的有效性帶來(lái)了問(wèn)題［70］。

圖14 隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.14 Stochastic fracture network model

Bruel［71］在隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上用確定性信息作為條件對(duì)計(jì)算進(jìn)行約束，發(fā)展為確定裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。該模型仍然面臨著由大量確定性信息帶來(lái)的繁冗耗時(shí)的問(wèn)題，而且Bruel［72］的計(jì)算結(jié)果也表明只有極少部分約束條件對(duì)結(jié)果有較大影響。Kolditz和Clauser［64］用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合一些假設(shè)對(duì)確定裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和簡(jiǎn)化，這些假設(shè)包括:(1)裂隙方向—流動(dòng)傳輸限制在離散的裂隙系統(tǒng)中，這些裂隙的方向受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，所有流體路徑都沿著平均走向和傾角;(2)裂隙分布—用大裂隙來(lái)簡(jiǎn)化裂隙束組，以平均流動(dòng)簡(jiǎn)化分散流動(dòng);(3)裂隙間距—等距設(shè)置。這些調(diào)整和簡(jiǎn)化使得確定裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算量極大地減少，而且模型的有效性也在Rosemanowes EGS的循環(huán)采熱算例中獲得了驗(yàn)證。

多孔介質(zhì)模型由于處理簡(jiǎn)便而廣泛用于熱儲(chǔ)層模型的構(gòu)建。一般的單孔隙模型在模擬從熱儲(chǔ)層吸熱時(shí)都把巖石和流體之間假設(shè)為瞬態(tài)熱平衡，計(jì)算結(jié)果一般會(huì)高估產(chǎn)熱量。Shaik等［72］采用熱非平衡模型，將巖石和流體之間換熱系數(shù)考慮進(jìn)計(jì)算中，強(qiáng)調(diào)了換熱系數(shù)對(duì)熱儲(chǔ)層換熱模擬的重要性。Yang和Yeh［73］以及Gelet等［74］采用了雙孔隙率的方法來(lái)區(qū)分巖石和流道的物性，實(shí)現(xiàn)巖石和流體之間的熱非平衡交換。為了更精確模擬熱儲(chǔ)層的各向異性效果，Kalinina等［75］提出了多孔隙率的多孔介質(zhì)模型，將裂隙方向、間距、孔徑和長(zhǎng)度等重要裂隙參數(shù)都考慮進(jìn)模型中。

如何在多孔介質(zhì)模型中實(shí)現(xiàn)模擬巖石和流體之間的局部熱交換一直是學(xué)者研究的問(wèn)題，Jiang等［76］亦基于巖石骨架和流體之間的熱非平衡交換假設(shè)、采用雙能量方程模型實(shí)現(xiàn)了巖石和流體之間局部換熱的模擬。

雙能量方程模型如圖15、16所示，該模型將EGS地下部分簡(jiǎn)化為3個(gè)主要區(qū)域:Region I為熱儲(chǔ)層，設(shè)置為具有一定孔隙率(ε)和滲透率(K)的多孔介質(zhì);Region II為無(wú)滲透的致密巖石，即設(shè)置為ε=0，K=0，隱含假設(shè)了流體損失為0;Region III為注入井和生產(chǎn)井，設(shè)置為ε=1和K=∞的開(kāi)放通道。

工質(zhì)水從注入井注入、采出井采出，與熱儲(chǔ)層發(fā)生熱量交換，假設(shè)為單相和層流流動(dòng)，且不考慮熱儲(chǔ)層形變和化學(xué)反應(yīng)等作用。該模型所使用的控制方程如下。

圖15 雙能量方程計(jì)算模型地下區(qū)域劃分Fig.15 Underground division in dual energy equations calculation model

圖16 雙能量方程計(jì)算模型尺寸Fig.16 Geometry of dual energy equations calculation model

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

巖石固體中的能量守恒方程:

孔隙流道中的能量守恒方程:

