美国干热岩地热资源勘查开发现状、战略与启示

杨建锋，王 尧，马 腾，张翠光

（中国地质调查局发展研究中心，北京100037）

干热岩蕴藏着巨大的热能，是美国长期关注和探索开发的新能源之一。作为世界首个提出干热岩地热资源开发设想的国家，美国自20世纪70年代开始不断推进干热岩勘查与开发研究[1]。近年来，美国在干热岩资源开发利用的增强型地热系统（EGS）示范研究方面取得了很大成功，大大推进了EGS技术进步，干热岩地热资源商业开发前景进一步明朗。美国的探索实践表明：虽然干热岩开发利用的EGS工程具有很大的风险和不确定性，但是其商业化的技术障碍是可以克服和解决的。

1 美国干热岩地热资源勘查开发现状

受20世纪70年代石油危机的驱动和激励，美国启动了干热岩地热资源开发利用的探索[2]。尽管经历了很多艰难曲折，美国推进干热岩地热资源商业开发的前景越来越光明。

1.1 联邦政府干热岩勘查开发投入情况

美国干热岩勘查开发主要由联邦政府能源部（DOE）主导推动。1976～2016年，DOE对干热岩（2000年之后为EGS）的研发投入累计为4.32亿美元，期间经历了2次上升期（图1）。第一次为石油危机发生之后的1976～1987年，年均投入880万美元，占地热研发总投入的比例由10.0%上升到38.6%；第二次为2007～2016年，目前仍在持续中，研发投入从200万美元大幅增至4500万美元，占地热研发总投入的比例由40.0%上升到63.4%。干热岩研发投入在能源（包括化石能源、核能、可再生能源等）研发投入中的比例亦呈上升趋势，从2006年的0.07%上升到2016年的0.41%。20世纪90年代至21世纪初，联邦政府对干热岩勘查开发投入持续低迷，反映了其首个EGS工程于1993年被迫终止之后政府对干热岩开发前景的悲观看法。近年来联邦政府干热岩勘查开发投入变化趋势表明：随着EGS工程示范研究的推进，政府对干热岩资源开发利用的前景越来越有信心。

图1 1976～2016年美国联邦政府EGS工程研发投入

1.2 干热岩资源潜力评估

潜力评估与选区是干热岩资源开发的重要基础工作。1970年美国颁布了《地热蒸汽法案》，赋予了美国地质调查局（USGS）地热资源潜力评估的职责[3,4]。在能源部的支持与资助下，USGS先后于1975年、1978年、1982年和2008年完成了全国性地热资源潜力评估与选区。基于以往的地热调查成果资料，特别是70年代石油公司完成的数千眼钻井数据，USGS于1975年完成了首次全国性地热资源潜力评估，对全国50个州10km深度以内大于15℃的地热资源进行了定量评价，其中包括温度小于650℃的干热岩地热资源[5]。1978年根据新的钻井数据对地热资源潜力评价结果进行了更新[6]。根据低温地热资源开发的需要，USGS于1982年完成了小于90℃浅层低温地热资源的潜力评价[7]。

根据近20年来深部地热电力开发需要，USGS对地热资源潜力评估方法进行了改进，形成了中高温地热资源潜力估算方法：根据地热发电要求将地热温度底限确定为90℃；地热深度在6km以内；采用地热温标测量储层温度等[8]。采用改进方法，USGS于2008年完成了全国中高温地热资源潜力评估。根据评估结果，在现有技术条件下，美国干热岩地热资源EGS电能潜力为517800 MWe，相当于美国现有发电装机容量的一半，比传统水热型地热资源潜力大一个数量级[9]。

1.3 早期干热岩勘查开发探索

采用人工压裂方法从地球深部高温岩石中获取热能的设想，最早可追溯至20世纪60年代末。当时有科学家提出了采用核武器进行岩石压裂的方案，但是未被采纳。1974年美国Los Alamos国家实验室研究提出了一种从干热岩中获取热能的方法并获得专利，采用水力压裂技术在干热岩中建造形成储层，通过注水井和生产井将储层联通起来开采地热资源。该方法是当前干热岩地热资源开发利用的增强型地热系统（EGS）工程的技术雏形[10]。

