干热岩资源特征及开发利用研究进展

杨　丽，孙占学，高　柏

(东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013)

干热岩资源特征及开发利用研究进展

杨丽，孙占学，高柏

(东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013)

摘要：随着传统化石能源的日渐短缺，干热岩作为一种清洁的可再生地热资源，符合现代化工业社会的需求，对干热岩资源特征及开发利用研究越来越得到人们的重视，成为新能源开发和研究的热点。文中分析了中美干热岩资源特征，岩石裂隙在热传输过程中的重要作用，总结了优化钻孔布局的方法、地热资源钻井成本估算，高温地热钻探技术与干热岩地热资源的利用等方面的研究进展。根据中国干热岩资源特征及开发利用现状，建议高度重视干热岩赋存特征与开采条件的研究，加强压裂贯通技术的研发，大力提升现有的钻探设备水平。

关键词：干热岩；钻探技术；资源特征；应用现状；进展

HDR(hot dry rock)代表着一个庞大的潜在能源，据报道，在美国地面以下3～10km深度干热岩总热量超过了14×106EJ[1]。不同作者的评估显示，我国大陆3～10km深度干热岩所蕴藏的热量大约为(20.9～25)×106EJ[2-3]。HDR代表着一个庞大的潜在能源，这个热量可以提供电能、替代原油辅助采油，以及用于采暖等。利用HDR可以满足快速增长的能源要求，是一个重要的能源策略。干热岩热能提取和利用的研究和开发可以追溯到1970年，HDR概念首次被美国科学家提出[1，4]，采用人工压裂的方式，在干热岩体中产生连通的裂隙，打一口井到目标岩层，注入冷水流经岩层，储存在HDR岩体中的热量转移到注入的冷水中，将这些载热液体收集到生产井用于发电或者其他用途，排出的液体冷却以后又可以注入井中循环利用。

目前，世界各地积极研究开发HDR的技术，创建了多个HDR技术开发示范点。中国也在积极参与HDR技术开发工作，但在热储计算、技术应用等多方面还存在不足，本文通过对当前干热岩地热资源现状研究的分析，为我国的干热岩地热资源开发利用提出建议。

1资源特征

1.1我国干热岩资源特征

我国干热岩地热资源开发潜力巨大，最新的计算结果表明，中国大陆(3～10km深度)干热岩地热资源总量为20．9×106EJ，合714．9×1012t标准煤。若按2%的可开发资源量计算，是传统水热型地热资源量的168倍，相当于中国2010年全年能源消耗总量的4400倍[3]。中国处于全球欧亚板块的东南边缘，在东部和南部分别与太平洋板块和印度洋板块连接，是地热资源较丰富的国家之一[5]。东南沿海受菲律宾板块碰撞挤压，在台湾、海南和东南沿海形成一个高地温梯度区；东部受太平洋板块挤压，形成长白山、五大连池等休眠火山或火山喷发区和京津、胶东半岛等高地温梯度区。这些热异常区存在着丰富的高温地热资源，是干热岩地热资源的优先开发区[6]。

1.2美国干热岩资源特征

根据地质环境以及其他数据的综合研究显示，美国有24个潜在的可供参考的开发干热岩的地区。研究发现，HDR资源多出现在地质构造发育的地带，根据这些有潜力地区的岩层和推断的热源进行分类，其中新墨西哥州的芬顿山被认为是发展HDR比较理想的区域，并对其进行了详细研究。除此之外还有其他三个具有前瞻性价值的地方：加州Greysers-clear湖地区，犹他州罗斯福温泉区，新罕布什尔州怀特山脉地区。这些地区都是因为在HDR开发利用中有着显著不同的地质和地球物理特征，并且岩石储层结构和储层温度方面也特别适宜HDR资源的开发利用[7]。

