地热第4课-干热岩概要课件.ppt

1、干热岩地热能的未来中国地质科学院水文地质环境地质研究所王贵玲目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点3(一一)基本概念基本概念 美国科学家根据芬顿山的干热岩研究工作认为干热岩是埋藏美国科学家根据芬顿山的干热岩研究工作认为干热岩是埋藏于距地面于距地面2-3km2-3km以下以下、无裂隙、无流体无裂隙、无流体、自然温度达于、自然温度达于200200的岩体。的岩体。日本科学家根据肘折地区的干热岩研究工作认为只要

2、岩体的日本科学家根据肘折地区的干热岩研究工作认为只要岩体的温度达到温度达到200200，埋藏深度合理埋藏深度合理，内含流体不是太多内含流体不是太多（或者没（或者没有）能用干热岩技术来提取岩体中的热量，就把这种岩体称有）能用干热岩技术来提取岩体中的热量，就把这种岩体称为干热岩。为干热岩。欧洲一些科学家根据法国干热岩研究认为，欧洲一些科学家根据法国干热岩研究认为，埋藏于地面埋藏于地面1km1km以以下，温度大于下，温度大于200200的岩体的岩体就可称为干热岩。条件无需过于严就可称为干热岩。条件无需过于严格。格。1 1 各国对干热岩的定义各国对干热岩的定义美国最早（美国最早（19731973年）称

3、之为年）称之为“热干岩体热干岩体”。日本的钻探发现，深层岩体中有发育有较好的天然裂缝体系，并存在日本的钻探发现，深层岩体中有发育有较好的天然裂缝体系，并存在有地热水，因而又称作有地热水，因而又称作“热湿岩体热湿岩体”。在澳大利亚的试验中，地下岩体要经过人工压裂处理，使其生成裂缝在澳大利亚的试验中，地下岩体要经过人工压裂处理，使其生成裂缝体系，因而叫做体系，因而叫做“热裂岩体热裂岩体”。此外，瑞士称作此外，瑞士称作“深层地热开采深层地热开采”，国际能源机构国际能源机构1978 1978 年发起的研究项目称年发起的研究项目称“人造地热能利用体系人造地热能利用体系”。美国在热干岩体实验项目后，对新开

4、发的这种项目统称美国在热干岩体实验项目后，对新开发的这种项目统称“增强地热系增强地热系统统”。2 2 干热岩概念的发展干热岩概念的发展干热岩（干热岩（HDRHDR），是一般温度大于），是一般温度大于200200，埋深数千米，内部不存在流，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。体或仅有少量地下流体的高温岩体。增强型地热系统（增强型地热系统（EGSEGS）（称工程型地热系统）是通过工程手段开采）（称工程型地热系统）是通过工程手段开采深部岩体热能的技术方法。深部岩体热能的技术方法。干热岩是一种资源增强型地热系统是一种技术目前的定义：目前的定义：3 3 干热岩和增强型地热系统干热岩和

5、增强型地热系统 在高温但无水或无渗在高温但无水或无渗透率的热岩体中，通过透率的热岩体中，通过水力压裂等方法制造出水力压裂等方法制造出一个人工热储，将地面一个人工热储，将地面冷水注入地下深部获取冷水注入地下深部获取热能，通过在地表建立热能，通过在地表建立高温发电站来实现深部高温发电站来实现深部地热能的有效利用。地热能的有效利用。4 4 增强型地热系统增强型地热系统4 4 EGS EGS 技术技术4 4 EGS EGS 应用应用美国Dersertpeak电站2010.9-2011.4间对#27-15进行了储层激发，使发电量提高了1.5MW。美国Geysers地热田近年来发电量稳定，除了通过增加回灌

6、以外，其部分井在2012年采用了EGS储层激发增产技术，进一步增加了储层产量。美国bottlefield地热田电站发电量为10MW，将于2014年由Altarock公司对两个开采井进行激发增产。目前开展的，真正传统概念上的HDR开发工程为位于美国Newberry火山的EGS示范工程项目，主井55-29深部热储温度达325，无流体，2012年对储层进行了激发，今年将继续进行储层激发增产已达到商业开采的目的。目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工

7、程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点资源量巨大、分布广泛。资源量巨大、分布广泛。（初步估算，我国陆区（初步估算，我国陆区3.0-10.0km3.0-10.0km深处干热岩资源为深处干热岩资源为860860万亿吨标准煤燃烧所释放的能量）万亿吨标准煤燃烧所释放的能量）几乎为零排放。几乎为零排放。（无废气和其他流体或固体废弃物，可维持（无废气和其他流体或固体废弃物，可维持对环境最低水平的影响）对环境最低水平的影响）开发系统安全。开发系统安全。（没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或（没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染）伤害性污染）热能连续性好。热能连续性好。（在可再生能源中，只有（在可

