增强地热系统研究现状:挑战与机遇

开发地热资源,尤其是深部干热岩地热资源,是加快能源结构转型,顺利实现“双碳”目标的重要途径。增强地热系统经历了50余年的发展,在深部地热资源开采方面取得了丰富的研究成果和施工经验。回顾增强地热系统的发展历程,总结热储特征、储层改造以及示范项目的终止原因,分析商业化面临的挑战,探讨未来的探索方向和发展机遇,能够有效服务我国深部地热资源开发和示范项目的建设。在经历研究和开发阶段后,增强地热系统进入示范和商业化的飞速发展阶段,截至2021年末,世界累计的增强地热系统数量已达41个,累计发电装机量为37.41 MW;储层地质条件的复杂性和差异性以及现有改造技术对储层原位地质环境的依赖性,难以形成“可复制”的热储改造模式,由此导致的热储质量差等问题是制约增强地热系统发展的主要原因;建立典型的干热岩增强地热系统示范项目或探索基于采矿技术的增强地热系统,突破热储改造对原位地质条件的依赖性,形成“可复制”的深部地热资源开采体系,是增强地热系统未来的发展方向,也是实现深部地热资源大规模商业化的关键出路。      

增强型地热系统热固流耦合数值模拟与分析

为了研究增强型地热系统热储段温度场分布的特点,以及系统在开采过程中结构性能的评估和利用效率变化的规律,结合北京市地质结构活动探测的结果,建立了增强型地热系统热固流耦合微分控制方程,提出了天然裂隙-断层模式热固流的二维数学模型。基于离散裂隙网络模型,对裂隙-断层模式的岩体-水流耦合换热过程进行数值模拟与分析。通过不同算例设置,进行了12 a的计算研究,分析了水流流速、地层断距等因素对岩体温度场、水流温度场的影响效果。在此基础上,总结了不同生产距离水流出口温度和不同岩体固定距离点温度随时间的变化规律。     

共和盆地兰采温泉地区地热特征及干热岩靶区

干热岩大力开发有助于我国“双碳”目标的尽早实现,其中放射性生热是干热岩形成的重要因素之一,研究该类型干热岩地质特征和放射性生热特征,对选择该类型干热岩勘查目标区具有重要价值和现实意义。为此,以共和盆地兰采温泉群地区为线索,通过野外地质调查、地表放射性伽马测量、岩石放射性测试等手段,研究了高温温泉形成的地热地质条件和放射性特征,并依据地球物理勘查解译数据初步圈定了干热岩勘查目标靶区。研究结果表明：(1)兰采温泉地区擦拉更复式花岗岩体和羊智河—夏琼断裂与兰采温泉群的形成关系密切;(2)该区出露的中晚三叠世斑状二长花岗岩、钾长花岗岩和斑状钾长花岗岩等岩体的生热率表现出异常高的生热率特征,是正常沉积盖层生热率的5～8倍;(3)基于大地电磁测深勘查解译,羊智河—哲格姜—夏琼断裂破碎带下伏低阻体,推测为侵入时代较晚、温度较高的“体中体”花岗岩体。结论认为,该区具有“体中体”地质结构的晚三叠世高放射性斑状钾长花岗岩体,可作为干热岩勘查的主要目标方向;下一步应查明复式岩体空间分布形态,研究复式花岗岩体与地热流体的关系以及对深部温度场的影响机理,进而为圈定干热岩勘查靶区提供更加确凿的依据。     

青海省同仁地区存在干热岩资源的可能性探讨

位于青藏高原东部的青海省同仁地区,构造活动强烈,地热地质条件优越,出露有水温46. 6℃的曲库乎温泉和82. 2℃的兰采温泉。高精度地面磁法资料显示,同仁县东侧的加吾乡地区,新近系地层下隐伏有高放射性的侵入岩体。通过对区域热构造背景条件的分析,结合可控源音频大地电磁测深法对断层的解译发现,该岩体系受区域带状热源所在的瓦里贡山-多禾茂走滑挤隆构造带控制而侵入就位的。综合分析认为,同仁县加吾乡地区发育有断层传导热和放射性热源共同供热的干热岩资源,系干热岩资源进一步勘查的有利地段。     

