干熱巖勘探開發(fā)現(xiàn)狀及前景

付亞榮 李明磊 王樹義 郭青群 郭利 王桂林 王秀彥

1.中國石油華北油田公司；2.中國石油物資有限公司

以清潔、空間分布廣泛和運(yùn)行穩(wěn)定、均勻著稱的地?zé)豳Y源是國際社會公認(rèn)的高效低碳清潔能源地?zé)豳Y源可分為水熱型和干熱巖型［1］。干熱巖是埋深超過2 km、地下溫度超過150 ℃沒有水或含有少量水、致密不滲透的高溫巖體，在地殼3～10 km 干熱巖蘊(yùn)藏的熱能等同于100 億夸特（1 夸特約相當(dāng)于246 萬t 石油），相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的 30 倍［2-4］。2017年9月6日中國國土資源部地質(zhì)調(diào)查局在青海正式宣布：在青海共和盆地3 705 m 深處鉆獲236 ℃高溫干熱巖體，這是中國首次鉆獲溫度最高的干熱巖體，實(shí)現(xiàn)了干熱巖勘查的重大突破，西方各國媒體紛紛在頭條位置予以廣泛的報道，甚至24 h 的不間斷播報［5］。早在1904年意大利開始應(yīng)用地?zé)岚l(fā)電，20 世紀(jì)全世界利用地?zé)岚l(fā)電 8 210 MW，占總發(fā)電量的0.3%［6］。1926年中國地質(zhì)學(xué)家章鴻釗在第三屆泛太平洋科學(xué)大會上發(fā)表了“中國溫泉之分布與地質(zhì)構(gòu)造之關(guān)系”并收入論文集，同年刊登在《Journal of Geographical Sciences》第2 卷第3 期。堪稱中國首部系統(tǒng)記錄國內(nèi)溫泉狀況專門性志書的遺著《中國溫泉輯要》1956年由地質(zhì)出版社出版［7］。“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發(fā)現(xiàn)煤炭、石油可以燃燒一樣”李四光先生在1970年提出了這樣的論斷［8］；美國科學(xué)家莫頓和史密斯1970年首次提出干熱巖的概念［9-10］；最早對干熱巖進(jìn)行研究的國家也是美國，1974年Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的Fenton Hill 鉆成世界上第1 口干熱巖井，拉開了干熱巖研究的序幕［11］，并于1977年完成了世界上第1 個干熱巖熱儲，且安全運(yùn)轉(zhuǎn)一年多，驗(yàn)證了采熱提取能源的技術(shù)可行性［12］。干熱巖已在全球研究40 多年，美國、日本、法國、英國、德國、澳大利亞、瑞士、瑞典等20 個國家對干熱巖的賦存類型、成因模式、勘查和開發(fā)技術(shù)裝備等進(jìn)行研究，相繼建成干熱巖開發(fā)利用示范基地［13］。近年來，中國部分高等院校和科研單位對干熱巖的研究集中在理論探討和鉆井、壓裂、微地震監(jiān)測、數(shù)值模擬、資源評價、碳儲存技術(shù)等方面，且取得了可喜的成果［14-15］。但干熱巖商業(yè)化開發(fā)尚需時日，建造“經(jīng)濟(jì)人工熱儲”關(guān)鍵技術(shù)的突破將成為干熱巖發(fā)展的支撐。

1 國外干熱巖勘探開發(fā)現(xiàn)狀

開發(fā)利用干熱巖資源的充分必要條件是建立增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，簡稱EGS。世界各國爭先進(jìn)行EGS試驗(yàn)，美國的 Fenton Hill、日本的 Hijiori 和 Ogachi、英國的Rosemanowes、法國的Soults、澳大利亞的Cooper Basin、德國的 Landau 和瑞典 Fjallbacka 等擁有EGS 系統(tǒng)。其中：法國北萊茵塹內(nèi)Soults 和德國Landau 的EGS 系統(tǒng)正在試驗(yàn)中；澳大利亞Cooper 盆地的EGS 系統(tǒng)尚未運(yùn)轉(zhuǎn)；其余的或因技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益問題而終止試驗(yàn)［16］，諸如美國等其他國家已開展了多項(xiàng)中試規(guī)模的研究［17］，但至今在全球范圍內(nèi)未有EGS 投入商業(yè)運(yùn)行。

1.1 美國

110 名科學(xué)家參與的美國Fenton Hill 干熱巖發(fā)電試驗(yàn)是世界上最大的試驗(yàn)項(xiàng)目，也是全球首例建立地下深部工業(yè)干熱巖熱儲的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)工程，17年耗資 1.5 億美元［10，18］；4 500 m 的鉆井深度，330 ℃的高溫巖體，3 600 m的熱交換系統(tǒng)深度，世界上首座干熱巖發(fā)電站于1984年建成，發(fā)電功率達(dá) 10 MW，250 mW/m2的地?zé)崃髦?，如圖1［19，22-22］、圖2所示［20-22］。發(fā)電站因井壁損壞、設(shè)備缺陷和資金等諸多問題，于 2000年被完全廢棄［3，23］。

圖1 干熱巖體中雙井式增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的概念模型［20-22］Fig.1 Conceptual model of double-well enhanced geothermal system in dry hot rock mass［20-22］

