中国干热岩资源赋存类型与开发利用

2022-06-07马艺媛

自然资源情报 2022年5期

余毅，马艺媛

（成都理工大学地球科学学院，四川成都 610051）

中国地热资源种类较多，按照地质构造背景、热流传输方式及温度等因素，可以分为浅层地温能资源、水热型地热资源和干热岩地热资源三种类型。从目前已探明的资源储量来看，干热岩地热资源潜力巨大，热能连续性好，并且安全环保。干热岩（Hot Dry Rock，HDR）地热资源是指埋深在3～10 km，不含或仅含少量流体，温度高于180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体[1]，需要通过人工压裂形成增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）才能获取其蕴藏的热能。

美国科学家莫顿和史密斯在1970年首次提出干热岩的概念，1974年，美国Los Alamos国家实验室在新墨西哥州的Fenton Hill钻成世界上第一口干热岩井，开启了世界对干热岩资源的研究[2-3]。在接下来的40多年里，欧美日韩等多国对干热岩的赋存和成因、勘查和开发技术等进行研究，陆续建成多个干热岩开发利用示范基地[4-9]。而中国目前还处于干热岩靶区圈定和深井科学钻探阶段，集中探讨了干热岩资源评价、钻井、监测、数值模拟等方面的进展，并取得一定的成果[10-15]，但尚未正式开展干热岩发电试验和商业化开发。

1 干热岩特征分类及资源储量

1.1 中国干热岩的类型及分布

根据地壳结构和成因机制，中国干热岩地热资源可分为：高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型4种类型[10，13，16-17]，4种类型干热岩的特征简述见表1，成因模式如图1所示。

表1 中国干热岩的类型及特征[18-22]

图1 干热岩成因模式图（据甘浩男等，2015）

1.2 中国干热岩资源储量

据统计[14，19，23-24]，全球陆区 3～10 km 深度地壳中的干热岩资源相当于4950×1012t标准煤，中国大陆地区3～10km深处的干热岩资源量总计约为2.09×107EJ，折合856×1012t标准煤左右，占世界资源量的六分之一左右。若按照2%的可开采资源量计，中国干热岩资源量相当于17×1012t标准煤。

从干热岩地热资源分布来看，青藏高原总资源量占中国大陆地区的20.5%，温度最高，资源潜力大；其次为华北地区和东南沿海中生代岩浆活动区，分别占8.6%和8.2%；东北地区占5.2%；云南西部地区干热岩资源温度较高，但分布面积有限（图2）[25]。

图2 中国大陆地区主要干热岩分布区资源量统计

2 干热岩资源赋存指标

干热岩资源通常位于地表以下3～10 km处，在进行钻探工作前，难以直接勘查与评价。这就需要通过地热地质背景和相应的指标参数，间接反映地表热异常，这些指标参数中包括区域酸性岩体分布、大地热流值和居里面埋深等地热异常值和活动构造分布等。

2.1 酸性岩体分布

干热岩的岩性主要为各种变质岩和结晶岩，通常包括花岗岩、花岗闪长岩和黑云母片麻岩等。地壳中的酸性花岗岩体相对富含U、Th和K等放射性生热元素，其衰变释放的热量增高了地壳热流，是形成干热岩资源的最佳岩体。其次，花岗岩体的规模需要相对较大，有利于干热岩资源的开发利用，降低勘探技术难度。

2.2 地热异常值

2.2.1 大地热流值

大地热流值简称热流，是指单位面积、单位时间内由地球内部传输至地表，而后散发到太空中去的热量，可以定量反映一个地区的地热背景[15，23，26]。中国大陆大地热流值表现为东部和西南部高，中部和西北部相对偏低[27-32]。在中国西藏、滇西、东南沿海及台湾地区热流值较高，表明这些地方蕴藏的地热资源潜力很大，可作为研究重点区进行地热资源勘查开发利用。

2.2.2 居里面埋深

地球岩石圈上部的磁性壳层，当含有钛铁矿、磁铁矿等矿物的岩石埋藏深度向下增加时，其温度也会随之提高；当达到磁性矿物的消磁温度界面埋藏深度时，它们的铁磁性特征相继消失，该界面就称之为居里面[33]。居里面展示了大陆地壳磁性层以及热流的分布状态，一般稳定地块的居里面埋深30～45 km；若居里面埋藏深度小，表明这些地区构造活动性大、岩浆活动剧烈或较剧烈[34]。对比中国大陆大地热流值和居里面埋深，显示较弱的负相关性，随着居里面埋深减小，大地热流和地温梯度在一定程度上增大。中国青藏高原、东南沿海和东北松辽盆地等地区均有大面积显示居里面上隆的特点，结合大地热流值与地质构造背景来看，这些地区值得深入探讨研究。

2.3 活动构造分布

根据中国大地热流-构造分区可以明显看出[30，32]，高温地热资源与板块边界密切相关，地热活动强度随着靠近板块边界而增强。中国西藏、滇西、川西地区及台湾地区，分别处于印度板块与欧亚板块、欧亚板块与菲律宾板块的边界，构造活动强烈，具有产生强烈高温水热活动必要的构造条件和热背景，也是中国地热资源最为丰富的地区，可作为干热岩勘探研究区之一。

