基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。     

增强型地热系统:潜力大、开发难

文中讨论了为什么要开发干热岩地热资源?什么是干热岩系统和增强型地热系统?中国干热岩系统的潜力,如何发展中国的EGS以及我们可供考虑的建议。随着常规能源的不断消耗,可再生能源日益受到人类的青睐。在可再生能源中,地热能的容量最大,地热发电提供的是基本负荷,但是由于诸多因素,开发滞后。尤其是对潜力大、开发难的增强型地热系统,中国更是从研究到开发,都刚刚起步。如果地热发电的规模要超过风能及太阳能等其他新能源,不能仅靠水热型地热系统的开发利用,而必须重视和利用干热岩资源,大力研发增强型地热系统。中国干热岩系统的潜势如何呢?中国科学院地质地球物理研究所利用921个大地热流数据编制了《中国大陆地区新版热流图》以及3~10km深处不同深度温度分布图,计算了不同深度干热岩地热资源量,总数为2.09×107 EJ;其中主要分布在青藏高原,占全国总资源量的五分之一。作者们认为,干热岩资源的开发和增强型地热系统的建立是一个系统工程,地热资源的开发是一项风险投资,亚经济型的EGS风险更甚。国家必须统一安排和投资。工程项目必须学习国外的经验和吸取开发的教训。要选择关键地区进行试验和研究。作者们建议可考虑选择羊八井地热田的北部作为试验地区。     

基于微地震数据的增强型地热储层参数及采热的数值模拟研究

发展清洁、稳定、可再生的干热岩型地热资源对于缓解能源危机、减轻环境污染、改善人类健康具有重要意义。增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS) 是一项改造干热岩天然储层,高效开发地热能资源的先进技术。以澳大利亚库珀盆地地热储层为研究对象,基于水力压裂实测微震数据,建立了三维分区均质渗透率模型和非均质渗透率模型,分别进行储层温度场、流场及采热性能变化的研究,并对比其差异。结果表明：在同样的注采流量下,由于非均质模型中微震事件集中于井口附近,进而形成明显的优势流动通道,流体从注入井更快流向生产井,温度下降速度相对更快,分区均质模型中优势流动通道没有非均质模型明显,温度下降速度较慢;地热模型运行期间分区均质模型的采热量变化相对稳定,降幅为3.74%,非均质模型采热量降幅较大,为12.72%。分区均质模型的模拟结果相比于非均质模型,温度下降幅度小、采热量高;但实际储层中的渗透率分布不均,分区均质模型的模拟采热量相比实际采热量偏高,因此在实际应用中,非均质模型的模拟结果对实际工程更具参考意义。     

增强型地热系统采热性能影响因素分析

为了综合分析增强型地热系统各参数对系统采热性能的影响,以及参数相互之间的影响规律,以云南腾冲热海热田为地质背景,利用正交设计思想通过数值模拟方法对井间距、注入流量、注入温度、储层渗透率等因素的变化进行了分析。结果表明：注入流量是影响系统采热性能的关键因素,并对注入温度、井间距的确定有显著影响;注入流量越大,系统稳定采热时间和运行寿命越短,且注入流量较小的变化（提高0.06 m³/s）会对系统采热温度产生较大的影响（降低47℃）;增加注入温度可以提高系统的采热温度和运行寿命,但注入温度升高30℃、运行50 a后采热温度只提高10℃,效果有限;井间距、渗透率、开采压力对系统采热性能的影响相近,且远小于注入流量。     

