干热岩勘查开发进展及展望

　　干热岩勘查开发进展及展望

　　干热岩资源是指埋藏在深部不含或微含流体、高温(≥180℃)岩体内蕴藏的可被当前技术利用的巨大能源，因具有分布广泛、基荷无需储存即可输送、占地少、清洁无污染等优点成为未来理想可获取的持续性绿色能源。国际上，干热岩主要通过增强型或工程型地热系统(enhanced/engineeringgeothermalsystem，EGS)进行开发利用，工艺流程主要包括注采井施工、人工热储建造、循环换热、发电利用等，通常用水作为换热载体，经深井注入到人工压裂形成的岩石裂隙带中，通过与高温岩体接触加热，再返回地面进行地热能发电利用。

　　美国洛斯·阿拉莫斯(LosAlamos)国家实验室于20世纪70年代在美国新墨西哥州的芬顿山(FentonHill)拉开了干热岩勘查开发研究序幕，随后英国、德国、法国、日本、澳大利亚、韩国、中国等国家相继开展了相关探采试验工作，并取得积极进展。经过50余年的不断探索，干热岩在基础理论研究与工程开发实践方面均取得了长足进步，资源开发前景进一步明朗，越来越多的国家加入到全球干热岩勘查开发行列。

　　我国干热岩勘查与开发工作起步较晚，其成功实施将对改变我国传统能源结构、促进生态文明建设具有重要意义。2012年以来，中国地质调查局及有关省地勘队伍相继在青海、山东、福建、广东、海南、河北、山西、江苏等重点地区开展了干热岩资源勘查工作，探获了一批高温地热资源，并评估了我国陆区干热岩资源潜力。其中，在青海共和盆地先后施工了多眼钻井，显示在4000m深度温度超过了200℃。2019年，中国地质调查局与青海省人民政府合作组织在青海共和盆地启动了我国首个干热岩资源调查与勘查试采示范工程建设，并于2021年成功实现干热岩试验性发电并网，推动了我国干热岩在勘查开发方面的实质性进展，在深部探测、高温硬岩钻探、规模化储层建造、循环连通等方面取得了系列成果。

　　随着我国干热岩勘查开发持续深入，在成因机制、勘查选址、储层建造、监测评价、钻完井工艺、环境影响等基础理论、技术工艺方面不断有所突破。本文旨在梳理国内外干热岩开发利用进展的基础上，对我国干热岩地热资源未来研究方向提供几点思考，并提出开发利用前景及展望，以期对我国未来干热岩勘查与工程开发工作提供有益的参考借鉴。

　　1.国际干热岩勘查开发进展

　　干热岩资源勘查开发是世界新能源探索的前沿，近年来，随着全球能源需求与日俱增，干热岩开发利用的呼声日益强烈。据统计，全球投入建设的干热岩相关EGS工程数量总体上不断增加，美国、英国、德国、法国、澳大利亚、瑞士、瑞典、日本、中国等多个国家已建立超过60处EGS工程，然而由于资金支撑、微震活动、钻井或电厂运行等原因，很多EGS工程已停止运行，尚在运行的多为干热岩一水热混合型EGS工程，其中法国苏尔茨(Soultz)EGS工程实现了兆瓦级发电。2019年，美国启动FORGE(FrontierObser-vatoryforResearchinGeothermalEnergy)干热岩研究计划，皆在通过关键技术研发以实现EGS的商业性开发，使干热岩成为清洁、可靠、灵活和可再生新能源的代表。2020年，欧盟启动实施了地平线计划(HorizonEurope)，计划在10a内分3个阶段投入18亿欧元支持干热岩等深部地热技术创新，促进欧洲清洁能源开发利用。

　　国际上主要EGS场地多集中在板块边界、新生代裂谷区等区域，该区域地质构造活动强烈，地震、岩浆活动频发，为高温地热异常的形成提供了重要条件。目前，已知分布在板缘地热带内的典型EGS场地主要有：美国的芬顿山和米尔福德、日本的肘折和雄胜，韩国的浦项，以及法国的苏尔茨等。相对板缘，分布在板块内部的EGS工程，其高温地热资源的形成主要与局部活跃构造、高放射性等相关。已知的板内干热岩体主要有澳大利亚库珀盆地夏宾奴干热岩体、青海共和盆地恰卜恰干热岩体等。据评价，全球范围内在较浅层(3~10km)的干热岩资源中，蕴藏的热能是全球石油、天然气和煤炭储藏能量的30倍。

