劉明亮+莊亞芹+周超+朱明成+張燦海+朱永強+譚龍+駱進+郭清海

摘要：干熱巖作為清潔的可再生能源是地熱能未來開采和利用中最具潛力的部分，具體的開發(fā)工程技術(shù)稱為增強型地熱系統(tǒng)（EGS， Enhanced Geothermal System）?；瘜W刺激技術(shù)作為水力壓裂的一種輔助方法，具有成本低、風險小的特點，在完善儲層改造方面具有重要作用。綜述了國內(nèi)外EGS關(guān)于化學刺激研究的相關(guān)文獻，介紹了化學刺激技術(shù)的理論基礎(chǔ)及常用的幾種化學刺激劑（傳統(tǒng)酸、緩速酸、螯合劑和CO2化學刺激劑），并對世界上僅有的幾個使用化學刺激技術(shù)的EGS工程（美國Fenton Hill和法國Soultz干熱巖項目）進行了介紹和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了化學刺激劑在增強型地熱系統(tǒng)中的研究建議及應用展望，以期為中國未來EGS的科學研究和項目實施提供參考。

關(guān)鍵詞：增強型地熱系統(tǒng)；化學刺激；儲層改造；土酸；緩速酸；螯合劑；干熱巖；水力壓裂

中圖分類號：P314.2；TK521文獻標志碼：A

Application of Chemical Stimulation Technology in Enhanced Geothermal System： Theory， Practice and Expectation

LIU Mingliang1， ZHUANG Yaqin2， ZHOU Chao2， ZHU Mingcheng3， ZHANG Canhai3，

ZHU Yongqiang4， TAN Long4， LUO Jin4， GUO Qinghai2

（1. Institute of Geological Survey， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；

2. School of Environmental Studies， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；

3. Huanghe Hydropower Development Co.， Ltd.， State Power Investment Corporation， Xining 810008，

Qinghai， China； 4. Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China）

Abstract： As a clean and renewable energy， hot dry rocks are the most potential part of exploiting and utilizing in the future， and the engineering technology of exploiting hot dry rock is called enhanced geothermal system. As a supplementary method of hydrofracture， chemical stimulation technology has the characteristics of low cost and risk， and plays a very important role in optimizing reservoir reform. Some related literatures at home and abroad about chemical stimulation technology in enhanced geothermal system （EGS） were reviewed， and the theoretical basis of chemical stimulation technology and several common chemical stimulants （conventional acid， retarded acid， chelating agent and CO2 chemical stimulants） were presented. In addition， the only EGS projects （Fenton Hill in America and Soultz in France） applying chemical stimulation technology in the world were introduced and summarized. On this basis， several suggests and expectations about chemical stimulation in EGS were also proposed， hoping to provide a reference for the scientific research and project implementation of EGS in China.

Key words： enhanced geothermal system； chemical stimulation； reservoir reform； mud acid； retarded acid； chelating agent； hot dry rock； hydrofracture

0引言

近年來，隨著全球化石燃料總量的加速減少及其開發(fā)利用所帶來的環(huán)境污染日益加劇，發(fā)展可再生能源的呼聲日益高漲。地熱能由于其具有清潔、可再生和分布廣泛等特點，成為最具開發(fā)潛力的新型能源之一。目前，地熱資源的開發(fā)大部分都是利用水熱型地熱資源進行發(fā)電。盡管地熱發(fā)電的發(fā)展很快[1]，但僅依靠開發(fā)傳統(tǒng)的水熱系統(tǒng)很難超越其他類型的新能源（如太陽能、風能）[2]。干熱巖型地熱系統(tǒng)作為地熱能的另外一種類型，可以從中得到的能量約為存在于水熱系統(tǒng)中可供利用能量的100～1 000倍[3]。據(jù)麻省理工學院（MIT）2006年報告，只要開發(fā)3～10 km深度段2%的干熱巖資源儲量，就將達到200×1018 EJ，是美國2005年全年能源消耗總量的2 800倍。2011年，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所計算中國大陸地區(qū)3～10 km深度段干熱巖型地熱資源為2.09×107 EJ，如果按2%的可開采資源量計算，也達到4.2×105 EJ，是中國大陸2010年能源消耗總量的4 400倍[45]。由此可見，干熱巖的開發(fā)是解決全球能源枯竭的必然趨勢[6]。