在原子能委员会（AEC）资助下，Los Alamos国家实验室在新墨西哥州的Fenton Hill试验建设了一个干热岩（HDR）系统。该系统于1977年成功实现干热岩热流循环，1980年开展了持续9个月的热流循环运行试验，包括运行一个简易的60kW普通发电机。Fenton Hill干热岩系统第一阶段试验取得了巨大成功。美国能源部与德国、日本联合资助开展了第二阶段试验研究，但是始终未能实现商业性发电的预期目标。由于井孔故障、设备设计缺陷和资金不足，试验研究被迫于1995年终止[11]。通过分析，实验室认为最大的教训是不能想当然地推定应力场的分布。

Fenton Hill干热岩系统关闭后，美国干热岩勘查开发进入徘徊期，联邦政府投入不断减少。但是同时，美国也通过参与、跟踪、分析其他国家的干热岩勘查开发工作，包括英国的Rosemanowes（1977～1991）、日本的 Hijiori（1981～1986）和 Ogachi（1989～2001）、瑞士的Basel（2005～2006）等干热岩或EGS系统，积累干热岩资源勘查开发的经验与教训[12]。通过对这些早期的干热岩勘查开发研究的分析，获得了一些重要认识：干热岩自然断裂分布与应力场分布调查填图至关重要；低压激发、水力剪切、高压水力压裂对储层建造与水力连通性的影响关系到干热岩资源的开采；扭张性地质环境比压性地质环境更易于储层建造等[13]。

1.4 增强型地热系统（EGS）示范研发

经过一段时间徘徊后，能源部地热技术办公室（GTO）在对全球已终止的、在建的和运行的干热岩勘查开发工程进行系统分析的基础上，在2000年明确了干热岩勘查开发研究的主攻方向：推进增强型地热系统（EGS）技术示范研发。据公开发表文献统计[14～16]，1974年以来全球投入建设的EGS工程数量总体上不断增加，到2013年累计达到39个，其中在建与运行的有30个，终止或废弃的有9个（图2）；正在建设尚未发电的EGS工程有16个，正在运行并投入发电的EGS工程有14个。EGS工程数量的增长从一个侧面表明了美国所确定的干热岩勘查开发主攻方向是全球大势所趋。

图2 1974以来全球在建与正在运行的EGS工程数量

2013年以来，美国的EGS技术研发工作包括130个研发项目和5个EGS示范工程，研发人员由企业、大学和国家实验室的科学家与工程师组成[17]。5个EGS示范工程由能源部与企业共同资助，其中能源部投资占工程投入的47%～70%。根据承担研发任务的机构来看，企业承担了36%的研发任务，国家实验室承担了47%的研发任务，大学承担了17%的研发任务。根据研发内容来看，储层建造技术占总研发活动的44%，运行发电技术占39%，勘查技术占17%。

通过近几年的努力，EGS示范研发取得了令人鼓舞的进展[18,19]。2012年，Geysers EGS示范工程热流开采与运行发电试验取得成功，所获得的生产汽流能够实现5MW的电力发电，目前正在设计适应汽流的新型发电设备。2013年，Desert Peak EGS示范工程完成了持续8个月的多阶段储层激发，储层渗透率显著增加，流量与注水量均达到了商业水平。EGS示范研发取得了一些新的认识：储层建造主要依赖于与主应力方向一致的自然裂隙的剪切性张开，在储层激发设计时需要测量与考虑目标地层的自然裂隙产状与应力分布；不同构造环境中启动岩石剪切的注水压力和注水量数据为新技术测试提供了基础依据；诱发地震监测数据可以作为追踪储层建造过程的重要工具，对于储层激发具有重要作用。

2015年，GTO启动了地热能前沿观测研究计划（FORGE）。通过实施FORGE计划，建设一个地下实验室，推进EGS前沿研究，研发建设大规模、经济可持续和商业化的EGS所需要的技术。

2 美国干热岩地热资源勘查开发研究战略

通过分析，GTO认为推进EGS工程研发的关键包括三个方面：一是准确描述储层应力、化学组成、热流路径变化；二是获得商业化运行发电所需的生产热流（50～100kg/s）；三是可以持续运行数年或更长。基于EGS研发现状与面临的主要问题，GTO于2013年研究提出了干热岩地热资源EGS研发战略[20]；2019年初，发布了美国“地热能前沿瞭望台研究计划”（FORGE）技术路线图。