　　1.1国际典型EGS勘查开发案例

　　(1)美国芬顿山

　　美国芬顿山项目是世界上建造深部干热岩热储

　　的首次尝试，场地位于新墨西哥州中北部里奥格兰德裂谷带北端的Valles火山口边缘。在深度为720m以上的沉积岩地层中，试验场地地温梯度高达100℃/km．之下的花岗岩体温度梯度为50~700C/km，对应的热流达160mW/m2。该地区温度异常可能与新生代火山岩浆活动有密切的关系，浅部的热异常还可能与流体扰动有关。

　　芬顿山项目初期对3000m深、约200℃的热储岩体开展了实地开发相关基础研究。1974年，芬顿山一在钻完第一眼井(GT-2，原为2042m，后加深至2932m)后进行了水力压裂试验，随后完成了深度为3064m的第二眼井(EE-1)钻探工作，并进行了附加的水力压裂，但钻井所连通的热储被认为规模不够大，遇到了反复压裂难以连通的问题。经分析认为，再多的压裂也不会创造所需的储层连通，因此决定，通过侧钻打到由压裂造成的裂隙系统中，最终实现了有效连通，产出的热量使60kW双循环涡轮发电机发电。然而，虽然芬顿山项目后期又增加了新的、更深的钻井，并在多个深度段进行了水力压裂，储层规模进一步扩大，但随着持续资金资助前景低迷，无法维持对干热岩热储进行循环注入试验，也无法进行必要的钻孔修复和设备维护等，芬顿山所有野外试验在2000年终止，其后场址也被废弃。尽管芬顿山项目未能商业化开发，但作为世界上第一个成功实现发电的干热岩工程，首次证实了利用现有工程、钻探等技术建造于热岩热储进行发电利用是可行的，对后期干热岩勘查开发具有重要的促进意义。

　　(2)法国苏尔茨

　　得益于芬顿山项目，一些欧洲国家也计划开展类似的试验。在欧盟委员会的协调下，通过对比研究，最终决定在法国苏尔茨实施干热岩项目。苏尔茨处于欧洲最大的地热异常带中部，法国上莱茵峡谷内，该地堑在45Ma开始活动，至今仍然活跃，热流值在140mW/m2以上。长期的石油勘探工作使该地区的地质结构比较清楚。苏尔茨干热岩开发目标层为古生代花岗岩岩基(~331Ma)，埋深1400—1550m，之上被三叠纪和古近~新近纪沉积盖层覆盖。热源可能来自更深部的花岗岩岩基，浅部等温线受莱茵河谷地堑构造结构和深部的热水对流影响，深度1000m处的温度即达到了100℃。

　　苏尔茨EGS工程主要分3个阶段实施：第一阶段（1987-2007年），实施场地勘查，由于在储层发现了大量流体，工程由原先的干热岩工程更名成了EGS工程，完成了4口深井（最大钻深约5000m，井底温度约200℃，井组地表的距离为6m，井底的距离为600m，的钻完井、储层建造以及水力循环测试等工作单井最大注入液量达到3.66×l04m3，井口压力在15~20MPa;第二阶段（2007-2009年），持续开展循环连通，采用有机朗肯循环装置建成1.5MW增强型地热系统示范电厂；第三阶段（2009年至今），开展EGS发电的并网长期循环测试与监测。在工程运行期间，最大诱发地震为里氏2.9级。由于结垢问题，苏尔茨曾一度停止，为了阻止结垢，后续通过加入深井高压循环泵，保持一定的井口压力，有效解决了这一问题。苏尔茨作为能实现自运行的兆瓦级EGS发电工程，是目前世界上较为成功的EGS示范案例，展示了在天然裂隙发育的岩体中不需要通过大规模高压即可建造大型热储的可能性，增强了国际开发干热岩资源的信心，其勘查开发经验与运行模式为后续工程提供了宝贵借鉴。

　　(3)日本肘折(Hijiori)

