增强型地热系统(egs)的人工热储技术.pdf

2 0 0 9 年第 2期 GE o T H E R MAL E NE R G Y 增强型地热系统 ( E G S )的人工热储技术 康玲，王 时龙 ，李 川 f 重庆大学机械工程学院 ，重庆 4 0 0 0 4 4 ) 摘 要 ：文章分析了增强型地热系统 ( 干热岩 )发 电原理 ，研究该系统建立人工热储 的关 键技术，包括人工致裂、监测、裂隙网络的连通、封闭水流循环 、热储系统建模等最后 分析了芬顿山、H i j i o fi、苏尔士大型试验电站的人丁热储应用实例 关键词 ：增强型地热系统 ；干热岩；地热发电 ；人工热储 0引言 地热资源作为世界各国重点研究开发的可再 生清洁能源 ，分为水热型 、地压型 、岩浆型和干 热岩型，目前世界上主要开采和利用的是水热型 地热资源，仅占已探明地热资源的 1 0 ％左右2 0 世纪 7 0年代，美国 l o s A l a m o s 国家实验室在新墨 西哥州的芬顿山，开始世界上最早的于热岩( H o t D r y R o c k，H D R ) 研 究 ，即开采 深埋 于距 地表 4 ～ 6 k m 深处的花 岗岩 、花 岗闪长岩等 ，温度在 1 5 0 — 6 5 0 ℃之间的干热岩。

保守估计地壳 中干热 岩所蕴含的能量相当于全球所有石油 、天然气和 煤炭所蕴藏能量的 3 0 倍 干热岩法近几年由美国等国改进为增强型地 热系统( E n h a n c e d G e o t h e r ma l S y s t e ms ，E G S ) ，扩大 了研究范围，利用传统水热型或干热岩资源，提 高岩石的渗透率 ，以及在干岩或缺水系统中的含 水量全世界任何 5 1 0 k in深度的岩石中都可以 发现大量的热，甚至在没有水的地方 ，开发潜力 也 巨大 我国在增强型地热系统f 或干热岩、高温岩体) 领域 ，只有很少的理论研究 ，存在大量的空白领 域增强型地热系统技术的关键是在渗透率极低 的高温岩石中建立人工热储 1 增强型地热系统原理 增强型地热系统是一个闭环系统 由两个子 系统组成，如图 1 所示 生产势 注永势 人工热 储水 库 干热岩 图 1 增强地热系统( 干热岩) 发电原理图 第一个子系统是地下热储层的开发建造即 从地下深埋 的岩石获取地热 ，通过注水井用冷水 加压致裂方法建立 高渗透性的裂隙体系( 人工热 储) 冷水 流过热储层 ，渗进岩石的缝 隙吸收热 量 ，再通过生产井将 2 0 0 ℃以上的水或蒸汽抽 出 地面。

第二个子系统是热水采出后进入地面发 电 供热系统 ，即将高温水采用二元发电装置 ，如用 低沸点二次工质的有机朗肯循环，或用氨／ 水混合 物作二次工质的卡里纳循环 ，带动涡轮机发电， 而冷却后的水则被再次注人地下热交换系统循环 使用整个过程是在一个封闭的系统内进行 在增强型地热系统 中，注水井和生产井数量 可根据不同的具体情况而异井的配置方式有几 种 ：--I ~ 注水井 和一眼生产井( 1 I 眼井模式) ，一 眼注水井和两眼生产井( 三眼井模式) ，--t ~ 注水 井和四眼生产井( 五眼井模式) 根据各 国试验 电 站的经验 ，一般采用三眼井模式如图 1所示 ， 沿热储构造长轴方向布置注水井 ，在注水井的两 侧各钻一眼生产井 ，以保证获取足够 的热量如 果建立大规模的发电站，宜采用五眼井或更多 ·1 4· 地 热 能 2 0 0 9 ． N O ． 2 2 人工热储的关键技术 在地热资源中，热储主要指渗透性 良好 的孔 隙 、裂隙岩层以及断裂裂隙系统地热资源的优 良与否主要取决 于地热梯度( 地下深度和温度关 系) 、热储层的渗透率和裂隙及含水量如果在一 定深度内有充足的热能 、渗透率 ，就容易获取地 热能。

