化学刺激技术在增强型地热系统中的应用:理论、实践与展望

干热岩作为清洁的可再生能源是地热能未来开采和利用中最具潜力的部分,具体的开发工程技术称为增强型地热系统(EGS,Enhanced Geothermal System)。化学刺激技术作为水力压裂的一种辅助方法,具有成本低、风险小的特点,在完善储层改造方面具有重要作用。综述了国内外EGS关于化学刺激研究的相关文献,介绍了化学刺激技术的理论基础及常用的几种化学刺激剂(传统酸、缓速酸、螯合剂和CO2化学刺激剂),并对世界上仅有的几个使用化学刺激技术的EGS工程(美国Fenton Hill和法国Soultz干热岩项目)进行了介绍和总结,在此基础上提出了化学刺激剂在增强型地热系统中的研究建议及应用展望,以期为中国未来EGS的科学研究和项目实施提供参考。     

干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题

赋存于地球深部的地热资源,以其储量丰富、清洁再生等优势,有望成为破解我国能源困局,助推“双碳”目标实现的重要途径之一。干热岩(HDR)开发过程中,面临着高温高压环境下水-岩作用问题,在温度场、渗流场、应力场、化学场(THMC)等多场耦合作用下,岩体应力腐蚀效应和疲劳劣化会诱发岩石微裂纹-裂缝扩展、成核与丛集行为,进而影响增强型地热系统(EGS)的热交换效率和地质体稳定性,这也是制约干热岩长期安全开发的瓶颈,亟待突破。通过总结现有干热岩高温高压下多场损伤研究中的实验探索、理论模型、数值分析等多手段跨尺度方法,分析干热岩在高温高压及水环境下的应力腐蚀效应,可阐明循环生产过程中低温工质与高温地质体循环换热下干热岩储层结构演化的动态过程及工程响应,进而揭示THMC多场耦合作用下干热岩储层疲劳劣化损伤机理,为我国深部地热资源高效安全开发提供理论支撑和地质保障;但仍亟待深入开展增强型地热系统的THMC多场耦合作用下岩体应力腐蚀效应的干热岩疲劳劣化机制与长期稳定性研究,如考虑应力腐蚀效应和疲劳损伤的干热岩长期强度评价模型、基于跨尺度疲劳损伤评价的干热岩开发下地质体长期稳定性方法、适应于干热岩储层改造...     

二氧化碳爆破致裂建造增强型地热系统热储层工艺探讨

人工建造热储层是干热岩热能开发的关键技术,二氧化碳爆破致裂具有爆破压力大、爆破压力可控、作业 时间短、造缝均匀、经济环保等优势,可用于建造增强型地热系统(EGS)热储层.分别从爆破压力、爆破过程、裂 缝形态以及对岩体和环境的影响方面,探讨了二氧化碳爆破用于储层建造的可行性;并对二氧化碳致裂器的结构 进行了改进,使其适应 EGS热储层高温、大井深环境;提出了二氧化碳爆破与水力压裂相结合的分层分段致裂 EGS热储层新工艺,即分层钻进注入井水平井段与生产井水平井段并使两者处于同一垂面,在各水平井段先进行 二氧化碳爆破制造均匀裂缝,再使用水力压裂沿裂缝扩展贯通形成规模裂隙.该工艺可为建造 EGS热储层、商 业化开发干热岩提供参考.      

我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战

介绍了增强型地热系统(EGS)的技术原理及增强型地热资源所具有的分布广、对环境污染小、可循环利用等优点。阐述了我国干热岩地热资源前景广阔,大陆地区3～10 km 深度段干热岩地热资源总量为2.09×107EJ,按2%的可开采资源量计算,亦达4.2×105EJ,相当于14.3×103亿t标准煤,是中国大陆2010 年能源消耗总量的4 400倍。以青海共和贵德盆地为例,该盆地干热岩储层的地温梯度为7℃/hm,井深3 000 m温度可达200℃。根据典型干热岩储层特征,讨论了我国开展干热岩吸热系统存在的技术难题,并对开展相关研究给出了建议。      