雖然Fenton Hill 試驗(yàn)項(xiàng)目距離干熱巖地?zé)嵘虡I(yè)開發(fā)規(guī)模還有一段距離，但創(chuàng)新和完善了諸多開發(fā)技術(shù)、設(shè)備、測量工具，支撐建造人工熱儲的地質(zhì)工程和鉆探技術(shù)可行性得到了證實(shí)。從Fenton Hill 試驗(yàn)項(xiàng)目中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知：（1）普通的鉆井技術(shù)能完成具有磨蝕性、300 ℃高溫巖石的定向鉆進(jìn)，產(chǎn)生或激活大規(guī)模裂隙網(wǎng)絡(luò)，且能通過微震監(jiān)測和定向鉆孔實(shí)施熱截??；（2）水力壓裂可刺激1 000 m3低滲透結(jié)晶巖體形成永久性開放的水力連通裂隙；（3）依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的流體及熱傳導(dǎo)模型可以預(yù)測增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)儲體的熱能產(chǎn)出量；（4）熱儲裂隙分布圖可通過化學(xué)示蹤、主動和被動式聲發(fā)射和相關(guān)地球物理測井等技術(shù)繪制；（5）在干熱巖體建立井眼間的商業(yè)性溫度連通循環(huán)已成為可能；（6）裂隙熱儲體積增大，井眼間循環(huán)水損降低；（7）原位主應(yīng)力方向因深度的變化將影響對激發(fā)裂隙擴(kuò)展方向的預(yù)測結(jié)果，同一構(gòu)造鉆多口井方案部署應(yīng)在水力壓裂激發(fā)儲層裂隙之后進(jìn)行。

美國自 Ranalli and Murphy［24］、Molnar［25］建立分層流變模型后，率先于1990年提出大陸動力學(xué)計(jì)劃，2003年開啟聚焦大陸巖石圈以超越板塊構(gòu)造為目標(biāo)的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)研究新征程［14］；1992—2001年將如何提高已有地?zé)豳Y源生產(chǎn)時率作為研究重點(diǎn)；2002年在Coso、Nevada Desert Peak和Solictitation 地區(qū)重啟增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖研究；2003年斥資350 萬美元研究如何改善Coso鉆遇干熱巖體滲透率差的問題，以及Nevada Desert Peak 和Solictitation 地區(qū)干熱巖利用的概念設(shè)計(jì)和可行性研究；2014年政府出資600 萬美元對上述3 個地區(qū)干熱巖開展深入研究，包括鉆探與儲集庫（reservoir）激發(fā)實(shí)驗(yàn)和鉆探1 口生產(chǎn)井；2006年由United States Department of Energy 資助，麻省理工學(xué)院提交的EGS/HDR 資源研究報告表明：（1）美國3～10 km 深度的EGS/HDR 總熱能資源超過13 000 MJ，約為2005年美國一次能源利用量的14×104倍；（2）未來 15年研發(fā)投入將達(dá)到 10×108美元，2050年可望安裝1000×108W 以上干熱巖提供的電力；（3）增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖電力成本低于3.9 美分/（kW·h）；2009年能源部2次資助增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖研究費(fèi)用共計(jì)4.3400×108美元； 2011年能源部再次出資加大增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的研發(fā)與地?zé)峤鐢U(kuò)大合作［26-27］。

1.2 日本

以火山著稱的日本國，1966年建成了首座裝機(jī)容量 2.2×104kW 的松川地?zé)岚l(fā)電站［28］。1974年MITI 啟動Sunshine Project 由地質(zhì)調(diào)查局論證利用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖的可行性［27］；1980年政府出資在山形縣鉆進(jìn)2 000～2 200 m 深4 口巖體溫度250 ℃的干熱巖井，且多次進(jìn)行短期水壓測試；1988年政府與民間機(jī)構(gòu)共同資助了巖手縣干熱巖體間熱交換項(xiàng)目［19，29］；1990年對 Ogachi 項(xiàng)目中井深1 000 m 井底溫度230 ℃（注入井）和井深900 m 井底溫度240 ℃（生產(chǎn)井）進(jìn)行壓裂后，回收率從3%提高到25%，到2002年因水損和資金問題，試驗(yàn)被迫停止［3，30-31］；1993年制定了 New Sunshine Project，在 Kakkonda 地區(qū)對 3～4 km 深處干熱巖資源的應(yīng)用可行性進(jìn)行評估；1986—1998年進(jìn)行干熱巖勘探技術(shù)基礎(chǔ)研究；1997—2004年著手開展熱儲集庫和熱流特征研究［27］；1986—2001年 NEDO 與地質(zhì)調(diào)查局合作在Hijiori 進(jìn)行首個增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖示范工程，鉆4 口干熱巖井，系統(tǒng)由淺部熱儲和深部熱儲組成，項(xiàng)目分2 個階段進(jìn)行，2 口注入井、2 口生產(chǎn)井，總熱提取量約為8 MW；驅(qū)動容量130 kW 的干熱巖發(fā)電站；后因循環(huán)試驗(yàn)水損較高且產(chǎn)流溫度降至 100 ℃終止試驗(yàn)［3，32-33］。