干熱巖是藏于距地表3～10 km深度段，溫度為150 ℃～650 ℃，沒有水或蒸汽的致密巖體[7]。干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體，較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。由于干熱巖天然熱儲層裂隙網(wǎng)絡(luò)的水力聯(lián)系較差，無法經(jīng)濟地提取地熱能，所以干熱巖的開發(fā)必須建立增強型地熱系統(tǒng)（EGS，Enhanced Geothermal System）。增強型地熱系統(tǒng)即是采用人工手段在干熱巖中建立高滲透性的人工儲層，然后注入低溫流體介質(zhì)，置換干熱巖中的熱能，熱流體開采出來后用于地面發(fā)電[4]。

決定EGS成功與否的關(guān)鍵技術(shù)是儲層激發(fā)，它直接關(guān)系到EGS的開發(fā)成本和壽命。儲層激發(fā)的目的是在低滲透性巖石中建立大體積的儲水層，通過打開原有天然裂隙或新裂隙，使注入井和生產(chǎn)井系統(tǒng)進行適當?shù)倪B通。常用的儲層激發(fā)方法有水力刺激、熱刺激和化學刺激[810]。水力刺激又稱水力壓裂，是通過井筒向地層泵入高壓流體，從而使地層張開、錯動形成高導流能力的裂縫或自支撐的裂縫網(wǎng)絡(luò)[11]，目前在石油工業(yè)和EGS中應用廣泛。熱刺激是通過注入低溫流體使高溫地層巖體發(fā)生收縮達到形成裂縫的目的，單純的熱刺激較少，均是與其他刺激方法聯(lián)合使用[1213]?；瘜W刺激主要是以低于地層破裂壓力的注入壓力向井附近熱儲層裂隙注入化學刺激液，依靠其溶蝕作用使礦物溶解來增加地層的滲透性，最早應用于油氣產(chǎn)業(yè)。本文詳細闡述了化學刺激技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并基于國內(nèi)外有限的文獻對世界上僅有的幾個應用了化學刺激技術(shù)的EGS工程進行了簡介；在此基礎(chǔ)上，提出并討論了在EGS工程實踐中運用化學刺激技術(shù)時面臨的難題，以期為中國的EGS研究和工程實施提供參考。

1 化學刺激技術(shù)的背景知識

1.1化學刺激技術(shù)的發(fā)展

化學刺激技術(shù)最早應用在油氣工程中，通過增強或者恢復儲層滲透能力，提高石油和天然氣的產(chǎn)量[1415]。此后，在地熱井的鉆探過程中，由于鉆井泥漿和巖屑及碳酸鈣、石英等剝落物填充地層裂縫，容易造成近井口地層阻塞即地層損害，減少了熱水的提取量[1620]。為了增加或恢復熱儲層的孔隙度和滲透率，學者嘗試將化學刺激技術(shù)應用于地熱井中來移除地層損害。具體原理為：當化學刺激劑注入到熱儲層中，與接觸到的巖石礦物發(fā)生溶蝕反應；隨著刺激劑的持續(xù)注入，當井孔附近的巖石礦物完全溶解以后，酸性流體保持其溶蝕能力，反應開始向遠離井孔區(qū)域移動，由此增加熱儲層的孔隙度和滲透率[21]。一般情況下，溶蝕作用反應較快，化學刺激劑的濃度快速降低，溶液中離子濃度急速增加，在遠離井孔區(qū)域幾米處很容易形成次生礦物沉淀。為了防止此類現(xiàn)象的發(fā)生和增加化學刺激劑的有效半徑，可以通過改變化學刺激劑的類型和增加流體注入速率的方法，降低反應速率和保持流體向更遠的方向流動。除此之外，化學刺激劑的有效半徑還取決于巖層礦物的種類和熱儲層溫度。