2.1 EGS研发战略目标与主要任务

EGS研发的长期目标是实现EGS工程低成本商业发电运营。近期目标是推动EGS技术不断进步和成熟，具体指标如下：

（1）到2020年实现EGS示范工程5MW发电运行。

（2）单位发电成本从2011年的0.24美元/kW·h降低到2030年的0.06美元/kW·h。

为了提高研发成功率，示范工程采取先易后难的策略。首先选择现有水热型地热田开展EGS工程研发，充分利用地热田已有的设施和勘查资料，降低EGS工程成本和风险，有效增强储层渗透率，实现多年持续发电。然后，再选择水热型地热田邻近、未开展过水热型地热开发的区域（绿地）开展EGS工程研发。目前，GTO建设的5个示范工程有2个位于水热型地热田内，2个邻近水热型地热田，1个位于绿地内，分别是Desert Peak EGS和Brads Hot Spring EGS、The Geysers EGS和Raft River EGS、Newberry EGS（表1）。

EGS研发主要任务包括：查明目标层自然裂隙与流动路径；在目标层建造新裂隙和流动路径；监测流动路径变化；层位分割；管理与维持储层裂隙与流动路径；研发钻井技术；建模与模拟；研发测量与分析工具等。

表1 美国EGS示范工程概况

2.2 技术研发路线图

根据EGS工程建设阶段，EGS技术研发可划分为三个方面：勘查、储层建造、运行发电。基于近年来的技术研发进展，同时考虑到相关领域的先进技术发展状况，特别是石油开发技术、页岩气开发技术以及地球物理、地球化学调查技术，GTO提出了勘查、储层建造和运行发电三个方面的技术研发路线图。

2.2.1 勘查技术研发

干热岩勘查是EGS工程建设的基础性工作，其目的是全面查明干热岩地质条件，为后续的储层建造与运行发电奠定基础，降低EGS建设的风险。干热岩勘查技术可进一步细分为几类技术：干热岩自然裂隙与流动路径调查；钻探；建模；测量与分析工具。其中钻探、建模、测量与分析工具等三类技术方法涉及EGS工程建设的各个阶段。

到2030年，干热岩勘查技术研发路线图是：从采用地球物理技术推断地质条件，到简单地质与地球物理建模与实地观测相结合、针对场地优化地质建模工作流程，最后到针对各种情况形成通用地质建模工作流程（图3）。图3中还列出了钻井技术、建模技术、测量工具技术研发路线。可以看出，由于石油、天然气、页岩气等矿产资源与干热岩在埋藏与勘查开发上具有很多相近的特征，现有的干热岩勘查更多地引入了油气勘查技术[21]。改进与升级油气勘查技术，以适应干热岩高温高压的地质环境，是干热岩勘查技术研发的重要起点。

图3 勘查技术研发路线图（据Ziagos等）

2.2.2 储层建造技术研发

从干热岩中开采热能，需要采用人工方法在目标地层中激发形成具有足够裂隙且相互联通的储热层，通过热交换将热能提取到地面以供发电。截至目前，储层建造是EGS工程建设中难度最大的部分。虽然经历了40余年的探索，储层建造技术仍然还不成熟[22]。储层建造技术包括生成新裂隙与流动路径、流动路径监测、分层分隔以及钻探、建模、测量工具等技术。

图4 储层建造技术研发路线图（据Ziagos等）

到2030年，储层建造技术研发路线图是：从传统油气高压破碎技术、可控分阶段水力剪切与压裂技术、依据综合监测数据实施钻孔与生成裂隙，到实时优化生产率技术（图4）。对于生成新裂隙与流动路径，在改进油气开发的水力压裂技术基础上，研发多区热力/水力压裂与剪切、控制流量与压力压裂、优化单位体积裂隙表面积等技术。对于流动路径监测，从旋转测井与失踪试验技术，到研发短路区与微地震MEQ变化监测、MEQ与地球物理耦合确定主流动路径、采用智能流体探测和定位主流动路径、实时追踪流动路径等技术。

2.2.3 运行发电技术研发

运行发电目的是从储层中通过热交换把热能提取上来，利用热能进行发电，然后把降温后的流体再注入储层，实现发电机组持续运行，所发电能源源不断地供应社会。目前已建成的EGS工程多数经历了持续数月不等的热能开采循环试验，但是均未能实现商业化运营。麻省理工学院（MIT）研究认为储层可能在运行6年之后需要在未干扰干热岩中重新钻井与激发，还需要一些研究利用经济模型估算储层的运行时间[23,24]。由于截至目前运行发电积累的数据和经验有限，EGS运行发电技术仍存着很大的不确定性。