增强型地热系统压裂和开采方案研究

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)是一种通过介质循环(水或CO2)来提取深部低渗、高温岩体中地热资源并将其用来发电及供暖的工程技术集成。水力压裂是EGS储层改造的主要方式, 储层改造的好坏直接关系到EGS最终的产能状况, 因此针对具体地质条件选择合适的水力压裂方案具有重要意义。本文基于大庆莺深2井的测井资料, 根据其地应力及岩性变化情况选定EGS开采潜力储层, 采用水平井及张开型压裂的储层改造方式, 对潜力储层进行了多种压裂方案数值模拟分析, 根据压裂模拟结果建立三维水热耦合模型, 进行了EGS发电潜力评估分析, 最终得出莺深2井EGS开采的最优压裂方案和开采方案。研究结果得出:水力裂缝的几何性质主要受地应力、支撑剂粒径和砂比影响, 在EGS中宜采用低砂比、阶梯式的泵注程序。同时, 在采用一注两抽的三水平井开采模式下, 10条裂缝的最优注入速率是30kg,s-1, 运行20a的发电量是0.60～1.23MW。     

增强型地热系统：国际研究进展与我国研究现状

干热岩地热能源已经受到全世界广泛关注。基于干热岩能源的巨大潜力和我国日益增长的能源需求,近年来,政府、大学、科研院所和企业在干热岩资源勘查、增强型地热(EGS)等方面做了许多科学研究与技术开发。为了促进我国干热岩资源的开发和增强型地热系统(EGS)示范场地的建设,本文收集和整理了国内外大量文献和相关资料,分析了目前国际典型EGS示范场地最新研究动态,总结了2013~2016年国际上开发最为活跃的EGS场地在开发过程中所取得的经验和教训。结合我国现有EGS场地的具体条件,详细阐述了我国干热岩远景区存在的问题,并对我国未来干热岩的开发和示范场地的建设提出建议。     

渤海湾盆地应用增强型地热系统（EGS）的地质分析

全球地下3～ 10 km普遍分布的高温低渗岩体中蕴藏着巨大的热能,利用增强型地热系统(EGS)技术可以实现这部分热能的开发.本文通过对近年增强型地热系统的研究进展和经验的综述,结合区域地质分析和有限元模拟,探讨了渤海湾盆地应用增强型地热系统开发的可行性.我国渤海湾盆地处于岩石圈减薄区,区域大地热流值高,地热资源丰富;基于该区的岩石圈热状态、基底构造形态对渤海湾盆地典型剖面地下10 km内的地温场进行了有限元模拟,结果表明,在基底凹陷区埋深5 km处地温可达150 ～180℃,地温等温线随基底起伏而变化.相比美国、欧洲现有的EGS开发地区,渤海湾盆地具有相似的地温条件和地质条件,适于开发增强型地热系统.通过分区块的资源概算,得出渤海湾盆地陆上部分的增强型地热系统可及资源量可达3775GWe,具有广阔的开发前景.     

增强型地热系统在碳酸盐岩型深层地热能开发利用中的应用进展

地热能是一种储量大、分布范围广、清洁环保的可再生能源,其中深层干热岩地热能最具开发潜力。增强型地热系统是开发深层干热岩地热能的有效手段,在碳酸盐岩热储区已广泛应用,取得了良好的经济社会效益。系统总结了国内外增强型地热系统在碳酸盐岩型地热开发中的进展和经验,分析了国内发展现状,认为加强基础理论研究、核心技术攻关和工程示范,尽快形成具有中国特色的深部地热能开采方案,是今后工作的重点方向之一。     

增强型地热系统（EGS）的裂隙模拟方法

增强型地热系统（EGS）是在干热岩技术基础上提出来的一个清洁能源概念,水力压裂建立人工热储是开采地下干热岩热能的有效方法之一。利用TOUGH2系列软件对增强型地热系统进行模拟,具体介绍了对水压致裂过程中裂隙网络模拟的处理方法。裂隙中的水流可以采用不同的概念模型,最为常见的模型包括双空隙率、双渗透率、多重相互作用连续统一体（MINC）以及有效连续统一体（ECM）,这些模型明确了对离散的裂隙和基质的模拟方法。应根据基质的渗透性和裂隙的性质灵活地选择裂隙处理方法,也可将不同方法结合起来使用。提出了几种有效的混合模拟方案,对将来高温岩体地热开发具有重要意义。     

