地热第4课-干热岩概要

目 录
一、基本概念 二、干热岩的特点 三、国际EGS工程 四、我国干热岩资源分布及潜力
五、干热岩勘查开发关键技术
六、EGS的未来
1 干热岩工程的发展
最早对干热岩进行研究的国家是美国。1974年, 美国洛斯〃阿拉莫斯国家实
验室在美国新墨西哥州的芬顿山钻了第一眼深井, 拉开了干热岩研究的序幕。 1987年, 法、德、英三国共同参与在法国的苏尔士地区开展了规模较大的 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。 90年代,干热岩技术已进入了实际应用阶段, 日本科学家取得了比较好的成 绩。1996年, 肘折地区已开始发电运行。 另外, 世界上许多其他国家,如澳大利亚、新西兰、瑞士、俄罗斯等, 也在 90年代开始了干热岩的预研究与开发的技术准备工作。
谷露、阳江、漳州、腾冲、咸阳均位于大地热流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
Ⅱ-Ⅱ剖面（1370km）（北海-福州）
Ⅲ—Ⅲ剖面（3835km）（腾冲-五大连池）
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。
4 FRANCE（since 1987）
• • 1986 年法国、德国在苏尔士开展岩体热能 利用项目。 第一阶段（1987～1992年）钻了两个2000m 的浅井，对花岗岩上部进行了测试。
Measured depth (m)
1000 0 0 50
Temperature ( C)
100
150
200
大地热流高
居里面深度浅
地温梯度大于40℃/km
深度3-5km
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
大地热流空间变化与居里面埋深
注：利用热流数据973个
居里面深度温度为578℃.大陆地区最浅为17km.
Ⅰ-Ⅰ剖面（3560km）（喀什-谷露-阳江）
水流阻力。理想EGS流体阻力应小于0.1Mpa/kg/s。
7 干热岩热储指标-储层水流损失与短路
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。
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。 水流损失可能否定系统的经济性能和环境影响结论; 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 分，会给后续钻井和激发造成困难。 理想EGS的水耗应小于10%。
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 录
一、基本概念 二、干热岩的特点 三、国际EGS工程
四、我国干热岩资源分布及潜力 五、干热岩勘查开发关键技术
六、EGS的未来
(一) 基本概念
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1 各国对干热岩的定义
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2-3km以下、无裂隙、无流体、自Hale Waihona Puke Baidu温度达于200℃ 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岩体的
Reservoir temperature profile 111 /km
• 第二阶段（1992～1999年），对深度33.5km温度达到160 ℃的双井热储系统继续 了激发。 • 第三阶段（1999～2009年）对深度4— 4.5km温度达到200 ℃的三井热储系统继续 了激发。 • 第四阶段（2009～2008年）循环发电，评
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
不低于100万m 的有效换热面积。
2
6 干热岩热储指标-储层水流阻力
储层水流阻力是EGS裂隙储层通过单位流量的压力降值， 是衡量EGS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
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
• 2008年，又完成了钻孔
“Habanero-3”并进行钻孔流 动试验。 • 2009年1月，建成一座1000kW 的示范电站，专为建站地点的 小镇供电。准备3年后再钻9眼 深井，建成一座5万kW的干热 岩发电站。 • 预计到2016年支持大约1万MW 的发电能力。
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典型EGS储层的性能试验结果
2 USA（1972-1996）
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。
纽贝里火山EGS的开发
2000
5 /km
3000
4000
30 /km
GPK1-3600 m: May 1993 GPK2-5000 m: Feb 2000
价了4-4.5km储层的长期性能。发电量达到
1.5MW。
5000
法国苏尔茨地热田
25
5 AUSTRALIA（since 2003）
• 2003年，“地球动力”公司在 南澳大利亚Cooper盆地的沙漠 中，钻探出了2个深度达4500m 的深孔。
基于热传导 理论的温度 场模型
135
180
4km深度温度 漳州>165 ℃ 福州>180 ℃
165
555
18km深度温度 福州>555 ℃ 大田>570 ℃
540
570
东南沿海三维温度图
51
2、西藏羊八井热结构分析
羊八井地热田地温梯度在2300m以上逐渐增大，超过2300m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53.7%。
库伯盆地）。
4 干热岩热储指标-储层激发体积
激发体积控制着储层中热能可被采收出来的比例(称为采
收率)，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。
用于发电的EGS激发体积应达到0.1km3。
5 干热岩热储指标-储层换热面积
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 的有效换热面积。
世界主要发达国家EGS/HDR项目一览表
目 录
一、基本概念 二、干热岩的特点 三、国际EGS工程
四、我国干热岩资源分布及潜力 五、干热岩勘查开发关键技术
六、EGS的未来
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干热岩的分布
中国新生代活火山分布
阿尔山
五大连池
长白山 大同 蓬莱
台湾 腾冲
广州 海南
2
干热岩的埋藏特征
长期 无处不在 深度3-10km 目前技术条件 中新生代酸性岩体 有覆盖层
五、干热岩勘查开发关键技术
六、EGS的未来
1 干热岩的发展优势
资源量巨大、分布广泛。（初步估算，我国陆区3.0-10.0km 深处干热岩资源为860万亿吨标准煤燃烧所释放的能量） 几乎为零排放。（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） 开发系统安全。（没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或 伤害性污染） 热能连续性好。（在可再生能源中，只有EGS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） 经济实惠（商业价值可观）
干热岩是一种资源 增强型地热系统是一种技术
4 增强型地热系统
在高温但无水或无渗 透率的热岩体中，通过 水力压裂等方法制造出 一个人工热储，将地面 冷水注入地下深部获取 热能，通过在地表建立 高温发电站来实现深部 地热能的有效利用。
4 EGS 技术
4 EGS 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。
2 干热岩的赋存
干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体，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 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, 因此其主要的工业指标 是岩体内部的温度。
黑云母花岗岩
花岗闪长岩
二长花岗岩（soltz）
3 干热岩热储指标-储层温度和深度
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 EGS开发的井口温度不低于150℃。


