干热岩及其开发技术(1)

干热岩及其开发技术（ 1）

胡经国

一、广义与狭义干热岩

1、干热岩一般定义

众所周知，地球内部蕴藏着巨大的能量，地心温度高达 6000℃。地球通过 火山、地震、地热等方式源源不断地释放着内部的能量。干热岩（ Hot Dry Rock，HDR ）是地球内部热能的一种赋存介质。自 20 世纪 70 年代美国 Los Alamos 国家实验室提出干热岩地热能的概念以来，干热岩的定义也在不断地发 展。在最新的《地热能术语》中，干热岩被定义为：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。

2、广义与狭义干热岩定义 另外，考虑其客观性、科学性、可行性和经济

性，干热岩的基本含义可分 为广义干热岩和狭义干热岩两类。

广义干热岩是指流体含量很少、温度为 150～ 400℃的储热岩体。 狭义干热岩必须考虑地热能发电的经济性和可行性，主要是指流体含量 少、埋深为 3～8千米、温度为 200～350℃的储热岩体。其岩性主要是各种变质 岩或结晶岩体，较常见的干热岩体有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。

二、干热岩开发利用潜力

1、干热岩开发利用潜力概述 干热岩资源就是存在于岩体中的热量资源。

人们通常通过温度对干热岩体 中的热量资源量进行评估。那么，干热岩体中赋存的热量究竟有多大？以一个 边长为 1 千米、温度为 200℃的高温岩体为例，其温度下降 10℃所释放的热量 可实现发电量约为 1000万MWh ，可满足 2000万平方米 1 年的建筑供暖需求。

在地下达到一定的深度以后，这样的高温岩体无处不在，可以说干热岩资 源的潜力是巨大的。目前，限制干热岩开发主要是技术问题。但是，就现阶段 而言，由于技术和手段等限制，能被人类所揭露及开发利用的干热岩资源主要 集中在埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的地下干热岩体。

据保守估计，地壳中干热岩（通常指 3～ 10 千米深处）所蕴藏的能量相当 于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的 30 倍。

2、中国干热岩开发利用潜力

3～10千米深处的干热岩资源

总量为 2.5 ×1025 J，相当于 856万亿吨标煤）；若能开采出 2％，则相当于中国 2015 年全国一次性能耗总量的 4400倍。

中国地质调查局的评价数据显示，中国大陆

中国科学院地质及地球物理研究所也对中国大陆 3～10 千米深处的干热岩 资源进行了评价，得出的结论是 2.09 ×1025 J，相当于 715 万亿吨标煤。相近的 数字印证了

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中国干热岩地热资源开发利用的广阔前景。

三、干热岩地热能开采方式

1、最简单的开采方式 钻个几千米深的钻井，然后在井底安放炸药，把周围

的岩石炸成粉末，并 在远处岩石中造成无数细小的裂隙；然后，向钻井中注入冷水，冷水在干热岩 中被加热，然后把热水抽取上来。

这种开采方式简单粗暴，技术低下，目前没有哪个国家使用。

2、最难的开采方式 在干热岩中先钻第一口钻井，然后注入高压水。 高温干

热岩遇水后，由于热胀冷缩以及高压作用因而会产生无数细小的裂 隙，高压水进入裂隙并继续前进；然后，在距离这口钻井几百米的地方再钻第 二口钻井抽取热水。 这种方式的好处显而易见，它大大地增加了干热岩与水的热交换面积；然 而这种方式充满挑战。

比如说，在第一口钻井中注入高压水后，这些高压水朝正东方向运移；但 是，如果在东北边钻第二口井时没有如期抽上来热水，你在东南边钻第三口井 时还是没有抽上来热水，那么这就意味着开采失败了，甚至会导致开采企业破 产。

要想增加抽取热水的概率，最简单的办法是“注水井”距离“抽水井”近 一些。打个比方，比如说 20 米距离；然而，这样的距离形成的热交换面积又太 小，这会让干热岩开采变得没有经济价值。

以上困难在早期的干热岩地热能开采试验中比较突出。但是，随着技术的 发展进步，已经有可行的办法知道干热岩中裂隙的走向了，比如采用微震监测 和声发射监测等得知。

另一个困难是，在 3000～4000 千米深的地下，岩体结构复杂，有时会出现 漏水的情况；而人们甚至不知道它漏到哪儿去了。比如说，用高压向井中注入 1 万吨冷水，结果仅只抽上来 100 吨热水，这就亏大了。