增強型地熱系統(tǒng)是一種采用人工手段提取干熱巖中能量的技術(shù)（圖1）。近年來，隨著干熱巖地熱資源的開采，化學刺激技術(shù)開始應用于增強型地熱系統(tǒng)中[2223]。在EGS研究初期（1980～1990年），儲層刺激的方法僅局限于水力刺激，從現(xiàn)有的一些EGS項目發(fā)現(xiàn)水力壓裂技術(shù)開發(fā)難度大、成本高、風險大，在這種條件下迫切需要創(chuàng)建另外一個安全、有效的儲層改造方法。隨著40余年（1974至今）EGS在不同國家的研究，科學家逐漸認識到化學刺激技術(shù)在完善儲層改造方面的重要性，此技術(shù)有望成為水力壓裂的有效輔助方法。與油氣工業(yè)和傳統(tǒng)地熱井相比，EGS儲層主要為火成巖地層，能夠承受濃度比較高的HF，因此，常用的刺激液為10%HCl+5%HF溶液（一般油氣儲層用12%HCl+3%HF溶液），或者是添加了一定量有機磷酸的3%HCl+5%HF溶液。另外，EGS熱儲層溫度比較高，一般需要緩蝕劑增強器（Inhibitor Intensifier），以便在高溫條件下擴大緩蝕劑（Corrosion Inhibitor）的性能范圍。此外，常常在刺激液中添加一定量的高溫鐵控制劑（Ironcontrol Agent）[12]。

1.2化學刺激的步驟

不論是在油氣產(chǎn)業(yè)還是在EGS工程中，化學刺激劑注入過程均分為不同的注入階段，并在不同注入階段選擇合適的刺激劑，將會有效降低流體注入過程中產(chǎn)生的不利影響。典型的刺激過程包括3個階段：前置液階段、主體酸階段和后置液階段。

前置液（Preflush）階段：前置液一般用于主體化學刺激之前，用來確定地層損害機制并為后續(xù)主體刺激做準備。砂巖熱儲層中，一般用HCl溶液做前置液，主要作用為驅(qū)替井孔內(nèi)鹽水（主要成分為K+、Na+、Ca2+、Cl-），盡可能多地溶解地層中的碳酸鹽礦物組分，避免與主要刺激階段的HF溶液混合形成CaF2沉淀，阻塞地層[24]。由于熱儲層圍巖的非均質(zhì)性，前置液溶解所有的碳酸鹽礦物是不可能的，研究表明將碳酸鹽礦物體積分數(shù)降低到6%以下便足以避免形成螢石沉淀[25]。

主體酸（Mainflush）階段：主體酸一般是HF和HCl（或有機酸）的混合液，最早用于消除硅質(zhì)鉆井泥漿損害，稱為土酸。表1 總結(jié)了地層中部分礦物對于HCl溶液和HCl+HF溶液的溶解性。由于Si和Al與F強烈的吸附性，極易形成絡(luò)合物沉淀（SiF2-6、AlF2+、AlF3、AlF-4）堵塞地層縫隙，所以在HF溶液中加入HCl來阻止氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽及氟化物的形成。當?shù)貙又刑妓猁}礦物含量很高時，HF溶液的使用將會很容易形成螢石礦物沉淀，因此，當方解石和白云石體積分數(shù)大于20%時，不宜使用HF溶液進行酸化刺激。但當?shù)貙又泄杷猁}含量較高或者滲透率較低時，必須使用HF溶液，控制好HF溶液的濃度，能很好地減少二次沉淀的損害[26]。

