陳海雯, 宋榮彩, 張 超, 梁 元, 王迎春, 鄭 峰, 王彥力, 王洪輝

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059;2.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院,成都 610059;3.數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

地?zé)豳Y源作為目前發(fā)展勁頭強(qiáng)勢(shì)的清潔可再生能源[1],其儲(chǔ)量豐富、分布廣泛,并且相比于其他新能源(太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能等),具有排放最環(huán)保、供能最穩(wěn)定(不受季節(jié)、氣候、晝夜變化的影響)、過程最安全等特點(diǎn)[2],這都使地?zé)崮艹蔀槿祟愇磥淼闹匾娲茉粗弧４笠?guī)模開發(fā)利用地?zé)崮?可有效應(yīng)對(duì)目前全球所面臨的化石能源短缺及環(huán)境污染問題[3]。對(duì)于中國(guó)而言,地?zé)豳Y源的有效開發(fā)利用可力促“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

地?zé)崮芊诸惙绞蕉鄻?按形成機(jī)制可分為沉積盆地型與隆起山地型;按熱量傳輸方式可分為傳導(dǎo)型、對(duì)流型[4];按溫度和賦存狀態(tài)可以分為淺層地?zé)嵝?、水熱型、干熱巖型。其中,干熱巖型地?zé)豳Y源具有儲(chǔ)層溫度高、儲(chǔ)量巨大、分布廣等特點(diǎn),被認(rèn)為是能夠有效緩解目前能源問題的一種最優(yōu)質(zhì)、可再生的新型清潔能源。干熱巖最早由D.Brown[5]提出,基于Fenton Hill地?zé)徙@井研究工作,將干熱巖定義為埋藏于地面2～3 km以下、無流體及裂縫、溫度大于200 ℃的巖體。隨著對(duì)干熱巖的進(jìn)一步研究,目前對(duì)于干熱巖的定義日漸完善,有部分學(xué)者提出對(duì)干熱巖的定義應(yīng)有廣義和狹義之分,前者僅考慮了客觀性和科學(xué)性,而后者在此基礎(chǔ)上還考慮了經(jīng)濟(jì)性和可行性[6]。目前,中國(guó)能源局在其所頒布的《地?zé)崮苄g(shù)語》中,將干熱巖定義為溫度高于 180 ℃,且不含或含有少量流體,并且在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可開發(fā)利用的異常高溫巖體[7]。

自20世紀(jì)70年代,美國(guó)進(jìn)行Fenton Hill干熱巖實(shí)驗(yàn)開始,英國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、日本等國(guó)家也相繼開展了干熱巖資源潛力評(píng)價(jià)及開發(fā)利用研究。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球先后實(shí)施的干熱巖開發(fā)項(xiàng)目共有47個(gè)[8]。目前,法國(guó) Soultz、德國(guó)Laudau和Insheim、美國(guó)Desert Peak 等干熱巖項(xiàng)目已針對(duì)兆瓦級(jí)發(fā)電開展了相關(guān)工作[9-10],總裝機(jī)容量達(dá)到12.2 MW。其中,德國(guó)Laudau和Insheim采用雙工質(zhì)ORC發(fā)電機(jī)成功發(fā)電,裝機(jī)容量達(dá)到8 MW,已完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行[11]。美國(guó)政府為促進(jìn)地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展,出臺(tái)相關(guān)稅收減免和財(cái)政補(bǔ)貼等政策,預(yù)期在2030年實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)豳Y源發(fā)電的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)[12]。

中國(guó)地?zé)豳Y源分布廣泛,儲(chǔ)量豐富。其中干熱巖地?zé)豳Y源占據(jù)全部地?zé)豳Y源的 98%以上。從資源分布情況來看,中國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源主要分布在青藏高原,其次是華北地區(qū)、東南沿海地區(qū)以及東北地區(qū)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局評(píng)估了中國(guó)干熱巖資源,其資源量總計(jì)為 2.52×1025J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤 860×1012t,是中國(guó)每年消耗總量的 26 萬倍[13]。近幾年來,渤海灣盆地馬頭營(yíng)[14-15]以及青海共和盆地恰卜恰[16-17]干熱巖地?zé)豳Y源的勘探研究是中國(guó)干熱巖研究的重大突破。但總體來說,中國(guó)干熱巖研究仍處在理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬、鉆井普查階段[18],存在對(duì)干熱巖的形成機(jī)理及成因模式認(rèn)識(shí)不清、干熱巖資源家底沒摸清、檢測(cè)體系不健全、關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的開發(fā)設(shè)備落后等問題。在干熱巖研究中,熱儲(chǔ)研究是干熱巖可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵,亟需加強(qiáng)。地?zé)豳Y源主要取決于地溫梯度(地下深度和溫度關(guān)系)、熱儲(chǔ)巖石滲透率、裂隙及含水量[19]。在地?zé)豳Y源中,熱儲(chǔ)主要指滲透性良好的孔隙、裂隙巖層以及斷裂裂隙系統(tǒng)。地?zé)醿?chǔ)層可以存在于自然界中含水層填充的孔隙、斷層和裂縫中[20],或者是在一定深度內(nèi)具有充足的熱能、滲透率,但是由于斷裂封閉,致使?jié)B透率低、含水量少或無水,無法直接獲取地?zé)崮?此時(shí)采用水力壓裂等方式提高熱儲(chǔ)含水量和滲透率,便于獲取豐富的地?zé)豳Y源。這是實(shí)施增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)、建立人工熱儲(chǔ)的目的。

1 典型干熱巖地?zé)岬刭|(zhì)背景及熱儲(chǔ)特征

狹義干熱巖(即考慮了干熱巖地?zé)岚l(fā)電的經(jīng)濟(jì)型和可行性的情況下進(jìn)行的定義)常指廣泛分布于地球熱構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈及深部熱源長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)演變的地殼熱異常區(qū)[21]。活動(dòng)洋陸體系及其關(guān)聯(lián)的盆山體系具有分層、分塊和分時(shí)差異流變特征,在熱活動(dòng)強(qiáng)烈的構(gòu)造區(qū)帶存在半固態(tài)和固態(tài)流變及其韌性變形,這種流體少、活性強(qiáng)、能量大、以水平剪切運(yùn)動(dòng)為特征的活動(dòng)熱構(gòu)造應(yīng)當(dāng)作為干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)的熱構(gòu)造背景。干熱巖儲(chǔ)熱構(gòu)造與強(qiáng)烈熱隆伸展活動(dòng)區(qū)內(nèi)脆性變形、脆韌性變形,活動(dòng)造山帶內(nèi)韌脆性變形、韌性剪切等有關(guān)[22],其中干熱巖熱儲(chǔ)是由向上持續(xù)吸熱的韌-脆性和脆-韌性構(gòu)造及其間的各種巖石組合構(gòu)成。