8、再生能源中，只有EGSEGS可以提供不间可以提供不间断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响）断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响）经济实惠经济实惠（商业价值可观）（商业价值可观）1 1 干热岩的发展优势干热岩的发展优势 干热岩的热能赋存于各种干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体变质岩或结晶岩类岩体，较常见的岩，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般于热岩上覆盖石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般于热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。有沉积岩或土等隔热层。干热岩主要被用来提取其内部的热量干热岩主要被用来提取其内部的热量,因此其主要的工业指标因此

9、其主要的工业指标是是岩体内部的温度岩体内部的温度。黑云母花岗岩黑云母花岗岩花岗闪长岩花岗闪长岩二长花岗岩（二长花岗岩（soltzsoltz）2 2 干热岩的赋存干热岩的赋存储层温度直接影响储层开发的难易程度和经济性能，目前适合储层温度直接影响储层开发的难易程度和经济性能，目前适合EGSEGS开发的开发的井口温度不低于井口温度不低于150150。普遍认为，普遍认为，深度在深度在4km4km内、温度高于内、温度高于200200的区域是高等级的区域是高等级EGSEGS资资源区。源区。热储的温度和埋深由选址决定，储层选址主要有两种依据。热储的温度和埋深由选址决定，储层选址主要有两种依据。一是选在火山口

10、或破火山口的火山岩岩层边缘（芬登山项目、一是选在火山口或破火山口的火山岩岩层边缘（芬登山项目、肘择肘择,Newberry,Newberry）；）；二是选在废置的矿场或油气田处（罗斯曼奴斯、苏尔茨和二是选在废置的矿场或油气田处（罗斯曼奴斯、苏尔茨和库伯盆地）。库伯盆地）。3 3 干热岩热储指标干热岩热储指标-储层温度和深度储层温度和深度 激发体积控制着储层中热能可被采收出来的比例激发体积控制着储层中热能可被采收出来的比例(称为采称为采收率收率)，是影响热能采收率的重要因素。激发后岩体的渗透，是影响热能采收率的重要因素。激发后岩体的渗透率、孔隙度等参数对热能采收效率影响很大。率、孔隙度等参数对热能

11、采收效率影响很大。用于发电的用于发电的EGSEGS激发体积应达到激发体积应达到0.1km0.1km3 3。4 4 干热岩热储指标干热岩热储指标-储层激发体积储层激发体积 储层的换热面积决定了最终干热岩的发电的装机容量。储层的换热面积决定了最终干热岩的发电的装机容量。井距、井场形式、裂缝长度、宽度和间距最终决定了热储层井距、井场形式、裂缝长度、宽度和间距最终决定了热储层的有效换热面积。的有效换热面积。增强型地热系统的一个关键工艺就是通过储层的激发来增强型地热系统的一个关键工艺就是通过储层的激发来创建创建不低于不低于100100万万m m2 2的有效换热面积的有效换热面积。5 5 干热岩热储指标干

12、热岩热储指标-储层换热面积储层换热面积 储层水流阻力是储层水流阻力是EGSEGS裂隙储层通过单位流量的压力降值，裂隙储层通过单位流量的压力降值，是衡量是衡量EGSEGS储层性能的关键指标之一。储层性能的关键指标之一。储层阻力和储层的低渗透率密切相关。储层的渗透率由压储层阻力和储层的低渗透率密切相关。储层的渗透率由压裂裂隙的宽度和联通程度决定。裂裂隙的宽度和联通程度决定。通过压裂使裂隙联通，隙宽变大，可以大幅度减少储层通过压裂使裂隙联通，隙宽变大，可以大幅度减少储层水流阻力。水流阻力。理想理想EGSEGS流体阻力应小于流体阻力应小于0.1Mpa/kg/s0.1Mpa/kg/s。6 6 干热岩热储