2干热岩裂缝热流区的三维模拟

作为一种清洁、可再生的地质资源，干热岩将会得到广泛的应用。干热岩里面储存着大量的热量，但干热岩通常储存在地球深处，想要直接利用这种资源十分困难。需要通过向传输岩层注入冷水，将热能被交换到地面加以使用，在热提取过程中，流体的流动和传热起着关键性的作用[8-10]。通常，注入的液体和干热岩之间的热交换是通过液体流经岩石缝隙来完成的。在热量传输的过程中，干热岩的特征和结构扮演了十分重要的角色。为了更好更合理地开发地热资源，研究三维缝隙的特征以及干热岩热传输的影响因素是十分有必要的。干热岩里的天然裂缝十分狭窄，不能满足热传输的需要，用来热交换的缝隙通常由人工压裂来产生足够的孔隙度。按照人工压裂以后的分布类型，根据相关的孔隙度以及空隙的半径来建立缝隙的三维模型。Lunli等几位学者[11]，用理想形状的孔隙模拟、讨论了液体流经裂隙的压力、通量、速度、孔隙度之间的关系，并且分析了热传输的原理，指出三维模拟研究在发展和利用干热岩方面具有指导意义。研究表明：热交换时，渗流会导致热量在岩石与液体之间发生交换，然后推动岩体的内部温度场重新分布，使得液体与岩石层在贯穿裂缝的渗流场和温度场之下相互作用。裂隙较大的渗流区域主要引起液体流动，同时也直接影响温度场的分布。在分析单一裂隙平行板模型基础上，还研究了圆柱形渗流通道，根据贯通岩体裂缝的渗流和温度数据，分析裂隙的压力、通量、速度、孔隙度之间的相互关系。

3优化钻井布局

HDR热提取技术的实现包括选址调查、钻井、人工压裂产生裂隙、建立流动循环系统，如果用于发电，就涉及到地表电站的建设和输电线路的安装。钻井过程成本昂贵又必不可少，根据许多地热项目的成本统计表明，钻井的成本可能达到投资总成本的50%～60%以上[12-13]。干热岩体更坚硬，温度更高，就对钻井技术提出了更高的要求。HDR开采的商业运营目标是：出流量达到80kg/s，液体温度至少达到423.15k[14]，为获得足够高的生产能力，就需要提高单井生产能力。单井循环率低主要是因为岩层渗透性和井间连通性差[15-16]。采用多井策略可以增加压裂，这有助于产生更多的裂缝，使储层渗透率和孔隙分布更加均匀，同时，更多的井可以缩短井间距离，提高井间连通性，促进流体循环，同时减少流体损失的可能性。鉴于目前岩石压裂技术，多井策略可能是提高生产能力为数不多的几个有效方法之一，但钻井耗时长、成本高，因此，优化钻井布局是降低成本的重要环节。

在长期的干热岩热提取过程中，井的布局的数值模拟包括：标准的两井模式、三井模式和五井模式，根据仿真模拟的结果对干热岩提取性能的分析发现：仅仅部署更多生产井不一定能提高干热岩提取效率，三井模式比五组或两井模式都要好；此外，干热岩提取过程中，注入井位置附近会获得更多的热量；同时，一个优化的HDR地热系统布局必须确保长期有主要流动路径和优先流。最后，用实验结果验证了模拟设计[17]。

4石油、天然气以及地热资源钻井成本分析

经济成本是开采过程中必须要考虑的问题，由API根据美国海岸上石油和天然气钻井从1976年到2009年数据，采用当前的物价水平，作出了钻探深度与成本的指数关系。研究历年钻探成本与深度的指数关系，根据不同的钻探深度，划分成9个深度指标，并且每年都根据钻探活动对指数加以修正。一系列的研究表明，地热钻探的成本升级费用，远远低于石油、天然气钻探成本的升级费用，用来评价化石能源成本的指数并不适合描述地热资源的钻探成本[18]。

一般来说，人们都希望可以开采更深处的石油、天然气、地热储层，以此来获得更多的资源，并希望通过提高钻探技术来减少由于深度的增加所带来的成本消耗。Cornell Energy Institute (CEI)指数[16]是一个全新的可以随时间和环境条件不断更新的指数，它趋向于提供更高的精度并且使其所描述的事物不随时间的推移而改变。化石燃料的钻探相关统计分析表明：在同样一个地点，一口开采井的成本要比一口勘探井的成本便宜8%左右，并且如果开采井更大或者优化管线的布局，成本将会进一步降低。

除了不同的地质条件、井孔直径的大小，以及井管线布置的复杂程度这几个因素对钻井成本的影响外，其它地热开采成本和化石能源的开采成本差不多。石油和天然气的钻井花费指数已被证明并不适合描述常规的地质钻探花费。主要原因是：在过去的35年里，地质钻探技术有了重大的改进，但成本的升级费用却远低于同时期的石油天然气钻探成本升级费用。Maciej Z． Lukawski等专业人士评估了当前的地质钻井成本，并提供了一个包含146个地质钻井成本的数据库，通过这个数据库，可以让以后相关的钻井成本模拟计算更加精确[18]。