后置液（Overflush）階段：注入后置液是化學刺激獲得成功很重要的一部分。其主要作用為：①排出巖層中未反應完全的主體酸（土酸）；②移除主體刺激階段形成的反應產(chǎn)物；③去除由于緩蝕劑引起的滲透率問題。當?shù)貙訙囟容^高時，隨著土酸逐漸消耗殆盡，無定形態(tài)二氧化硅將會在井孔附近形成沉淀，后置液的注入可保持流體持續(xù)流動，沉淀礦物將會隨流體運移出井孔附近。

1.3影響化學刺激效果的因素

化學刺激最主要的目的是增大干熱巖熱儲層的滲透性，刺激的效果主要受刺激劑類型和刺激劑與巖層礦物之間的反應速率控制[2829]。選擇何種類型的刺激劑取決于地下熱儲層的巖性及刺激的特定目的（如井孔附近地層損害的移除、斷裂剝落的溶解等）。反應速率與刺激劑的消耗時間密切相關(guān)，而消耗時間又直接影響了刺激效果，主要受以下因素控制：刺激劑的濃度、注入速率、單位體積刺激劑與熱儲層的接觸面積、熱儲層的溫度及巖石礦物組分。提高刺激劑的濃度能夠延長消耗時間，因為高濃度的刺激劑將會溶解較多的礦物，更多的產(chǎn)物對刺激劑具有一定的抑制作用。注入速率的增加將會擴大斷裂的寬度，增加單位體積刺激劑與熱儲層的接觸面積，加快反應速率，縮短刺激劑的消耗時間。隨著溫度的升高，反應速率增加，刺激劑消耗加快，預冷巖層或者輪流注入酸和水能夠在一定程度上降低熱儲層的溫度，延長消耗時間。熱儲層的礦物組分也是決定酸消耗時間的另一個主要因素，例如，一般情況下石灰?guī)r的反應速率是白云巖的兩倍，但是在高溫條件下反應速率趨向于相等。

化學刺激一方面需要增加儲層滲透性，另一方面還需要在注入井和生產(chǎn)井之間形成一個連通的、大的裂隙網(wǎng)絡(luò)，以利于熱交換。除了化學刺激劑類型和熱儲層地質(zhì)學特征以外，影響化學刺激效果的另一主要因素是儲層的各向異性。其各向異性主要體現(xiàn)在儲層中天然裂隙分布的不均勻性。如果地層中僅有少量幾條優(yōu)勢通道，熱流體就很容易發(fā)生“短路”，這種短路現(xiàn)象使冷流體接觸熱巖石的面積有限，最終便會很快消耗掉有限巖石的熱量[30]。

2常用化學刺激劑

目前，化學刺激的方式是通過內(nèi)套環(huán)往井頭注入酸性液體。按照酸性液體的成分，化學刺激可分為傳統(tǒng)酸系統(tǒng)（Conventional Acid Systems）、緩速酸系統(tǒng)（Retarded Acid Systems）、螯合劑（Chelating Agent）及CO2化學刺激劑。

2.1傳統(tǒng)酸系統(tǒng)

目前，用于化學刺激的傳統(tǒng)酸主要有：HCl、HF、CH3COOH、HCOOH、H2NSO3H和ClCH2COOH等。土酸（12%HCl+3%HF溶液）是目前較為常用的酸性刺激劑，其中HCl用于溶解石灰石、白云石等碳酸鹽礦物，具體反應過程如下

幾乎所有的傳統(tǒng)酸（包括HCl和有機酸）與巖石礦物接觸后，反應速率都很快，這就意味著在傳統(tǒng)酸消耗完以前，不能夠入滲到深部地層，極大限制了傳統(tǒng)酸的應用，蟲孔就是一個普遍現(xiàn)象。因此，一系列的緩速手段被用來限制傳統(tǒng)酸的反應速率，提高化學刺激效率，其中應用較為廣泛的是緩速酸系統(tǒng)。

2.2緩速酸系統(tǒng)

化學刺激的目的是盡可能地增大深部熱儲層的孔隙度和滲透率，這就需要盡量降低酸與熱儲層的反應速率，常見的方法有：①使酸性溶液乳化；②將酸溶解到無水溶液（如酒精等）中；③使用無水有機化學試劑（當試劑與水接觸后才會釋放出酸）；④注入乙酸甲酯（在高溫條件下水解產(chǎn)生甲酸）。

