基于因子分析法的干热岩地热资源热储评价

陈海雯, 宋荣彩, 张 超, 梁 元, 王迎春, 郑 峰, 王彦力, 王洪辉

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.成都理工大学 管理科学学院,成都 610059;3.数学地质四川省重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

地热资源作为目前发展劲头强势的清洁可再生能源[1],其储量丰富、分布广泛,并且相比于其他新能源(太阳能、风能、水能、潮汐能等),具有排放最环保、供能最稳定(不受季节、气候、昼夜变化的影响)、过程最安全等特点[2],这都使地热能成为人类未来的重要替代能源之一。大规模开发利用地热能,可有效应对目前全球所面临的化石能源短缺及环境污染问题[3]。对于中国而言,地热资源的有效开发利用可力促“碳达峰、碳中和”目标的实现。

地热能分类方式多样,按形成机制可分为沉积盆地型与隆起山地型;按热量传输方式可分为传导型、对流型[4];按温度和赋存状态可以分为浅层地热型、水热型、干热岩型。其中,干热岩型地热资源具有储层温度高、储量巨大、分布广等特点,被认为是能够有效缓解目前能源问题的一种最优质、可再生的新型清洁能源。干热岩最早由D.Brown[5]提出,基于Fenton Hill地热钻井研究工作,将干热岩定义为埋藏于地面2～3 km以下、无流体及裂缝、温度大于200 ℃的岩体。随着对干热岩的进一步研究,目前对于干热岩的定义日渐完善,有部分学者提出对干热岩的定义应有广义和狭义之分,前者仅考虑了客观性和科学性,而后者在此基础上还考虑了经济性和可行性[6]。目前,中国能源局在其所颁布的《地热能术语》中,将干热岩定义为温度高于 180 ℃,且不含或含有少量流体,并且在目前的技术经济条件下可开发利用的异常高温岩体[7]。

自20世纪70年代,美国进行Fenton Hill干热岩实验开始,英国、澳大利亚、德国、日本等国家也相继开展了干热岩资源潜力评价及开发利用研究。据统计,全球先后实施的干热岩开发项目共有47个[8]。目前,法国 Soultz、德国Laudau和Insheim、美国Desert Peak 等干热岩项目已针对兆瓦级发电开展了相关工作[9-10],总装机容量达到12.2 MW。其中,德国Laudau和Insheim采用双工质ORC发电机成功发电,装机容量达到8 MW,已完全实现商业化运行[11]。美国政府为促进地热发电产业发展,出台相关税收减免和财政补贴等政策,预期在2030年实现干热岩地热资源发电的商业化运营[12]。

中国地热资源分布广泛,储量丰富。其中干热岩地热资源占据全部地热资源的 98%以上。从资源分布情况来看,中国干热岩地热资源主要分布在青藏高原,其次是华北地区、东南沿海地区以及东北地区。中国地质调查局评估了中国干热岩资源,其资源量总计为 2.52×1025J,折合标准煤 860×1012t,是中国每年消耗总量的 26 万倍[13]。近几年来,渤海湾盆地马头营[14-15]以及青海共和盆地恰卜恰[16-17]干热岩地热资源的勘探研究是中国干热岩研究的重大突破。但总体来说,中国干热岩研究仍处在理论研究、实验室模拟、钻井普查阶段[18],存在对干热岩的形成机理及成因模式认识不清、干热岩资源家底没摸清、检测体系不健全、关键技术及相关的开发设备落后等问题。在干热岩研究中,热储研究是干热岩可持续开发利用的关键,亟需加强。地热资源主要取决于地温梯度(地下深度和温度关系)、热储岩石渗透率、裂隙及含水量[19]。在地热资源中,热储主要指渗透性良好的孔隙、裂隙岩层以及断裂裂隙系统。地热储层可以存在于自然界中含水层填充的孔隙、断层和裂缝中[20],或者是在一定深度内具有充足的热能、渗透率,但是由于断裂封闭,致使渗透率低、含水量少或无水,无法直接获取地热能,此时采用水力压裂等方式提高热储含水量和渗透率,便于获取丰富的地热资源。这是实施增强地热系统、建立人工热储的目的。