從 Ogachi 試驗(yàn)得到以下重要啟示［3，34］：（1）多次水力壓裂不一定能改善干熱巖井之間的水力連通；（2）水力連通性差的干熱巖井之間，循環(huán)試驗(yàn)時較大的水損進(jìn)入儲層；（3）干熱巖井眼應(yīng)力可通過激發(fā)儲層后收集和分析井筒成像數(shù)據(jù)得到；（4）干熱巖井間較好的水力連通性可通過聲發(fā)射定位儲層激發(fā)區(qū)域指導(dǎo)定向鉆井實(shí)現(xiàn)；（5）微震監(jiān)測對預(yù)測不同深度裂隙發(fā)育方向尤為重要；（6）井下電視和聲發(fā)射數(shù)據(jù)有助于確定儲層應(yīng)力方向隨深度的變化規(guī)律。

Hijiori 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖示范工程獲得的認(rèn)識［3］：（1）熱儲的增長與儲層循環(huán)存在正相關(guān)性，長時間低壓循環(huán)比短期高壓水力壓裂更有利于增加干熱巖井、儲層之間的水力連通；（2）水力壓裂激活干熱巖儲層天然裂隙促進(jìn)了熱儲的發(fā)展；（3）天然裂隙已與干熱巖井連通，水力壓裂將有可能導(dǎo)致連通程度增加而造成流體短路；（4）儲層不同深度應(yīng)力方向發(fā)生變化，預(yù)測裂隙擴(kuò)展方向的難度增大。

1.3 澳大利亞

20 世紀(jì)90年代開展干熱巖可行性研究；2000年通過可再生能源法；2006年地球科學(xué)局以地?zé)犴?xiàng)目組的形式開展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖研究；2007年聯(lián)邦政府“地?zé)崧肪€圖”制定；2008年政府斥資700 萬澳元資助地?zé)徙@探；2010年有6 家從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖的公司在澳大利亞證券交易所上市［27］。世界上最大的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖項(xiàng)目位于Cooper Basin，4 000 m 深度溫度可達(dá)250 ℃，2003年由地球動力學(xué)公司試驗(yàn)開發(fā)，2008年實(shí)現(xiàn)了注入井與生產(chǎn)井之間依靠水力壓裂與裂隙熱儲取得良好的水力連通，系列花崗巖體連通裂隙建成，有望實(shí)現(xiàn)干熱巖的商業(yè)開發(fā)［3，35］。

Cooper Basin 干熱巖試驗(yàn)啟示［3，36］：（1）儲層物性均質(zhì)性較強(qiáng)的花崗體，具有潛在的巨大地?zé)豳Y源；（2）發(fā)生水熱蝕變的花崗巖體鉆井更容易；（3）花崗巖體附近存在的超水壓力，盡管對水力壓裂重新打開閉合裂縫、改善熱儲滲透率有利，但鉆井難度加大；（4）花崗石干熱巖基底中有存在近水平方向的天然裂隙條（網(wǎng)）帶；（5）花崗石干熱巖體水平裂隙發(fā)育與逆沖推覆構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)；（6）在花崗石干熱巖體中建立永久連通裂隙網(wǎng)絡(luò)和多井系統(tǒng)開發(fā)有可能成為現(xiàn)實(shí)。

1.4 英國

1977年英國在Cornwall 花崗巖體實(shí)施干熱巖研究項(xiàng)目［10］；1989年加入在德法兩國邊界Soultz Sous Forets的Soultz 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖項(xiàng)目，從而正式形成了歐盟（德國、法國、英國）產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體［27］。同時，英國 1980年在康沃爾 Rosemanowes 花崗巖儲層進(jìn)行開發(fā)干熱相關(guān)設(shè)備的技術(shù)的試驗(yàn)［3］。

1.5 法國

1977年著手進(jìn)行淺層增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖研究；1984—1989年開展 Le Mayet de Montagne 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖項(xiàng)目；德國、法國、英國聯(lián)合在法國上萊茵峽谷內(nèi)的Soultz（蘇茨）增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是目前世界上最為成功的示范項(xiàng)目，2008年6—8月進(jìn)行了地?zé)岚l(fā)電［3，37-38］。

2 中國干熱巖勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 中國干熱巖分布

中國干熱巖型地?zé)豳Y源按成因機(jī)制和賦存條件分為：高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型4種類型，青海共和盆地干熱巖就是沉積盆地型的典型代表［39，40］。中國新生代火山活動頻繁［41］，干熱巖有利靶區(qū)主要包括藏南羊八井、海南瓊北、臺灣及東南沿海、云南西部騰沖、東南沿海浙閩粵、華北渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹、東北松遼盆地等地區(qū)［3，42］；其中華北渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹干熱巖資源量位居第二［1］。中國地質(zhì)科學(xué)研究院對大陸陸域3～10 km 干熱巖儲量最保守估算，其資源基數(shù)為2.5×1025J，相當(dāng)于856 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，為中國2014年能源消耗總量的4 040 倍；按照國際標(biāo)準(zhǔn)2%的利用率，相當(dāng)于17 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤；中國2016年能源消耗總量折合43.6 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，17 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于2016年能源消耗總量標(biāo)準(zhǔn)3 900年的消耗量。深度在3.5～7.5 km、溫度在150～250 ℃干熱巖資源量6.3×1024J，按照國際標(biāo)準(zhǔn)2%的可采資源量折算，為中國 2014年能源消耗總量的 1 006 倍［5，43］。

