余 毅，馬藝媛

（成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610051）

中國地熱資源種類較多，按照地質(zhì)構造背景、熱流傳輸方式及溫度等因素，可以分為淺層地溫能資源、水熱型地熱資源和干熱巖地熱資源三種類型。從目前已探明的資源儲量來看，干熱巖地熱資源潛力巨大，熱能連續(xù)性好，并且安全環(huán)保。干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）地熱資源是指埋深在3～10 km，不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當前技術經(jīng)濟條件下可以利用的巖體[1]，需要通過人工壓裂形成增強型地熱系統(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）才能獲取其蘊藏的熱能。

美國科學家莫頓和史密斯在1970年首次提出干熱巖的概念，1974年，美國Los Alamos國家實驗室在新墨西哥州的Fenton Hill鉆成世界上第一口干熱巖井，開啟了世界對干熱巖資源的研究[2-3]。在接下來的40多年里，歐美日韓等多國對干熱巖的賦存和成因、勘查和開發(fā)技術等進行研究，陸續(xù)建成多個干熱巖開發(fā)利用示范基地[4-9]。而中國目前還處于干熱巖靶區(qū)圈定和深井科學鉆探階段，集中探討了干熱巖資源評價、鉆井、監(jiān)測、數(shù)值模擬等方面的進展，并取得一定的成果[10-15]，但尚未正式開展干熱巖發(fā)電試驗和商業(yè)化開發(fā)。

1 干熱巖特征分類及資源儲量

1.1 中國干熱巖的類型及分布

根據(jù)地殼結構和成因機制，中國干熱巖地熱資源可分為：高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構造活動帶型4種類型[10，13，16-17]，4種類型干熱巖的特征簡述見表1，成因模式如圖1所示。

表1 中國干熱巖的類型及特征[18-22]

圖1 干熱巖成因模式圖（據(jù)甘浩男等，2015）

1.2 中國干熱巖資源儲量

據(jù)統(tǒng)計[14，19，23-24]，全球陸區(qū) 3～10 km 深度地殼中的干熱巖資源相當于4950×1012t標準煤，中國大陸地區(qū)3～10km深處的干熱巖資源量總計約為2.09×107EJ，折合856×1012t標準煤左右，占世界資源量的六分之一左右。若按照2%的可開采資源量計，中國干熱巖資源量相當于17×1012t標準煤。

從干熱巖地熱資源分布來看，青藏高原總資源量占中國大陸地區(qū)的20.5%，溫度最高，資源潛力大；其次為華北地區(qū)和東南沿海中生代巖漿活動區(qū)，分別占8.6%和8.2%；東北地區(qū)占5.2%；云南西部地區(qū)干熱巖資源溫度較高，但分布面積有限（圖2）[25]。

圖2 中國大陸地區(qū)主要干熱巖分布區(qū)資源量統(tǒng)計

2 干熱巖資源賦存指標

干熱巖資源通常位于地表以下3～10 km處，在進行鉆探工作前，難以直接勘查與評價。這就需要通過地熱地質(zhì)背景和相應的指標參數(shù)，間接反映地表熱異常，這些指標參數(shù)中包括區(qū)域酸性巖體分布、大地熱流值和居里面埋深等地熱異常值和活動構造分布等。

2.1 酸性巖體分布

干熱巖的巖性主要為各種變質(zhì)巖和結晶巖，通常包括花崗巖、花崗閃長巖和黑云母片麻巖等。地殼中的酸性花崗巖體相對富含U、Th和K等放射性生熱元素，其衰變釋放的熱量增高了地殼熱流，是形成干熱巖資源的最佳巖體。其次，花崗巖體的規(guī)模需要相對較大，有利于干熱巖資源的開發(fā)利用，降低勘探技術難度。

2.2 地熱異常值

2.2.1 大地熱流值

大地熱流值簡稱熱流，是指單位面積、單位時間內(nèi)由地球內(nèi)部傳輸至地表，而后散發(fā)到太空中去的熱量，可以定量反映一個地區(qū)的地熱背景[15，23，26]。中國大陸大地熱流值表現(xiàn)為東部和西南部高，中部和西北部相對偏低[27-32]。在中國西藏、滇西、東南沿海及臺灣地區(qū)熱流值較高，表明這些地方蘊藏的地熱資源潛力很大，可作為研究重點區(qū)進行地熱資源勘查開發(fā)利用。