3 干热岩的应用

3.1 干热岩发电

利用干热岩发电之前，需要在天然的干热岩体内部通过压裂等技术形成网裂缝，形成能够加热一定容量冷水的人工热储水库[35-36]。冷水通过注水井输入热储水库，经过高温岩体加热后，以高温水、汽的形式通过生产井回收发电[37]。发电后将冷却水重新排至注水井中，循环利用（图3），减少废水废气的排放，可以大幅降低温室效应和酸雨对环境污染的影响。目前，美国、法国、德国、日本等科技发达国家已经形成了一套成熟的技术体系，中国还未进行正式的干热岩发电运行工程，正处于检测试验阶段。

图3 干热岩发电示意图（李川等，2008）

3.2 干热岩辅助采油

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，用来加热油层，从而提高稠油流动能力[38-39]。原油用途非常广泛，比地热资源附加值高，这是干热岩辅助采油的首要优势；其次，原油比地热资源便于运输，经济效益好；而且干热岩辅助采油适用广泛，安全节能。因此，干热岩辅助采油技术在理论上可以大幅度提高稠油开采利用，降低稠油开采成本，但还需要更深入地研究利用，完善技术工艺。

4 干热岩开发利用技术要求

4.1 干热岩钻井技术难点

（1）钻井环境温度高，钻井井下工具抗高温能力不足。干热岩储层温度在350℃以上才具有工业开发价值[40]，但不论是钻头、钻井液，还是各种井下工具都难以适应这样的高温。而且由于钻井环境的温度较高，钻井液及处理剂容易降解失效，难以发挥正常功能[41]。所以，干热岩钻井过程中高温问题给钻头、钻井液等带来严峻的挑战。

（2）干热岩钻井深度大，岩石硬度大，破岩效率较低。干热岩井深一般为3～6 km，深钻井需要钻穿多套地层，井身结构设计困难。由于干热岩主要岩性为各种变质岩和结晶岩，硬度较大，可钻性极差，常规钻井技术在高温高压下钻井速度慢，周期长，给施工带来极大的挑战。

（3）井壁围岩稳定性差。在钻井过程中，围岩会发生热破裂现象，形成大量裂纹，造成掉块、卡钻等事故，而且因为储层中裂缝和断层的影响，钻井过程中容易发生井壁坍塌。美国Fenton Hill[42]和韩国Pohang[43]干热岩地热储层都曾遇到井壁坍塌的问题。发生井下钻井事故的主要原因是对储层缺乏清晰的认识，缺少高温井的测井数据和分析，导致钻井方法和预防措施不适用于干热岩储层。

（4）水力压裂的裂缝扩展预测困难。在干热岩储层中，高温等复杂环境造成测量和监测数据缺失，导致对预测水力裂缝的形态和延伸方位较困难。除了对储层裂缝系统缺乏认识，导致水力裂缝若沿天然裂缝扩展而无法预测其形态以外，另一个重要原因是地应力数据不准确。干热岩储层与浅部地壳的地应力通常相差较大，地应力数据的差异也容易导致水力裂缝扩展预测的错误[44-45]。

4.2 干热岩开发技术要求

4.2.1 钻井技术

针对干热岩储层致密、温度高的特征，钻井材料必须强度大、耐久和抗腐蚀性能好，而且钻头、破岩、导向、测井等工具应适合于干热岩储层的高温环境。目前较为前沿的钻井技术有弹丸钻、火焰裂钻、激光钻孔和化学钻孔等，这些技术发展的成功可以大幅降低钻井成本，更可以拓展深钻能力[13，46]。黄雪琴等[47-48]进行了液氮在干热岩钻探中的可行性探讨，液氮具有极低温度、低黏度、高导热系数等特征，通过高压喷射至岩石表面，可在岩石内部产生较大的热应力和射流冲击作用，在干热岩表面产生拉伸应力，诱导微裂缝的萌生和扩展，实现高效破岩。

4.2.2 裂缝激发技术

干热岩的开发利用是通过形成EGS来获取高温岩体中的热能，即在注入井与采出井之间的储热岩层中通过裂缝激发技术产生一定规模的裂缝，使其连通起来，形成一个“地下热交换器”。目前热储层的激发方式主要是水力压裂法、化学激发法和热激发法[25，49]。裂缝激发技术首先需要研究在高温高压环境中干热岩体的裂缝形成机理，考虑温度-流体-应力-化学多场耦合效应对裂缝扩展的影响，而且在储层裂缝激发过程中还要监测并反演裂缝的形态，评价压裂效果[50-53]。

4.2.3 对流循环试验

在干热岩储层岩体中激发裂缝完成后，首先需开展对流循环试验，用来评价EGS的换热产热能力和效率。对流循环试验过程系在注入井中灌入低温水，测试采出井中出水能否稳定循环产出高温流体和达到高效利用的目的；而且在试验中还需要通过数值模拟建立模型，研究储层温度场、渗流场、力学场和化学场的时空演化规律及耦合作用，了解EGS储层状态，保证干热岩EGS的可持续开发利用[54-56]。