從板塊構(gòu)造角度分析,目前全世界的干熱巖項(xiàng)目主要分布在歐亞、印澳板塊內(nèi)地?zé)嵊?東太平洋離散-匯聚、西太平洋匯聚板緣型地?zé)嵊蛞约凹永毡群；鹕交顒?dòng)島弧區(qū)[23]。其所處的大地構(gòu)造背景主要包括克拉通盆地、前陸盆地、裂谷盆地、弧前及弧后盆地、近現(xiàn)代火山地區(qū)和褶皺帶地區(qū)。其中前陸盆地(以歐洲阿爾卑斯褶皺帶磨拉石盆地為代表)和裂谷盆地(以歐洲阿爾卑斯褶皺帶上萊茵地塹、北美新生代科迪勒拉造山帶內(nèi)華達(dá)盆地為代表)是全球干熱巖開發(fā)項(xiàng)目最為集中的兩種盆地類型。前者主要開發(fā)中生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層(阿爾卑斯褶皺帶)及三疊系砂巖儲(chǔ)層(西歐地臺(tái))內(nèi)的干熱巖地?zé)豳Y源,后者則主要開發(fā)石炭紀(jì)火山巖及其上覆的上古生界碎屑巖(上萊茵地塹)和新生界火成巖儲(chǔ)層(內(nèi)華達(dá)盆地)內(nèi)的干熱巖地?zé)豳Y源,弧前-弧后地區(qū)及火山帶干熱巖項(xiàng)目集中于環(huán)太平洋地區(qū)。

目前部分正在運(yùn)行、停止運(yùn)行以及探索階段的干熱巖項(xiàng)目分布情況如圖1所示[24]。

圖1 全球典型干熱巖項(xiàng)目分布圖Fig.1 Distribution map of global typical dry hot rock projects(修改自張超等[24])

據(jù)統(tǒng)計(jì),自美國(guó) 1974 年于 Fenton Hill 進(jìn)行第一次 EGS 測(cè)試以來,截至目前,全球共進(jìn)行79個(gè)干熱巖開采項(xiàng)目,這些項(xiàng)目主要由 21 個(gè)國(guó)家進(jìn)行[25],分布于歐洲、北美、亞洲、大洋洲(表1,表中僅展現(xiàn)了部分干熱巖開采項(xiàng)目[26-38])。

表1 國(guó)外典型干熱巖項(xiàng)目Table 1 Typical dry hot rock projects abroad

其中,仍在運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目共有13個(gè)(如法國(guó) Soultz、美國(guó) Geysers、美國(guó) Newberry Volcano、意大利 Lardarello、中國(guó)羊八井等)。以中國(guó)共和盆地及美國(guó) Milford 為代表的 EGS 項(xiàng)目處于鉆探階段,英國(guó) Eden、匈牙利 Szeged即法德合作的 GEOSTRAS 處于計(jì)劃實(shí)施階段;德國(guó) Landau 及澳大利亞 Paralana 因經(jīng)費(fèi)或地震因素暫停運(yùn)營(yíng);日本 Ogachi、澳大利亞 Habanero、德國(guó) Falkenberg等11個(gè)干熱巖項(xiàng)目由于出現(xiàn)相關(guān)技術(shù)問題或經(jīng)費(fèi)問題被迫結(jié)束;此外,日本 Hijiori、法國(guó) LeMayet 及英國(guó) Roesmanowe 等 7 個(gè)干熱巖項(xiàng)目因工區(qū)發(fā)生地震、發(fā)生施工意外而終止。本文選取典型的仍在運(yùn)營(yíng)、停止運(yùn)營(yíng)及處于鉆探階段干熱巖項(xiàng)目的展開論述,重點(diǎn)關(guān)注各干熱巖項(xiàng)目的熱儲(chǔ)條件,據(jù)此選取熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo),并結(jié)合因子分析法,初步對(duì)國(guó)內(nèi)干熱巖項(xiàng)目熱儲(chǔ)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 仍在運(yùn)營(yíng)的Geysers與Soultz干熱巖項(xiàng)目

Geysers項(xiàng)目位于美國(guó)加利福尼亞州北部,毗鄰著清湖火山區(qū)。清湖火山區(qū)是一個(gè)活躍的火山系統(tǒng),距離加利福尼亞州北部120 km。Geysers目前是世界上最大的用于生產(chǎn)的地?zé)崽?。從整體結(jié)構(gòu)上看,Geysers 地?zé)崽镂挥谑グ驳铝襾喫箶鄬酉到y(tǒng)的地層中[39](圖2)。Geysers 干熱巖示范項(xiàng)目主要包含兩套熱儲(chǔ),熱儲(chǔ)大致形態(tài)為層狀。第一套儲(chǔ)層是深度為 1.6～2.6 km的常溫儲(chǔ)層,巖性為雜砂巖,溫度大約為 240 ℃;第二套儲(chǔ)層是深度>2.6 km的高溫儲(chǔ)層,巖性為熱變雜砂巖,測(cè)試溫度達(dá)到了 400 ℃(深度為3 352 m),地溫梯度為 182 ℃/km。儲(chǔ)層主要以構(gòu)造角礫巖和變質(zhì)雜砂巖組成,受到區(qū)域整體走滑斷層的影響,砂巖層發(fā)育有較多的斷層及節(jié)理裂隙,這為地?zé)豳Y源的開發(fā)利用提供了良好的通道。上部的蓋層主要由頁巖、硅質(zhì)巖以及蛇紋巖等混雜巖體組成,這些都是滲透性比較低的巖石,對(duì)下部熱流有著很好的封存及保護(hù)作用。

圖2 蓋瑟爾斯地?zé)崽镂恢肹39]Fig.2 Location of Gaithers geothermal field[39]

Soultz干熱巖場(chǎng)地位于法國(guó)東北部的阿薩爾斯地區(qū),靠近萊茵地塹西邊緣[40](圖3),具有較高的地溫梯度和大地?zé)崃髦?是目前世界上最為成功的示范項(xiàng)目。萊茵地塹形成于晚始新世,響應(yīng) NNE 方向的擠壓,通過地震調(diào)查研究萊茵地塹深部熱結(jié)構(gòu)顯示,其成因可能與地幔隆升有關(guān)。該地塹目前處于活躍狀態(tài),地理位置位于法國(guó)和德國(guó)邊界處,地塹南北被萊茵地塊與侏羅山褶皺帶包圍[41]。在地塹演化歷程中,在最上部形成了很薄的沉積層,沉積層中出現(xiàn)異常高的地溫梯度。