2.2.2 居里面埋深

地球巖石圈上部的磁性殼層，當含有鈦鐵礦、磁鐵礦等礦物的巖石埋藏深度向下增加時，其溫度也會隨之提高；當達到磁性礦物的消磁溫度界面埋藏深度時，它們的鐵磁性特征相繼消失，該界面就稱之為居里面[33]。居里面展示了大陸地殼磁性層以及熱流的分布狀態(tài)，一般穩(wěn)定地塊的居里面埋深30～45 km；若居里面埋藏深度小，表明這些地區(qū)構造活動性大、巖漿活動劇烈或較劇烈[34]。對比中國大陸大地熱流值和居里面埋深，顯示較弱的負相關性，隨著居里面埋深減小，大地熱流和地溫梯度在一定程度上增大。中國青藏高原、東南沿海和東北松遼盆地等地區(qū)均有大面積顯示居里面上隆的特點，結合大地熱流值與地質(zhì)構造背景來看，這些地區(qū)值得深入探討研究。

2.3 活動構造分布

根據(jù)中國大地熱流-構造分區(qū)可以明顯看出[30，32]，高溫地熱資源與板塊邊界密切相關，地熱活動強度隨著靠近板塊邊界而增強。中國西藏、滇西、川西地區(qū)及臺灣地區(qū)，分別處于印度板塊與歐亞板塊、歐亞板塊與菲律賓板塊的邊界，構造活動強烈，具有產(chǎn)生強烈高溫水熱活動必要的構造條件和熱背景，也是中國地熱資源最為豐富的地區(qū)，可作為干熱巖勘探研究區(qū)之一。

3 干熱巖的應用

3.1 干熱巖發(fā)電

利用干熱巖發(fā)電之前，需要在天然的干熱巖體內(nèi)部通過壓裂等技術形成網(wǎng)裂縫，形成能夠加熱一定容量冷水的人工熱儲水庫[35-36]。冷水通過注水井輸入熱儲水庫，經(jīng)過高溫巖體加熱后，以高溫水、汽的形式通過生產(chǎn)井回收發(fā)電[37]。發(fā)電后將冷卻水重新排至注水井中，循環(huán)利用（圖3），減少廢水廢氣的排放，可以大幅降低溫室效應和酸雨對環(huán)境污染的影響。目前，美國、法國、德國、日本等科技發(fā)達國家已經(jīng)形成了一套成熟的技術體系，中國還未進行正式的干熱巖發(fā)電運行工程，正處于檢測試驗階段。

圖3 干熱巖發(fā)電示意圖（李川等，2008）

3.2 干熱巖輔助采油

干熱巖輔助采油是通過向干熱巖中注水形成高溫蒸汽或熱水后，再由地面采出，用來加熱油層，從而提高稠油流動能力[38-39]。原油用途非常廣泛，比地熱資源附加值高，這是干熱巖輔助采油的首要優(yōu)勢；其次，原油比地熱資源便于運輸，經(jīng)濟效益好；而且干熱巖輔助采油適用廣泛，安全節(jié)能。因此，干熱巖輔助采油技術在理論上可以大幅度提高稠油開采利用，降低稠油開采成本，但還需要更深入地研究利用，完善技術工藝。

4 干熱巖開發(fā)利用技術要求

4.1 干熱巖鉆井技術難點

（1）鉆井環(huán)境溫度高，鉆井井下工具抗高溫能力不足。干熱巖儲層溫度在350℃以上才具有工業(yè)開發(fā)價值[40]，但不論是鉆頭、鉆井液，還是各種井下工具都難以適應這樣的高溫。而且由于鉆井環(huán)境的溫度較高，鉆井液及處理劑容易降解失效，難以發(fā)揮正常功能[41]。所以，干熱巖鉆井過程中高溫問題給鉆頭、鉆井液等帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

（2）干熱巖鉆井深度大，巖石硬度大，破巖效率較低。干熱巖井深一般為3～6 km，深鉆井需要鉆穿多套地層，井身結構設計困難。由于干熱巖主要巖性為各種變質(zhì)巖和結晶巖，硬度較大，可鉆性極差，常規(guī)鉆井技術在高溫高壓下鉆井速度慢，周期長，給施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

（3）井壁圍巖穩(wěn)定性差。在鉆井過程中，圍巖會發(fā)生熱破裂現(xiàn)象，形成大量裂紋，造成掉塊、卡鉆等事故，而且因為儲層中裂縫和斷層的影響，鉆井過程中容易發(fā)生井壁坍塌。美國Fenton Hill[42]和韓國Pohang[43]干熱巖地熱儲層都曾遇到井壁坍塌的問題。發(fā)生井下鉆井事故的主要原因是對儲層缺乏清晰的認識，缺少高溫井的測井數(shù)據(jù)和分析，導致鉆井方法和預防措施不適用于干熱巖儲層。