2.2 中國干熱巖研究現(xiàn)狀

2.1.1 政策及研究進(jìn)展 地?zé)岷蜏厝拈_發(fā)和利用在中國已有5 000 多年的歷史，自20 世紀(jì)50年代開始，全國各地先后建設(shè)溫泉療養(yǎng)院160 余家，70年代后小于1 000 m 淺層地?zé)衢_發(fā)利用快速發(fā)展，90年代后地?zé)豳Y源發(fā)展更加迅速［44］。中國干熱巖研究啟動較晚，但發(fā)展很快［45］。1993年開始，中國地震、地質(zhì)、能源系統(tǒng)的科研機(jī)構(gòu)著手研究干熱巖資源分布并進(jìn)行潛力評估［43］；1993—1995年國家地震局地殼應(yīng)力研究所與日本中央電力研究所合作，在北京房山區(qū)開展干熱巖發(fā)電試驗(yàn)研究，2009年能源、地質(zhì)系統(tǒng)組團(tuán)對澳大利亞Cooper 盆地實(shí)地考察干熱巖利用現(xiàn)場［2］；2010年國土資源部斥資數(shù)億元對干熱巖地?zé)豳Y源（含淺層地?zé)?、水熱型地?zé)幔?011年發(fā)布了地?zé)豳Y源量數(shù)據(jù)［38］；2012年“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用技術(shù)”863 項(xiàng)目啟動，標(biāo)志著中國干熱巖研究進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究階段；中國首個規(guī)范和指導(dǎo)干熱巖勘查與開發(fā)的《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實(shí)施方案（2013—2030）》由地質(zhì)調(diào)查局于2013年出臺；2013年陜西省在黃河以北所鉆的干熱巖地?zé)峋壑邪惭b密閉金屬換熱器，從2 000 m 處取熱后由專業(yè)設(shè)備向建筑物供熱，成功實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿纳虡I(yè)應(yīng)用，2015年底國內(nèi)首個干熱巖供熱 PPT項(xiàng)目啟動。

2014年地質(zhì)調(diào)查局與青海省合作，在共和盆地鉆井進(jìn)尺3 000 m，井底溫度181 ℃；德貴盆地鉆井進(jìn)尺3001 m，井底溫度151 ℃，實(shí)現(xiàn)干熱巖勘查的開門紅；2015年5月21日，第1 個干熱巖科學(xué)鉆探項(xiàng)目經(jīng)過勘查選址定位福建漳州開鉆，干熱巖綜合性開發(fā)與研究工作正式開始［43］；2017年7 月底包含干熱巖靶區(qū)定位技術(shù)與工程測試技術(shù)研究、開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺和相關(guān)材料等的863 項(xiàng)目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”順利通過國家驗(yàn)收；2017年9 月在青海共和盆地 3 705 m 深處鉆獲 236℃的高溫干熱巖體，探測到的“干熱巖”分布面積達(dá)3 000 km2；2017年11月20至22日在天津召開的全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價研討會上提出“要堅(jiān)決打好京津冀地?zé)豳Y源調(diào)查評價科技攻堅(jiān)戰(zhàn)”，重點(diǎn)在“雄安新區(qū)”等地區(qū)，探明深部地?zé)醿拥刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，為京津冀地區(qū)地?zé)嵋?guī)?；⒖沙掷m(xù)高效利用提供支撐［45］。

2.1.2 干熱巖研究進(jìn)展 宋陽等人［46］采用二氧化碳替代水為工質(zhì)，考慮干熱巖體中實(shí)際存在的孔隙水、二氧化碳-水-巖體三相間的化學(xué)反應(yīng)，建立了二維增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖模型，在干熱巖體中模擬了二氧化碳質(zhì)量流速、取熱量、固化二氧化碳的空間分布隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：二氧化碳從干熱巖體中攝取的熱量比水多，更適合滲透率高、溫度高、孔隙度小的增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖。與Spycher和 Pruess 的研究結(jié)果一致［47］。

薛建球等人［48］通過對“共和缺口”［49］的貴德盆地1999—2001年地?zé)徙@井鉆入花崗巖3 個井眼得到的數(shù)據(jù)，分析盆地地球物理特征，依據(jù)重力低異常推斷基底凹陷與可控源音頻大地電磁測深，依據(jù)地震反射波勘探推斷基底界面深度不一致，且有磁異常對應(yīng)，又經(jīng)鉆探證實(shí)。故認(rèn)為貴德盆地可能存在干熱巖。

國內(nèi)諸多學(xué)者針對干熱巖體研磨性強(qiáng)、可鉆性差，溫度高的特性，提出了干熱巖高溫鉆探技術(shù)研究的重點(diǎn)和方向包括：高溫鉆井液體系、井下鉆具、隨鉆測控儀器、高溫井控、分布式測溫和固井完井技術(shù)等，并分析氣體鉆井、干法固井和泡沫增壓鉆井等技術(shù)可行性［50-55］。2015年開鉆的青海貴德ZR1 干熱巖井鉆進(jìn)至井深 3 000 m，裸眼完井［56］；在鉆井過程中，采用6HJ637G 型牙輪鉆頭取得了1.24 m/h 平均機(jī)械鉆速；采用在高溫高壓下流變性良好與濾失量較低的聚磺鉆井液體系，滿足了干熱巖井施工要求；采用超細(xì)高溫水泥固井工藝，固井止水質(zhì)量優(yōu)良；使用川 5-4 型取心器，取心率 45%～83%［56-58］。