圖3 Soultz項(xiàng)目地理位置[40]及上萊茵地塹地質(zhì)概況[43]Fig.3 Location of Soultz project [40] and geological situation of upper Rhine graben[43]

該項(xiàng)目的目的層位是深度為1.4 km的基底花崗巖。在較寬的深度范圍內(nèi),花崗巖基底具有高度的裂縫性和滲透性[42]。上部為沉積蓋層,滲透性較小,對(duì)下部的熱流體起著很好的保護(hù)與封存作用。在 Soultz 地?zé)崽飪?nèi)充填湖相以及海相的灰?guī)r、泥灰?guī)r和蒸發(fā)巖沉積物,在不整合界面上覆蓋著侏羅紀(jì)的灰?guī)r以及三疊紀(jì)的地層,新生代和中生代沉積地層之下為古生代基底[43](圖3),巖性為斑狀二長(zhǎng)花崗巖和二云母花崗巖[44]。在花崗巖熱儲(chǔ) 1.4～5 km深度范圍內(nèi),顯示出大量的斷裂帶[45],這些斷裂帶為地?zé)崃黧w的運(yùn)移提供了良好的通道?；诂F(xiàn)場(chǎng) BS-1、GPK-1、GPK-2等鉆井的測(cè)井資料顯示,熱液蝕變花崗巖儲(chǔ)層的溫度在 160～170 ℃。在 5 km深度達(dá)到的井底溫度為 200 ℃。場(chǎng)地的地溫梯度在沉積層高達(dá) 100 ℃/km,其下基底約為 28 ℃/km,測(cè)得的高熱流值超過 140 mW/m2。在高地溫梯度與大地?zé)崃髦当尘跋?以及熱儲(chǔ)發(fā)育有許多的天然裂隙,使得其儲(chǔ)層性能良好,是可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)。

1.2 停止運(yùn)營(yíng)的Fenton Hill和Habanero干熱巖項(xiàng)目

美國(guó)Fenton Hill干熱巖是全球最早提出嘗試在地下深部建立工業(yè)規(guī)模干熱巖熱儲(chǔ)的EGS項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于新墨西哥州中北部,位于太平洋板塊和北美板塊俯沖碰撞帶[46](圖4),具有高地溫梯度、高大地?zé)崃髦档奶攸c(diǎn)。Fenton Hill 項(xiàng)目建造了兩個(gè)熱儲(chǔ)目的在于能夠從高溫結(jié)晶巖或變質(zhì)巖中經(jīng)濟(jì)地提取熱能。第一熱儲(chǔ)層的深度為2 800～2 950 m,巖性為前寒武紀(jì)黑云母花崗閃長(zhǎng)巖,最高熱儲(chǔ)溫度為200 ℃。第二熱儲(chǔ)層深度約為3.5 km,巖性為變質(zhì)巖,最高熱儲(chǔ)溫度達(dá)240 ℃(圖4)。1974年鉆注入井GT-2,深度約為 2 932 m,溫度達(dá) 180 ℃,并且完成了水力壓裂測(cè)試;在1975年鉆生產(chǎn)井EE-1,深度為3 064 m,同樣進(jìn)行了水力壓裂測(cè)試,但兩口井間并未建立良好的水力連同。因此,首先在GT-2約2.5 km深度處進(jìn)行變道鉆井GT-2A,仍未實(shí)現(xiàn)連通;又在GT-2A約2 530 m深度變道鉆井GT-2B,最終與井EE-1在2 673 m深度建立水力連通[47],并在此后一段時(shí)間內(nèi),進(jìn)行多次的循環(huán)取熱實(shí)驗(yàn),熱提取率為3～5 MW,由此建立了世界上第一個(gè)干熱巖地?zé)岚l(fā)電站,發(fā)電量可達(dá)60 kW。隨后于 1979-2000年鉆井EE-2及EE-3,兩井相距約400 m。在1982-1984年間通過監(jiān)測(cè)微震事件發(fā)現(xiàn)人工壓裂的裂縫并未按照預(yù)測(cè)的方向擴(kuò)展,因此剛開始EE-2與EE-3井并未連通。1985年,對(duì)EE-3井約2 830 m深度處進(jìn)行變道鉆井EE-3A,深度達(dá)4 018 m,最終與EE-2井取得水力連通。雖然該項(xiàng)目可以進(jìn)行循環(huán)取熱,但是由于井壁被破壞、設(shè)備存在缺陷以及經(jīng)費(fèi)不足等原因,導(dǎo)致原有井筒沒有得到修理、必要鉆孔沒有完成等問題,最終導(dǎo)致該項(xiàng)目于2000年完全停止。

圖4 Fenton Hill 干熱巖儲(chǔ)層深度與地質(zhì)構(gòu)造和地溫梯度示意圖及場(chǎng)地地?zé)岬刭|(zhì)圖[46]Fig.4 Schematic diagram of the Fenton Hill dryheat rock reservoir depth, geological structure, geothermal gradients and geothermal geological map of the site [46]

通過Fenton Hill干熱巖項(xiàng)目可以得知:

a.在設(shè)備條件良好的情況下,可實(shí)現(xiàn)在堅(jiān)硬、高溫的磨蝕性巖石中進(jìn)行深部鉆探。

b.當(dāng)熱儲(chǔ)溫度達(dá)200～300 ℃時(shí),便可進(jìn)行商業(yè)發(fā)電,并且利用常規(guī)的鉆井方式就可以進(jìn)行鉆探。

c.針對(duì)低滲透的結(jié)晶巖體可采用水力壓裂產(chǎn)生連通裂隙,對(duì)于足夠大的巖體,可產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間開放的裂隙網(wǎng)絡(luò),為熱能提取提供通道。此外,通過地球物理及地球化學(xué)等方式可以繪制裂隙網(wǎng)絡(luò)的分布圖。

d.通過在地下深部建立鉆孔之間的水力連通,流體可以完成商業(yè)性溫度循環(huán)取熱,但減少井筒損壞才能夠保證該循環(huán)的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行。比如,若能夠保證裂隙熱儲(chǔ)體積不繼續(xù)增長(zhǎng)或增長(zhǎng)緩慢的情況下進(jìn)行循環(huán)取熱試驗(yàn),在一定程度上可以減少水損。