式中:ρ為密度;t為時(shí)間;u為速度矢量;P為壓力;μ為動(dòng)力粘度;k為滲透率;ε為孔隙率;g為重力加速度矢量;cp為定壓比熱容;T為溫度;keff為有效滲透率;h為對(duì)流換熱系數(shù);a為換熱面積;下標(biāo)s和L分別表示固體和液體。式(2)中的第3項(xiàng)為達(dá)西阻力項(xiàng)。由于考慮巖石與流體之間的熱非平衡過(guò)程，因此分別用式(3)、(4)來(lái)描述巖石固體中的導(dǎo)熱和孔隙流道中的對(duì)流換熱。其中 ±ha(Ts－Tl)用來(lái)描述巖石和流體之間的熱量交換，是本模型區(qū)別于瞬態(tài)熱平衡模型的關(guān)鍵設(shè)置。該模型已被用來(lái)模擬了多種工況下EGS的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程，分析了孔隙率、滲透率、循環(huán)流量、巖石－流體對(duì)流換熱系數(shù)和熱儲(chǔ)裂隙比表面積等多個(gè)物理參數(shù)對(duì)采熱的影響極其作用機(jī)制。圖17示出了使用該模型模擬的不同滲透率熱儲(chǔ)中巖石溫度的演化過(guò)程，圖中上排的滲透率為1.0×10－12m－2，下排的為1.0×10－8m－2，時(shí)間由左向右遞增。

圖17 使用自主開(kāi)發(fā)的模型模擬的不同滲透率下EGS運(yùn)行過(guò)程中熱儲(chǔ)內(nèi)巖石溫度Fig.17 Rock temperature evolution with different permeability in self-developed model during EGS running process

3.2 工質(zhì)研究

目前，EGS試驗(yàn)場(chǎng)的水力壓裂和采熱都是以水作為工質(zhì)，而水資源的來(lái)源、水的損失以及水中礦物質(zhì)的沉淀、巖石中礦物質(zhì)的溶解等問(wèn)題也是EGS研究和應(yīng)用中需要考慮的。Brown［77］首次提出以SCCO2代替水作為EGS采工質(zhì)的理念，指出了其三大優(yōu)勢(shì):(1)注入井的冷 SCCO2和生產(chǎn)井的熱SCCO2之間的顯著密度差異能夠提供強(qiáng)大的浮升力，從而減小工質(zhì)循環(huán)所需的泵功;(2)SCCO2對(duì)礦物質(zhì)具有極低的溶解性和傳輸能力，不會(huì)造成礦物質(zhì)從熱儲(chǔ)層傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備的問(wèn)題，因此對(duì)地面的管道、換熱器和其他設(shè)備起到保護(hù)作用;(3)有利于溫度高于374°C(水的臨界溫度)的熱儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)，不會(huì)造成以水為工質(zhì)時(shí)硅溶解導(dǎo)致的相關(guān)問(wèn)題，從而提高熱力效率。

Brown［77］用朗肯循環(huán)對(duì)以SCCO2作為采熱工質(zhì)的EGS電站進(jìn)行了計(jì)算評(píng)估，發(fā)現(xiàn)SCCO2不僅具有和水一樣好的熱采能力，而且由于高比熱容特性，在相同的注入井口壓力、熱儲(chǔ)流動(dòng)阻力和生產(chǎn)井口壓力等條件下，SCCO2的密度和粘性之比(衡量熱儲(chǔ)層流動(dòng)潛力的標(biāo)準(zhǔn))是水的1.5倍。此外，從溫室氣體的處理方法來(lái)看，還可以把EGS工程與CO2封存工程相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)減少 CO2排放的目的［78］。Pruess［79］進(jìn)一步全面地比較了SCCO2和水作為EGS采熱工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)，如表2所示。