二氧化碳增强型地热系统的研究进展

增强型地热系统,作为一种新型的地热发电技术,可通过水力压裂的方式从干热岩中提取地热资源。而超临界CO2 作
为一种优良的传热流体,在用其替代水开采增强型地热系统中地热能的同时,还可以达到间接地质封存CO2 的目的。在阐述
CO2 增强型地热系统的优缺点、模拟研究和经济潜力的基础上,总结了该研究领域的最新进展,并提出了进一步开展研究的相关
建议,以期为CO2 增强型地热系统的研究在中国的深入开展提供帮助。      

干热岩压裂建造人工热储发展现状及建议

能源是经济社会长期稳定发展的有力保障。同时, 我国也进入了生态文明建设的关键时期。为实现此目标, 亟需建设清洁、低碳、高效、多元的现代能源体系。干热岩型地热作为一种新兴的环境友好型资源, 有望推进能源结构转型。开发干热岩需要建立增强型地热系统, 其核心是向储层钻井并压裂形成一定规模的裂缝网络, 构建井间循环回路来提取热能发电。20世纪70年代以来, 多个发达国家先后进行干热岩资源开发尝试, 然而受到人工热储建造和诱发地震防控等关键技术的限制, 成功运行的EGS工程屈指可数。近些年来, 干热岩资源的优越性和规模化开发可行性进一步得到国际社会的认可, 投入建设的EGS数量总体上不断增加。水力压裂是建造人工热储的核心技术手段之一, 水力裂缝的形态直接决定了换热体积和取热效率。本文在分析国内外典型EGS压裂案例的基础上, 总结了干热岩水力压裂的工艺特点。此外, 结合几种较为流行的理论模型和我国首例EGS工程——共和盆地恰卜恰干热岩试采工程的实际情况, 简要阐述了干热岩压裂与诱发地震之间的关系。最后从压裂工艺、智能化开发、微地震监测矩张量反演等方面为干热岩水力压裂向更深层次发展提出建议。      

新能源 蓝天梦——聚焦中深层地热资源高效开发与利用

近日,在中国地质大学(北京)和中国地质科学院水文地质环境地质研究所共同主办的第二届中深层地热资源高效开发与利用研讨会上,近百名专家学者发出呼吁:要立足现有基础,大力开发油区地热资源,加快油区地热资源评价和直接利用步伐;完善配套技术,建设油区中低温地热发电、油—热—电联产示范项目;开展我国深部干热岩资源调查评价,积极探索干热岩发电技术,为我国开展地下高温岩体钻探及开发利用提供科学     

储层特征对水平井多裂隙增强型地热系统采热过程影响的数值模拟研究

将石油天然气行业发展很成熟的水平井多裂隙开发技术用于增强型地热系统(EGS)可显著提高EGS的经济效益。本研究建立了三维EGS水平井多裂隙物理模型, 采用CFX模拟分析了在井间距以及裂隙间距等不同储层特征条件下EGS的运行性能, 揭示了不同储层特征对于EGS储层采热过程的影响机理。研究结果表明: ①裂隙间距是影响EGS工程运行寿命和开采率的关键因素, 在相同注水流量下, 较大的裂隙间距不易形成热穿透, 系统运行寿命更长, 但降低了储层开采率; 过小的裂隙间距易形成热穿透, 系统运行寿命短, 但开采率高。②井间距对裂隙中的流体流速影响显著, 随着井间距增加, 在相同开采时间下, 产流流体的温度不断升高, 系统的寿命也会随着井间距的增加而增加, 井间距的增大也意味着储层的体积也就更大, 从而有更多的热量可供开采, 因而提高了系统的运行寿命。研究结果可以为EGS储层的建造提供理论指导, 为实现商业化开采地热能做好理论准备。      

二氧化碳羽流地热系统中井间距和储层渗透率对热提取率的影响:以松辽盆地为例

二氧化碳羽流地热系统(CPGS)是一种新的地热能的开采技术,其以超临界CO₂作为地下热能载体,利用天然孔隙介质,实现深部地热资源的提取与CO₂地质储存的双重目的。以松辽盆地中央凹陷区泉头组三、四段为目标储层,运用TOUGH2/ECO2H软件建立了平面二维羽流地热模型,且对地下载热流体进行了数值模拟,定量分析了注入井与生产井井间距离以及储层渗透率对热提取率的影响。模拟结果显示,羽流地热系统的热提取率随着注入井与生产井的井间距离和储层渗透率的增大而增大。为提高CO₂羽流地热系统的能量输出,应选择“中等渗透率(模型为10-15~10-14m2)、注入井与生产井的井间距离长(模型为707.10 m)”的地层作为热储层。      

