增强型地热系统的开发——以法国苏尔土地热田为例

增强型地热系统是指从地下3～10 km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,主要用于发电.目前地热技术是再生能源领域的重要发展方向,而对其进一步研究受到发达国家的高度重视,但我国在该领域研究还基本处于空白.法国的苏尔士地热田是欧洲目前仍在运行的增强型地热系统(EGS)现场试验场,在20多年的实践过程中产生了大量的科研成果.本研究通过回顾该地热田在开发阶段取得的成果,得到其地质勘探、人造储层、循环测试等方面的主要结论,以便为国内EGS科学研究及项目实施提供参考.     

增强型地热系统中溶解二氧化碳对热储层溶蚀作用的实验研究

增强型地热系统(EGS)是通过人工形成热储层的方式从深部低渗干热岩体中经济地开采地热能的人工地热系统。为了增强热储层的孔隙度和渗透率,需要对热储层的人工裂隙实施化学刺激,增加深部岩体中地热能的采收率。文章针对松辽盆地地热储层岩石对CO_2的反应进行了实验研究,分别对目标储层的流纹岩和花岗岩进行了高温高压水-岩-气研究,结果表明,在溶解CO_2的作用下,石英、钾长石、钠长石和方解石均出现了溶蚀现象,其中方解石的溶蚀最为强烈。实验中发生了石英、伊利石和含"C"新矿物的沉淀反应。     

增强型地热系统热开采过程的数值模拟研究

增强型地热系统（EGS）是指采用人工方法在地下3 ~ 10 km内的干热岩体中形成储层、通过灌输采热流体以开采出干热岩中热能用于地面发电的地热利用系统,是一种极富潜力的可再生清洁能源利用技术。循环流体在地下热储中的流动与换热对EGS的采热性能有重要影响。本文首先对EGS数值模型进行了综合评述,然后基于一套自主开发的三维瞬态数值模型模拟了不同渗流条件下EGS地下热储内的热流过程。通过对模拟结果的分析,揭示了均匀压裂的人工热储中流体短路的形成机理,并通过对比双井和三井系统中流场和局部地热开采率分布,结合当前钻井工艺和裂隙激发技术水平,探讨了抑制流体短路、优化EGS采热性能的可能方案。     

增强型地热系统（EGS）的人工热储技术

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、Hijiori、苏尔士大型试验电站的人丁热储应用实例。     

干热岩地热开发实践及技术可行性研究

干热岩地热资源潜力大且具有较好的安全环保性,是未来重要的清洁可再生能源。干热岩多为花岗岩体,发育区通常具有较高的大地热流值和良好的盖层条件,地质上主要分布在大地板块碰撞带及其周边区域、断陷盆地、新生代花岗岩体发育区等。由于岩体致密、缺少流体,干热岩需要压裂激发形成增强型地热系统(EGS)才能进行开发。水热型地热发电的成功实践,为干热岩地热开发奠定了良好的基础,而美国、欧洲成功的工程实践,说明了干热岩地热发电的技术可行性。干热岩地热发电涉及到勘查靶区优选、钻探测录井、EGS工程、高效发电/供暖和尾水回灌等勘查开发技术。我国干热岩资源主要分布在青藏地区、东南沿海、沉积盆地等地,尚处于勘查阶段。干热岩勘查选址应采用大地电磁测深法,并辅以人工地震或重力勘探等其他地球物理方法。致密岩体常用水力压裂进行激发并需微地震监测造储效果,开展循环试验时进行THCM耦合模拟,发电方式应采用双工质循环发电。建议我国应尽快制定干热岩勘查开发相关标准及政策,加大技术攻关力度,建立干热岩地热高效利用示范工程。     

增强型地热系统热储层研究进展

热储层是增强型地热系统(EGS)中的关键一环,热储层激发效果的好坏直接影响到流体采热效果,选择适当的激发方法以及对激发效果进行实时评价是十分重要的。目前在热储层激发中最常用的方法是水力压裂法,化学激发法是次要方法 ,而热激发法则通常是辅助方法。从场地试验结果看,要想获得较好的激发效果,可以采取多次激发或多方法联合使用。利用微震监测、现场示踪试验和数值模拟等方法,可以分析热储层裂隙压裂情况、连通情况以及获得有关的热储层参数,进而对热储层激发效果进行评价,有助于EGS的设计和运行管理。EGS开发过程中热能开采率受到许多因素的影响,通过数值模拟手段能够分析影响EGS热能开发的内在因素(指热储层的各项参数,如热储层初始温度、渗透率、裂隙情况等)和外在因素(如井间距离、布井方式、注入流体温度、注入流体类型、井深等),了解每个因素的影响程度,这对于EGS的设计和开发是非常重要的。同时,通过数值模拟手段研究热储中THMC(温度场、渗流场、力学场、化学场)四场耦合作用,对于EGS的商业运行也是至关重要的。     