要想从干热岩中获得地热能量足够大、持续时间足够长，比如说 20 年以上 的地热能量，关键是需要在数千米深的干热岩中形成一个足够大的换热区。这 需要注水井和抽水井相距比较远，比如说 1000 米。但是，困难是，如何使用水 力压裂法或是其他什么方法将这 1000 米厚的岩体中的裂隙连通，而且还得像毛 细血管一样地连通。

其它的困难还有，这里不再举例。

四、干热岩开发关键技术

1、 增强型地热系统

干 热 岩 资 源 开 发 主 要 利 用 增 强 型 地 热 系 统 ( Enhanced Geothermal System，EGS）来提取其内部的热量。增强型地热系统，是指通过水力压裂等 工程手段，在地下深部低渗透性、高温岩体中形成人工地热储层，从而长期经 济地采出相当数量热能的人工地热系统。

2、干热岩开发原理 干热岩开发原理是：从地表向深埋地下的干热岩体中打

一眼井（回灌 井），封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水产生高的压力，在岩体致密无 裂隙的情况下，高压水会使岩体在大致垂直最小地应力的方向产生许多裂隙。

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若岩体中本来就有少量的天然裂隙，这些高压水会使之扩展成为更大的裂 隙。随着低温水的不断注入，裂隙不断增多、扩大、相互连通，最终形成一个 大致呈面状的人工地热储层。在距回灌井合理的位置处，钻几口井并贯通人工 地热储层；这些井用来回收高温水、汽，称为生产井。

向井中注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生高温高压 水或水汽混合物。从贯通人工地热储层的生产井中提取高温蒸汽到地面后，通 过热交换及地面循环装置用于发电和综合利用。利用之后的温水又通过回灌井 注入到地下干热岩体中，从而达到循环利用的目的。

五、干热岩储层开发

干热岩储层激发是指通过向储层注入高压流体，使储层原有裂隙扩展延 伸，从而达到增大储层换热性能的目的。干热岩储层激发并不是干热岩开发工 程的最终目的。如何通过储层激发达到理想的热提取效果，才是干热岩工程的 关键。因此，从这个角度而言，干热岩储层开发包括储层表征、储层激发和储 层管理 3 个关键步骤。

1、储层表征

储层的表征是认识热储原有裂隙系统和渗流系统的过程，与传统水热系统 的研究类似，很多钻探、物探、测井技术在这方面能够发挥重要作用。目前， 国际上使用较多的为钻孔成像和微震监测。前者可以获取一维准确的钻孔裂隙 参数；后者通过微震解译，可以获取激发过程中产生的三维裂隙空间信息。

2、储层激发

储层的激发为干热岩工程所特有。其关键技术包括：创建新的裂隙通道和 渗流途径、有效渗流通道的解释、储存封隔等。

3、储层管理

储层的管理需要在对储层有足够认识的基础上，通过对压力、流量等参数 的控制，使热储能够达到长期热提取的目的。 EGS 系统属于人造热储系统，因 此储层的管理是系统运行的关键。相关技术包括：裂隙通道及渗流途径的控 制、运行过程中的渗流监测、开采井钻探以及实施模拟预测等。

目前，中国还未开展过具体的干热岩压裂工程。中国科学院广州能源所、 吉林大学等，在深部热储模拟上做了深入研究，提出了耦合 THMC 的裂隙换热 模型。随着页岩气水力压裂的开展，中国陆续在个别深井开展了多级压裂、清 水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂等压裂工艺。干热岩的压裂通常 采用清水压裂。它与页岩气开发中的压裂的最大不同在于地层岩性；干热岩压

裂岩体一般为坚硬的结晶岩体。干热岩压裂可以从页岩气水力压裂中得到启 发。

六、干热岩储层激发原理

EGS 储层的激发与石油、天然气中的压裂有很多相似之处。其目的都是通 过在岩

体中高压注水来提高储层渗透性，从而达到最大限度采油采气或提热的 目的。然而，两者在压裂原理上有着本质不同。 EGS 的激发是水力剪切破坏， 有别于石油、页岩气开发中的拉伸破坏。

水力剪切是通过使岩体在发生彼此之间相对位移之后，由于裂隙面表面粗 糙度的

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