表2 二氧化碳和水作為EGS采熱工質(zhì)的比較Tab.2 Comparisons of CO2and water as work fluid of EGS

Pruess［80］首次對(duì)以 SCCO2作為工質(zhì)的 EGS進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，評(píng)估了其系統(tǒng)的熱學(xué)特性。他以一個(gè)近似Soultz EGS參數(shù)設(shè)置的理想熱儲(chǔ)層作為研究對(duì)象，構(gòu)建了一個(gè)二維的1 km2區(qū)域的5井結(jié)構(gòu)模型，如圖18所示。這種結(jié)構(gòu)模型由于高度的對(duì)稱性而經(jīng)常用于熱儲(chǔ)層特性的基礎(chǔ)研究，給問(wèn)題帶來(lái)了極大的簡(jiǎn)化處理。整個(gè)計(jì)算范圍只需要覆蓋1/8的區(qū)域，其結(jié)果卻可以對(duì)整個(gè)區(qū)域有效。該模型假設(shè)其中存在3組正交的裂隙組，相互間隔50 m，因此被裂隙包圍的巖石骨架就是邊長(zhǎng)(略小于)50 m的正方形結(jié)構(gòu)。巖石骨架視為無(wú)滲透能力，并進(jìn)一步把網(wǎng)格細(xì)分為5個(gè)continua。雖然 Pruess［80］用該模型計(jì)算獲得了一些結(jié)論，例如驗(yàn)證了工質(zhì)CO2在采熱方面優(yōu)于工質(zhì)水的能力，以及在維持循環(huán)方面少于工質(zhì)水的耗功，但是該模型還存在2個(gè)較大的缺陷:(1)由于只耦合了換熱和流動(dòng)過(guò)程而未考慮化學(xué)作用，因此CO2和巖石礦物的相互作用以及CO2在化學(xué)特性方面的優(yōu)勢(shì)都沒(méi)有研究;(2)CO2在減少循環(huán)耗功方面的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于上下密度變化產(chǎn)生的浮升力作用，這是不考慮井深方向的二維平面模型無(wú)法進(jìn)行研究的。為了考慮CO2密度變化產(chǎn)生的浮升力作用，Pruess［80］將他的二維模型擴(kuò)展到三維，在原二維模型的基礎(chǔ)上把熱儲(chǔ)層厚度分為6層，但總深度只有305 m。目前用SCCO2作為EGS工質(zhì)的數(shù)值模擬研究仍然不夠充分，未來(lái)的研究需要在三維模型和化學(xué)作用耦合上深入。

圖18 二維5井結(jié)構(gòu)模型和對(duì)稱性處理Fig.18 Symmetrical simplification of 2-D five-well structure model

4 研究展望

通過(guò)野外試驗(yàn)場(chǎng)研究和數(shù)值模擬研究，EGS取得了一系列工程和理論成就。針對(duì)我國(guó)EGS研究起步晚、基礎(chǔ)薄弱的研究現(xiàn)狀，迫切需要開(kāi)展如下3個(gè)方面的工作。

4.1 進(jìn)行小型綜合實(shí)驗(yàn)研究

建立野外試驗(yàn)場(chǎng)不僅需要投入大量的資金和技術(shù)力量，而且特定地區(qū)的地質(zhì)特征和干熱巖物性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響巨大，使得不同地區(qū)EGS經(jīng)驗(yàn)的類比和借鑒價(jià)值不大。相對(duì)于野外試驗(yàn)場(chǎng)的耗資耗時(shí)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有操控性好、靈活性大、花費(fèi)少等優(yōu)勢(shì)。比起野外試驗(yàn)場(chǎng)受制于特定地區(qū)的局限，小型綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以方便地更換巖石材料進(jìn)行研究，獲得的成果具有更大地區(qū)范圍的借鑒意義。而且由于實(shí)驗(yàn)成本小和靈活性高，可以為數(shù)值模擬提供更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)數(shù)值模擬方法的完善和準(zhǔn)確性的提高?？梢灶A(yù)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的綜合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的緊密結(jié)合將會(huì)作為重要的研究方式出現(xiàn)在未來(lái)的EGS研究中。