增强型地热系统开发过程中的多场耦合问题

增强型（或工程型）地热系统（简称EGS）是指从地下3~10km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,作为目前地热领域的重要发展方向,其研究受到发达国家的高度重视,但我国还基本处于空白。在EGS运行过程中,高温岩体及裂隙受到温度场（T）、渗流场（H）、应力场（M）、化学场（C）的耦合作用,其结果直接影响整个系统的设计和运行。本文根据对EGS最基本的物理—化学过程分析,讨论了任意两场之间的相互作用,指出了三场耦合应考虑的重点及四场耦合现阶段研究的不完善性,最后综述了目前国际上用于解决EGS多场耦合问题的模拟软件研究进展。     

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明：采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。     

世界干热岩地热资源开发进展与地质背景分析

干热岩资源指内部不存在或仅存在少量流体,温度高于180℃的异常高温岩体,是一种极具潜力的地热资源类型。自20世纪70年代美国Fenton Hill项目实施以来,已在全球14个国家实施了41个干热岩开发项目,以干热岩储层建造和连通的目标地层周围或上部是否存在水热型储层为标准,25个属于传统意义的干热岩开发项目,16个属于增强型地热系统(Enhanced Geothermal System或Engineered Geothermal System,缩写为EGS)。从板块构造角度分析,这些干热岩开发项目主要分布在欧亚板块板内地热域、印澳板块板内地热域、东太平洋离散—汇聚板缘型地热域、西太平洋汇聚板缘型地热域和加勒比海火山活动岛弧区。按照盆地类型划分,全球干热岩开发项目所处的大地构造背景包括克拉通盆地、前陆盆地、裂谷盆地、弧前盆地、弧后盆地、近现代火山(火山带)和褶皱带地区,其中以欧洲阿尔卑斯褶皱带磨拉石盆地为代表的前陆盆地,和以欧洲阿尔卑斯褶皱带上莱茵地堑、北美新生代科迪勒拉造山带内华达盆地为代表的裂谷盆地是全球干热岩开发项目最为集中的两种盆地类型。考虑我国干热岩资源分布情况,上莱茵地堑、内华达盆地的干热岩开发历程对我国干热岩资源的勘探和开发具有一定的借鉴作用。     

Multi-objective Optimization of Geothermal Extraction from the Enhanced Geothermal System in Qiabuqia Geothermal Field, Gonghe Basin

A geothermal demonstration exploitation area will be established in the Enhanced Geothermal System of the Qiabuqia field, Gonghe Basin, Qinghai–Xizang Plateau in China. Selection of operational parameters for geothermal field extraction is thus of great significance to realize the best production performance. A novel integrated method of finite element and multi-objective optimization has been employed to obtain the optimal scheme for thermal extraction from the Gonghe Basin. A thermal-hydraulic-mechanical coupling model (THM) is established to analyze the thermal performance. From this it has been found that there exists a contraction among different heat extraction indexes. Parametric study indicates that injection mass rate (Qin) is the most sensitive parameter to the heat extraction, followed by well spacing (WS) and injection temperature (Tin). The least sensitive parameter is production pressure (pout). The optimal combination of operational parameters acquired is such that (Tin, pout, Qin, WS) equals (72.72°C, 30.56 MPa, 18.32 kg/s, 327.82 m). Results indicate that the maximum electrical power is 1.41 MW for the optimal case over 20 years. The thermal break has been relieved and the pressure difference reduced by 8 MPa compared with the base case. The optimal case would extract 50% more energy than that of a previous case and the outcome will provide a remarkable reference for the construction of Gonghe project.     