利津县陈庄地区干热岩地热资源存在可能性分析

干热岩温度一般大于150℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。干热岩资源分布广泛,资源量巨大,干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体中,较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。利津县已施工一眼干热岩勘探孔,资料表明,陈庄地区具有干热岩地热资源存在所需的大地构造、岩性及地温梯度,具备干热岩地热资源存在的可能性。     

关于山东省地热尾水回灌试验的应用研究

为解决地热水开采利用过程中造成诸如水位下降、热流体排放引起的热污染和化学污染等问题,通过开展地热尾水回灌试验研究,认为在开采深层的地下热水资源的同时,必须进行人工的回灌补源,山东省通过在德州、东营、济南等地开展地热尾水回灌试验工作,效果显著。     

二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层作用效果

采用二氧化碳爆破致裂为激发干热岩储层提供了一种新的技术思路和途径。为了探究二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果, 开展了二氧化碳爆破致裂干热岩储层作用范围的数值模拟研究。考虑实际开采过程中钻井液对井壁附近干热岩储层的降温影响, 采用以温差为变量的拟合函数设置损伤区储层材料参数, 用洗井后井壁附近储层温度分布函数设置损伤区储层温度场, 并借助炸药爆破的相关理论、公式设置爆破荷载, 结合COMSOL软件模拟了二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的过程。结果表明, 二氧化碳爆破致裂干热岩过程中存在多次应力集中作用, 且在炮孔附近压应力集中造成压碎区, 压碎区外拉应力作用形成裂隙区; 储层的初始温度以及定压片厚度都会影响二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果, 其中初始温度对爆破压碎区范围影响较大, 对裂隙区范围影响较小, 定压片厚度改变对压碎区范围影响较小, 主要影响爆破裂隙区的分布。本研究成果可为干热岩地热能后续的开采利用提供理论支持和参考。      

济南市孔隙裂隙地热田热储特征及开发利用模式探讨

以济南市孔隙裂隙地热田地质条件为背景,在全面掌握济南市地热勘查情况的基础上,论述了济南市孔隙裂隙热储特征,认为馆陶组热储埋深适中,富水性较强,属于中低温热储,是济南市孔隙裂隙热储层区最为适宜的开采层;而东营组热储层埋藏较深且分布不稳定,部分地区缺失,富水性较差,目前单独成井开采适宜性较差。并根据热储特征及区位优势,对地热资源开发利用模式进行了探讨。     

山东省干热岩地热资源潜力估算

干热岩是一种清洁的可再生地热资源,随着干热岩的开发利用技术日趋成熟,显示出了其巨大的利用价值。干热岩地热资源潜力评估是进行开发利用的基础工作。本文是在充分研究山东省地质构造背景的基础上,通过野外勘查取样和搜集整理地热参数数据,根据浅部温度资料向地壳深部推算的方法,估算出山东省不同区域3～10km深度范围的温度。利用体积法估算出了山东省3～10km深处的干热岩地热资源量。结果显示,山东省3～10km深度范围内干热源资源量总计为2.63×10~(23) J,合8.97×10~(12) t标准煤,现阶段可利用干热岩资源量按2%的可开采资源量计算,即合1794.4×10~8t标准煤,大约是全国能源消耗总量的37倍,开发利用潜在价值巨大。     

山东省文登地区干热岩勘查获得重大发现

正由山东省第一地质矿产勘查院承担的"山东半岛蓝色经济区干热岩资源潜力调查评价"项目获得重大突破,在文登成功施工ZKCW01测温孔,于孔深1 240 m处测得孔内温度110℃,于终孔2 000.76 m深度处实测孔底温度为114.12℃,孔内发现了四段高地温梯度(5.3℃~18.59℃/100 m)的热岩段,预测4 000 m深处温度高达150℃-200℃,属于高温干热岩地热系统。利用实测地温梯度数据计算,该孔的大地热流值为92.86 mW/m2,是胶东地区目前测得的最高大地热流值,为胶东地区"冷壳     