1 典型干热岩地热地质背景及热储特征

狭义干热岩(即考虑了干热岩地热发电的经济型和可行性的情况下进行的定义)常指广泛分布于地球热构造活动强烈及深部热源长期动态演变的地壳热异常区[21]。活动洋陆体系及其关联的盆山体系具有分层、分块和分时差异流变特征,在热活动强烈的构造区带存在半固态和固态流变及其韧性变形,这种流体少、活性强、能量大、以水平剪切运动为特征的活动热构造应当作为干热岩地热能开发的热构造背景。干热岩储热构造与强烈热隆伸展活动区内脆性变形、脆韧性变形,活动造山带内韧脆性变形、韧性剪切等有关[22],其中干热岩热储是由向上持续吸热的韧-脆性和脆-韧性构造及其间的各种岩石组合构成。

从板块构造角度分析,目前全世界的干热岩项目主要分布在欧亚、印澳板块内地热域,东太平洋离散-汇聚、西太平洋汇聚板缘型地热域以及加勒比海火山活动岛弧区[23]。其所处的大地构造背景主要包括克拉通盆地、前陆盆地、裂谷盆地、弧前及弧后盆地、近现代火山地区和褶皱带地区。其中前陆盆地(以欧洲阿尔卑斯褶皱带磨拉石盆地为代表)和裂谷盆地(以欧洲阿尔卑斯褶皱带上莱茵地堑、北美新生代科迪勒拉造山带内华达盆地为代表)是全球干热岩开发项目最为集中的两种盆地类型。前者主要开发中生界碳酸盐岩储层(阿尔卑斯褶皱带)及三叠系砂岩储层(西欧地台)内的干热岩地热资源,后者则主要开发石炭纪火山岩及其上覆的上古生界碎屑岩(上莱茵地堑)和新生界火成岩储层(内华达盆地)内的干热岩地热资源,弧前-弧后地区及火山带干热岩项目集中于环太平洋地区。

目前部分正在运行、停止运行以及探索阶段的干热岩项目分布情况如图1所示[24]。

图1 全球典型干热岩项目分布图Fig.1 Distribution map of global typical dry hot rock projects(修改自张超等[24])

据统计,自美国 1974 年于 Fenton Hill 进行第一次 EGS 测试以来,截至目前,全球共进行79个干热岩开采项目,这些项目主要由 21 个国家进行[25],分布于欧洲、北美、亚洲、大洋洲(表1,表中仅展现了部分干热岩开采项目[26-38])。

表1 国外典型干热岩项目Table 1 Typical dry hot rock projects abroad

其中,仍在运营的项目共有13个(如法国 Soultz、美国 Geysers、美国 Newberry Volcano、意大利 Lardarello、中国羊八井等)。以中国共和盆地及美国 Milford 为代表的 EGS 项目处于钻探阶段,英国 Eden、匈牙利 Szeged即法德合作的 GEOSTRAS 处于计划实施阶段;德国 Landau 及澳大利亚 Paralana 因经费或地震因素暂停运营;日本 Ogachi、澳大利亚 Habanero、德国 Falkenberg等11个干热岩项目由于出现相关技术问题或经费问题被迫结束;此外,日本 Hijiori、法国 LeMayet 及英国 Roesmanowe 等 7 个干热岩项目因工区发生地震、发生施工意外而终止。本文选取典型的仍在运营、停止运营及处于钻探阶段干热岩项目的展开论述,重点关注各干热岩项目的热储条件,据此选取热储评价指标,并结合因子分析法,初步对国内干热岩项目热储条件进行评价。

1.1 仍在运营的Geysers与Soultz干热岩项目

Geysers项目位于美国加利福尼亚州北部,毗邻着清湖火山区。清湖火山区是一个活跃的火山系统,距离加利福尼亚州北部120 km。Geysers目前是世界上最大的用于生产的地热田。从整体结构上看,Geysers 地热田位于圣安德烈亚斯断层系统的地层中[39](图2)。Geysers 干热岩示范项目主要包含两套热储,热储大致形态为层状。第一套储层是深度为 1.6～2.6 km的常温储层,岩性为杂砂岩,温度大约为 240 ℃;第二套储层是深度>2.6 km的高温储层,岩性为热变杂砂岩,测试温度达到了 400 ℃(深度为3 352 m),地温梯度为 182 ℃/km。储层主要以构造角砾岩和变质杂砂岩组成,受到区域整体走滑断层的影响,砂岩层发育有较多的断层及节理裂隙,这为地热资源的开发利用提供了良好的通道。上部的盖层主要由页岩、硅质岩以及蛇纹岩等混杂岩体组成,这些都是渗透性比较低的岩石,对下部热流有着很好的封存及保护作用。