澳大利亞 Habanero 干熱巖項(xiàng)目開始于 2000 年,其選址位于塔曼斯褶皺帶庫珀盆地內(nèi)。庫珀盆地是澳大利亞中部大型克拉通盆地的早期裂陷,為二疊紀(jì)至三疊紀(jì)盆地,被侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)伊羅曼加盆地不整合覆蓋。其主要構(gòu)造單元受寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)古構(gòu)造控制,以地塹和北東-南西向的GMI隆起為主[41](圖 5)。Habanero項(xiàng)目的熱儲(chǔ)層是庫珀盆地基底300～320 Ma B.P.的中-粗粒高溫花崗巖層(Innamincka花崗巖),該花崗巖層地溫梯度約為31 ℃/km,并且在冰川和熱液侵蝕作用下儲(chǔ)層發(fā)育有高壓鹽水的天然裂隙[48]?；◢弾r上部為庫珀和伊羅曼加盆地的連續(xù)沉積序列和華拉賓海槽沉積物[49],該沉積覆蓋層的厚度約3 640 m,其地溫梯度接近 60 ℃/km[50],具有較好的隔熱效果。Habanreo場(chǎng)地共鉆有4口干熱巖鉆井(Habanero-1、Habanero-2、Habanero-3及Habanero-4井),且均鉆至花崗巖層中。據(jù)測(cè)井資料,最大鉆井深度為 4.3 km,井底溫度為 244 ℃,在該項(xiàng)目熱儲(chǔ)層中存在上沖斷層,水平應(yīng)力方位角約為 82°[51]。

圖5 Habanero EGS項(xiàng)目位置[51] 及干熱巖場(chǎng)地及其周圍構(gòu)造格架圖[41]Fig.5 Location of Habanero EGS Project [51] and tectonic framework of Cooper Basin[41]

Habanero項(xiàng)目的工程目標(biāo)在于驗(yàn)證高溫花崗巖體中建立 EGS 系統(tǒng)的可行性,最終建立示范項(xiàng)目,并且能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)發(fā)電[52]。該項(xiàng)目通過水力壓裂產(chǎn)生了大量的裂縫,但通過微震檢測(cè),這些裂縫網(wǎng)絡(luò)基本沒有相互連通[50](圖 6),因此無法實(shí)現(xiàn)井間流體的顯著流動(dòng)。此外,由于水平斷裂發(fā)育,地處擠壓構(gòu)造環(huán)境,一定程度上造成4口干熱巖鉆井的滲透率與熱恢復(fù)率(<2%)極低。目前,由于經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等問題,該EGS項(xiàng)目已被迫中止。

圖6 庫珀盆地Habanero 裂縫分布示意圖[50]Fig.6 Distribution of Habanero fracture in Cooper Basin[50]

從Habanero干熱巖項(xiàng)目開發(fā)情況中可知:

a.巨大的地?zé)豳Y源可能存在于分布廣泛且性質(zhì)較為均勻的花崗巖體中。

b.花崗巖體中可能存在許多近似水平的天然裂隙帶,但許多天然裂縫呈閉合狀態(tài)。

c.開放的、可滲透且預(yù)先存在的裂隙及斷層比較容易激發(fā)。

d.地下深部若存在超壓水,有利于重新打開閉合裂縫,以此增加熱儲(chǔ)滲透率,但與此同時(shí)也會(huì)增加一定的鉆井難度和成本。

e.當(dāng)技術(shù)條件成熟,在地下深部花崗巖體中建立長(zhǎng)期連通裂隙網(wǎng)絡(luò)是具有一定可行性的。

f.在開發(fā)及利用過程中需要降低成本,才能夠保證項(xiàng)目的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。

1.3 處于鉆探階段的Milford和青海共和盆地干熱巖項(xiàng)目

從整體區(qū)域上看,Milford 場(chǎng)地位于美國(guó)西部環(huán)太平洋地?zé)釒?nèi),地處北美科迪勒拉山系中央軸帶的盆嶺省盆山交接區(qū)。科迪勒拉造山帶是北美干熱巖項(xiàng)目最為集中的單元,由多個(gè)增生地體、花崗巖和變質(zhì)巖組成,并且在新生代發(fā)育成為了火山島弧且延伸至拉丁美洲[53],區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)顯示該地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|向。自 1970 年以來,先后在Milford 干熱巖場(chǎng)地完鉆了 100 多個(gè)鉆孔,現(xiàn)已收集到超過 100 多個(gè)地溫梯度井和深井?dāng)?shù)據(jù)[8],場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜,以伸展性斷裂、第四紀(jì)巖漿活動(dòng)和高熱流為主要特征。

鉆井巖性資料顯示,Milford干熱巖場(chǎng)地的基底巖石主要由前寒武紀(jì)片麻巖和第三紀(jì)花崗巖組成[54](圖7),斷層上部為火山沉積物和第四紀(jì)湖湘沖積物。熱儲(chǔ)位于第三紀(jì)花崗巖體中,熱儲(chǔ)分布面積很大且呈帶狀,由于崩解而局部被剪切,花崗巖體中節(jié)理裂隙較為發(fā)育,預(yù)先存在的節(jié)理裂隙為干熱巖場(chǎng)地的開發(fā)發(fā)揮了重要的作用。其熱儲(chǔ)埋深大約在 3 km以下,根據(jù)場(chǎng)地最深的Acord-1井的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可知(圖7),其井底3 854 m深度的溫度達(dá)到230 ℃,花崗巖熱儲(chǔ)中地溫梯度達(dá)到 41 ℃/km,場(chǎng)地大地?zé)崃髦蹈哌_(dá)(120±5) mW/m2。Acord-1井、9-1井82-33井的測(cè)井結(jié)果表明其深部的結(jié)晶巖透水性極差[55]。

自2016年由猶他大學(xué)能源與地質(zhì)研究院優(yōu)選出Milford EGS場(chǎng)地開始,到目前一直在對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行研究。通過前文可知,Milford EGS場(chǎng)地具有良好的干熱巖地?zé)豳Y源;但結(jié)合澳大利亞庫珀盆地Habanero EGS項(xiàng)目以及美國(guó)Fenton EGS項(xiàng)目的失敗經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)已探明EGS場(chǎng)地的干熱巖資源情況后,對(duì)干熱巖進(jìn)行水力壓裂造儲(chǔ)以及井間裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通就成為 EGS 項(xiàng)目能否進(jìn)入下一個(gè)階段的關(guān)鍵,也決定著該項(xiàng)目能否長(zhǎng)久運(yùn)行[54]。

圖7 Milford 干熱巖場(chǎng)地不同地?zé)嵯到y(tǒng)井深-溫度曲線及歐珀丘斷層地?zé)岬刭|(zhì)特征[54]Fig.7 Well depth-temperature curves of different geothermal systems and geothermal geological characteristics of the Opal Mound Fault at the Milford dry hot rock site [54]

