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。      

岩浆侵入对煤与瓦斯突出的影响研究

为了解决岩浆侵入区域煤与瓦斯突出问题,采用瓦斯地质分析方法,从侵入规律及产状的角度研究,提出了岩浆侵入对煤矿安全生产的主要影响因素,为今后该领域煤与瓦斯突出防治提供了理论指导,更好地保证了煤矿安全生产的顺利进行。     

集贤煤矿9#煤层西二采区瓦斯赋存特征分析

瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体,其生成、运移、保存都受控于地质构造,是地质作用的结果。为了研究集贤煤矿9#煤层西二采区的瓦斯赋存特征,运用瓦斯赋存构造逐级控制理论,并结合实测的煤层瓦斯含量,分析了地质构造对瓦斯赋存的控制作用,以及顶底板、埋深、上覆基岩厚度等地质因素对瓦斯赋存的影响,认为上覆基岩厚度是影响集贤煤矿9#煤层西二采区瓦斯赋存的主控因素,煤层瓦斯含量随上覆基岩厚度增加而明显增大,以此绘制了瓦斯含量趋势等值线,更加直观地反映瓦斯赋存特征。     

低温通风环境下高温隧道温度场和应力场的演化规律研究

为了保障川藏铁路高温段隧道安全施工和长久运营,采用ＲＦＰＡ2Ｄ－Ｔｈｅｒｍａｌ热－固耦合模型,对低温通风环境下高温隧道的温度场和应力场演化规律以及隧道围岩的损伤破坏机理进行了研究。结果表明:低温通风环境下,高温隧道围岩温度迅速下降,岩体冷却收缩诱发的温度应力会造成岩体自身的损伤,从而萌生损伤裂缝;随着通风时间的增加,损伤裂缝会逐渐向岩石内部扩展;隔热层可以有效减弱低温风流所诱发的损伤作用;增加隔热层厚度和降低隔热层的导热系数,均能增强隔热层的隔热效果。该研究结果可以为川藏铁路隧道隔热层优化设计提供参考。     

集贤煤矿瓦斯赋存规律分析

为了研究集贤煤矿瓦斯赋存规律,运用瓦斯地质理论、瓦斯赋存构造逐级控制理论,将集贤井田划分为浅部瓦斯风化带和深部瓦斯带。在浅部区域,以现场测试及理论推导为依据,推测了煤层埋深450～500 m为集贤井田瓦斯风化带下部边界,并进行了生产验证;在深部区域,首先通过建立数据模型,找出了瓦斯随煤层埋深变化的一般性规律,然后通过瓦斯地质的方法,研究分析了岩浆活动、褶皱构造等地质因素对瓦斯赋存的影响,划分了瓦斯富集区。     

深地热开采热能提取效率研究及对EGS-E的启示

深地热资源因其储量大、清洁、可持续等优点在近年受到广泛关注。不同的深地热开发系统具有不同的热储改造方式,而这些热储改造方式决定了其与流体工质的换热效率及采热量。通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件系统对比了高渗透率、贯穿裂隙（管道）、随机裂隙和随机裂隙+贯穿裂隙热储模型的热能提取效率,研究了水力作用、热力作用和热储裂缝间距对裂隙开度的影响。研究结果表明高渗透热储的热能提取效率最高,其次是随机裂隙热储,随后是随机裂隙+贯通裂隙热储,最小的是贯通裂隙（管道）热储。热储裂隙开度演化受基岩冷却收缩和裂隙流体压力的竞争影响。增加基岩的冷却收缩和裂隙流体压力均能提升总裂隙开度;但是当基岩冷却收缩起主导作用时（热力作用）,系统的注入能力提升;而当裂隙流体压力起主导作用时（水力作用）,系统的注入能力降低。减小裂隙间距可以显著增加裂隙的热力作用开度和总开度。当裂隙间距减小到50 m时,热力作用开度增加为水力作用开度的4.8倍。因此对EGS-E（基于开挖的增强型地热系统）的主要启示为:（1）通过优化爆破或水力压裂等工艺参数,使崩落的干热岩尽量破碎,形成高渗透率热储,可大幅增加热交换面积,提高热能提取效率和采热量;（2）在EGS-E热储分层致裂中,应尽量减小层间距,进而增加热储的整体裂隙开度,达到提高换热效率的目的。      

新兴煤矿22号煤层瓦斯赋存影响因素分析

为了研究新兴煤矿地质构造对瓦斯赋存的控制作用,以瓦斯地质原理为基础,采用瓦斯赋存构造逐级控制理论方法,以煤层厚度、煤层埋藏深度、断层性质和凝灰岩厚度等影响因素为依托,建立了煤层瓦斯与地质影响因素相互关系的多元回归数学模型,并得出与实际值比较接近的预测值.研究结果表明:煤层埋藏深度是影响新兴煤矿22号煤层瓦斯含量的主控因素;上覆凝灰岩对煤层瓦斯保存起到了积极作用;NW-NWW向断层附近容易发生煤与瓦斯动力现象.     

深部矿产与地热资源协同开采模式

为了解决深部矿产资源开采所面临的高温问题,降低深部地热开采成本,以基于开挖的增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems Based on Excavation Technology, EGS-E）为基础,提出了一种 矿产与地热资源协同开采模式。该模式以围岩温度为标尺,将地质资源类型分为低温资源（50 ℃以下）、中温资源（50~100 ℃）和高温资源（100 ℃以上）,对应的开采模式分别为低温矿产开采模式,中温“热矿 共采”模式和高温地热开采模式。低温资源采用传统的矿产开采模式,以矿产资源开采为主。中温资源采用先采热后采矿的热矿共采模式,在对中温型地热资源进行利用的同时,可增加可采矿产资源储量。高温资源 采用基于开挖的增强型地热系统（EGS-E）,采用独特的热储致裂和热能交换技术实现地热资源大规模开采。研究表明：热矿协同开采模式将传统采矿技术与增强型地热系统相结合,既能消除中高温区域的热害影响, 保证矿产资源安全开采,又能实现中温区域地热资源利用以及高温区域地热资源大规模开采;该模式以中高温地热资源的开采弥补矿产资源开采因温度升高引起的成本激增,同时以低温区域矿产资源开采缓解深部地 热资源开发的巨额投资压力,为深部矿产和地热资源安全高效开发提供了一种新的方案。