　　肘折是日本首个EGS试验场地，位于更新世Gassan火山附近的肘折火山口南缘，约在l×l04a前有过一次喷发。选择该位置是想利用最近的火山活动在这个区域形成的高地温。工程实施前期在工程场地及周缘完成了大范围地质填图，并实施了一些探孔来验证地温场信息。肘折干热岩储层岩体为花岗闪长岩，埋深在300m以下，2205m深度，温度高于250℃。

　　1989-1992年肘折场地完成了1个注入井(SKG-2)和3个生产井（HDR-I、HDR-2和HDR-3）钻完井施工，钻井深度在1800~2300m之间，均穿过基底。在1800m深度，SKG-2到HDR-1的距离约为40m，到HDR-2的距离约为50m，到HDR-3的距离约为55m。注采试验过程中，共注入液体4.45×104m3，而仅产出1.3×l04m3，损失达70%以上。1991-1995年，将注采井进行了加深，井间距扩大到了90~130m，在1995年的循环试验中，共注入5.15×l04m3水，产出2.6×l04m3，回收率约为50%。随后在1996-2002年进行了附加和长期循环试验，在试验结束时，注采流体实现了130kW容量的双循环发电机。采出井在长期试验中从初始温度163℃急剧冷却到约100℃，试验由此而终止。与美国的芬顿山场地类似，肘折项目也在火山口边缘进行，虽然只需相对较浅的钻井就会获得很高的温度，使工程实施更具有经济性，但是在这样的区域内，地质构造、地应力场和天然裂隙系统非常复杂，使得工程在注采井组设计、储层建造和维护等方面具有更大的挑战。

　　(4)韩国浦项(Pohang)

　　浦项项目开始于2010年，场址位中新世早期弧后扩张形成的浦项沉积盆地，由新生代半固结黏土、白垩纪砂岩、泥岩和流纹岩、二叠纪花岗岩基底以及白垩~二叠纪期间喷出的安山岩构成。钻探资料显示，浦项地区存在地热异常，最高热流值为83mW/m，目标储层深度为4500-5000m，预测温度为180℃。地球物理探探资料显示，可能存在断裂将深部的热传递到浅部。浦项EGS开发前期的钻探现场调查工作没能识别出场地附近的活断层，但表明开发场区地应力处于临界状态。

　　浦项EGS示范发电项目包括2口井，其中PX-1井设计井深4127m，由于在4000m发生了卡钻，随后进行了侧钻，完井深度4362m;PX2井完井深度在4340m，2口井的钻完井工作于2015年11月完成，井组地面间距6m，井底相距约600m。该项目的水力刺激（压裂）开始于2016年1月，分5个阶段以1.00~46.83L/s的速度注入超过l×l04m3的流体。在最后一次水力刺激试验约2个月后，韩国浦项发生5.4级地震，推测可能与浦项EGS相关，民众反应强烈，因此该项目也被迫终止。

　　(5)美国FORGE计划

　　FORGE是目前由政府资助的最为前沿的干热岩勘查开发研究计划，旨在建立一个现场实验场地来开展干热岩／增强型地热系统的前沿研究及试验测试，以形成可降低工程开发风险和促进干热岩产业化的可推广、可复制技术路径，另外，FORGE计划还致力于先进设备的研发、数据的采集、以及数据的发布，以实时获取和共享相关数据和工作成果，在开展创新性研究的同时，努力建立一个创新性的合作与管理平台。FORGE计划主要目标是建造一个能长期高效地提取热能又不显著降低储层温度的裂隙网络，已实现经济流速(≥40L/s)，并缓解有危害的诱发地震事件。