共和盆地位于青海省東部,盆地總面積為21 186 km2,海拔高度約為2 850 m。通過地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、地球物理、地球化學(xué)方法結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析,發(fā)現(xiàn)該盆地北東部的共和縣恰卜恰地區(qū)存在干熱巖資源,其上部蓋層主要巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,巖石粒度細(xì)、密度較大、滲透性差、熱導(dǎo)率低,為深部干熱巖聚熱提供有利條件。為進(jìn)一步研究該地區(qū)干熱巖賦存條件,在恰卜恰巖體內(nèi)鉆4口深度在2 927～3 705 m的干熱巖勘探井(圖8)。鉆孔放射性數(shù)據(jù)顯示,恰卜恰花崗巖體的U、Th、K放射性元素含量稍高于中國(guó)大陸大地背景值,而前人分析共和盆地底部侵入巖在一定深度內(nèi)存在熔融體,由于放射性生熱對(duì)熱源的貢獻(xiàn)較小,因此殼內(nèi)熔融體很有可能就是干熱巖的主要熱源體。鉆井穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,恰卜恰地區(qū)為顯著高溫異常區(qū),該地區(qū)花崗巖平均地溫梯度為 41.3 ℃/km。其中GR 1井在2 550 m深度達(dá)到150 ℃,在3 705 m深度達(dá)230 ℃[16](圖8),是目前中國(guó)鉆獲干熱巖的最高溫度。共和盆地共發(fā)育4套熱儲(chǔ),前人將其分為四層兩類,淺部3層為碎屑巖水熱型地?zé)豳Y源,深層中-晚三疊世花崗巖即為干熱巖熱儲(chǔ)。深層花崗巖具有較高的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù),不僅是溝通深部熱源的導(dǎo)熱層,也是干熱巖熱儲(chǔ)的母巖。淺層新生代碎屑巖熱儲(chǔ)上、下含有的黏土巖則是較好的隔水層及隔熱層。恰卜恰干熱巖總體勘探成果大致和 Milford EGS 場(chǎng)地屬于“同步”階段,兩個(gè)場(chǎng)地對(duì)比來看,Milford EGS場(chǎng)地的鉆井深度較深,沉積蓋層厚度大,但恰卜恰EGS場(chǎng)地的隔熱保溫效果優(yōu)于Milford,兩者鉆遇溫度和地溫梯度上相差較小。此外,Milford EGS場(chǎng)地壓裂技術(shù)相較于恰卜恰場(chǎng)地,其壓裂技術(shù)準(zhǔn)備較為充足,但水力壓裂造儲(chǔ)和井間裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通問題是兩個(gè)場(chǎng)地共同亟需解決的問題。

圖8 恰卜恰地區(qū)GR1干熱巖勘探孔深度-溫度曲線及干熱巖勘探井分布圖[16]Fig.8 Well depth-temperature profile of GR1 dry-thermal exploration holes and distribution of dry-thermal exploration wells in the Chabchai area[16]

2 熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)方法及參數(shù)分析

2.1 指標(biāo)參數(shù)選取

地?zé)豳Y源一般由4個(gè)要素構(gòu)成:熱源、熱儲(chǔ)、蓋層及熱通道。結(jié)合前文對(duì)目前全球典型干熱巖開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)干熱巖熱儲(chǔ)是EGS現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目中必不可少的研究?jī)?nèi)容,熱儲(chǔ)條件(包括熱儲(chǔ)埋深、熱儲(chǔ)溫度、熱儲(chǔ)物性、熱儲(chǔ)巖性)的好壞、大地?zé)崃髦?、地溫梯度很大程度上能夠影響EGS現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)展和運(yùn)行情況,但目前針對(duì)干熱巖型地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)條件好壞的研究甚少。本文借鑒油氣行業(yè)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的思路,結(jié)合全球典型干熱巖項(xiàng)目熱儲(chǔ)特點(diǎn),選取儲(chǔ)層深度、儲(chǔ)層溫度、地溫梯度、大地?zé)崃髦怠醿?chǔ)物性及熱儲(chǔ)巖性作為干熱巖地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo),基于因子分析法,初步對(duì)中國(guó)干熱巖項(xiàng)目熱儲(chǔ)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.1 地?zé)崽卣?/p>

地?zé)崽卣靼ù蟮責(zé)崃骷暗販靥荻?。大地?zé)崃髦凳悄軌蛑苯臃从车責(zé)岜尘?、評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)地?zé)豳Y源好壞的基礎(chǔ)參數(shù)。大地?zé)崃髦蹈呖赡苁怯捎谠摰貐^(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈或構(gòu)造-熱事件年齡小;而構(gòu)造穩(wěn)定的古老塊體,往往其大地?zé)崃髦递^低。根據(jù)目前全國(guó)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),中國(guó)大地?zé)崃髦捣植己懿痪鶆?但總體上呈現(xiàn)“東高西低,西南高西北低”的特點(diǎn)。其中藏南地區(qū)、滇西地區(qū)、南海及東海局部地區(qū)熱流值大于75 mW/m2,個(gè)別地區(qū)高達(dá) 304 mW/m2,屬于高熱流區(qū);其次為四川盆地、南方沿海盆地、華北南部、松遼盆地北部、蘇北、渤海灣盆地等地區(qū),熱流平均值在 65～75 mW/m2;新疆的塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地北部以及松遼盆地北部等地區(qū),熱流平均值為 30～50 mW/m2,為冷盆。依據(jù)中國(guó)大陸現(xiàn)有的熱流特征,認(rèn)為大地?zé)崃髦?70 mW/m2時(shí)較好。一般情況下,當(dāng)某個(gè)地區(qū)地溫梯度>30 ℃/km時(shí),即將該地區(qū)視為地?zé)岙惓^(qū),中國(guó)不同地區(qū)的地溫梯度取值區(qū)別較大。大地?zé)崃髋c地溫梯度和地表溫度可以推算出地下一定深度范圍的熱儲(chǔ)層溫度條件[56]。

2.1.2 熱儲(chǔ)巖性

開發(fā)深層地?zé)崮艿年P(guān)鍵是通過人工壓裂進(jìn)行造儲(chǔ),人工造儲(chǔ)效果的好壞直接決定干熱巖項(xiàng)目是否能夠持續(xù)、安全且經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。目前主要的人工壓裂技術(shù)包括水力壓裂及化學(xué)溶蝕技術(shù),這兩種技術(shù)都是通過對(duì)熱儲(chǔ)層巖石進(jìn)行改造進(jìn)而開發(fā)深層地?zé)崮?因此,熱儲(chǔ)層巖石是否容易被改造是熱儲(chǔ)好壞的重要評(píng)價(jià)因素。由上文可知,目前全球干熱巖熱儲(chǔ)巖性多為花崗巖,除此之外,還包括碳酸鹽巖、砂巖及變質(zhì)巖?？偟膩碚f,干熱巖熱儲(chǔ)巖性可分為3類:結(jié)晶巖、砂巖、碳酸鹽巖。

