超临界二氧化碳在地热开发中的应用研究进展

刘松泽，魏建光,2，马媛媛，刘雪梅

(1.东北石油大学 石油工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.东北石油大学 陆相页岩油气成藏及高效开发教育部重点实验室,黑龙江 大庆 163318;3.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江 大庆 163318)

干热岩(Hot Dry Rock,HDR)通常是指埋藏于地下深部3～10 km，温度在150～650 ℃之间，内部不含流体或仅含少量流体的异常高温岩体。干热岩以其清洁可再生、分布广泛、储量丰富、稳定性强等优点，被公认为21世纪最具潜力的新兴能源。具有绿色环保、清洁可再生、分布广、储量大、稳定性强等优点。我国干热岩地热资源储量约占全球资源量的1/6，初步估计在3～10 km深度范围内的干热岩总热量为2.5×1025J，折算标准煤可达8.56×1014亿t，开发利用前景巨大，可以用于发电、供暖、强化采油等多个领域[1]。我国大陆干热岩储量统计见表1。

表1 我国大陆干热岩储量统计表[2]Table 1 Statistical data of hot dry rock reserves in China

国土资源系统已对国内多地展开了干热岩地热资源调查，圈定了包括东南沿海地区、环渤海地区、藏南黔西地区、大同盆地、松辽平原等多处干热岩开发靶区，根据《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》，计划于2030年实现干热岩的商业化开采。

干热岩中地热资源丰富，由于干热岩岩体致密、低孔隙度、低渗透率的特性，难以用传统方法开采，增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是开发干热岩的重要手段。2000年，Brown提出了CO2-EGS的概念，即使用CO2代替水作为工质流体开采干热岩地热资源。从化学特征、储层渗流特征和流体循环特征等多方面考虑，作为工质流体CO2均具有明显的优势，CO2-EGS不但能够高效利用温室气体CO2，节约水资源，还能够进行CO2地质封存(CCUS)，实现了二氧化碳增强型地热系统(CO2-EGS)与二氧化碳地质封存(CCUS)一体化技术。

1 干热岩地热资源

1.1 干热岩的优点

干热岩的开发利用对缓解化石燃料危机、减少环境污染具有重要作用,干热岩发电具有零排放的优势，可有效缓解其它发电手段造成的温室效应，减少酸雨对环境造成的不利影响，其发电利用率位居可再生能源榜首，平均利用率高达73%，约为太阳能光伏发电的5倍，风力发电的3倍，发电投入成本低，仅为风力发电的1/2，太阳能发电的1/10，且因其资源埋藏在地下深部，不受环境、天气状况的影响，故使用干热岩发电还具有连续稳定的优点[3]。同时，干热岩在供暖和油田开采方面的应用，能够大力的减少化石燃料的使用，降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘等的排放。干热岩的开发利用对缓解化石能源危机、减少环境污染具有重要作用。

1.2 干热岩的开发

由于工质流体无法直接注入岩体进行提热，因此需要通过人工压裂等储层刺激手段，将高温岩体改造为渗透性能较好的储层，建造增强型地热系统进行开采[4-5]。该系统通常由注入井、生产井及压裂储层构成，低温工质流体由注入井注入，通过裂缝通道与高温干热岩岩体进行热能交换，吸收相当数量的热能并通过生产井返回地面，从而达到采热的目的。干热岩EGS系统示意图见图1。

图1 干热岩EGS系统示意图Fig.1 Schematic diagram of hot dry rock enhanced gelthermal system

增强型地热系统多使用水作为压裂液和工质流体进行热能提取，但在干热岩开采过程中，水会与地层中的岩石矿物发生物理化学反应，改变储层渗透率，破坏储层稳定性，降低工质流体的纯度，同时，溶解在水中的矿物成分还会造成井筒、地面设备、各种管线结垢，影响设备的使用寿命。另一方面，工质流体回收率低也是H2O-EGS面临的挑战之一，美国Fenton Hill 干热岩试验区进行的实验发现，注入水的回收率仅为7%～12%，水资源浪费严重，H2O-EGS需要消耗大量的水资源，在水资源匮乏区域无法使用H2O-EGS进行干热岩地热开采[6]。2000年，D W Brown 提出了使用CO2-EGS的理念，使用CO2代替水作为工质流体开采干热岩地热资源。CO2-EGS能够高效利用温室气体CO2，节约水资源的同时，间接实现了CO2地质封存(CCUS)，即整体实现了二氧化碳增强型地热系统CO2-EGS与二氧化碳地质封存CCUS一体化技术。

2 CO2在增强型地热系统中的应用

当环境温度高于31.1 ℃，压力高于7.38 MPa时CO2处于超临界状态，此时其密度与液态CO2相近，扩散系数介于液体和气态之间，粘度与气态相近，表面张力接近于零，兼具气液两相的特性。由于超临界CO2与水的物性差异，使CO2-EGS和H2O-EGS在渗流场和温度场变化上存在差异，具有不同的渗流规律和采热效率。作为增强型地热系统工质流体，超临界CO2的多项性质均优于水，能够提高采热效率，增加经济效益，对干热岩开发具有重要意义。

2.1 储层改造中的应用

使用人工压裂手段将低孔隙度、低渗透率的干热岩改造为渗透性能较好的储层，是建造增强型地热系统的关键，合理的压裂液选择是影响压裂效果的关键因素。目前，已有一些国家，例如美国、澳大利亚等使用超临界CO2进行地热资源的开采。超临界CO2作为压裂液与常规压裂液滑溜水、泡沫等相比，具有以下优点[7-8]：