世界地热发电开发新动向

近年来世界地热发电发展迅速,全球地热发电装机容量从2000年的8594MW,增加到2014年的12594MW。亚太地区与北美地区地热发电装机容量居主导地位,分别为4.5GW和3.4GW。美洲地热发电市场以美国、墨西哥和尼加拉瓜为主。亚太地区的地热发电市场主要有印尼、日本、菲律宾和新西兰。美国拥有全球最多的地热资源,估计地热储量约为30000MW,地热能开发规模最大,地热发电居世界第一。北欧冰岛是全球地热开发的楷模,约1/3的电力来自地热发电,地热在一次能源中占54%。菲律宾是发达的地热发电国家,地热发电量仅次于美国,约占国内总发电量的20%。印尼的活火山数和地热潜能居世界第二位。2014年印尼地热发电装机容量居世界第三。目前地热发电量占印尼全国总用量的3%,印尼的地热储量约为29000MW,占全球总量的40%。肯尼亚地热发电开发以惊人的速度向前推进,2014年装机容量达到590MW,肯尼亚的地热发电量占总用电量的49%。地热发电仍以普通型干蒸汽方式与闪蒸方式为主。最近10年利用中-低温地热能的双工质方式发电发展较快。美国不少地热发电企业采用双工质发电方式。近10年来,美国科学家倡导研发了增强型地热系统技术。美国第一个商业增强型地热系统(EGS)项目已成功并网供电。据估计,EGS将使美国100~500GW的潜在地热资源获得利用。     

增强型地热系统井筒-储层耦合数值模拟分析

干热岩是指地下3~10 km处低渗透性的高温岩体。增强型地热系统(EGS)是利用水力压裂等作业措施形成人工热储层,通过注入载热流体以经济地开采出干热岩中热能的人工地热开采系统。目前,关于干热岩储层开采潜力是否满足商业开采目标,以及如何提高EGS开采潜力是EGS研究的重点。文章首先对EGS的发展及技术可行性进行了概述,然后以松辽盆地为研究场地,以水为载热工质,采用井筒-储层耦合数值模拟程序T2WELL对储层开采潜力进行了定量研究,并通过不确定因素和参数分析探讨了优化EGS开采潜力的可行方案。不确定因素和参数分析表明,储层初始温度、裂隙间隔、布井方式是影响储层开采潜力的关键因素,渗透率对储层开采潜力影响较小。     

二氧化碳羽流地热系统中储层物性参数对热提取率的影响

二氧化碳羽流地热是以超临界CO2作为地热系统的载热流体,利用天然孔隙介质,在进行CO2地质储存的同时实现深部地热资源的提取。CO2在注入地下储层后呈羽状扩散和分布,因此称这种地热开发系统为CO2羽流地热系统。在CO2羽流地热系统中,砂岩储层分布广泛,物性各异,对热提取率的影响较大。文章以松辽盆地中心凹陷区泉头组三、四段为地热储层,建立平面二维羽流地热模型,采用TOUGH2-MP软件进行数值模拟,定量评价储层物性对热提取率的影响。结果表明,温度对热提取率的影响最大,初始盐度的影响最小,故应按照"低压、低盐度、高温、高渗透、高比热"的标准选取储层,其中高温和高渗透率是应重点考虑的因素。     

任丘馆陶组地热开发前景及低压注水试验通过省级评审

馆陶地热层是华北有希望实现大面积开发的地热储层,为了对矿区馆陶组地热水利用价值和开发前景作出评价,华北石油管理局水电厂从1980年开始,通过单井长期抽水试验,五年间断开采与压力恢复试验,地热水直接采暖试验和两年的低压注水试验,确定了热储层的参数,断层的水利特征,直观地认识了地层压力的衰减过程,并解决注水中的三个问题。1、认识了注水中各种影响     