13、指标干热岩热储指标-储层水流阻力储层水流阻力 储层水流损失是指注入储层的水流流向储层外围地层而无储层水流损失是指注入储层的水流流向储层外围地层而无法从生产井产出的现象。法从生产井产出的现象。水流短路是注入储层的水流没有充分停留在储层中被加水流短路是注入储层的水流没有充分停留在储层中被加热而直接从生产井产出的现象。热而直接从生产井产出的现象。水流损失可能否定系统的经济性能和环境影响结论水流损失可能否定系统的经济性能和环境影响结论;而而水流短路形成后需要废弃已经激发的岩体体积中很大的一部水流短路形成后需要废弃已经激发的岩体体积中很大的一部分，会给后续钻井和激发造成困难。分，会给后续钻井和激发造成困

14、难。理想理想EGSEGS的水耗应小于的水耗应小于10%10%。7 7 干热岩热储指标干热岩热储指标-储层水流损失与短路储层水流损失与短路目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点 最早对干热岩进行研究的国家是最早对干热岩进行研究的国家是美国美国。19741974年年,美国洛斯美国洛斯阿拉莫斯国家实阿拉莫斯国家实验室在验室在美国新墨西哥州美国新墨西哥州的的芬顿山芬顿山钻了第一眼深井钻了第一眼深井,拉开了干热岩

15、研究的序幕。拉开了干热岩研究的序幕。19871987年年,法、德、英三国共同参与在法国的法、德、英三国共同参与在法国的苏尔士地区苏尔士地区开展了规模较大的开展了规模较大的干热岩生产实验研究干热岩生产实验研究,使干热岩资源开发技术逐步趋于成熟，该工程目前仍在运行。使干热岩资源开发技术逐步趋于成熟，该工程目前仍在运行。90 90年代年代,干热岩技术已进入了实际应用阶段干热岩技术已进入了实际应用阶段,日本日本科学家取得了比较好的成科学家取得了比较好的成绩。绩。19961996年年,肘折肘折地区已开始发电运行。地区已开始发电运行。另外另外,世界上许多其他国家世界上许多其他国家,如如澳大利亚、新西兰、瑞

16、士、俄罗斯澳大利亚、新西兰、瑞士、俄罗斯等等,也在也在9090年代开始了干热岩的预研究与开发的技术准备工作。年代开始了干热岩的预研究与开发的技术准备工作。1 1 干热岩工程的发展干热岩工程的发展美国芬登山项目研究与开发经历了两个主美国芬登山项目研究与开发经历了两个主要阶段，分别针对深度为要阶段，分别针对深度为28002800和和35003500两个独立的干热岩储层。两个独立的干热岩储层。最深钻孔达最深钻孔达4500 m 4500 m，岩体温度为，岩体温度为330330，热交换系统深度为热交换系统深度为3600 m3600 m，发电量由最初，发电量由最初的的3MW 3MW 到最后的到最后的10M

17、W10MW。第一段第一段:2.7-2.9 km:180-200:2.7-2.9 km:180-200C C第二段第二段:3.5-4.2 km:240-310:3.5-4.2 km:240-310C C2 USA2 USA（1972-19961972-1996）政策支持政策支持美国能源部推出了一项“地热技术和发展行动计划”（GTP），用于推动地热能的勘探和开发。仅在2008年，美国能源部就为地热能开发筹集了3.68亿美元的资金。在庞大的GTP计划中包含数十个技术项目，其中，又以“增强地热系统（EGS）”是最为主要的发展目标。2 USA2 USA（1972-19961972-1996）纽贝里火山纽

18、贝里火山EGSEGS的开发的开发第一阶段第一阶段(2010-2011)数据分析低压注水试验，成像测井(BHTV)，压力温度水文测试 水力增产措施规划和模拟公共宣传活动诱发地震计划环境许可证第二阶段第二阶段(2012-2014)地震传感器安装NWG 55-29 水力增产措施 生产井开发测试第三阶段第三阶段(2016)大规模发电1990 1990 年，在日本的肘折地区进行了年，在日本的肘折地区进行了干热岩试验，称为干热岩试验，称为“肘折工程肘折工程”，目，目的是研究适合于干热岩发电的关键技的是研究适合于干热岩发电的关键技术。术。先后钻探了先后钻探了HDR-1,HDR-2,HDR-3HDR-1,HD

19、R-2,HDR-3等等生产井，生产井，井间距为井间距为50-130 m。在在19911991年进行了一个注入井与年进行了一个注入井与3 3个生个生产井的综合地下水循环实验产井的综合地下水循环实验，在，在9090天天循环实验中，循环实验中，生产水温度为生产水温度为150-150-190190。流体回收率为。流体回收率为78%78%。利用双工质循环发电利用双工质循环发电130 kW 130 kW。3 JAPAN3 JAPAN（1985-20021985-2002）1986 1986 年法国、德国在苏尔士开展岩体热能年法国、德国在苏尔士开展岩体热能利用项目。利用项目。第一阶段（第一阶段（198719