2012年開始，許天福和張延軍帶領(lǐng)吉林大學(xué)深部地?zé)岷透蔁釒r研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)了由高溫斷裂韌性測試裝置、改進(jìn)的巖石三軸模擬裝置、300 mm×300 mm×300 mm 大尺寸壓裂裝置和巖心裂隙導(dǎo)流換熱裝置等4 部分組成的高溫高壓下干熱巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)，完成了變溫條件下巖石力學(xué)參數(shù)測試、變溫條件下巖心水力壓裂測試和300 mm×300 mm×300 mm 大尺寸水力壓裂測試，以及裂隙導(dǎo)流換熱模擬實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)場壓裂工藝設(shè)計(jì)和儲層改造提供參數(shù)和技術(shù)支持［59］。為驗(yàn)證干熱巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)論，2014年在山東省利津縣陳莊鎮(zhèn)對干熱巖GRY1 井（井底深度2 500 m）埋深2 003～2 500 m 井段，常壓注水試驗(yàn)完成后，進(jìn)行了2 次壓裂試驗(yàn)，壓裂液用量1 606 m3，未使用顆粒支撐，花崗巖裂隙率壓裂后按3%計(jì)算，裂隙發(fā)育的2 200～2 400 m井段建造人工熱儲層約53 533 m3，波及范圍數(shù)十米。壓裂后滲透系數(shù)有大幅提高［60］。

吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院那金等人［61］利用高溫高壓反應(yīng)釜（溫度350 ℃，壓力30 MPa）模擬二氧化碳-增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)，在高溫高壓下熱儲層-鹽水-二氧化碳的相互作用，熱儲層礦物成分、反應(yīng)液化學(xué)成分的變化規(guī)律，并對實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)液離子成分變化和巖樣掃描電鏡進(jìn)行分析，揭示儲層水-干熱巖體-氣作用機(jī)理，以及對干熱巖儲層流體滲透性的影響。

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙雪宇等人［62］通過處理研究區(qū)域的磁法和重力數(shù)據(jù)，進(jìn)行莫霍面、居里面等界面的深度反演，計(jì)算不同深度的地?zé)釡囟戎导疤荻戎?，探索研究區(qū)域干熱巖形成的條件，以及對尚未擺明區(qū)域是否存在干熱巖進(jìn)行圈定，并給出初步評價。鮑新華研究團(tuán)隊(duì)［63］收集目標(biāo)盆地干熱巖熱源、資源量、導(dǎo)熱、聚熱、地震活動等資料后，提出了目標(biāo)盆地EGS 開發(fā)選區(qū)適宜性評價方法。

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所藺文靜團(tuán)隊(duì)［64］提出了干熱巖勘探選址的地?zé)岬貙W(xué)指標(biāo)，以廣東陽江新州、廣東惠州黃沙洞、雷瓊斷陷盆地、海南陵水為重點(diǎn)潛力靶區(qū)，對靶區(qū)干熱巖地質(zhì)背景、深部熱異常進(jìn)行精細(xì)刻畫，建立研究靶區(qū)干熱巖深部溫度場模型，對比研究干熱巖資源靶區(qū)選址。莊慶祥［65］解析了福建省東、西部背景大地?zé)崃髦捣闯２町?，調(diào)研了國內(nèi)外干熱巖示蹤元素跟蹤熱源的地球化學(xué)勘查方法，提出了將示蹤元素跟蹤熱源地球化學(xué)勘查應(yīng)用到干熱巖地?zé)嵩纯辈榈慕ㄗh。河北省煤田地質(zhì)局根據(jù)河北省柏鄉(xiāng)縣干熱巖地?zé)豳Y源的平面和剖面分布特征，對柏鄉(xiāng)縣王家莊—白陽區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源進(jìn)行評估，圈定了干熱巖勘查靶點(diǎn)區(qū)［66-67］。中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心和中國科學(xué)院測量與地球物理研究所對黑龍江省五大連池尾山地區(qū)火山巖漿囊探測后發(fā)現(xiàn)，五大連池尾山地區(qū)具良好的干熱巖地?zé)岬刭|(zhì)條件［68］。

近幾年許多學(xué)者針對干熱巖鉆井的難點(diǎn)，提出了干熱巖鉆井新理念。陰文行等學(xué)者［69］總結(jié)了地?zé)衢_發(fā)應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，論證了氣舉反循環(huán)鉆井干熱巖的可行性。中國地質(zhì)科學(xué)院蘇長壽等人［70］對液動潛孔錘技術(shù)應(yīng)用于干熱巖鉆井的可行性進(jìn)行了分析，提出了需要完善的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了解決方案。張所邦等人［43］依據(jù)干熱巖鉆井技術(shù)與普通地質(zhì)鉆探或水文地質(zhì)鉆探或油氣鉆探之間存在較大差異性的特點(diǎn)，從鉆頭選擇、鉆具組合、高溫護(hù)壁鉆井液、鉆井技術(shù)參數(shù)、套管下入方式、固井、井控、洗井、鉆井壓裂改造技術(shù)等方面優(yōu)選干熱巖鉆井技術(shù)，得到共和盆地和貴德盆地的干熱巖鉆井成功的佐證。中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所周策課題組［71］研制的GRY-1 型干熱巖地層鉆孔測斜儀，在溫度280 ℃、井深3 000 m 的干熱巖地層鉆孔軌跡測量現(xiàn)場試驗(yàn)中適應(yīng)性優(yōu)良。