（4）水力壓裂的裂縫擴展預測困難。在干熱巖儲層中，高溫等復雜環(huán)境造成測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，導致對預測水力裂縫的形態(tài)和延伸方位較困難。除了對儲層裂縫系統(tǒng)缺乏認識，導致水力裂縫若沿天然裂縫擴展而無法預測其形態(tài)以外，另一個重要原因是地應力數(shù)據(jù)不準確。干熱巖儲層與淺部地殼的地應力通常相差較大，地應力數(shù)據(jù)的差異也容易導致水力裂縫擴展預測的錯誤[44-45]。

4.2 干熱巖開發(fā)技術要求

4.2.1 鉆井技術

針對干熱巖儲層致密、溫度高的特征，鉆井材料必須強度大、耐久和抗腐蝕性能好，而且鉆頭、破巖、導向、測井等工具應適合于干熱巖儲層的高溫環(huán)境。目前較為前沿的鉆井技術有彈丸鉆、火焰裂鉆、激光鉆孔和化學鉆孔等，這些技術發(fā)展的成功可以大幅降低鉆井成本，更可以拓展深鉆能力[13，46]。黃雪琴等[47-48]進行了液氮在干熱巖鉆探中的可行性探討，液氮具有極低溫度、低黏度、高導熱系數(shù)等特征，通過高壓噴射至巖石表面，可在巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力和射流沖擊作用，在干熱巖表面產(chǎn)生拉伸應力，誘導微裂縫的萌生和擴展，實現(xiàn)高效破巖。

4.2.2 裂縫激發(fā)技術

干熱巖的開發(fā)利用是通過形成EGS來獲取高溫巖體中的熱能，即在注入井與采出井之間的儲熱巖層中通過裂縫激發(fā)技術產(chǎn)生一定規(guī)模的裂縫，使其連通起來，形成一個“地下熱交換器”。目前熱儲層的激發(fā)方式主要是水力壓裂法、化學激發(fā)法和熱激發(fā)法[25，49]。裂縫激發(fā)技術首先需要研究在高溫高壓環(huán)境中干熱巖體的裂縫形成機理，考慮溫度-流體-應力-化學多場耦合效應對裂縫擴展的影響，而且在儲層裂縫激發(fā)過程中還要監(jiān)測并反演裂縫的形態(tài)，評價壓裂效果[50-53]。

4.2.3 對流循環(huán)試驗

在干熱巖儲層巖體中激發(fā)裂縫完成后，首先需開展對流循環(huán)試驗，用來評價EGS的換熱產(chǎn)熱能力和效率。對流循環(huán)試驗過程系在注入井中灌入低溫水，測試采出井中出水能否穩(wěn)定循環(huán)產(chǎn)出高溫流體和達到高效利用的目的；而且在試驗中還需要通過數(shù)值模擬建立模型，研究儲層溫度場、滲流場、力學場和化學場的時空演化規(guī)律及耦合作用，了解EGS儲層狀態(tài)，保證干熱巖EGS的可持續(xù)開發(fā)利用[54-56]。

5 認識及結語

本文梳理了中國干熱巖資源的賦存類型與資源分布，總結了影響干熱巖資源賦存的地熱地質(zhì)學指標，結合開發(fā)研究現(xiàn)狀，介紹了干熱巖資源在鉆井勘查過程中所遇到的技術難點，探討了干熱巖資源勘查開發(fā)技術的要求與進展，主要有以下認識。

（1）干熱巖主要巖性多為花崗巖，巖體致密，基本不含流體，需要激發(fā)裂縫形成EGS進行開發(fā)。

（2）中國大陸地區(qū)干熱巖資源的賦存類型主要分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構造活動帶型。影響干熱巖資源賦存的指標包括溫度、酸性巖體分布、大地熱流值、居里面埋深和活動構造分布等。

（3）干熱巖鉆井技術難點主要有鉆井環(huán)境溫度高，井下工具與鉆井液受到很大限制；鉆井深度大，巖石硬度大，影響破巖效率；圍巖穩(wěn)定性差，易造成井下事故；水力壓裂的裂縫擴展預測困難等。

（4）干熱巖勘查首先需要明確地熱地質(zhì)環(huán)境，圈定良好的靶區(qū)。其次，要提高鉆井液和井下工具的抗高溫性能，實現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下的有效工作。鉆探期間還需要通過數(shù)值模擬及多場耦合作用，加強監(jiān)測與人工裂縫反演技術，保證鉆井勘探的安全性與準確性。

目前中國干熱巖勘探技術仍處于探索實踐階段，應該結合國內(nèi)外實際情況，優(yōu)選地質(zhì)靶區(qū)，加快干熱巖鉆探開發(fā)示范工程建設，制定全國干熱巖資源勘查和開發(fā)的標準和規(guī)范，盡快形成適合中國干熱巖開發(fā)需求的配套技術方案。