4.2 建立多尺度數(shù)值模型

EGS地下熱儲(chǔ)層模型的尺寸通常在km量級(jí)甚至更大，而其內(nèi)裂隙開(kāi)度在mm量級(jí)甚至更小，裂隙分布十分不均勻且具有顯著的各向異性。流體在狹小的裂隙中流動(dòng)和換熱，又在熱儲(chǔ)層尺度上構(gòu)成整體循環(huán)，因此是涉及介觀尺度和宏觀尺度的多尺度過(guò)程。而且介觀裂隙尺度的對(duì)流換熱過(guò)程對(duì)宏觀熱儲(chǔ)尺度的熱開(kāi)采過(guò)程具有決定性影響，如何解決介觀尺度與宏觀尺度之間的關(guān)系是開(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)層模型所要考慮的重要問(wèn)題。在前文綜述的各模型中，大多以規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法或等價(jià)多孔介質(zhì)法來(lái)簡(jiǎn)化模擬熱儲(chǔ)層內(nèi)復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在模擬的真實(shí)性以及計(jì)算的準(zhǔn)確度方面都存在不足。隨機(jī)性和確定性裂隙網(wǎng)絡(luò)模型雖然可以對(duì)裂隙微結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的真實(shí)構(gòu)建，但也往往帶來(lái)了網(wǎng)格數(shù)目及計(jì)算量過(guò)于龐大而無(wú)法計(jì)算的問(wèn)題。解決以上問(wèn)題的方案即是開(kāi)發(fā)多尺度模型，即用介觀模型對(duì)介觀尺度過(guò)程進(jìn)行研究，從其結(jié)果中提取更準(zhǔn)確的參數(shù)應(yīng)用到宏觀模型中，既確保對(duì)熱儲(chǔ)層裂隙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確構(gòu)建，又使計(jì)算量控制在可接收范圍。

4.3 野外試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)

建立野外試驗(yàn)場(chǎng)是研究EGS的最直接和最可信的方式。自從1974年美國(guó)在Fenton山從事干熱巖試驗(yàn)研究以及隨后一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼建立野外試驗(yàn)場(chǎng)以來(lái)，EGS野外試驗(yàn)場(chǎng)已經(jīng)有將近40年的研究歷史，而我國(guó)目前尚未建立一座野外試驗(yàn)場(chǎng)。一個(gè)野外試驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)包含鉆井探測(cè)、水力激發(fā)、微震監(jiān)測(cè)、循環(huán)測(cè)試等幾個(gè)階段，完全可以借鑒石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的成熟技術(shù)，油氣工程中的鉆井技術(shù)、測(cè)井技術(shù)、水力壓裂等技術(shù)可以用于EGS野外試驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)。我國(guó)的油氣工程技術(shù)比較先進(jìn)，而且眾多學(xué)者已經(jīng)在地?zé)豳Y源勘探和分析方面獲得了眾多成果，完全有條件開(kāi)始建立野外試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行EGS研究。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了國(guó)內(nèi)外EGS研究的相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了國(guó)外野外試驗(yàn)場(chǎng)的鉆井探測(cè)、水力激發(fā)、微震監(jiān)測(cè)、循環(huán)測(cè)試等過(guò)程的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，也介紹了國(guó)內(nèi)外數(shù)值模擬的模型構(gòu)建、工質(zhì)選擇等問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。我國(guó)的EGS研究還處于起步階段，迫切地需要建立一個(gè)野外試驗(yàn)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行工程實(shí)際研究，同時(shí)還需要展開(kāi)小型綜合試驗(yàn)研究以及多尺度數(shù)值模型研究，提升我國(guó)EGS的發(fā)電技術(shù)和能力。

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