Influence of water–rock interactions on fracture permeability of the deep reservoir at Soultz-sous-Forêts, France

Circulation of geothermal fluids through granitic fractured reservoirs leads to chemical reactions, modifying the porosity and permeability of the rock mass. FRACHEM, a thermo-hydraulic-chemical coupled computer code, was developed specifically to predict changes in the geothermal reservoir of the Soultz-sous-Forêts Enhanced Geothermal System (EGS) located in Alsace, France. This code can simulate fluid–rock interactions and determine the dissolution/precipitation reactions of eight minerals in the Soultz granite (i.e. carbonates, pyrite, silicates and aluminosilicates). Numerical simulation results of long-term fluid circulation through the 5000-m deep Soultz reservoir are comparable to those determined for the shallow reservoir and confirm the role played by carbonates in the evolution of reservoir porosity and permeability. Moreover, experiments with FRACHEM in simulating short-term fluid flow during hydraulic and/or chemical stimulations have demonstrated that the code could prove an efficient tool in reservoir engineering and management.     

Induced seismicity associated with Enhanced Geothermal Systems

Enhanced Geothermal Systems (EGS) have the potential to make a significant contribution to the world energy inventory. One controversial issue associated with EGS, however, is the impact of induced seismicity or microseismicity, which has been the cause of delays and threatened cancellation of at least two EGS projects worldwide. Although microseismicity has in fact had few (or no) adverse physical effects on operations or on surrounding communities, there remains public concern over the amount and magnitude of the seismicity associated with current and future EGS operations. The primary objectives of this paper are to present an up-to-date review of what is already known about the seismicity induced during the creation and operation of EGS, and of the gaps in our knowledge that, once addressed, should lead to an improved understanding of the mechanisms generating the events. Several case histories also illustrate a number of technical and public acceptance issues. We conclude that EGS-induced seismicity need not pose a threat to the development of geothermal energy resources if site selection is carried out properly, community issues are handled adequately and operators understand the underlying mechanisms causing the events. Induced seismicity could indeed prove beneficial, in that it can be used to monitor the effectiveness of EGS operations and shed light on geothermal reservoir processes.     

增强型地热系统水力压裂与双井连通实验仿真研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）作为未来新能源和清洁能源利用的一个重要方向,受到了世界各国的广泛关注。一直以来,野外试验场的工程实践和数值模拟分析是进行EGS研究的两种主要方式。本文通过实验室规模的小型试验系统,对EGS的水力压裂、裂隙监测、生产井定位和注水测试进行了仿真,成功实现了注入井−热储层−生产井的水力连通,分别以定井口压力和定注水流量进行水力测试。试验结果表明,热储层的裂隙开度会随着水力特性而发生变化,注水压力较大时热储层的裂隙具有更大的开度和渗流能力。从提升热储层经济性的角度考虑,实践中应当在较大注水压力时对热储裂隙结构进行加固处理。     

增强型地热系统中液-岩化学作用数值模拟研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）利用深层岩石中连通的裂隙网络进行流体工质循环,从而实现地热能的持续开采。EGS运行时循环流体工质会与深层岩石产生化学反应,引起岩石中矿物的溶解/沉积,使热储中的裂隙网络形貌产生动态变化,对地下流动与传热过程造成影响。本文分析了EGS中液–岩化学作用特点,详细阐述了在多孔介质热流动模型中耦合入液–岩化学反应的方法,基于已开发成功的EGS传热传质数值模型初步建立了传热–流动–化学（Thermal-Hydraulic-Chemical, THC）多场耦合数值模型,并使用该模型对五井布局EGS的长期运行过程进行了模拟分析,模拟时仅考虑方解石在水流体中溶解和沉积。模拟结果显示,循环流体的注入温度以及注入流体中的矿物离子浓度的设定十分重要。如果二者没有达到较为合适的“平衡”,就会导致注入井附近渗透率和孔隙率的持续变化,对EGS的导流能力造成极大影响。     

Modeling the coupling between free and forced convection in a vertical permeable slot: Implications for the heat production of an Enhanced Geothermal System