普遍认为，深度在4km内、温度高于200℃的区域是高等级EGS资
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。


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,Newberry）； 二是选在废置的矿场或油气田处（罗斯曼奴斯、苏尔茨和
2 USA（1972-1996）
• 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2800ｍ和3500ｍ 两个独立的干热岩储层。 • 最深钻孔达4500 m ，岩体温度为330℃， 热交换系统深度为3600 m，发电量由最初 的3MW 到最后的10MW。 • • 第一段: 2.7-2.9 km: 180-200°C 第二段: 3.5-4.2 km: 240-310°C
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(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(2016)
大规模发电
3 JAPAN（1985-2002）
……
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 录
一、基本概念 二、干热岩的特点 三、国际EGS工程 四、我国干热岩资源分布及潜力
Ⅳ-Ⅳ剖面（4375km）(塔什库尔干-南京)
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
4
重点地区深部热结构图
1、东南沿海热结构分析
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60%， 5km深度温度可达195℃，盖层厚度300m。
• 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
统”。
3 干热岩和增强型地热系统
目前的定义：
• 干热岩（HDR），是一般温度大于200℃，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。 • 增强型地热系统（EGS）（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。
羊八井
370
450
460
440 430
羊八井
510 510 520 羊八井 480 500
• 1990 年，在日本的肘折地区进行了 干热岩试验，称为“肘折工程”，目 的是研究适合于干热岩发电的关键技 术。 • 先后钻探了HDR-1, HDR-2, HDR-3等 生产井，井间距为50-130 m。 • 在1991年进行了一个注入井与3个生 产井的综合地下水循环实验，在90天 循环实验中，生产水温度为150190℃。流体回收率为78%。 利用双工质循环发电130 kW 。
温度达到200℃，埋藏深度合理，内含流体不是太多（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 为干热岩。
欧洲一些科学家根据法国干热岩研究认为，埋藏于地面1km以
下，温度大于200℃的岩体就可称为干热岩。条件无需过于严 格。
2 干热岩概念的发展
• 美国最早（1973年）称之为“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 有地热水，因而又称作“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 体系，因而叫做“热裂岩体”。 • 此外，瑞士称作“深层地热开采”， • 国际能源机构1978 年发起的研究项目称“人造地热能利用体系”。