图5 运行发电技术研发路线图（据Ziagos等）

到2030年，运行发电技术研发路线图是：从过去的简单开采与注入策略，到依据实地监测数据开采与注入、依据监测数据和模型模拟开采与注入、实时监测与模型模拟指导运行等（图5）。运行发电技术包括裂隙与流动路径管理、流动路径监测、分层分隔以及钻探、建模、测量工具等技术。

3 对我国的启示与建议

随着干热岩地热资源开发利用前景的逐步明朗，越来越多的国家加入了EGS工程研发的行列。除了美国之外，英国、德国、法国、瑞典、日本、澳大利亚、瑞士、萨尔瓦多、韩国等先后启动了EGS技术研发与工程建设，部分EGS进入了试验性运行发电阶段，越来越多的公司进入了该领域，EGS大规模商业运营前景可期[25～27]。2010年和2015年世界地热大会对EGS开发应用前景进行了预测，到2050年EGS发电装机容量将达到70GW，包括水热型地热资源在内发电总装机容量将达到140GW，届时地热发电占全球电力生产总量的比例将上升到8.3%[28,29]。长期来看，一旦干热岩资源商业开发获得突破，有可能改变未来全球的能源供给与消费格局。2018年初，中国地质调查局提出将干热岩资源勘查开发作为战略性科技问题进行攻坚，有利于大大缩短我国与世界先进水平的差距。基于美国经验，对我国开展干热岩资源勘查开发科技攻坚提出如下建议：

3.1 系统总结与充分借鉴国外EGS研发经验，结合我国实际形成干热岩资源勘查开发研究顶层设计

与传统水热型地热资源比较，干热岩地热资源具有埋藏深、开采难度大、直接利用困难等特点。经过40余年的研究和探索，干热岩地热资源勘查开发目前仍面临着诸多的技术瓶颈。美国作为干热岩勘查开发的早期开创者，在首个干热岩系统被迫终止之后研发活动进入低潮，EGS工程研发一度滞后于法国、德国等国家。在系统总结干热岩勘查开发技术进展、特别是其他国家已建与在建EGS工程成功经验与失败教训之后，美国重新调整了干热岩地热资源勘查开发的主攻方向，确定了EGS工程研发战略与路线图，从而在近年的研发中取得了令人鼓舞的进展。我国作为干热岩勘查开发的后来者，应系统总结和充分借鉴国外EGS研发经验，既可以避免其他国家走过的一些弯路，又可以缩短干热岩勘查开发技术研发的时间。同时，应充分考虑我国干热岩资源禀赋、石油天然气勘查技术优势、页岩气勘查开发技术积累等实际情况，研究提出我国干热岩地热资源的勘查开发和利用战略目标和总体方案。

3.2 加强国际合作与人才引进，加快缩短我国干热岩勘查开发与国外的技术差距

尽管近年来我国在干热岩勘查开发方面取得了明显进展[30,31]，但是在干热岩勘查、EGS关键技术等方面与国外相比还存在很大差距[32]。美国、德国、法国等在干热岩勘查开发方面有着长期的技术积累，人才、技术、管理、经济方面优势明显。为了使我国干热岩勘查开发迎头赶上国外先进水平，一方面需要“走出去”，考察、学习国外进展与做法，另一方面需要“请进来”，利用国外的智慧解决我国在干热岩勘查开发中遇到的问题，通过国际合作，使我国进入国际干热岩勘查开发的大家庭，最终在促进干热岩资源开发利用领域贡献中国智慧。实践表明，从国外引进相关人才，是缩短国内外技术差距的有效途径，在干热岩方面亦是如此。有关部门可以物色在国外实验室、大学或公司长期从事干热岩勘查开发研究的华人学者，早日引进国内，增强研究实力。

3.3 开展跨学科跨部门力量整合，推进地调机构、大学、科研院所、公司联合攻关

干热岩勘查开发涉及领域广泛，既涉及地质、地球物理、地球化学、地热、钻探等领域，又涉及设备制造、热力发电、经济分析、工程管理等领域。美国在EGS研发力量组织方面，组成了由国家实验室、大学、企业的科学家和工程师组成的研究团队，在推进EGS技术研发的同时有利于为EGS商业化运营积累经验。我国具有集中力量办大事的制度优势，应借鉴美国的成功做法，效仿海域天然气水合物试采的模式，组织相关地调机构、大学、科研院所和公司联合攻关，在赶上、并行国外先进水平之后，早日实现干热岩地热勘查开发技术在国际上的超越和引领。