中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析

地热能是一种极具潜力的可再生能源,已引起广泛关注。在深部地热储层中,人工改造后形成的复杂裂缝网络为热提取提供了重要通道,裂缝空间分布将会直接影响热提取率。为探究裂缝不同空间分布对采热性能的影响,以幂律分布的裂缝网络为基础,采用TOUGH2MP-FLAC^3D框架下建立的THM耦合模型,系统研究不同裂缝长度指数(a)、密度(β)的裂缝网络对新型增强型地热系统(CO₂-EGS)采热性能的影响。并以热突破时间、EGS寿命、产热率与总产热能以及产热效率5种评价指标对储层热性能进行详细评估。结果表明,在恒速注入的情况下,裂缝长度指数a越大,长裂缝占比越小,注采井之间形成的贯穿裂缝数量越少,裂缝宽度越大,致使生产温度、产热率降低越快,更早达到热突破,从而缩短EGS寿命,降低总产热能。当a相同时,裂缝密度β越大,裂缝数量越多,生产温度与产热率降低越慢,延长热突破时间与EGS寿命,提高产热量。热突破时间最高可增加15.65 a,EGS寿命增加约10 a,总产热能增加约22.77%。而当长度指数a增长时,热突破时间最多缩短了13.1 a,总产热能降低20.8%。因此,长裂缝占比提高和裂缝密度增加有助于提高注采井之间裂缝的连通性,促进流体对流换热,更好地发挥裂缝在热开采中的作用,提高采热量。研究结果为干热岩造缝增渗改造提供一定的理论指导。

     

Thermo-economic Investigation of an Enhanced Geothermal System Organic Rankine Cycle and Combined Heating and Power System

As a potentially viable renewable energy, Enhanced Geothermal Systems (EGSs) extract heat from hot dry rock (HDR) reservoirs to produce electricity and heat, which promotes the progress towards carbon peaking and carbon neutralization. The main challenge for EGSs is to reduce the investment cost. In the present study, thermo-economic investigations of EGS projects are conducted. The effects of geofluid mass flow rate, wellhead temperature and loss rate on the thermo-economic performance of the EGS organic Rankine cycle (ORC) are studied. A performance comparison between EGS-ORC and the EGS combined heating and power system (CHP) is presented. Considering the CO2 emission reduction benefits, the influence of carbon emission trading price on the levelized cost of energy (LCOE) is also presented. It is indicated that the geofluid mass flow rate is a critical parameter in dictating the success of a project. Under the assumed typical working conditions, the LCOE of EGS-ORC and EGS-CHP systems are 24.72 and 16.1 cents/kWh, respectively. Compared with the EGS-ORC system, the LCOE of the EGS-CHP system is reduced by 35%. EGS-CHP systems have the potential to be economically viable in the future. With carbon emission trading prices of 12.76 USD/ton, the LCOE can be reduced by approximately 8.5%.     

松辽盆地增强型地热系统开发选区评价

干热岩是一种新型清洁能源,其开发利用区的确定十分重要。笔者首先通过对松辽盆地热源、资源量、导热、聚热、地震活动5个方面资料的收集,提出了松辽盆地增强型地热系统开发选区适宜性评价方法;然后选取8项评价因子,利用ArcGIS 10.2平台将松辽盆地划分为26个评价单元,根据打分法和层次分析法(AHP)求取每个因子的权重;最后,对26个选区进行综合评价,将其分成适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜和不适宜5个等级。结果表明:松辽盆地干热岩开发适宜区和较适宜区主要集中在盆地中部的大安—大庆一带,确定的适宜选区范围对今后干热岩开发工作具有一定指导作用。     

地热井套管外水位测管系统的设计与试验应用

地热井水位的监测是地热开发与利用过程中的一项重要工作,尤其是为了加强资源管理,合理平衡利用地热资源,使得监测工作日趋常态化。目前水位测量的工作主要在地热井的套管内来实现,或直接下入测线、或以并列安装在泵管上的测管作为通道来完成测量工作,其中前者由于潜水泵的泵管和电缆易与测线发生缠绕,影响测量精度,后者由于系统不完善经常无法测量,无法达到监测测量工作的要求。针对这些问题研制了一套基于连通器原理的套管外水位测管系统,并通过在试验井的安装测试证明其可行性及实用性。介绍了该系统的工作原理、结构设计、安装测试过程,并对测试结果进行了分析和评价。