The aim of the hydraulic stimulations in the Soultz-sous-Forêts, France, Enhanced Geothermal System (EGS) project was to create, in crystalline rocks, a fractured reservoir 750 m high, 750 m long and 35 m thick interconnecting the injection and production wells. Increasing the permeability in a zone with a high geothermal gradient will trigger free convection, which will interact with the forced flow driven by pumping. A systematic numerical study of the coupling between forced and free convective flows has been performed by considering a large range of injection rates and Rayleigh numbers. The simulations showed that if there is weak or no free convection in an EGS reservoir, economic exploitation of the system will rapidly end because of a decrease in produced fluid temperature. The maximum injection rate preventing such a temperature drop increases with the Rayleigh number and the height of the stimulated domain. The model establishes constraints on the conditions for achieving optimal heat extraction at the Soultz-sous-Forêts EGS site. It was also shown that, although mineral precipitation may partially close or heal some open fissures, it does not lead to a major decrease of the hydraulic conductivity in the stimulated reservoir.     

地下热流固耦合对EGS热开采的影响

人工热储的孔隙率及渗透率在增强型地热系统（EGS）地下热开采过程中受温度（T）、水力（H）、应力（M）的综合影响。本文建立了EGS热开采过程THM耦合的三维计算模型,并采用局部非热平衡假设处理液岩对流换热。对一理想的五口井EGS系统采热过程进行了THM模拟计算,分析了岩石温度、孔隙压力对岩石应力场的作用机理,进一步研究了应力场对EGS采热性能的影响。结果表明,开采过程中岩石应力场为热储内孔隙压力和温差综合作用的结果,由孔隙压力造成的岩石应力为压应力,仅集中于注入井附近,由岩石温度变化引起的热应力为拉应力,随着热开采区域的扩展而扩展。液−岩温差是触发工质与岩石热交换的动因,同时也是产生热应力的根本。     

西藏羊易EGS开发储层温度场与开采寿命影响因素数值模拟研究

西藏羊易地区具有丰富的地热能,单井开发潜力接近10 MW,对其深部热储进行EGS开采,可缓解西部能源紧缺问题。本文建立二维理想EGS开发模型,探讨深层地热开采过程中开采流量、注采方式、注入温度等参数对热储温度场分布及开采寿命的影响。基于羊易温度信息设计了12个数值模型,对比研究发现,开采流量对EGS开采的影响较大,为保证开采50年内的商业利用价值,最大开采流量应控制在0.028 kg/s以下;考虑到钻井成本,注采方式的选择以高注高采和中注高采为最佳;注入温度对热储开采影响较小,可选择40℃ ~ 80℃之间任意温度的地热尾水进行回灌,实现地热资源梯级利用。     

热储分层影响EGS采热的数值模拟研究

由于岩石构造不同、天然裂隙的差异以及压裂过程的随机性等因素,增强型地热系统（EGS）人工热储通常具有较强的非均质性。探究热储的非均质性对EGS热开采过程的影响,对EGS性能预测与分析评价有重要意义。论文考虑到热储沿深度方向的非均质性,基于等效分层多孔介质物理模型,并使用自主开发的EGS数值模型,模拟了多个具有分层热储EGS的长期运行过程,发现热储深度方向上非均质性对热能的开采影响显著,而流量分布的不均匀性是导致系统采热性能下降的主要原因。为了方便分析和评价,我们建立一种新的定量化描述热储非均质性的方法,然后基于更多的非均质热储EGS算例结果,拟合得到EGS采热性能与热储非均质性的定量关系式。     

A novel flow-resistor network model for characterizing enhanced geothermal system heat reservoir

The fracture characteristics of a heat reservoir are of critical importance to enhanced geothermal systems, which can be investigated by theoretical modeling. This paper presents the development of a novel flow-resistor network model to describe the hydraulic processes in heat reservoirs. The fractures in the reservoir are simplified by using flow resistors and the typically complicated fracture network of the heat reservoir is converted into a flow-resistor network with a reasonably simple pattern. For heat reservoirs with various fracture configurations, the corresponding flow-resistor networks are identical in terms of framework though the networks may have different section numbers and the flow resistors may have different values. In this paper, numerous cases of different section numbers and resistor values are calculated and the results indicate that the total number of flow resistances between the injection and production wells is primarily determined by the number of fractures in the reservoir. It is also observed that a linear dependence of the total flow resistance on the number of fractures and the relation is obtained by the best fit of the calculation results. Besides, it performs a case study dealing with the Soultz enhanced geothermal system (EGS). In addition, the fracture numbers underneath specific well systems are derived. The results provide insight on the tortuosity of the flow path between different wells.