結(jié)晶巖類巖體通常而言硬度較大、結(jié)構(gòu)致密且滲透率極低。其中例如花崗巖,其富含的高放射性元素(U、Th、K)衰變產(chǎn)生的熱量被認(rèn)為是干熱巖地?zé)豳Y源的重要熱來源[24],但與此同時(shí),巖性與熱能聚散也存在一定的相關(guān)性。唐顯春等[57]針對(duì)花崗巖對(duì)共和盆地地?zé)豳Y源形成過程中的作用進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn),共和盆地花崗巖、三疊系變質(zhì)砂巖形成的圍巖及上覆的漸新統(tǒng)黏土巖或粉砂巖的熱導(dǎo)率分別約為 2.79 W/(m·K)、1.69 W/(m·K)及 0.38 W/(m·K)?？梢钥闯龌◢弾r的熱導(dǎo)率值最高,這表明在接收相同條件下的熱源,花崗巖往往具有更好的導(dǎo)熱或聚熱能力,利于干熱巖地?zé)豳Y源的形成。需要注意的是,高熱導(dǎo)率往往代表著在暴露情況下,其散熱能力也會(huì)相對(duì)較高,對(duì)于良好的熱儲(chǔ),其上覆往往會(huì)存在熱導(dǎo)率較低的蓋層,降低散熱量,保證花崗巖聚熱。

砂巖類熱儲(chǔ)層大部分是由于該干熱巖項(xiàng)目并未鉆遇至花崗巖層或部分鉆遇至斑狀花崗巖層,將其上部具有埋深合適、溫度高、熱導(dǎo)率大、裂隙少等特性的沉積巖地層作為儲(chǔ)層。

碳酸鹽巖熱儲(chǔ)通常呈層狀分布、具有明顯層理結(jié)構(gòu)及可溶性,在高熱流值背景下,與高濃度CO2、H2S等深部存在的酸性氣體反應(yīng),促使碳酸鹽巖發(fā)生深部溶蝕,增加巖石孔隙度和滲透性。歐洲阿爾卑斯褶皺帶磨拉石盆地以碳酸鹽巖為主要熱儲(chǔ)層,德國(guó)Unterhaching、奧地利Altheim及瑞士St.Gallen干熱巖項(xiàng)目主要是中生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層[23]。隨著EGS技術(shù)的不斷拓展,利用人工造儲(chǔ)提取深部熱量時(shí),往往選取更易于改造的熱儲(chǔ),此時(shí),高熱流值背景下的中-厚層碳酸鹽巖熱儲(chǔ)通常作為優(yōu)質(zhì)的干熱巖熱儲(chǔ)[58]。這是由于碳酸鹽巖在水力壓裂或酸化壓裂過程中都易發(fā)生溶蝕;并且對(duì)于中-厚層碳酸鹽巖熱儲(chǔ),其構(gòu)造裂隙通常密集、短小且分布均勻,在人工壓裂下可形成較為均勻的裂隙型熱儲(chǔ),利于深層地?zé)崮艿拈_采。

2.1.3 熱儲(chǔ)物性

熱儲(chǔ)物性的好壞取決于熱儲(chǔ)是否發(fā)育孔隙或天然裂隙。對(duì)于EGS人工造儲(chǔ)而言,熱儲(chǔ)中是否存在孔隙及天然裂縫,人工造儲(chǔ)效果會(huì)有明顯差別。具體來說,天然孔隙通道少,在使用水力壓裂或酸化溶蝕時(shí)改造效果差,形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)不均勻且滲透性低,可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層改造成本高;相反,具有裂隙或天然孔隙則更能夠經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行人工造儲(chǔ)。

2.2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

2.2.1 參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及取值

對(duì)地?zé)崽卣?、熱?chǔ)巖性及熱儲(chǔ)物性條件進(jìn)行綜合考慮,本文初步建立了干熱巖熱儲(chǔ)選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)體系及各項(xiàng)參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)(表2)。并在分析干熱巖熱儲(chǔ)條件的基礎(chǔ)上,參考前期不同研究單位所選擇的評(píng)價(jià)及鉆探對(duì)象,本文初步篩選出黑龍江五大連池、雷瓊斷陷盆地、河北滄縣、山東利津、蘇北盆地、松遼盆地、福建漳州、青海共和盆地、云南騰沖、冀東平原馬頭營(yíng)、藏南羊八井等11個(gè)目標(biāo)區(qū)作為干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)區(qū),參照儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)得出評(píng)價(jià)結(jié)果(表3)。

表2 干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation parameters of dry hot rock reservoir

表3 干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of dry hot rock reservoirs in China

2.2.2 參數(shù)模型檢驗(yàn)及計(jì)算

因子分析是基于降維的思想,在盡可能不損失或者少損失原始數(shù)據(jù)信息的情況下,將錯(cuò)綜復(fù)雜的眾多變量聚合成少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的公共因子,這幾個(gè)公共因子可以反映原來眾多變量的主要信息,在減少變量個(gè)數(shù)的同時(shí),又反映了變量之間的內(nèi)在聯(lián)系[59]。其基本目的就是用少數(shù)幾個(gè)因子去描述許多指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系,即將關(guān)系比較密切的幾個(gè)變量歸在同一類中,每一類變量就成為一個(gè)因子,以較少的幾個(gè)因子反映原資料的大部分信息(圖 9)。

圖9 因子分析示意圖Fig.9 Schematic diagram of factor analysis

在采用因子分析法之前需進(jìn)行KMO及Bartlett球形度檢驗(yàn),KMO 值大于 0.5 則說明可以進(jìn)行因子分析;如果此值小于 0.5,說明不適合進(jìn)行因子分析。Bartlett 檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)p值小于 0.05 也說明適合進(jìn)行因子分析。但需要注意的是,如果僅兩個(gè)分析項(xiàng),則KMO無論如何均為 0.5[60]。將干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果代入KMO及Bartlett檢驗(yàn),KMO為0.535且Bartlett檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)p值為0.039,說明可以采用因子分析法(表4)。

表4 KMO和Bartlett 的檢驗(yàn)Table 4 KMO and Bartlett’s tests

df代表自由度,p值代表顯著性。

基于因子分析法進(jìn)行降維,計(jì)算特征根。表5為總方差解釋表格,用來觀察因子對(duì)于變量解釋的貢獻(xiàn)率。按照特征值大于1的標(biāo)準(zhǔn),選取3個(gè)因子。如表5所示,前3個(gè)因子的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到44.012%、23.716%及17.502%,累計(jì)共85.230%,說明前3個(gè)因子能夠較為全面地包含原始參數(shù)的主要信息,因此,我們選取這3個(gè)因子作為模型來代表原始的7 個(gè)指標(biāo)參數(shù)是可行的。