在這些手段中，使酸性溶液乳化可能是最重要的降低反應速率的方法，然而使酸性溶液乳化僅僅只能限制在低溫條件下使用，當溫度高于55 ℃時，乳化劑會迅速分解成酸性溶液。選擇合適的無水有機化學試劑，對于降低反應速率也具有重要作用，其關(guān)鍵點在于這種試劑并不直接包含HF或者HCl，但是在深部地層中遇水會最大限度地生成HF

或HCl[31]。這種緩速劑遇水水解成HF的反應過程如下

HBF4+H2O→HBF3OH+HF（9）

另外兩種比較常見的緩速酸為HEDP和OCA。其中，HEDP是一種磷酸絡(luò)合物，包含有5個氫，能夠在不同的化學計量條件下水解成NH4HF2，與NH4HF2混合還可以生成磷酸銨鹽和HF [15]，而OCA是多種化學組分的混合物，包含C6H8O7（質(zhì)量分數(shù)為5%～10%）、HF（01%～1%）、HBF4（05%～15%）和NH4Cl（1%～5%）。當?shù)貙訙囟雀哂?80 ℃或者地層中沸石和綠泥石質(zhì)量分數(shù)高于5%時，OCA是比較合適的化學刺激劑[32]。

2.3螯合劑

除了酸以外，另外一種常被用于儲層激發(fā)的化學刺激液為螯合劑，如乙二胺四乙酸（EDTA）和次氮基三乙酸（NTA）[3334]，它們的鈉鹽結(jié)構(gòu)式見圖2。這兩種螯合劑能夠與金屬元素（如鈣）進行螯合作用，反應過程如下

EDTA4-+2Ca2+→Ca2EDTA（10）

CaCO3→Ca2++CO2-3（11）

EDTA4-+2CaCO3→Ca2EDTA+2CO2-3（12）

2 mol NTA3-能夠與3 mol Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應，反應過程如下

2NTA3-+3CaCO3=Ca3NTA2+3CO2-3（13）

通過這種螯合過程，鈣離子將會與螯合劑結(jié)合，進而溶解方解石。與礦物酸的溶解速率相比，螯合劑與巖層礦物的反應速率較慢，在地層中的穿透距離較長，刺激效果更好，并且對金屬套管的腐蝕性也比礦物酸弱。

Malate等用EDTA和NTA作為化學刺激液，研究了螯合劑對于巖層中方解石礦物溶解的適用性，初期試驗結(jié)果表明EDTA和NTA都是非常有效的礦物溶解劑，并且溶解能力隨著溫度增高而增大[16]。Xu等討論了在高pH值條件下，螯合劑（NTA）對方解石和二氧化硅的溶解能力，研究結(jié)果表明：高pH值的螯合劑（NTA）能夠溶解方解石和長石類礦物，并避免在高溫條件下形成方解石沉淀；注入螯合劑的溫度越低，注入速率越小，則刺激劑與巖層反應速率越低，靠近井孔附近巖層孔隙率增加不明顯，但有助于刺激劑向深部熱儲層延伸，提高刺激效果[35]。