奥陶系热储层地热回灌显著成效及实例分析

一、天津市奥陶系热储层开采利用状况及回灌现状 奥陶系热储层主要在天津宝坻周良庄、宁河、市区、静海及东丽一大港等地呈带状或块状分布，热储顶板埋深在各地差别较大。该热储层地热井相对较少、开发利用的强度不大，主要是由于该层热流体部分地区水质较差，不适宜于生活用水。同时，较强的腐蚀性对供热管道及设备影响较大，且该热储层各地单位涌水量不均一，有些地区地热井出水量偏低。     

河南干热岩开采取得重大突破

正河南省可替代清洁能源再"扩容"。4月8日,从省地矿局传出喜讯,省地矿局第二地质环境调查院开展实施的"河南省干热岩资源潜力调查评价",目前已经顺利通过省自然资源厅的验收,估算全省累计干热岩可采资源潜力40.86×1018J,相当于14亿吨标准煤。干热岩是新兴地热能源,指一般温度大于200℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。近年来,中国加大了干热岩开发与利用关键技术的研发力度,2017     

临沂市柳航头地区地热资源特征研究

区域地质调查和地热地质勘探资料显示,临沂市柳航头地区区域构造发育较强烈,大气降水通过构造破碎带向地下深部运动,深部寒武-奥陶纪灰岩岩溶地层厚度可达1 500余米。区域地下水在深部渗透性较好的岩溶地层内径流,向柳航头地区运动过程中,不断受到地球深部热源的地温加热而形成地热水,寒武-奥陶纪岩溶地层成为热储层,其上覆地层导热率较低,是较好的盖层。结合研究区内的地热井深部测温数据和地热水化学特征数据,建立柳航头地区地热概念模型。     

CO2基增强型地热系统中流体-花岗岩相互作用研究进展及展望

CO₂与水相比,膨胀性大、黏度低、与岩石反应程度低,并且在作为增强型地热系统（EGS）渗流传热流体时,比水具有更高的换热效率。对CO₂-EGS生产过程中储层岩石物性变化的研究具有重要意义,从理论研究、实验研究、数值模拟3个方面,对CO₂基增强型地热系统CO₂-EGS中流体-岩石相互作用的研究现状进行了总结,并且从矿物成分、微观孔结构和力学性质3个方面对储层岩石性质的变化进行了评价。结果表明,CO₂-水-岩石相互作用参与反应的矿物主要为石英、长石类;而沉淀的矿物为蒙脱石、伊利石及方解石等。CO₂-水-岩石相互作用会导致储层岩石的力学性质下降,孔隙结构特征改变。最后,讨论了CO₂作为EGS渗流传热流体仍需攻克的难点问题,包括:CO₂的热动力学特征、换热效率,CO₂-水-岩石的相互作用及其对储层性质的改变,影响CO₂-EGS经济性的因素,以及CO₂-EGS数值模型的研究等。针对这些方面的研究可为今后CO₂-EGS的开发奠定基础。      

不同冷却方式下高温花岗岩巴西劈裂及声发射特性试验研究

干热岩地热开发中的钻井、储层压裂及热交换等环节均涉及高温岩石冷却的问题,为揭示其中岩石损伤演化规律,基于巴西劈裂试验和声发射技术,研究了不同高温及冷却方式对花岗岩抗拉性质的影响。结果表明:①25~600℃下花岗岩抗拉强度随温度升高而下降,遇水冷却使抗拉强度进-步下降并使其开始大幅下降的温度阈值提前到200,500℃后抗拉强度对遇水冷却更敏感。②荷载达到峰值,声发射累计振铃计数突增,岩样内形成断裂区;受遇水冷却影响,岩样的振铃计数峰值和能量峰值有所下降,间接反映岩石内裂纹更发育,200~300℃时降幅均较大,300℃时和500℃后花岗岩对热处理方式较敏感。③花岗岩破裂面随温度升高由平整向粗糙曲折变化,由脆性向延性转变,遇水冷却促进岩石破裂并促使脆性向延性转变的温度区间提前。研究结果为地热开采中高温岩石的稳定性评价提供理论参考。