5高温地热资源钻探技术的研究

随着对地热资源研究的深入，钻井数量、深度、初始温度都在逐年提高。目前为止，高温地质钻探技术并没有被相关人员过多的关注。高温地质钻探面临着很多复杂的问题：初始温度、极限温度、饱和蒸汽压、传输介质循环温度等，这些数据的获取和计算都十分重要，利用Rotary Blow Out Preventer (RBOP)技术，可以帮助获取这一系列的数据，进一步指导开采活动[19]。在国外，RBOP技术得到了广泛的应用，但在国内却没有RBOP的应用实例[20]，为了确保高温钻探的安全和效率，加快RBOP技术的研究和应用速度是十分重要的。除此以外，循环温度和地热钻井的压力对整个钻探过程的安全和效率来说十分重要，但目前却缺少相关的研究。Zhang Delong等[20]研究人员为了增加地热钻探钻井技术的可操作性，设计了适应高速且温度适合RBOP技术的改进结构。

6干热岩应用现状

6.1干热岩发电

干热岩作为一种可再生的清洁能源，可在地热发电中得到应用。干热岩地热发电与其他发电方式相比：干热岩地热发电不仅可大幅降低温室效应和酸雨对环境污染的影响，而且价格更具竞争力。产生区别的主要原因是采热方式不同，干热岩地热发电的流程为注入井将低温水输入热储中，水经过高温岩体加热后，在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。发电后将冷却水排至注入井中，重新循环，反复利用。在此闭合回流系统中不排放废水、废物、废气，对环境没有影响[21]。

干热岩发电过程有许多影响因素，为了验证通过水循环可以从干热岩体中获得热量用于发电，Yu Chaozeng 等[22]研究人员对Desert Peak地热田中两个水平井开展了数值模拟[23-29]，根据Desert Peak地热田DP23-1的地质资料，整个生产过程可分为两个阶段：稳定生产阶段和衰退阶段。在稳定阶段，首先，提取注入井附近的热量，稳定的从岩石中开采热量，并保持一定的生产温度，使电力生产能力保持在恒定水平；在衰退阶段，随着工作的开展，储层中生产井附近的热量不断降低，水温以及电力生产能力不断下降，储层平均温度不断降低，伴随着相应的水粘度、密度不断增加，引起储层阻抗不断增加。 在生产过程中，在注入井周围形成区域低温，压力和密度越靠近生产井区域越高。模拟结果如下所述。①裂缝渗透率K是影响热量生产最重要的因素之一，在一定范围内，K越大，意味着注入水与岩石的接触面积越大，温度提高越多。尽管对电力生产能力没有多大影响，但是阻抗会明显减少，因此，能源效率也会大大提高。 ②流量也是影响热量生产最重要的因素之一。在一定范围内研究发现，低流量更有利于电力生产，阻抗值较小，能源效率更高。然而，较低的流量会明显降低电力生产能力。③温度也是影响热量产出的重要因素之一，在某一定范围内，注水温度越高，电力生产能力明显降低，但是能源效率显示轻微的增高趋势。因此，改善系统热生产性能，可以适当增加储层渗透率，降低出水流量或降低注水温度[22]。

6.2干热岩代替原油技术

王学忠[30]提到：针对稠油热采中需要燃烧大量原油产生蒸汽的问题，开发了干热岩替代技术。干热岩辅助采油是通过向干热岩中注水形成高温蒸汽或热水后，再由地面采出用于加热油层，从而提高稠油流动能力。物理模拟试验证实，热水驱油能够明显提高采收率[31]。进行干热岩采油流程概念设计，可选择深层探井作为干热岩源井，推荐在干热岩源井同井场，施工稠油层多分支水平井作为注入井，单体增压泵直接将从干热岩源井采出的热流体注入目的油层，在周围油井采油[32]。

利用干热岩辅助采油还有几个重要的理由：第一是原油用途非常广泛，比地热资源附加值高；第二是原油比地热资源便于运输，运输方便可以扩大应用范围，提高经济效益；第三是干热岩热水采油原理简单，广泛适用于其他各类油藏，安全、节能又环保，具有广阔的应用前景。因此，干热岩辅助采油技术理论上在所有油田都具备实施条件，配套技术成熟，可以大幅度提高稠油开采动用水平和采收率，大幅度降低稠油开采成本[30]。