　　FORGE场地储层主要由破碎的渐新~中新世花岗岩组成，并出露于附近Mineral山脉，测井显示地应力状态为正应力型，储层天然裂缝发育密集。FORGE计划主要分3个阶段：第一阶段（2015年），分别在加利福尼亚州、爱达荷州、内华达州、俄勒冈州和犹他州筛选5个场地，构建场地地质模型，编制实施计划；第二阶段（2016-2018年），2016年选择2个地方开展环境评价、储层和场地表征以及初步地震监测选定，2018年选定犹他州Milford附近作为FORGE计划的实施场地；第三阶段（2018年至今)，在Milford开展干热岩开发的最前沿研究。目前，FORGE已完成场地勘查，整合了三维地震、重力、水文、土壤气体和钻井等结果，获取了有关地下应力方向、应力梯度、地下渗透性、温度、岩石类型、以及裂缝分布的数据资料，并开展了场地基础设施建设;2021年2月，FORGE项目仅用50d完成了第一眼大斜度井(16A(78)-32)的钻完井、测井、地应力测试等工作，该井先钻至垂深1810m，然后从竖直方向偏斜650，最终钻至3349m(垂深2609m)，井底温度超过2200C，花岗岩体段平均机械钻速超过10m/h。2022年4月在16A(78)-32井中完成了全尺度、多阶段刺激改造作业。与此同时，在该阶段，FORGE还开展了应力分析、场地表征、储层刺激改造、高分辨率监测、以及热一水一力．化学模拟等专题研究和高温封隔器等工具装备研发。

　　总体而言，目前世界上的干热岩工程仍处于试验探索阶段，其商业性开发还面临着基础理论、技术方法、材料装备、资金支持、政策导向和民众接受程度等诸多方面的挑战其中干热岩热储地球物理探测、高效人工储层建造、诱发地震防控等方面基础理论和技术方法的突破是实现干热岩产业化开发的前提。另外，高温测井仪器和注采工具（如封隔器、桥塞、滑套等）是建造干热岩储层优先要解决的问题。

　　2.我国干热岩勘查开发进展

　　“十二五”之前，我国主要开展了干热岩相关基础性试验和理论研究等方面工作。“十二五”期间，中国地质调查局组织开展了我国陆区干热岩资源评价，修编了大地热流图，绘制了陆域居里面深度图、酸性岩浆岩体分布图、控热构造图以及典型剖面，反映了深层构造格局及区域地温场变化规律，及中国大陆热源与新构造关系，提出不同类型干热岩资源成因机制。通过分析中国陆区大地热流、不同深度岩石热导率、生热率等物性参数，计算了陆区不同深度温度，在此基础上利用体积法等，初步估算了我国干热岩资源家底，结果表明，我国大陆埋深3~10km干热岩资源量约为2.5×l025J（折合8.56×l014亿吨标准煤），其中埋深在5.5km以浅的资源量约为3.l×l024J（折合106万亿吨标准煤）。

　　“十三五”期间，在全国干热岩资源调查评价基础上，陆续开展了山东利津、青海共和、东北长白山、东南沿海、江苏苏北、山西大同等典型地区的干热岩勘查工作，实施干热岩钻探10余处，取得了多项突破。

　　其中在青海共和盆地，通过开展区域地热地质调查、综合地球物理勘查等工作，圈定了干热岩勘查开发目标靶区，实施的GR1干热岩勘探井在深度3705m处成功探获国内同等深度温度最高的干热岩体，实现干热岩勘查重大突破；东南沿海广东惠州在3009m探获127.7℃C高温水热资源，其下部无水层段具备干热岩资源潜力；雷州半岛徐闻县3150m测得井温146.4℃，推算4000m处温度可达180℃；苏北盆地兴化市实施的地热勘探井井深4701.68m处温度达到1550C，探获高温碳酸盐岩热储，显示苏北盆地深层蕴藏丰富的干热岩资源;冀东平原马头营凸起区M-l干热岩钻孔显示，在3965m深度温度达150。C，平均地温梯度为3.46℃/100m;山西大同盆地天镇县地热勘探井井深1585.3m处温度167.94℃，1624m处探获高温高压地热流体，井口流体温度高达160.2℃。

　　2019年中国地质调查局联合青海省人民政府组织实施青海共和干热岩勘查与试采科技攻坚战，同年完成场地精细勘查，设计实施了第一眼干热岩试采井GH-01井，钻探深度4002m，于1360m钻遇花岗岩，井底温度达209℃;2020年，成功实施了我国首例干热岩储层安全规模化建造，最大注入压力为48.1MPa，有效改造体积超千万立方米，根据规模化压裂后裂缝展布特征，设计施工了2眼定向井，即GH-02井和GH-03井，构建形成“1眼直井+2眼定向井”的干热岩井组；2021年实施井间循环连通并成功实现了国内首例干热岩试验性发电并网，开采井出水温度在110.4~125.7℃，初步建立了我国首个干热岩地质调查、资源评价、物探、钻探、压裂、监测、发电等勘查开发全流程技术体系。此外，山西大同、河北马头营、江苏兴化等多地也相继开展不同地质背景条件下的试验性发电探索。