北京工業(yè)大學(xué)唐志偉教授［72］依據(jù)北京市某干熱巖項(xiàng)目，建立了干熱巖生產(chǎn)井筒井身結(jié)構(gòu)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對比、分析、核實(shí)，剖析干熱巖井筒傳熱結(jié)構(gòu)溫度場的分布情況，闡述了泵管下入深度、保溫泵管等因素與生產(chǎn)井井筒溫度分布規(guī)律。

干熱巖資源勘查與金屬非金屬礦床、石油天然氣、頁巖氣、可燃冰［73-75］、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境影響和地面工程建設(shè)等領(lǐng)域關(guān)系密切。李德威教授［14］提出了中國發(fā)展干熱巖地?zé)崮芾碚撆c應(yīng)用的技術(shù)路線，如圖2所示。且建議對華北、青藏高原及其鄰區(qū)、東南沿海、臺灣4 種不同類型干熱巖目標(biāo)靶區(qū)勘查、評價和系統(tǒng)開發(fā)。

圖2 中國發(fā)展干熱巖地?zé)崮芾碚撆c應(yīng)用技術(shù)路線［14］Fig. 2 China's development of dry heat rock geothermal energy theory and application technology route［14］

2.1.3 干熱巖應(yīng)用研究進(jìn)展 干熱巖主要應(yīng)用是發(fā)電。美國、法國、德國、日本、意大利和英國等科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)［76］。

物理模擬和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)證實(shí)熱水驅(qū)油可大幅度提高采收率。油田注水開發(fā)、稠油熱采、超深井鉆井等方面技術(shù)成熟，為利用干熱巖驅(qū)油提供了可能。王學(xué)忠［77］提出了利用干熱巖進(jìn)行熱水驅(qū)油構(gòu)想，期望在干熱巖靶點(diǎn)區(qū)的油田率先開展干熱巖輔助采油先導(dǎo)試驗(yàn)。

2009年，國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為［78］干熱巖驅(qū)油將有可能替代燃油產(chǎn)生蒸汽的稠油熱采主導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油層整體加熱，既符合節(jié)能減排的政策要求，又能降低開采成本的提高稠油油藏最終采收率。

中國地質(zhì)大學(xué)的寧伏龍［73-75］博士分析了熱激法、減壓法、化學(xué)抑制劑法、置換法和混合開采法等可燃冰開采方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出了利用干巖地?zé)衢_采海底可燃冰的設(shè)想，并給出了相應(yīng)的簡單生產(chǎn)模型（圖3）［79］。

圖3 干熱巖地?zé)衢_發(fā)可燃冰示意圖［29］Fig. 3 Dry hot rock geothermal development of flammable ice［29］

中國首個干熱巖供暖項(xiàng)目2017年冬季在西安灃西新城開始運(yùn)行，供熱面積約167×104m2，采用PPP 模式與陜西四季春清潔熱源股份有限公司合作開發(fā)［80］。

3 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層研究現(xiàn)狀

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖技術(shù)的核心是在低滲透結(jié)晶質(zhì)基巖中構(gòu)建人工裂隙空間、巖體與流體（水或二氧化碳）換熱面積；人工裂隙儲層空間產(chǎn)出流體的溫度和流量必須符合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的要求。

3.1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖儲層試驗(yàn)

自20世紀(jì)70年代以來，已在美國芬登山Ⅰ期雙井系統(tǒng)（1974—1980）、美國芬登山Ⅱ期雙井系統(tǒng)（1980—1992）、英國羅斯曼奴斯Ⅰ期雙井系統(tǒng)（1997—1980）、英國羅斯曼奴斯ⅡA期雙井系統(tǒng)（1980—1983）、英國羅斯曼盧斯ⅡB 期三井系統(tǒng)（1983—1992）、日本肘擇淺部儲層四井系統(tǒng)（1985—2002）、日本肘擇深部儲層三井系統(tǒng)（1992—2002）、日本雄勝Ⅰ期雙井系統(tǒng)（1982—1999）、法國蘇爾蘇斯發(fā)Ⅰ期（1 口激發(fā)井、1口取心井，1987—1992）、法國蘇爾蘇斯發(fā)Ⅱ期雙井系統(tǒng)（1992—1999）、法國蘇爾蘇斯發(fā)Ⅲ期三井系統(tǒng)（1999—2009）、澳大利亞庫伯盆地雙井系統(tǒng)（2002—2012）等干熱巖場地進(jìn)行熱儲層試驗(yàn)；建立了可以在幾個月或超過一年以10～30 kg/s 相對高流量的流體循環(huán)系統(tǒng)；預(yù)測儲層溫度下降與激發(fā)體積之間依存度的模擬方法已初步建立，實(shí)現(xiàn)微震技術(shù)檢測激發(fā)效果、監(jiān)測裂縫體積；建立了包括儲層埋深、溫度、壽命與熱度衰減率、井場結(jié)構(gòu)、激發(fā)體積、換熱面積、水流阻力及其取值范圍等儲層性能的商業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)［81］。