地球内部虽然蕴藏着丰富的热能，但是 由 于地理结构岩石断裂的密封 ，致使渗透率降低 ， 含水量少或无水我们不能增加热能 ，但可以人 为的提高热储含水 量和渗透率 ，更多地获取 热 能 ，这是实施增强型地热系统 、建立人工热储的 目的 3 ． 1 人工热储的致裂 致裂是建造热储层的关键技术之一 ，常用方 法是通过水压致裂 、化学致裂和爆破致裂使岩石 裂隙打开、延伸并相交 ，形成相连的裂隙 网，类 似于天然的地热热储层通常采用水压致裂的方 法提高岩石渗透率，即通过注入一定体积的水使 岩石致裂进行致裂前需做地应力研究 ，包括主 应力强度 、方位等 ，进行致裂时采用微震仪监测 热储裂隙状况 一般在已有裂隙基础上进行人工 致裂，人工热储裂隙间距 的最终形成取决于最初 天然裂隙的间距 3 ． 2 热储的监测 在热储形成的过程中，通过注水使岩石体发 生微小的移动 ，从而引起低频压力波 ，与地震情 况类似因此可以在井附近钻一个浅孔 ，设置微 震监测系统 ，采用高精度的地震检波器 ，采集大 量波形信号数据 ，经处理绘制热储系统的形状 、 结构和方位 ，进而确定人工热储构造 的空间三维 分布。

采用微震技术监测热储扩张情况 ，并将各 井裂隙相连通监测处理的信息还可用来指导钻 生产井，使其钻进深层裂缝系统；根据第一眼钻 井建立 的热储确定其他井的位置 、方 向，以建立 相互连通的裂隙网络微震监测在长期生产过程 中，还可监测热储系统的使用寿命 研究热储层应力 ，根据结晶质基岩受压历史 和 目前应力状态可预测需要 的致裂压力 ，及形成 裂隙的延伸方 向；采用超声波监测 、微 电阻裂隙 测绘 、井 口应力测试可分析应力状态 、已存在的 裂隙特性和致裂前后流体流动的通道 2 - 3 热储 的连通 虽然过 去的 3 0 多年里 ，美 国的芬 顿 山 、 C o s o 、 G e y s e r s 、 D e s e rt ? P e a k ， 英国 的 R o s e m a n o w e s ，法国的苏尔士 ， 日本的 H i j i o r i 、 O g a e h i， 澳 大 利 亚 的 ‘ C o o p e r B a s i n 、 H u n t e r ? V a l l e y， 瑞 典 的F i a l l b a c k a 德 国 的 F a l k e n b e r g 、H o r s t b e r g ，瑞士的 B a s e l等均先后建 立 了干热岩或增强型地热系统。

但迄今为止 ，干 热岩试验电站最大的问题是人工热储层的流量低 于商业运作 的参数要求 ，因此需要进一步提高人 工热储裂隙网络的连通性 通过微震方法测绘 出人工裂隙系统的形状 、 结构和方位 ，在热储扩张到理想大小之后再钻生 产井 ，穿进热储层使地下裂隙相互连通 ，实现与 地表 的水 流连通 ，形成增 强型地热 闭环 系统 的 第—个子系统 2 ． 4 循环注水 注入热储的冷水可 以为经处理的城市废水 ， 如美国加州的 G e y s e r s蒸汽 田——世界上最大的 干蒸汽地热 田，曾在 1 9 8 7年为 1 8 0万人供电， 但之后 随着地热水 资源的减少 ，发电量逐年降 低 采用增 强 型地 热 系统 ( E G S ) 从 邻近 的 S a n t a R o s a修建了约 6 4 k m 的管道 ，输送经处理的城市 废水至蒸汽 田，注入地下 2 1 3 4 --3 0 4 8 m处的热储 层 ，循环加热 之后提取蒸汽 发 电，装机容量 达 8 5 MW该闭环系统采用经处理 的废水实现 了水 资源 的再利 用 ，提高 了热储 寿命 和发 电的蒸 汽 量 建造热储层后 ，应进行水流循环试验 ，旨在 获取注入与采出流量 、压力 、温度等准确的动态 变化基础数据 ，再推导出流动阻力 、注人速率与 水的损失率等影响项 目成败的关键性指标 。