　　目前，我国干热岩勘查与开发利用相关科研研发计划和项目等不断增加，国内已有10余家实验室正在开展干热岩勘查开发相关的基础理论和技术方法等研究。对深层高温地热勘查开发理论与技术探索的不断加深，使得我国在干热岩探测、深部钻探、储层建造、发电等技术方面取得了长足进展，多项常规技术已经取得较大突破，与国外差距在逐步减小，为我国干热岩勘查开发提供了理论支撑与技术储备。

　　3.干热岩勘查开发展望

　　3.1干热岩勘查方面

　　(1)干热岩成因机制

　　干热岩相对水热而言脱离了对自然流体的依赖，理论上世界各地如果不考虑经济因素，只要钻到足够深度，均能满足地热发电需求。然而现阶段，寻找经济可行的开发场地仍是干热岩勘查开发的首要环节。我国构造体系复杂，不同构造背景下的干热岩分布规律、控热机理、成藏机制存在较多基础地质问题未解决，普遍提到的干热岩热量来源主要有高放射性生热、部分熔融（岩浆囊）、深部地幔、构造活动热，从干热岩热量来源及控热地质背景角度出发，中国干热岩资源的赋存类型可分为近代火山型、沉积盆地型、高放射性产热型、强烈构造活动带型和部分熔融型。但目前，干热岩成因机制研究仍停留在定性判断为主的阶段，定量化分析不足，难以指导干热岩靶区选址。从定性描述到半定量．定量化研究，构建一套集热源机制、控热机理、空间分布等一体化的干热岩成因模式可能是未来干热岩成因机制研究的重点之一。

　　(2)干热岩调查评价方法

　　地热地质调查评价是地热能源勘查开发的基础。随着埋深超过3000m的深部水热、干热岩、油田伴生热等多种深部地热能源受到关注，开展多种地热能源综合调查评价与开发利用成为未来发展的趋势。人们对干热岩勘探的需求从宏观的资源评价向热储精细评价转变。基于机器学习等的定量资源评价与分布预测模型目前尚处在探索阶段，不足以支撑资源的可持续开发利用和管理，需建立一套集热储三维可视化高精度三维地质模型、地热资源综合评价与预测、多场耦合模拟预测、工程优化设计、资源配置管理等为一体的评价管理系统。

　　(3)干热岩勘探技术

　　地球物理勘查在开展深部地热探测与开发的各个环节均具有重要作用。三维可视化、定量化勘探是地球物理探测技术的发展趋势。对于相对复杂的深层地热系统而言，热储地球物理响应特征认识不清，高温探测多解性问题突出，储层天然裂隙刻画精度难以满足工程需求。拓展探究重、磁、电、震等多元信息融合的深部地热探测技术方法仍是国内外地热资源勘查开发技术领域的前沿。构建深部地质体“透明化”有效探测的地球物理勘查技术体系，解决深部热储温度预测等关键技术的需求迫切。另外，随着干热岩勘探开发的不断深入，干热岩测井面临重大机遇，展现出良好的应用前景，同时在高温高压测井技术（包括常规测井、成像测井和随钻测井等）和资料解释评价方面面临巨大的挑战。现有测井装备在高压高温条件下难以长期获取稳定可靠数据，并且储层岩体小尺度裂隙刻画技术方法还不完善，因此无法准确了解储层组构特征，制约了干热岩有效开发。因此，亟需大力推进深层高温高压测井关键技术与材料自主研发，从而实现深层干热岩热储层裂缝精细刻画和随钻超前探测，为干热岩产业化发展提供技术与装备保障。

　　3.2干热岩开发技术方面

　　(1)干热岩钻完井技术

　　高温硬岩可钻性差、钻进效率低、成本高，完井工艺及配套工具不足，安全高效成井困难，机械钻速与国际还有较大的差距，导致了我国于热岩钻完井成本居高不下。因此，仍需持续攻关高温随钻测量、耐高温长寿命钻头、孑L底动力钻具、超高温钻井液及冷却、高温固井等关键技术，不同地质条件下的高温硬岩快速钻进工艺需要不断探索。