3.2 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層性能特征

單位時間內(nèi)允許采出熱量、壽命、儲層水流阻力是衡量增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖性能的直接參數(shù)；而直接參數(shù)熱儲溫度與埋深、熱儲最大允許溫降、激發(fā)體積與井場結(jié)構(gòu)、換熱面積和產(chǎn)出流體流量決定；Garnish、Shock 等人1985年提出了商業(yè)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層必須滿足的7 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，對照這7 項(xiàng)指標(biāo)，目前只有法國的蘇爾蘇斯發(fā)儲Ⅱ、Ⅲ期增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層性能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)接近，說明期增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲技術(shù)已接近商業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平［81-82］。

3.3 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層的激發(fā)

水力壓裂、化學(xué)激發(fā)和熱激發(fā)是增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層的激發(fā)的主要方法，其中最為常用的是水力壓裂［83］。1974年美國芬頓山干熱巖儲層首次應(yīng)用水力壓裂激發(fā)，隨后，其他國家相繼使用水力壓裂法激法干熱巖熱儲層，水力壓裂液中加入一定濃度的重鹵水、使用黏性凝膠、裂隙中布置支撐劑等有效緩解或消除熱儲層水流測試存在水流阻力和短路等現(xiàn)象［84-85］；化學(xué)激發(fā)是向干熱巖井中注入酸性液體，溶解干熱巖體裂隙或注采井附近的礦物質(zhì)，改善裂隙滲透率，1988年首次在瑞典非那巴卡干熱巖儲層中注入2 m3HCl+HF 溶液，證明了化學(xué)激發(fā)是可行的，法國蘇爾茨EGS 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層野外試驗(yàn)中，經(jīng)過酸化處理的生產(chǎn)井生產(chǎn)效率增加了50%，注入井則只有微弱提高［86-87］；作為輔助方法的熱激發(fā)常與水力壓裂、化學(xué)激發(fā)聯(lián)合使用［88］。表1 中列示了全球主要增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖場地及部分熱儲層激發(fā)方法的使用情況［89］。

3.4 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲層數(shù)值模擬

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖開發(fā)的核心是熱儲層的“溫度-水流-應(yīng)力-化學(xué)（THMC）” 時空演化規(guī)律及其耦合作用，數(shù)值模擬可以在較短的時間內(nèi)分析各種因素對干熱巖開發(fā)的影響［90］。袁益龍等人［91］以松遼盆地增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)-水-熱開采潛力為例，采用井筒-儲層耦合數(shù)值模擬方法，對不確定因素和參數(shù)進(jìn)行定量分析表明，影響儲層開采潛力的主要因素是儲層初始溫度、裂隙間隔、布井方式；中國科學(xué)院天然氣水合物研究中心以西藏羊易干熱巖體溫度為依據(jù)，設(shè)想激發(fā)不同滲透率的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱儲，采用數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)9 個開采方案，分析了開采50年內(nèi)干熱巖熱儲溫度場分布、持續(xù)開采能力、冷卻影響范圍等［92］；中國科學(xué)院廣州能源研究所建立了平行相間的垂直裂隙系統(tǒng)EGS開采模型，改變多平行垂直裂隙寬度和水流速度，模擬EGS 熱儲熱開采過程。結(jié)果表明，裂隙寬度和水流速度對熱儲熱開采過程影響較大，且影響效應(yīng)幾乎一致［93］；Sanyal、Butler 利用沙漠峰 EGS 野外場地數(shù)據(jù)模擬了干熱巖熱儲體壓裂體積對EGS 熱儲熱開采的影響［94］。

表1 全球主要 EGS 場地及部分熱儲層使用的激發(fā)方法Table 1 Excitation methods for major EGS sites and some thermal reservoirs in the world

4 干熱巖開發(fā)的技術(shù)瓶頸

4.1 資源靶區(qū)定位技術(shù)

需解決如何獲得詳細(xì)的大地?zé)崃鲌D、如何共享石油天然氣勘探過程中獲得的地溫梯度數(shù)據(jù)、如何完善和發(fā)展干熱巖地球物理聯(lián)合反演的方法等問題。

4.2 超高溫干熱巖鉆井技術(shù)

研發(fā)抗高溫鉆井液材料；隨鉆測井儀器的耐溫性能需要滿足干熱巖定向鉆井的要求（目前最高耐溫225 ℃）；將尚未工業(yè)化的彈丸鉆井、火焰裂（強(qiáng)制火焰）鉆井、激光鉆井、化學(xué)強(qiáng)酸鉆井等前沿技術(shù)［95-96］與常規(guī)鉆井技術(shù)結(jié)合拓展超高溫干熱巖鉆井能力，降低鉆井成本。

4.3 干熱巖儲層激發(fā)技術(shù)

干熱巖儲層激發(fā)常用水力壓裂，但干熱巖壓裂與石油天然氣壓裂的目的存在很大差別；石油天然氣壓裂是增加儲層的滲透性，而干熱巖壓裂是發(fā)展裂隙成為規(guī)模網(wǎng)絡(luò)裂隙，增大“地下熱交換器”的換熱面積［97］；干熱巖壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)出現(xiàn)已有裂隙發(fā)生剪切破壞的現(xiàn)象，干熱巖壓裂數(shù)值模型有待完善［98］。微震與井下成像技術(shù)只能判斷裂隙位置而不能確定裂隙的連通情況［99］。