此外,利用碎石圖(scree plot)來進(jìn)一步驗(yàn)證。從碎石圖上可以顯示各因子的重要程度,其中橫軸代表因子編號(hào),特征值大小為縱坐標(biāo)值,按照特征值從大到小進(jìn)行排列,從圖中可以直接觀察到哪些為重要的因子,即折線的斜率大所對(duì)應(yīng)的因子作用明顯,反之,則因子的影響較弱。從圖10中可以看出,在此次研究中僅需考慮前 3 個(gè)因子即可。

表5 方差解釋率Table 5 Variance interpretation rate

圖10 碎石圖Fig.10 Gravel diagram

采用最大方差法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使得前 3 個(gè)因子具有更大的載荷,從而能夠更好地解釋主因子。具體旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣見表6。

表6 旋轉(zhuǎn)后因子載荷系數(shù)Table 6 Factor load coefficient after rotation

由表6可以看出,儲(chǔ)層溫度、大地?zé)崃髦?、熱?chǔ)物性、熱儲(chǔ)巖性在第一因子下載荷系數(shù)很高;儲(chǔ)層深度、儲(chǔ)層物性在第二因子下載荷系數(shù)很高;地溫梯度及大地?zé)崃髦祫t在第三因子下載荷系數(shù)較高。計(jì)算各個(gè)因子得分(表7)。

表7 成分得分系數(shù)矩陣Table 7 Component score coefficient matrix

干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣中的第i行為第i個(gè)干熱巖區(qū)域在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的評(píng)價(jià)結(jié)果,乘以每個(gè)因子對(duì)應(yīng)的單位特征向量即為該區(qū)域在各個(gè)因素下的得分。從上文可知,已選出3個(gè)因子最能夠代表原始變量,是使原始數(shù)據(jù)信息損失最小的變量,因此,通過因子分析法將11個(gè)干熱巖區(qū)域在6個(gè)指標(biāo)下的評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為一個(gè)得分,作為綜合值進(jìn)行排序。其中各因子的表達(dá)式為

Fi=a1X1+a2X2+…+aiXi

(1)

式中:Xi為原始表格中的每個(gè)區(qū)域中的每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù);ai為各指標(biāo)的成分得分。

最終通過計(jì)算Z值對(duì)每個(gè)干熱巖區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),具體方程如下

Z=ai1F1+ai2F2+ai3F3

(2)

式中:ai1,ai2,ai3分別表示每個(gè)因子的解釋度占總信息解釋度的比重。綜合上文的數(shù)據(jù)可知:ai1=0.5164,ai2=0.2726,ai3=0.2054。11 個(gè)區(qū)塊的綜合評(píng)價(jià)得分及排名如表8所示。

表8 熱儲(chǔ)綜合評(píng)價(jià)得分及排名Table 8 Comprehensive evaluation score and ranking of thermal storage

由表8可知,11 個(gè)干熱巖熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)區(qū)中的熱儲(chǔ)優(yōu)劣依次為:藏南羊八井、青海共和盆地、冀東平原馬頭營(yíng)、云南騰沖、雷瓊斷陷盆地、蘇北盆地、山東利津、河北滄縣、福建漳州、松遼盆地、黑龍江五大連池。

2.3 藏南羊八井地區(qū)

羊八井地區(qū)處于東特提斯匯聚板緣型地?zé)嵊?在印度-歐亞大陸強(qiáng)烈碰撞的宏觀背景之下,其活動(dòng)構(gòu)造十分強(qiáng)烈,是中國(guó)也是全球性地?zé)嶙顬楦患膮^(qū)域之一[61]。羊八井地?zé)崽锔邷氐責(zé)徙@井條件十分優(yōu)越,對(duì)深部熱情況的認(rèn)識(shí)較為全面,根據(jù)目前羊八井已有的鉆探測(cè)溫記錄:ZK 4001井深度為1 495.09 m,井底溫度為251 ℃;ZK 4002井于1 850 m深度測(cè)得329.8 ℃高溫,可推測(cè)羊八井地?zé)崽飬^(qū)域及其周邊深部存在高溫干巖體,且深度在1 500～2 000 m,溫度即可達(dá)到200 ℃以上。此外,前期鉆探資料顯示,該區(qū)熱儲(chǔ)裂縫發(fā)育,后期儲(chǔ)層改造難度及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小[62],加之羊八井高溫地?zé)岚l(fā)電已開展了近半個(gè)世紀(jì),具備一定經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)條件。因此,羊八井地?zé)崽锸情_展干熱巖試驗(yàn)非常有利的地區(qū)。

2.4 青海共和盆地

共和盆地地處青海省東中部,位于青藏高原東北部,經(jīng)歷了早古生代—晚古生代的裂谷拗陷與中生代以來的陸內(nèi)構(gòu)造演化,是昆侖斷裂、阿爾金斷裂、南祁連斷裂共同左旋走滑斷裂作用下所控制的新生代陸內(nèi)盆地[63]。該盆地巖漿侵入活動(dòng)強(qiáng)烈,熱流值較高,平均地溫梯度可達(dá) 68 ℃/km,其內(nèi)部及周邊地區(qū)地?zé)豳Y源異常豐富。目前共和盆地恰卜恰地區(qū)已開展 4 口干熱巖井的鉆探工作,鉆探資料表明該地區(qū)存在顯著的高溫異常,其中,GR 1井在3 705 m深度鉆遇236 ℃的高溫干熱巖,這是中國(guó)首次鉆遇的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體[64]。共和花崗巖體頂界埋深2.1～2.3 km,頂界溫度一般為150 ℃;巖體在3 km深度時(shí)溫度普遍達(dá)到180 ℃以上,滿足中國(guó)地?zé)嵝袠I(yè)認(rèn)定的干熱巖溫度標(biāo)準(zhǔn)。目前共和盆地的干熱巖研究范圍為230 km2,根據(jù)航磁、重力、鉆探資料相互印證,推測(cè)該地區(qū)干熱巖前景區(qū)分布面積約為 1.4×104km2。張盛生等[65]采用體積法對(duì)3.0～6.0 km深度范圍的干熱巖資源潛力進(jìn)行估算,結(jié)果表明,該深度范圍內(nèi)保守的靜態(tài)干熱巖資源總量為 8974.74×1018J,換算標(biāo)準(zhǔn)煤 3066.199×108t。由此可見,青海共和盆地所賦存的干熱巖地?zé)豳Y源具有廣闊的開發(fā)利用前景。