20、8719921992年）钻了两个年）钻了两个2000m2000m的浅井，对花岗岩上部进行了测试。的浅井，对花岗岩上部进行了测试。第二阶段（第二阶段（1992199219991999年），对深度年），对深度3-3-3.5km3.5km温度达到温度达到160160 的双井热储系统继续的双井热储系统继续了激发。了激发。第三阶段（第三阶段（1999199920092009年）对深度年）对深度444.5km4.5km温度达到温度达到200200 的三井热储系统继续的三井热储系统继续了激发。了激发。第四阶段（第四阶段（2009200920082008年）循环发电，评年）循环发电，评价了价了4-4.5km4

21、-4.5km储层的长期性能。发电量达到储层的长期性能。发电量达到1.5MW1.5MW。500040003000200010000Measured depth(m)200150100500Temperature(C)111/km5/km30/kmReservoir temperature profile GPK1-3600 m:May 1993 GPK2-5000 m:Feb 20004 FRANCE4 FRANCE（since 1987since 1987）25法国苏尔茨地热田2620032003年，年，“地球动力地球动力”公司在公司在南澳大利亚南澳大利亚CooperCooper盆地的沙漠盆地

22、的沙漠中，钻探出了中，钻探出了2 2个深度达个深度达4500m4500m的深孔。的深孔。20082008年，又完成了钻孔年，又完成了钻孔“Habanero-3Habanero-3”并进行钻孔流并进行钻孔流动试验。动试验。20092009年年1 1月，建成一座月，建成一座1000kW 1000kW 的示范电站，专为建站地点的的示范电站，专为建站地点的小镇供电。准备小镇供电。准备3 3年后再钻年后再钻9 9眼眼深井，建成一座深井，建成一座5 5万万kWkW的干热的干热岩发电站。岩发电站。预计到预计到20162016年支持大约年支持大约1 1万万MWMW的发电能力。的发电能力。5 AUSTRALIA

23、5 AUSTRALIA（since 2003since 2003）典型典型EGSEGS储层的性能试验结果储层的性能试验结果世界主要发达国家世界主要发达国家EGS/HDREGS/HDR项目一览表项目一览表目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点 1 干热岩的分布干热岩的分布中国新生代活火山分布中国新生代活火山分布五大连池五大连池长白山长白山阿尔山阿尔山 大同大同蓬莱蓬莱台湾台湾 海南 腾冲腾冲广州 长期长期

24、无处不在无处不在深度深度3-10km3-10km 目前技术条件目前技术条件中新生代酸性岩体中新生代酸性岩体有覆盖层有覆盖层大地热流高大地热流高居里面深度浅居里面深度浅地温梯度大于地温梯度大于40/km40/km深度深度3-5km3-5km2 干热岩的埋藏特征干热岩的埋藏特征早中燕山期以来中酸性侵入岩体分布区（红色标注）中生代以来主要酸性侵入岩体分布区（红色标注）3注：利用热流数据注：利用热流数据973个个 大地热流空间变化与居里面埋深大地热流空间变化与居里面埋深 居里面深度温度为578.大陆地区最浅为17km.-剖面（3560km）（喀什-谷露-阳江）谷露、阳江、漳州、腾冲、咸阳均位于大地热流

25、值高且居里面埋深浅的地方，同时这些点附近都伴随着新生代以来的新的活动断裂，是典型的地热显示区，为我们干热岩研究的重点研究靶区-剖面（1370km）（北海-福州）赤峰、五大连池属于大地热流值偏小而居里面埋深较浅的部位，这些地方热流特别容易受构造运动和幔源热流的影响，虽然热流在地表没有足够的显示但一般具有较大的地温梯度，可能是干热岩潜在的开发靶区。剖面（3835km）（腾冲-五大连池）咸阳、南京属于大地热流值高而居里面埋深大的地方，这些地方一般都具有第四系覆盖层较大，地温梯度较小的特点，深部热源向上传导在覆盖层因热导率变小而使热流聚集形成高热流特征-剖面（4375km）(塔什库尔干-南京)1 1、

