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增强型地热系统： 国际研究进展与我国研究现状
发布时间：2019-05-20 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
增强型地热系统：国际研究进展与我国研究现状
许天福１） ，胡子旭１） ，李胜涛２） ，姜振蛟１） ，侯兆云１） ，李凤昱１） ，梁旭１） ，冯波１）
１）吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春，１３００２１； ２）中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定，０７１０５１ 内容提要：干热岩地热能源已经受到全世界广泛关注。基于干热岩能源的巨大潜力和我国日益增长的能源需 求，近年来，政府、大学、科研院所和企业在干热岩资源勘查、增强型地热（ＥＧＳ）等方面做了许多科学研究与技术开 发。为了促进我国干热岩资源的开发和增强型地热系统（ＥＧＳ）示范场地的建设，本文收集和整理了国内外大量文 献和相关资料，分析了目前国际典型 ＥＧＳ示范场地最新研究动态，总结了２０１３～２０１６年国际上开发最为活跃的 ＥＧＳ场地在开发过程中所取得的经验和教训。结合我国现有 ＥＧＳ场地的具体条件，详细阐述了我国干热岩远景 区存在的问题，并对我国未来干热岩的开发和示范场地的建设提出建议。 关键词：干热岩；增强型地热系统；水力压裂；示范场地；储层刺激 现今，世界能源危机和环境问题日益严峻，发展 储藏量大且环境友好的新型替代能源逐渐受到了各 国政府和科学家的重视。其中，地热资源以其极高 的清洁性，运行稳定性和空间分布的广泛性已成为 世界各国重点研究和开发的新型清洁能源。根据地 热能源产出方式，可以将地热资源划分为水热型地 热资源和干热岩型地热资源（ＷａｎｇＪｉｙａｎｇｅｔａｌ．， ２０１２）。而可以有效开发的水热型地热资源仅占已 探明地 热 资 源 中 的 １０％ 左 右 （ＫａｎｇＬｉｎｇｅｔａｌ．， ２００８），更多的地热能储存于干热岩型地热资源中。 干热岩（ＨｏｔＤｒｙＲｏｃｋ，ＨＤＲ）是指埋藏于地球深 部，内部不存在或仅存在少量流体，温度高于１８０℃ 的异常高温岩体。干热岩的岩性主要是致密变质岩 或花岗岩。保守估计，地壳中可利用的干热岩资源 量大约是地球上所有石油，天然气和煤炭资源量的 ３０倍（ＫａｎｇＬｉｎｇｅｔａｌ．，２００８）。据中国地质科学院 水文地质环境地质研究所２０１２年的调查结果显示： 我国大陆范围内，仅在深度为３．５～７．５ｋｍ 之间，温 度在１５０～２５０℃的范围内，可采出利用的地热能就 相当于我国２０１０年一次能源消耗总量的 ５３００ 倍 （Ｌｉｎ Ｗｅｎｊｉｎｇｅｔａｌ．，２０１２）。 增 强 型 地 热 系 统 （Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＥＧＳ）是开发干热岩型地热资源的有效手 段，其通过水力压裂等储层刺激手段将地下深部低 孔、低渗岩体改造成具有较高渗透性的人工地热储 层，并从中长期经济地采出相当数量的热能并加以 利用 （Ｚｈａｎｇ Ｓｅｎｑｉｅｔａｌ．，２０１７；Ｔｅｓｔｅｒｅｔａｌ．，２００６）。随着研究的不断深入，增强型地热系统的概 念也不仅仅局限于干热岩内，一些传统的地热储层 （如温度较高的富水岩层）也可以经过适当的改造而 形成增强型地热系统加以利用。此外，除了地热发 电，地热系统采出的热量也可为供暖、工厂或生态农 业所用。近年来，雾霾天气在我国不少地区频繁出 现。