2.4CO2化學刺激劑

傳統(tǒng)石油天然氣領(lǐng)域的化學刺激工業(yè)一般選取土酸（HCl+HF）和螯合劑（EDTA+NTA）作為化學刺激液。然而，在增強型地熱系統(tǒng)熱儲層高溫高壓環(huán)境下，上述化學刺激液和巖層礦物反應速度過快，只能對注入井附近的巖體進行溶蝕，與儲層礦物接觸即消耗殆盡，無法保持理想的穿透距離[36]。與傳統(tǒng)酸和螯合劑相比，CO2化學刺激劑和巖層礦物反應速率較慢，具有更好的刺激效果。Xu等通過數(shù)值模擬技術(shù)探討了CO2作為刺激劑的反應機理，結(jié)果表明CO2和水混合注入熱儲層后，部分溶解于水并轉(zhuǎn)化為碳酸對巖層礦物進行溶蝕[36]。曲希玉等通過熱水試驗探討了CO2地層水巖石間的相互作用，結(jié)果顯示CO2地層水對砂巖中的方解石、長石和石英等都具有一定的溶蝕能力[3738]。那金等基于松遼盆地徐家圍子地區(qū)大慶油田鉆井的地球物理和地球化學參數(shù)，模擬了CO2化學刺激劑對熱儲層滲透性的改造作用，分析了不同地層壓力和溫度下的刺激效果，并討論了注入水的化學成分對刺激效果的影響[39]。結(jié)果表明：孔隙度的增加主要源于原生碳酸鹽礦物的溶解；地層溫度增加，CO2化學刺激劑對原生碳酸鹽礦物溶蝕能力減弱，化學刺激效果減弱，但地層壓力增加，刺激效果增強；受到鹽效應的影響，CO2化學刺激劑對原生碳酸鹽礦物的溶蝕能力隨著注入水NaCl濃度的增加而增加[39]。

3化學刺激技術(shù)在地熱開發(fā)利用方面的應用

鑒于化學刺激技術(shù)在地熱開發(fā)利用方面巨大的應用前景，世界各國正在開展廣泛的研究。一些國家先后建立了野外試驗場或示范電站，并通過化學刺激技術(shù)來增大熱儲層的孔隙度和滲透率，以提高地熱產(chǎn)率。表2總結(jié)了世界范圍內(nèi)典型地熱系統(tǒng)使用化學刺激技術(shù)的結(jié)果。到目前為止，化學刺激技術(shù)主要應用于地熱井中（如印度尼西亞Salak地熱田、墨西哥Las Tres Virgenes和Los Azufres地熱田、美國Beowawe和Coso地熱田等），僅僅只應用于少數(shù)幾個增強型地熱系統(tǒng)中（如美國Fenton Hill和法國Soultz等）。化學刺激結(jié)果顯示，研究區(qū)熱儲層的產(chǎn)率相應提高了2～10倍。

3.1化學刺激技術(shù)在傳統(tǒng)地熱井中的應用

Salak地熱田位于印度尼西亞雅加達南部60 km處[45]，2004年鉆探的Awi 87井初始蒸汽流量明顯低于預期。科學家以HCl+HF溶液為刺激液，通過一個2寸的連續(xù)油管將刺激液注入到目標儲層，刺激結(jié)果顯示：注入率從刺激前的4.7×10-5 L·s-1·Pa-1增加到12.1×10-5 L·s-1·Pa-1[40]。Las Tres Virgenes地熱田位于墨西哥圣羅薩莉亞西北33 km處，其中LV11和LV13是在2000年9月鉆探的兩口地熱井，井頭壓力和蒸汽產(chǎn)量都較低[46]?？茖W家分別以HCl溶液、HCl+HF溶液和HCl+水溶液作為前置液、主體酸和后置液，用連續(xù)油管注入到目標地層，結(jié)果顯示兩口井的注入率分別從刺激前的8×10-6 L·s-1·Pa-1、1.2×10-5 L·s-1·Pa-1提高到20×10-5 L·s-1·Pa-1、3.7×10-5 L·s-1·Pa-1[18]。Los Azufres 地熱田位于墨西哥城以北250 km的巖漿帶，先前在墨西哥Las Tres Virgenes地熱田成功的化學刺激工作促使科學家在2005年將同樣的技術(shù)應用到AZ9AD井，刺激結(jié)果顯示AZ9AD井的熱儲層產(chǎn)量提高了174%[41]。Coso地熱田位于美國加利福尼亞州東部，最近幾年生產(chǎn)井32A20由于方解石的沉淀，產(chǎn)率大大降低，科學家將NTA注入到32A20井中來去除沉淀的方解石，結(jié)果表明大部分方解石被NTA溶解，形成了CaNTA絡(luò)合物[43]。Baca地熱田位于美國新墨西哥州瓦萊斯火山口，1981年對Baca20井進行了水力壓裂，熱儲層產(chǎn)率沒有明顯提高[47]，因此，后續(xù)又注入了166 m3 119%的HCl溶液進行了酸化處理，處理結(jié)果顯示產(chǎn)率有了較大提高[48]?；瘜W刺激技術(shù)在上述傳統(tǒng)地熱井的開采過程中都獲得了成功，然而傳統(tǒng)水熱系統(tǒng)畢竟資源量有限，分布也不廣泛。近年來，隨著干熱巖型地熱資源的開采，化學刺激技術(shù)開始應用到增強型地熱系統(tǒng)中。