(1)CO2制备投入成本不高，来源范围广，没有腐蚀性，稳定性好，安全性强。水会溶解岩石矿物，与岩石矿物发生化学反应堵塞裂缝通道，然而CO2为非极性溶剂，不与岩石矿物发生反应，不存在矿物溶解或沉淀等问题。

(2)超临界CO2具有粘度低、表面张力小、摩阻系数低、扩散能力强、渗透能力强的特点，相较于其它压裂液更容易渗透到微小的裂缝和孔隙中，增大了储层的渗流面积，促进了微裂隙网格的大量生成。

(3)超临界CO2具有脱水性，能够处理岩石中或裂隙中残余的少部分水，避免了水与岩石矿物发生物理化学反应，保持了岩石的干燥性，同时较好的保护了干热岩地热储层，减少了其它物质造成的储层伤害。

(4)超临界CO2压裂后能够快速彻底地进行返排处理，具有生产效率高，系统伤害小的优点，节约储层改造的时间，缩短工程周期。

2.2 循环采热中的应用

增强型地热系统中工质流体的选择是影响系统采热效率的关键因素。与传统的水作为工质流体的增强型地热系统相比，超临界CO2作为工质流体的增强型地热系统略胜一筹。近年来，国内外学者对CO2-EGS和H2O-EGS进行了大量有益的探索，认为CO2-EGS具有以下优势[9-11]。

(1)CO2的压缩性和膨胀性均优于水，对温度、压力的敏感性更强。当CO2作为工质流体循环采热时，其在生产井井口的生产压力高于在注入井井口的注入压力，生产压力高于注入压力为超临界CO2在地面系统中的运移提供了驱动力，减少了地面系统循环过程的能量消耗，在不需要额外泵功的条件下就能保证工质流体的循环使用。

(2)超临界CO2的粘度低，渗流能力强。虽然CO2的比热容低于水，单位质量工质流体携带的热能少，但当注采压差相同时，CO2的渗流能力更强，其质量流量可达水的1～6倍，总热提取率达到水的1.6倍左右，热提取能力强。

(3)工质流体的流失是干热岩开采过程中不可避免的问题。H2O-EGS开采中工质流体的流失会造成水资源的浪费，消耗大量的水资源，在一些水资源稀少的地区无法使用H2O-EGS进行干热岩地热开采，而CO2-EGS开采中工质流体的流失实现了CO2地质封存，间接的将CO2埋藏于地下深部，开采干热岩的同时创造了额外的环境效益和经济效益。

(4)CO2为非极性溶剂，不与岩石矿物发生反应。在H2O-EGS中，水会与地层中的岩石矿物发生物理化学反应，改变储层渗透率，破坏储层稳定性，降低工质流体的纯度，同时，溶解在水中的矿物成分还会造成井筒、地面设备、各种管线结垢，影响设备的使用寿命，而在CO2-EGS中，超临界CO2为非极性溶剂，岩石矿物既不溶于超临界CO2，也不会与其发生化学反应，保证CO2的纯度，减少了循环利用的后处理工序并减少了对井筒、地面设备、各种管线等的损害。增强型地热系统中CO2和H2O作为工质流体的对比见表2。

表2 增强型地热系统中CO2和H2O作为工质流体的对比Table 2 Comparison of CO2 and water as working fluid in enhanced geothermal system

自CO2-EGS提出以来，许多学者使用数值模拟方法对CO2-EGS的采热性能进行了探究。Luo等[12]对双井CO2-EGS进行了数值模拟研究，分析了CO2注入速率、注入井和生产井的射孔位置、工质流体、井筒与储层之间的导热系数等因素对系统采热的影响。Shi等[13]以多分支水平井为研究对象，建立了三维CO2-EGS热流耦合数学模型，模拟了CO2-EGS开采30年的采热效果，结果表明生产压力越低、多分支井数越多、分支井长度越长，CO2-EGS的热提取效果越好。Guo等[14]建立了三维CO2-EGS热流固耦合数学模型，再一次证实了CO2是地热资源开发的优良工质流体，生产流量相同的条件下，CO2的热提取速度更快。Wang[15]建立了含有离散裂缝网络的CO2-EGS热流固耦合数值模型，研究了注入压力对系统采热效率的影响，结果表明注入压力越高，系统的发电效率越高，同时越有助于进行二氧化碳地质封存。Biagi[16]利用GA-TOUGH2数值模拟软件，以生产温度为评价指标，对恒定质量和恒定压力两种情况下，CO2-EGS系统中工质流体注入速度进行优化，确保了系统在生命周期内热能提取的有效进行。

3 结束语

干热岩深层地热资源绿色环保、清洁可再生、分布广、储量大、稳定性强，其开采对缓解化石能源危机、减少环境污染具有重要作用。增强型地热系统的建立为干热岩的开发提供了重要的手段。使用CO2代替水作为工质流体开采干热岩地热资源，消耗温室气体CO2的同时节约了水资源；由于工质流体在热储层中的流失，间接实现了CO2的地质封存；超临界CO2的性质稳定，不溶解地层中的矿物，也不与地层中的矿物发生反应，保证了工质流体的回收纯度，降低了工质流体的后处理工序；CO2-EGS的采热性能并不比H2O-EGS的采热性能差，甚至优于传统的H2O-EGS。二氧化碳增强型地热系统(CO2-EGS)与CO2地质封存(CCUS)一体化技术具有较强的可行性，实现该技术进行干热岩商业化开采指日可待。