CFD-DEM耦合的干热岩人工裂隙内暂堵剂运移规律研究

暂堵转向压裂技术是提高干热岩采热能力的最具潜力技术之一,现有的针对暂堵剂在裂缝内运移过程的数值模拟研究模型相对简化,难以对暂堵剂在裂隙内复杂流动过程进行精准的刻画,无法捕捉颗粒在裂隙内的真实运动及其相互作用。为了准确捕捉暂堵剂在干热岩人工裂隙内的运移规律及颗粒间相互作用机理,本文对裂隙内的颗粒运动和流体流动采用基于欧拉—拉格朗日的描述方法,通过计算流体力学(CFD)与离散元(DEM)双向耦合的计算方法,建立了颗粒型暂堵剂在人工裂隙内运移过程的CFD-DEM耦合模型。数值模拟结果表明,影响干热岩人工裂隙中暂堵剂运移规律的主要因素包括：携带液黏度、暂堵剂质量浓度、携带液流动状态和颗粒间摩擦系数等,其中颗粒间摩擦系数对裂隙内颗粒间相互作用力影响相对较小,颗粒间因摩擦产生的作用力相对较小,难以克服流体流动对颗粒速度的影响。携带液黏度由0.03 mPa·s提升至120 mPa·s的过程中,暂堵剂在缝内的平均运动速度降低超过77%,随黏度增大,暂堵剂颗粒在裂缝内运动速度增幅逐渐降低,出口处颗粒速度及携带液流量明显减小;随暂堵剂质量浓度增大,颗粒间相互作用力不断增大,暂堵剂运动达到相对稳定的状态后,...     

干热岩地热资源开采技术现状与挑战

干热岩地热是一种具有独特优势的清洁可再生能源,具有储量大、分布广、低碳环保、稳定高效等特点,实现干热岩地热资源的高效开发对于推动我国能源结构转型和绿色低碳发展具有重要意义。本文从干热岩地热资源分布和成因类型出发,介绍了我国干热岩地热资源禀赋和热源机制,阐述了干热岩地热的主要开采方式和国内外研究现状,结合已建和在建的增强型地热系统(EGS)示范工程,系统剖析了干热岩EGS开采所面临的钻井建井、压裂造储及取热优化3大挑战,并从基础科学研究层面给出了未来攻关思路：以“岩体表征—钻井建井—压裂造储—流动取热—集成调控”为主体路线,探究干热岩破碎动态力学响应特征与缝网连通机理,阐明热储取热过程中热—流—固—化多场耦合关联机制,形成干热岩钻井建井、压裂造储与取热调控理论及新方法,为干热岩地热资源高效开采奠定理论和方法基础。     

浅析福建与台湾海峡深部高温岩体构造应力场地质响应

通过对福建与台湾海峡深部高温岩体构造应力场地质响应行为与轨迹的阐述,发现研究区深部热物质上涌、运移、调整、分异、变异、交换（能源）活动与深部高温岩体构造应力场异常地质响应的强度,自西往东、由北向南梯度增强趋势十分明显,昭示研究区最东端的台湾海峡沉降带所遭受的构造应力（地应力）最大,干热岩地热潜能无限;闽台梯级过渡带所遭受构造应力大,干热岩地热潜力大;闽西南拗陷区所遭受构造应力较大,干热岩地热潜能较大;闽西北隆起区所遭受构造应力中等,干热岩地热潜能一般。     

浅析福建与台湾海峡深部高温岩体新构造断裂活动地质响应

通过福建省与台湾海峡深部高温岩体新构造断裂活动异常地质响应行为与轨迹的阐述,映衬研究区深部热物质上涌、运移、交换、分异、变异、交换（能量）活动与深部高温岩体新构造活动断裂异常地质响应的强度自西往东、由北向南增强的特征与分布规律十分明显,与地应力自东向西、自南向北衰减的总趋势完全吻合。     

青海共和盆地干热岩勘查进展及开发技术探讨

我国干热岩勘查及开发利用仍处于起步阶段,亟待解决勘查程度底、热源机制不清、高温钻井成本高、换热效率低和压裂时有诱发地震风险等问题。在分析国内外干热岩勘查开发历程和青海共和盆地干热岩地质特征与勘查现状的基础上,探讨和研究了干热岩找矿标志建立、井内测温及地温梯度计算相关注意事项和共和盆地放射性生热对干热岩热源的贡献,初步分析对比了增强型地热系统与单井换热的各自特点及难点,分析了压裂井网技术存在的问题及压裂与诱发地震的关系,并对开发试验示范基地建设提出了相应的建议。研究结果为共和盆地干热岩勘查开发提供了理论依据。      

青海共和盆地干热岩GR1井超高温固井水泥浆技术

固井是保证干热岩全生命周期井筒质量的关键环节。通过研究共和盆地干热岩地质特征和赋存条件,提出了干热岩固井的主要技术难点。针对干热岩高温固井问题,研制出了高温缓凝剂BCR-320L,优选抗高温降滤失剂BXF-200L(AF),探索了不同硅粉加量下水泥石强度的衰退机理,形成了干热岩超高温水泥浆体系。实验结果表明,该水泥浆可以满足循环温度为200℃的固井要求,水泥浆稠化时间可调,具有良好的流变性能,在200℃下强度不衰退,72 h抗压强度可达44.1MPa。该水泥浆在青海共和干热岩GR1井中成功应用,现场固井施工顺利,裸眼段固井质量优质,为后续干热岩固井的施工提供了一定的借鉴。