3.2化學刺激技術(shù)在主要干熱巖工程中的應用

3.2.1美國Fenton Hill干熱巖項目

Fenton Hill干熱巖試驗基地位于美國新墨西哥州北部，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)完成[49]。熱儲層巖性主要為前寒武紀變質(zhì)巖，深度為3～4 km。Holley等分別用Na2CO3、NaOH和HCl溶液，在實驗室溫度為100 ℃，壓力為10×107 Pa條件下對Fenton Hill巖芯樣品進行化學刺激處理，探討這些化學刺激劑對結(jié)晶基巖滲透率的影響，結(jié)果顯示滲透率的增加主要由于Na2CO3和NaOH溶液溶解裂隙中的石英礦物，并且溶解量隨著Na2CO3和NaOH溶液濃度及刺激時間的增加而增大[44]；鑒于實驗室的研究結(jié)果，在1976年11月注入了190 m3的Na2CO3溶液到Fenton Hill試驗基地熱儲層，大約有1 000 kg石英被溶解，然而產(chǎn)率并沒有得到明顯提高。Fenton Hill干熱巖項目是最早應用化學刺激技術(shù)進行儲層激發(fā)的增強型地熱系統(tǒng)，然而并沒有獲得理想的刺激效果，具體改進方案還需后期進一步的研究探討。

3.2.2法國Soultz干熱巖項目

Soultz干熱巖項目位于上萊茵河谷SoultzSousForets和Kutzenhausen之間，在法國斯特拉斯堡以北約70 km靠近上萊茵河地塹西緣[50]。1997年，為了建造世界級的發(fā)電站，鉆探了3口5 000 m深的地熱井，其中GPK3為中心注入井，GPK2和GPK4為兩口生產(chǎn)井[51]。在進行熱儲層刺激以前，GPK2、GPK3、GPK4等3口井的產(chǎn)率分別只有2×10-7 L·s-1·Pa-1、1×10-6 L·s-1·Pa-1、1×10-7 L·s-1·Pa-1。2000～2005年，科學家在這3口井實施了第一次水力壓裂，結(jié)果顯示GPK2和GPK4的產(chǎn)率提高了20倍，GPK3提高了1.5倍。由于水力壓裂費用高昂，而且還可能引起微地震，所以決定用化學刺激技術(shù)輔助水力壓裂對GPK2、GPK3和GPK4進行化學激發(fā)，刺激結(jié)果見表3。從表3可以看出：對GPK2井分兩階段分別注入了009%和018%的HCl溶液，注入率提高到了5×10-6 L·s-1·Pa-1；對GPK3井先注入045%的HCl溶液，注入率達到35×10-6 L·s-1·Pa-1，此后再注入一定量的有機黏土酸（OCA）進行化學刺激，注入率僅升高到4×10-6 L·s-1·Pa-1；對GPK4井分別用HCl溶液、土酸、螯合劑和緩速酸實施了4次化學刺激，注入率從化學刺激前的2×10-6 L·s-1·Pa-1增加到5×10-6 L·s-1·Pa-1，并且能夠維持產(chǎn)率長時間的穩(wěn)定[10]。