使用地热资源作为我国北方冬季供暖的能源可 以极大程度上减少化石燃料的使用，在很大程度上 可以缓解我国北方特别是华北地区空气污染和雾霾 问题。 ＥＧＳ的开发和研究工作在国际上已经持续了 ４０多年。早在１９７３年，美国能源部（Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ）在 Ｆｅｎｔｏｎ Ｈｉｌｌ建 立 了 最 早 的 ＥＧＳ 示 范 研 究 场 地 （Ｋｅｌｋａｒｅｔａｌ．，２０１６），而后在英国、法国、日本、德 国和澳大利亚等国家也相继开展了干热岩资源开发 的研究，建立了一批研究试验基地并取得了很多成 果。但目前 ＥＧＳ的开发尚处于现场试验研发阶段其商业性开发还面临着技术、资金、政策和民众接受 程度等诸多方面的挑战。其中，干热岩地热地质勘 查、深部钻探、储层建造、场地的模型建立与多场耦 合数值模拟等，是整个 ＥＧＳ开发中的难点和关键问 题，也是高效开发干热岩资源的关键所在。这些关 键问题的突破，对降低开发成本、减少环境影响和增 加开发安全性、进而推动 ＥＧＳ的发展和商业化开发 具有重要意义。 我国干热岩地热开发研究虽然起步稍晚，但经 过许多科研单位和高等院校多年的努力，近年来也 取得了丰硕的成果。２０１２年，许天福等讨论了增强 型地热系统的基本理念以及国外的发展趋势和关键 技术等，总结和指出了包括靶区评价、地下多场耦合 作用等在内的干热岩开发相关的重大技术问题，为 国内的干热岩开发和研究工作提供了重要的参考依 据和指向作用（ＸｕＴｉａｎｆｕｅｔａｌ．，２０１２）。２０１６年， 许天福等详细分析了国际上重要 ＥＧＳ示范场地建 设和研究过程中所取得的经验和积累的教训，并总 结了我国在干热岩开发方面取得的进展和技术现状 以及未来干热岩开发的研究动态。通过分析美国自 １９７４年以来的干热岩开发过程中具有重大意义和 成果的几个经典工程实例，结合我国的干热岩资源 的赋存条件、开发利用背景以及当前的技术装备条 件，指出了未来研究的重点领域，并给出了重要意见 （ＸｕＴｉａｎｆｕｅｔａｌ．，２０１６ａ，２０１６ｂ）。２０１７年１月，由 国家发改委、国土资源部及国家能源局共同编制的 《地热能开发利用“十三五”规划》发布，《规划》中明 确指出：在“十三五”期间，我国要选择合适的靶区建 设我国首个干热岩研发示范基地。该规划是我国颁 布的第一个关于开发地热资源的规划，标志着我国 对地热资源开发利用的重视程度逐渐增加。鉴于国 际上近几年对干热岩地热资源开发的重视逐渐增 加，得到的成果和发展更是日新月异。最近几年，国 际上在干热岩示范场地上的建设和发展速度更是呈 上升趋势，了解最新的国际发展动态对于我国干热 岩资源的开发显得尤为重要。 为展示、总 结 和 交 流 近 年 来 国 内 外 干 热 岩 和 ＥＧＳ领域的研究成果，探索未来中国干热岩开发所 面临的重大科学、技术和政策问题，２０１６年１０月吉 林大学举办了“干热岩资源和增强型地热国际学术 研讨会”。会议吸引了１００多位国内外干热岩勘查 和 ＥＧＳ工程研究领域的专家学者，针对有关干热岩 开发的相关问题进行了深入交流讨论。会后，通过 对相关资料的收集、整理以及大量的文献检索和阅 读，结合与会专家在会上讲述的国际上最新 ＥＧＳ研 究进展和 ＥＧＳ场地的建设情况，回顾分析了目前国 际典型 ＥＧＳ示范场地建设和最新研究动态，并详细 阐述了国际上三个研究比较活跃的 ＥＧＳ示范场地 近年来的 研 究 进 展 和 现 状，总 结 了 我 国 近 些 年 在 ＥＧＳ热储改造方面取得的经验和教训，为进一步推 动我国干热岩地热资源的开发和建设提供参考和 借鉴。 １ 国外典型 ＥＧＳ示范场地研究进展
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