4.4 干熱巖熱流循環(huán)示蹤監(jiān)控技術(shù)

示蹤監(jiān)控技術(shù)是研究水力壓裂干熱巖體產(chǎn)生的裂隙密度、聯(lián)通性必不可少的方法，也是評價注入流體回收率和熱能產(chǎn)出能力的重要手段，但與之配套的數(shù)值解析和模擬技術(shù)還需要完善［100］。

4.5 其他關(guān)鍵技術(shù)

抽取熱水耐高溫、下深超過1 000 m 的管式泵、桿式泵、電潛泵仍是需要攻克的技術(shù)難題；多段水力壓裂的封隔器開發(fā)正在進(jìn)行中［101］。干熱巖體水力壓裂可能導(dǎo)致注入井和生產(chǎn)井之間高滲通道短路，造成換熱時間和換熱面積縮小，井口溫度低喪失利用價值，經(jīng)濟(jì)有效的短路治理方法尚在研發(fā)中［102］。如何表征橫向干熱體巖石力學(xué)特性和原始裂隙系統(tǒng)亟待解決，高溫高壓條件下水-氣-巖相互作用的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫需要構(gòu)建［103］。干熱巖體地下水動力-熱傳遞-力學(xué)-化學(xué)）多場耦合數(shù)值模擬方法需要實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證［104］。

5 干熱巖開發(fā)前景展望

干熱巖能源是國際社會公認(rèn)的高效低碳清潔能源，全球范圍內(nèi)一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對干熱巖資源的利用仍處于起步試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)利用的程度，中國干熱巖利用正處于探索階段；但全球已發(fā)現(xiàn)干熱巖的儲存量是所有國家石油、天然氣總儲存量的幾十倍；勘探開發(fā)前景十分廣闊。

5.1 世界各國政府的高度重視

20 世紀(jì)70年代人類開始在美國進(jìn)行干熱巖資源開發(fā)利用試驗(yàn)，隨后英國、日本、瑞典、德國、澳大利亞、法國等也啟動了本國的干熱巖項(xiàng)目，各國相繼出臺優(yōu)惠政策，如資金資助、礦權(quán)使用、土地利用、設(shè)備采購、水資源利用、發(fā)電價格等方面的優(yōu)惠和補(bǔ)助。習(xí)近平總書記 2015年強(qiáng)調(diào)的“中國能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命”的宗旨［97］，是改變以煤為主的傳統(tǒng)能源格局，轉(zhuǎn)向多元化供給模式，未來干熱巖發(fā)電將擔(dān)負(fù)起能源革命的重任。

5.2 能源轉(zhuǎn)型新機(jī)遇

雖然全球化石能源供給量比較充足，但生態(tài)環(huán)境保護(hù)迫切需要由化石能源向新能源或可再生能源轉(zhuǎn)換，世界能源消費(fèi)已進(jìn)入石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”的時代［105］，可再生能源正在加速替代常規(guī)化石能源。干熱巖的開發(fā)利用是應(yīng)對全球氣候變化和低碳環(huán)保、節(jié)能減排、治污減霾的重要舉措，巨大的干熱巖資源必將成為人類未來的重要新能源之一。

5.3 完善和發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)

（1）高精度的遙感影像，解譯呈負(fù)地形的環(huán)形構(gòu)造（直徑為10 km 以內(nèi)），勘查可能存在新生代的、地殼上部的隱伏中酸性巖體，為找尋和選擇新的干熱巖地?zé)豳Y源靶點(diǎn)區(qū)打下了基礎(chǔ)［16］。

（2）石油天然氣超深超高溫高壓鉆井技術(shù)的成功（如：塔里木盆地克深8 井區(qū)，井深6 000～8 000 m，原始地層壓力122.70 MPa，儲層中深溫度為174.42℃［106］），為干熱巖鉆井提供了技術(shù)借鑒。

（3）鈦合金在油氣勘探領(lǐng)域的成功應(yīng)用［107］，有望解決干熱巖開發(fā)過程中耐高溫、防腐設(shè)備的制造難題。

（4）用量子糾纏、量子超距感應(yīng)描述經(jīng)典油藏理論無法解釋的discord 關(guān)聯(lián)逐漸被認(rèn)可［108-109］，以及納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用［110］，將為提高干熱巖隨鉆測井資料的精度提供可能。

（5）“時代標(biāo)志性材料” 石墨烯出現(xiàn)［111］，其更輕薄、更強(qiáng)硬、更高效的優(yōu)異性能將成為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)/干熱巖熱能抽取、熱能轉(zhuǎn)換、注入水處理等設(shè)備的重要材料。

（6）取得了里程碑式研究進(jìn)展的油藏納米機(jī)器人［112］，有助于了解干熱巖體水力壓裂產(chǎn)生的裂隙密度、聯(lián)通性，評價注入流體回收率和熱能產(chǎn)出能力，測量干熱巖體的儲層參數(shù)、注入流體參數(shù)、注入流體和干熱巖界面的空間分布等有助于對干熱巖熱儲的認(rèn)識，提高干熱巖開發(fā)利用效果。

注：干熱巖和增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)兩個名詞概念沒有嚴(yán)格的區(qū)分，可交換使用［19］。