Soultz干熱巖項目開發(fā)在Fenton Hill干熱巖項目之后，明顯受益于前人在增強型地熱系統(tǒng)所獲得的經(jīng)驗，因此，該項目在儲層激發(fā)方面有許多成功之處。中國干熱巖資源豐富，并且已經(jīng)著手這方面的研究，Soultz干熱巖項目的成功經(jīng)驗，尤其在化學刺激技術(shù)方面可為中國增強型地熱系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

4結(jié)語

本文綜述了國內(nèi)外增強型地熱系統(tǒng)關(guān)于化學刺激研究的相關(guān)文獻，介紹了化學刺激技術(shù)的理論基礎(chǔ)及常用的幾種化學刺激劑，最后詳細分析了化學刺激劑在世界主要干熱巖工程中的應用及刺激效果。主要結(jié)論有：①移除地層損害最有效的方法為化學刺激，為了有效降低刺激劑注入過程中產(chǎn)生的不利影響，將刺激過程分為前置液、主體酸和后置液階段，刺激的效果主要受刺激劑類型和刺激劑與巖層礦物之間的反應速率控制；②按化學刺激劑的成分，可分為傳統(tǒng)酸系統(tǒng)、緩速酸系統(tǒng)、螯合劑及CO2化學刺激劑；③化學刺激劑在世界范圍內(nèi)一些典型地熱田的刺激結(jié)果顯示，經(jīng)過化學刺激以后研究區(qū)熱儲層的產(chǎn)率相應提高了2～10倍。

然而，化學刺激技術(shù)在增強型地熱系統(tǒng)領(lǐng)域的應用仍有一系列問題尚未解決，主要有：化學刺激劑與巖層礦物反應速率過快，造成井孔附近形成蟲洞，遠離井孔區(qū)域徑向滲透不足；由于地層的非均質(zhì)性，注入的化學刺激劑傾向于沿天然斷裂運移，造成化學刺激劑的軸向分布不完整；在干熱巖高溫條件下，化學刺激劑具有強烈的腐蝕性，添加的緩蝕劑效果也有所降低，容易造成泵和井筒油管腐蝕；當注入的刺激劑消耗完，流體的pH值隨之升高，溶解的鐵會以氫氧化鐵或硫化鐵的形式沉淀出來，阻塞地層縫隙，降低刺激效率。

根據(jù)以上對化學刺激技術(shù)的總結(jié)和存在問題分析，今后化學刺激劑在增強型地熱系統(tǒng)中的研究方向應主要集中在以下幾方面：①在中國，目前利用化學刺激劑增強熱儲層孔隙度和滲透率的研究基本局限于室內(nèi)試驗階段，預先設(shè)定不同的刺激劑、溶液pH值、溶液濃度、反應溫度及反應時間等，探討不同條件下刺激劑對熱儲層孔隙度和滲透率的增強效果，選擇出最優(yōu)刺激劑及反應條件，今后可將處理對象從實驗室擴展到現(xiàn)場干熱巖測試；②嘗試將刺激溶液溶解到無水溶液（如酒精等）等方法，或配置新型化學刺激劑，以降低刺激劑與巖層礦物的反應速率，防止形成蟲洞，增加穿透距離；③在具體的干熱巖項目中，引用石油工業(yè)中的機械技術(shù)（如封隔器和連續(xù)油管等）將化學刺激劑引導到目標地層，避免造成軸向分布不完整，增強整體熱儲層的孔隙度和滲透率；④嘗試在化學刺激之前，注入大量的前置液（水溶液）降低熱儲層溫度，并選擇有效的緩蝕劑以減緩泵和井筒油管腐蝕；⑤反復試驗，尋找合適的添加劑加入到刺激液中，防止鐵沉淀；⑥建立一個小型野外試驗場（如青海共和盆地）來進行工程實際研究，同時將長期試驗結(jié)果與多尺度數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，探討將化學刺激技術(shù)應用到實際干熱巖項目的可能性，為中國增強型地熱系統(tǒng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù)。

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