　　(2)干热岩热储建造技术

　　国际实践结果显示，目前水力压裂法仍是当前干热岩储层建造的主要手段。然而，干热岩裂缝扩展与导流机理、循环注采与岩石力学作用机制、热储建造裂缝定向控制技术等基础理论、技术还不清楚；耐高温封隔器等压裂材料和耐高温电潜泵等长周期循环注入设备需要研发和配套；二氧化碳、液氮等新型介质造储及循环开发技术、井内闭式循环(closedloop)换热等新型取热工艺方法值得探索。

　　(3)干热岩储层建造实时监测与效果评价

　　微震定位精度尚不能满足注采井组设计需求，高精度微震数据采集仪需要研发配套，微震自动定位处理还需精细开发，基于震源机制反演连续裂缝网络，定量评价储层渗透率的精度还不够；诸如电磁法监测等储层流体监测技术仍需完善，储层反演与定量评价压裂液时空分布有待提高；微震、电磁、分布式光纤、试井、示踪等方法综合解释热储裂隙网络的精度和可靠性还不足，基于多元数据融合的复杂裂缝建模与热储三维可视化技术还需完善。

　　(5)干热岩开发防震控震机理及措施

　　干热岩压裂施工均不同程度的诱发微地震，因此建立断层活化分析评价体系和诱发地震控制与反馈机制是保证干热岩项目顺利开展的前提。目前，干热岩开发环境影响效应不完全清楚，以井口压力、总液量以及水力能为反馈调节的控震机制认识还不足，以诱发地震力学机制为基础的前瞻性综合震级预测模型为主的红绿灯管控系统尚待完善。

　　(6)干热岩储层维护

　　由于缺乏长周期开发试验，我国干热岩开发全生命周期的储层管控措施还有待建立。

　　3.3干热岩利用方面

　　目前整体来看，我国干热岩发电与综合利用实践经验欠缺，发电机组、综合利用模式等亟待深化探索。

　　(1)热电转换技术设备

　　在地热发电技术方面，美国、冰岛、德国等发达国家处于世界前列，普遍采用干蒸汽发电、闪蒸发电、双工质发电等涡轮发电技术。目前，干热岩发电工程存在的主要问题是，多采用单一发电模式，产能较低；干热岩电站建设成本过高，投资回收期过长；设备易腐蚀，井口一发电机组多出现结垢。因此，需要研发攻关干热岩高效发电热力循环系统、原位发电新技术、热伏发电新材料等。

　　(2)多能源互补利用

　　干热岩资源可以结合其它不同形式清洁能源，实现多能互补、优势互补的综合利用。根据干热岩从高温到低温的利用顺序，开展地热发电、地热干燥、地热供热、地热洗浴、地热温室、地热水产养殖等多级利用工程应用示范研究。

　　(3)深部地热储能

　　深部地热储能是利用具有保温性能好、渗流速度缓慢、热量不易散失等特点的地下热储作为储能介质，采用井管回灌的方式将风电、光伏等清洁能源以“热”形式储存在热储中，在需要时抽取使用的一种方法。深部地热储能规模大，能够实现跨季节长时间能量存储，一定程度上提升新能源电力系统高效稳定安全运行消纳能力，提高供能和供热系统的灵活性、经济性。深部地热储能实施、运行、推广的关键在于储能位置的选择、储能过程与环境的作用、储能系统的安全性、可靠性和经济性等关键技术问题，需进一步打通光热转化、热储调蓄、采灌均衡、高效开发、实施监测、智慧控制等技术路径。

　　4.结语

　　总体来看，当今世界干热岩勘查开发仍然处于试验探索阶段，还存在大量理论技术难题和环境风险。我国干热岩资源开发尽管实现了从“0”到“1”的突破，多项常规技术已经取得较大进展，但在高温硬岩钻完井、热储建造与循环试采等方面的关键技术与工具装备距离国际水平还有较大差距。

　　干热岩现有开发利用技术路径及其配套技术、装备与商业化开发预期相比还存在较大差距，仍需要在高精高分定量化勘查评价、高温硬岩钻完井、深部储层精细刻画、安全规模化储层建造、高效取热换热等方面推动颠覆性技术创新，破解规模化、经济性开发难题。

　　摘自《水文地质工程地质》2023年第4期