中科院干热岩热储改造技术研发取得进展

干热岩被认为是很有战略潜力的替代能源，开发利用价值很高，不用担心对环境会造成什么问题。

       那么何为干热岩？根据国家能源局发布的中华人民共和国能源行业标准《NB/T 10097-2018 地热能术语》指出，干热岩(hot dry rock)，不含或仅含少量流体，温度高于180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。增强地热系统(EGS, Enhanced Geothermal System)，也称工程地热系统，为利用工程技术手段开采干热岩地热能或强化开采低孔渗性热储地热能而建造的人工地热系统。

       资料显示：中国大陆3.0-10.0千米深处干热岩资源量约合856万亿吨标煤，占世界资源量的六分之一左右。资源潜力巨大，有望成为战略性接替能源。干热岩资源类型较多，广泛分布于青藏高原、松辽盆地、渤海湾盆地、东南沿海等地。

       近日，中国科学院官网、中国科学院官方微博“中科院之声”发布了中科院武汉岩土所在干热岩热储改造技术研发中取得进展的消息。我国中深层地热开发的两类基本热储包括传统的水热型和干热岩型。干热岩与天然气水合物被并称为具有重要意义的未来能源，但高效开发干热岩中的能源具有挑战性。

      文章指出，能否开发干热岩取决于建立大体积人工热储（>1km³）的能力，其需要产生大规模的裂隙网络，既保证有大面积的换热通道进行长期的热能提取，又避免采热井发生过早的热突破而导致采热效率降低。在深井（约>5000米）、高温（>150°C）和高地应力的硬岩（即花岗岩）中建造复杂的裂缝网络，取决于压裂前地层中天然裂缝分布、地温场、应力场和岩石物性等特征和热储激发技术和激发方案。

      水力压裂改造前干热岩储层中裂缝系统分布和地温场的合理表征，影响热储激发中裂缝的扩展和裂缝网络的构建，中国科学院武汉岩土力学研究所结合基于多源数据（包括地震、测井、钻井等）融合的地质建模和参数随机反演，提出强边界约束的区块尺度热储预测方法，为热储的水力压裂改造提供地质模型。

      文章指出，研究人员与重庆大学合作开发出基于FLAC3D平台的裂隙岩体多物理场耦合的水力裂缝扩展三维数值仿真模拟程序，可实现在不同级别天然裂缝和非均质性地层中水力裂缝的扭转、相交和穿越等的数值模拟；开发的基于CPU和GPU异构的并行计算程序，可实现多物理场强耦合条件下百万级自由度数值仿真计算的高效和精确求解，已应用于复杂天然裂缝存在条件下干热岩和页岩等的水力压裂储层改造二维和三维数值模拟研究中，实现干热岩水力压裂储层改造效果快速产能评价的仿真模拟。

      针对传统单一水力压裂技术难以在干热岩内建立有效裂缝网络的难题，研究人员提出冷水交替热刺激-基质化学刺激-水力压裂联合的复合热储体积改造技术，揭示热刺激、化学刺激对干热岩微观损伤的破坏机理，热刺激和基质化学刺激可使干热岩的渗透能力提高5个数量级以上，且力学强度具有不同程度损伤。在复合刺激工艺流程方面，可先冷水交替循环注入刺激使压裂井段周围产生热破裂，低温下注入土酸进行酸化刺激以扩大微破裂的区域，继而开展高压水力压裂改造形成主裂缝和次级裂缝区，进一步开展长时间的低压水力压裂，以增大刺激裂缝和微裂缝通道。目前，干热岩复合热储刺激工艺处于实验室研发阶段，下一步研究人员将在场地开展实验研究。

图1.不同底边界约束条件下区块尺度含复杂裂缝的热储层热模拟与实测数据的比较

图2.不同水力压裂改造方式在含天然裂缝岩体中产生的二维裂缝网络

图3.含天然裂缝岩体中地应力对水力压裂改造形成的三维裂缝网络形态的影响

图4.不同水力压裂改造形成的裂缝网络系统的地热开采温度场变化

图5.热刺激和化学刺激引起的干热岩渗透性能变化和力学强度损伤特征

      相关研究成果发表在Geothermal Energy和Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等上，武汉岩土所副研究员刘贺娟为论文第一作者。

                                                                                                （本文来源：地热加APP、武汉岩土力学研究所）