6.3干热岩采暖

与干热岩地热发电原理相似，干热岩型地热能采暖是根据自然环境条件、当地人口资源环境配置、地热资源分布以及地热地质条件，打出合适的注水井和生产井，用水力压裂技术使地下裂隙连通，用高压注水泵向一井内注水，水通过干热岩层，将干热岩中的热量吸收后，从另一口井中抽出，进入换热器进行热量交换，抽出的高温的热水供给到千家万户，换热后的温水再回到注水井中。这样就好像把一个锅炉放在深部的地下，水在这个系统中不停地循环就可以取出热能加以利用。

国外已经开始了这样的取暖方式，经济而且环保。目前，沈阳地区已经开始对干热岩资源供暖技术研究，并得出沈阳地区深部干热岩存在可能性非常高，具有干热岩资源进行供暖的有利条件[33]。

7我国干热岩资源开发存在的问题及展望

干热岩地热资源拥有巨大的储量，能源开发过程中污染较小，被看做未来能源支柱之一。与国外已较为成型的技术相比，我国干热岩的开发还处在起步阶段。造成这一现象的原因大概有以下几点。

1)赋存特征与开采条件不明确。干热岩资源的赋存特征与开采条件是开发利用干热岩资源的基础，需要做好干热岩资源的勘察评价以及关键开采技术体系的研发，建立相对应的数据库。

2)压裂连通技术难度高。在实现干热岩应用中，都必须使用压裂技术，使得致密不透的热岩体能够产生裂隙，使得井与井之间连通。将井连通的工作很复杂，也很难解决，我国需要加强这方面的深入研究。

3)推进有疑虑。如前所述，我国干热岩在3～10km范围内的储热量巨大。但是很多学者专家认为：作为地热资源的一种，干热岩发电是否会面临常规地热发电同样的困境。目前我国利用地热供暖和供热水发展非常迅速，但利用地热发电一直止步不前。

4)钻井技术与装备差。因为开发干热岩地热资源需要深井钻探，施工高温岩体发电井的钻头耐热温度需达350℃，另外在实际工作中需要应用防斜钻井技术，这就增加了开发过程中的难度和生产费用。成本高成为干热岩开发的困扰，因此，还需在压裂钻进技术方面多下功夫。

纵观上述问题，为了让干热岩资源的开发利用在我国更快发展，首先应该查明我国干热岩资源的赋存特征与开采条件，为我国开发利用干热岩资源奠定基础。同时，应加大对干热岩地热资源研究的投入，设立勘查开发利用研究专项，为我国的干热岩资源勘查开发利用提供技术支撑并建立示范工程。与此同时，推动人才队伍建设以及数据资源的共享，对干热岩资源的开发和利用也有着十分重要的作用。干热岩资源有着其独有的优点，随着研究力度的加大，未来将在很大程度上解决能源危机，使得我国在能源问题上取得长足进步和跨越式发展。

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A review on geothermal resources characteristics and development potential for hot dry rock

YANG Li，SUN Zhan-xue，GAO Bai

(State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Abstract:With the shortage of conventional fossil fuels，hot dry rock as a clean，renewable geothermal energy resource，in line with the needs of modern industrial society，and the characteristics and exploitation study of hot dry rock resources has become a new focus of energy development and research.In this paper，the characteristics of hot dry rock resources in China and the United States，the important effects of rock fractures on heat transfer process are discussed，and the advancement of the methods optimizing drilling distributions，estimation of geothermal drilling costs，high temperature geothermal drilling techniques，and the utilization of hot dry rock geothermal resources.Based on the characteristics of the hot dry rock resources，and exploitation and utilization status of China，it is recommended that researches on the formation features of hot dry rocks，exploitation conditions，fracturing and connecting technologies and advanced drilling equipment should be paid highly attention.

Key words：hot dry rock；drilling technology；resource characteristics；utilization status；advancement

收稿日期：2015-05-17

基金项目：中国地质调查局项目“大型盆地和东南沿海典型地区深部水文地质调查与综合评价”资助(编号： 12120114025101)；国家自然科学基金项目资助(编号：41162007；41362011)；江西省自然科学基金项目资助(编号：20132BAB203031)

作者简介：杨丽(1990-)，女，汉族，四川宜宾人，东华理工大学硕士研究生，主要从事水文地质与工程地质研究工作。E-mail：594495900@qq．com。 通讯作者：孙占学(1962-)，男，江西修水人，教授，博导，主要从事地热地球化学、铀矿采冶与水文地质方面的研究工作。E-mail：zhxsun@ecit.cn。

中图分类号：P967

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0016-05