26、东南沿海热结构分析、东南沿海热结构分析 4 重点地区深部热结构图重点地区深部热结构图东南沿海地温梯度图东南沿海为燕山期花岗岩，岩体放射性产热较大，占热流总量东南沿海为燕山期花岗岩，岩体放射性产热较大，占热流总量60%60%，5km5km深度温度可达深度温度可达195195，盖层厚度盖层厚度300m300m。51东南沿海三维温度图4km深度温度深度温度漳州漳州165 福州福州180 18km深度温度深度温度福州福州555 大田大田570 基于热传导基于热传导理论的温度理论的温度场模型场模型180165555540570135羊八井地热田地温梯度在羊八井地热田地温梯度在2300m2300m以上逐渐

27、增大，超过以上逐渐增大，超过2300m2300m后地温梯度逐后地温梯度逐渐减小；从大地热流来看幔源热流所占比例为渐减小；从大地热流来看幔源热流所占比例为53.7%53.7%。2 2、西藏羊八井热结构分析、西藏羊八井热结构分析羊八井三维温度图370440430450460510500480510520羊八井羊八井羊八井羊八井羊八井羊八井目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点耙区定位高温钻探完井压裂，热储建

28、造监测：微震+应力+温度 1 关键技术关键技术耙区定位高温钻探完井压裂，热储建造监测：微震+应力+温度 1 关键技术关键技术 地温、大地热流（深部地温的测定和推算）地温、大地热流（深部地温的测定和推算）综合地球物理勘查技术（解译深部热结构）综合地球物理勘查技术（解译深部热结构）（MTMT、重力探测、航磁、地震、）、重力探测、航磁、地震、）靶区评价靶区评价指标指标体系体系 （温度、应力场、岩性、地层、水电）（温度、应力场、岩性、地层、水电）干热岩可采资源潜力评估干热岩可采资源潜力评估 (资源潜力评价模型资源潜力评价模型)靶区定位靶区定位 钻井井控 欠平衡钻井技术 高温钻井泥浆技术 定向井技术 井

29、压裂技术 高温固井技术 高温碎岩工具高温地热钻采关键技术高温地热钻采关键技术 压裂方案（根据储层应力状态确定压力大小、深度、时间）压裂工艺（如何实现多储层激发）化学激发技术（增加储层渗透性）水力激发原理压裂技术压裂技术压裂现场S SHminHminS SHmaxHmaxFracture orientation裂隙产生方向 微震监测（地表、地下）微震监测仪的布设 微地震的实时解译方法 微震事件与裂隙关系研究 微震对周围环境的影响微震监测云监测解译技术监测解译技术微震接收器信号传输系统 温度、压力监测 （压裂过程中储层温度压力的实时监测）高温井下监测探头 解译储层激发的深度监测解译技术监测解译技术

30、温度突变点为储层结构流体段10kg/s10kg/s5kg/s5kg/s5kg/s5kg/sT TDepthDepthFractureFracturedepthdepth 储层应力状态监测（最大、最小主应力大小、方向）岩体剖坏分析（剪切破坏）传统示踪剂 （激发前判断储层渗透性）热反应示踪剂（随温度衰变）（激发后判断储层有效的换热面积、评价激发效果）单孔示踪技术 示踪技术示踪技术 地热基础 地球物理 岩石力学 构造学 材料学 水文地质学 水动力学 水文地球化学 发电工程 2 学科及方向学科及方向目目 录录五、干热岩勘查开发关键技术五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力四、我国干热岩

31、资源分布及潜力六、六、EGS的未来的未来一、基本概念一、基本概念三、国际三、国际EGS工程工程 二、干热岩的特点二、干热岩的特点未来10-15年，EGS投入商业性运营至2050年EGS提供美国10万兆瓦的基本负荷发电量。美国美国MITMIT报告提出：报告提出：装机量（装机量（MWeMWe）电价（美分电价（美分/kWh/kWh）四井模式，开采最大流量为四井模式，开采最大流量为80L/s80L/s情况下电价与装机容量关系图情况下电价与装机容量关系图 1 干热岩开发利用前景干热岩开发利用前景装机量（装机量（MWeMWe）市场电价市场电价EGSEGS工程折算电价工程折算电价EGSEGS装机量装机量电价（美分电价（美分/kWh/kWh）时间（年）时间（年）注：四井模式（一个注水、三个开采），开采最大流量为注：四井模式（一个注水、三个开采），开采最大流量为80L/s80L/s，热提取率，热提取率每年下降每年下降3%3%，垂向，垂向1km1km储层开采时间为储层开采时间为6 6年后重新激发。年后重新激发。5050年年EGSEGS示范工程总发电量和平均电价曲线示范工程总发电量和平均电价曲线 2 我们的目标我们的目标让我们携手创造更加清洁的世界!