3 干熱巖熱儲(chǔ)層研究啟示

優(yōu)質(zhì)的干熱巖熱儲(chǔ),其主要特征在于埋藏相對(duì)較淺、溫度高、儲(chǔ)層改造較為容易,能夠在現(xiàn)有技術(shù)水平下經(jīng)濟(jì)、持續(xù)地進(jìn)行開發(fā)。人工造儲(chǔ)是提取干熱巖地?zé)崮艿年P(guān)鍵技術(shù),造儲(chǔ)技術(shù)的好壞能夠很大程度決定儲(chǔ)層中換熱流體循壞及換熱效率,進(jìn)而影響項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)濟(jì)成本、可持續(xù)性及環(huán)境安全性。目前人工造儲(chǔ)技術(shù)主要有水力壓裂技術(shù)及化學(xué)溶蝕技術(shù)。前者是采用高壓水注入封閉井孔壓裂地層,致使井壁附近巖體產(chǎn)生裂隙;后者則是利用酸性溶液使巖石中可溶性礦物發(fā)生溶解,產(chǎn)生孔隙空間。由上可見,熱儲(chǔ)巖石是影響熱儲(chǔ)改造效果好壞的關(guān)鍵因素,其中如何提高儲(chǔ)層巖體的滲透性是干熱巖造儲(chǔ)的難點(diǎn)之一?？偨Y(jié)目前全球干熱巖項(xiàng)目,以花崗巖作為儲(chǔ)層的EGS項(xiàng)目占多數(shù)。本文以法國(guó)Soultz(目前仍在運(yùn)行)、德國(guó)Habanero(停止運(yùn)營(yíng))及中國(guó)青海共和盆地干熱巖項(xiàng)目(處于研究階段)作為典型案例。對(duì)比前兩個(gè)干熱巖示范項(xiàng)目發(fā)現(xiàn),雖然二者都是花崗巖熱儲(chǔ)且發(fā)育有一定的天然裂縫,Soultz項(xiàng)目熱儲(chǔ)層中發(fā)育有大量天然裂縫且裂縫之間的連通性較好;Habanero項(xiàng)目在人工水力壓裂下產(chǎn)生的大量裂縫網(wǎng)絡(luò)并未實(shí)現(xiàn)連通,使得井間流體并未實(shí)現(xiàn)良好流動(dòng),干熱巖井之間的滲透率與熱回復(fù)率極低,最終由于經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等問題該項(xiàng)目被迫中止。包括美國(guó)Geysers的變質(zhì)砂巖熱儲(chǔ)及德國(guó)Landau的碎屑巖熱儲(chǔ)都說明,當(dāng)熱儲(chǔ)巖石為花崗巖、變質(zhì)巖、砂巖這類天然孔隙發(fā)育少,采用人工壓裂方式效果差,會(huì)導(dǎo)致人工造儲(chǔ)或儲(chǔ)層改造成本增大且存在不穩(wěn)定性,最終很有可能導(dǎo)致失敗。因此將人工造儲(chǔ)技術(shù)實(shí)施在更易于改造的巖體中是更為可靠的選擇。其中高熱背景條件下的中-厚層碳酸鹽巖便是干熱巖項(xiàng)目的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,一方面碳酸鹽巖一般具有較為明顯的層理結(jié)構(gòu),在進(jìn)行人工造儲(chǔ)時(shí)可以提供優(yōu)勢(shì)通道,且高熱背景地區(qū)其深部通常存在高濃度酸性氣體(CO2、H2S 等)可與碳酸鹽巖發(fā)生溶蝕,增大巖石孔隙度和滲透率;另一方面,相較于花崗巖和砂巖,碳酸鹽巖更易于形成均勻分布的裂隙網(wǎng)絡(luò),使得井間流體能夠更好地流通。

綜上所述,熱儲(chǔ)層作為干熱巖勘探開發(fā)的對(duì)象,在評(píng)價(jià)選區(qū)時(shí)熱儲(chǔ)層特性至關(guān)重要。適宜開發(fā)的熱儲(chǔ)層特性除了具有適合的埋藏深度(3～6 km)、較高的溫度(>150 ℃)、良好的蓋層之外,熱儲(chǔ)巖石是否易于進(jìn)行人工造儲(chǔ)等因素都對(duì)干熱巖的勘探開發(fā)具有明顯的影響。隨著EGS技術(shù)的不斷發(fā)展,選取易于改造的巖體可有效降低人工造儲(chǔ)提取深部地?zé)豳Y源的成本,并且也能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性。

4 結(jié) 論

本文在總結(jié)全球干熱巖項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,按運(yùn)行現(xiàn)狀分為3類:仍在運(yùn)營(yíng)、停止運(yùn)營(yíng)和處于鉆探階段,并從中各選取 2 個(gè)典型項(xiàng)目,對(duì)其地?zé)岬刭|(zhì)背景及熱儲(chǔ)特征進(jìn)行分析梳理,進(jìn)而得出 6 個(gè)干熱巖熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)參數(shù),結(jié)合干熱巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)學(xué)分析方法,對(duì)中國(guó) 11 個(gè)干熱巖潛力區(qū)的熱儲(chǔ)情況進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:

a.基于優(yōu)選出的干熱巖項(xiàng)目的地?zé)岬刭|(zhì)背景及熱儲(chǔ)特征進(jìn)行分析梳理,選取熱儲(chǔ)埋深、熱儲(chǔ)溫度、熱儲(chǔ)物性、熱儲(chǔ)巖性、大地?zé)崃髦怠⒌販靥荻冗@ 6 個(gè)參數(shù),作為干熱巖熱儲(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合因子分析法建立干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法。該方法可用于中國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

b.選取中國(guó)11個(gè)干熱巖潛力區(qū),采用本次研究建立的干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法,對(duì) 11 個(gè)干熱巖潛力區(qū)熱儲(chǔ)進(jìn)行綜合評(píng)分排名。結(jié)果表明,西藏羊八井、青海共和盆地、冀東平原馬頭營(yíng)熱儲(chǔ)條件相對(duì)較好。

c.采用因子分析法能夠?qū)Ω蔁釒r地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)條件進(jìn)行定量評(píng)價(jià),并且因子分析法的降維優(yōu)勢(shì)可在保留原始數(shù)據(jù)大部分信息的前提下,有效降低對(duì)熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)影響因素的分析難度,從而減少評(píng)價(jià)過程中的工作量。該評(píng)判方法比傳統(tǒng)的評(píng)估手段具有更高的客觀性,為以后的干熱巖地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)條件的評(píng)價(jià)工作提供參考。但目前干熱巖地?zé)豳Y源研究中關(guān)于熱儲(chǔ)的研究較少,相關(guān)數(shù)據(jù)仍較匱乏,在未來干熱巖地?zé)豳Y源研究過程中,需要重視干熱巖熱儲(chǔ)研究在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、安全有效開發(fā)干熱巖地?zé)豳Y源工作中的重要性。