如芬 顿山项 目第一期进行 9个月的水流循环试验 ，第 二期又进行 2个月的试验 为了探明注水井和生 产井之间裂隙通道 ，估计体积大小 ，保证压力能 达到生产要求 ，且冷水不会流人生产井 ，需要监 测注入热储的水流量 注水井长期高压注水会阻 碍水流循环，使裂隙继续扩张，可能延伸至不参 与热交换 的区域 ，造成流量损失为此 ，可加入 化学示踪剂 ，和冷水一并 注入 注水井 ，通过 跟 踪 ，测量热储流体体积 、水流通道和流量 ，在水 2 0 0 9 年第 2 期 G E O T HE R MA L E N E R G Y 流循环短缺时报警如可测量出很小浓度范围， 则表示这些化学示踪剂不能与岩石或热水起化学 反应 2 ． 5 热储系统建模 热储系统涉及到流体流量 、岩石变形和热能 的耦合 岩石以传导 、对流 、辐射等热传递形式 使水加热形成热水 ；随着岩体温度降低 ，岩体应 力 、变形 、裂缝的张开度等会发生显著 的变化 ， 影响人工热储的流量因此．需要进行人工热储 仿真建模 根据裂隙的渗透率 、温度和压力变化 数据建立预测模型 ，在多孔隙和裂隙系统建立岩 石一流体一热能耦合的模型等。

2 0 0 5年 S a n y a l 和 B u t l e r采用三维有限元建模研究 了热储的断裂体 积 、间距 、渗透率 、孔隙和井的结构，研究得 出 通过改变渗透率 、流量 、裂隙间距 、各井间距 、 注水井和生产井模式及裂隙体积等因素中，影响 最大的因素是裂隙体积 3 人工热储技术实例 3 ． 1 芬顿山试验电站 美国于 1 9 7 4年在芬顿山建立干热岩试验电 站 ，钻井至 2 0 0 0 m 处遇 2 0 0 o C的花岗岩 ，然后往 井中注入 2 0 ~ C的常温水，在高压下花岗岩产生裂 缝形成干热岩热储随后用高精度的地震检波器 确定热储区的形状 、结构和方位 ，再在离注水井 不远处钻井穿透热储层后从中抽取超临界热水 随后在 1 9 7 9到1 9 8 0年进行了为期 9个月的流水 循 环试验 该 阶段在热储构造形成时共注入 了 2 0 0 m 、压强高达 1 2 M P a 的水 ，但形成 的热储较 小 ，不久裂隙又闭合为此，再次注入 2 3 0 0 m 的 水 ，最高压力达 1 9 ． 5 MP a ，重新建立起更大的热 储层第二阶段的干热岩热储建立于 1 9 8 0年 ， 深度 3 5 0 0 m，裂隙体系为东北向，流量损失小于 1 0 ％，输出热能约为 5 M Wt h 。

3 ． 2 H 0 i o fi试验电站 日本新能 源与工业技 术发展组织( N E D O ) 于 1 9 8 5年在火山V I 处的H 0 i o fi 建立了干热岩试验电 站1 9 9 1年 ，从 1 8 0 0 m的地下裂隙系统成功抽出 了热能 ，S K G - - 2为注水井 ，H D R 一 1 、HD R 一 2和 H D R 一 3为生产井1 9 9 2年，又建立了 2 2 0 0 m的 热储层 ，温度达 2 7 0 ℃1 9 9 5 、1 9 9 6年，通过注 水井和生产井抽取热能 ，流量损失约 2 5 ％，输出 热能约为 7 MWt h p 其热储层和各井结构如图 2 所示 生 产井2 l 5 0 5 m 永井 生 产井3 l 5l O m 浅屡热储 l I 8 0 O re． 2 5 0 ℃) 深层热 储 ( 2 2 0 0 m．2 7 0 ℃} 图 2 H ij i o r i 试验站热储层、各井结构 3 - 3 苏尔士试验电站 德国和法国于 1 9 8 6年联合在苏尔士开展高温 岩体热能利用项 目，第一阶段( 1 9 8 7 — 1 9 9 7年) 在 3 9 0 0 m 处建立岩石裂隙网 ，温度超过 1 6 5 o C。

经 过一系列的水压测试 ，包括长达几个月的水流循 环测试 ，得到水流持续循环的技术参数为 ：注人 流量 2 5 L ／ s ，温度超。