图2 盖瑟尔斯地热田位置[39]Fig.2 Location of Gaithers geothermal field[39]

Soultz干热岩场地位于法国东北部的阿萨尔斯地区,靠近莱茵地堑西边缘[40](图3),具有较高的地温梯度和大地热流值,是目前世界上最为成功的示范项目。莱茵地堑形成于晚始新世,响应 NNE 方向的挤压,通过地震调查研究莱茵地堑深部热结构显示,其成因可能与地幔隆升有关。该地堑目前处于活跃状态,地理位置位于法国和德国边界处,地堑南北被莱茵地块与侏罗山褶皱带包围[41]。在地堑演化历程中,在最上部形成了很薄的沉积层,沉积层中出现异常高的地温梯度。

图3 Soultz项目地理位置[40]及上莱茵地堑地质概况[43]Fig.3 Location of Soultz project [40] and geological situation of upper Rhine graben[43]

该项目的目的层位是深度为1.4 km的基底花岗岩。在较宽的深度范围内,花岗岩基底具有高度的裂缝性和渗透性[42]。上部为沉积盖层,渗透性较小,对下部的热流体起着很好的保护与封存作用。在 Soultz 地热田内充填湖相以及海相的灰岩、泥灰岩和蒸发岩沉积物,在不整合界面上覆盖着侏罗纪的灰岩以及三叠纪的地层,新生代和中生代沉积地层之下为古生代基底[43](图3),岩性为斑状二长花岗岩和二云母花岗岩[44]。在花岗岩热储 1.4～5 km深度范围内,显示出大量的断裂带[45],这些断裂带为地热流体的运移提供了良好的通道。基于现场 BS-1、GPK-1、GPK-2等钻井的测井资料显示,热液蚀变花岗岩储层的温度在 160～170 ℃。在 5 km深度达到的井底温度为 200 ℃。场地的地温梯度在沉积层高达 100 ℃/km,其下基底约为 28 ℃/km,测得的高热流值超过 140 mW/m2。在高地温梯度与大地热流值背景下,以及热储发育有许多的天然裂隙,使得其储层性能良好,是可长期稳定运行的增强型地热系统。

1.2 停止运营的Fenton Hill和Habanero干热岩项目

美国Fenton Hill干热岩是全球最早提出尝试在地下深部建立工业规模干热岩热储的EGS项目。该项目位于新墨西哥州中北部,位于太平洋板块和北美板块俯冲碰撞带[46](图4),具有高地温梯度、高大地热流值的特点。Fenton Hill 项目建造了两个热储目的在于能够从高温结晶岩或变质岩中经济地提取热能。第一热储层的深度为2 800～2 950 m,岩性为前寒武纪黑云母花岗闪长岩,最高热储温度为200 ℃。第二热储层深度约为3.5 km,岩性为变质岩,最高热储温度达240 ℃(图4)。1974年钻注入井GT-2,深度约为 2 932 m,温度达 180 ℃,并且完成了水力压裂测试;在1975年钻生产井EE-1,深度为3 064 m,同样进行了水力压裂测试,但两口井间并未建立良好的水力连同。因此,首先在GT-2约2.5 km深度处进行变道钻井GT-2A,仍未实现连通;又在GT-2A约2 530 m深度变道钻井GT-2B,最终与井EE-1在2 673 m深度建立水力连通[47],并在此后一段时间内,进行多次的循环取热实验,热提取率为3～5 MW,由此建立了世界上第一个干热岩地热发电站,发电量可达60 kW。随后于 1979-2000年钻井EE-2及EE-3,两井相距约400 m。在1982-1984年间通过监测微震事件发现人工压裂的裂缝并未按照预测的方向扩展,因此刚开始EE-2与EE-3井并未连通。1985年,对EE-3井约2 830 m深度处进行变道钻井EE-3A,深度达4 018 m,最终与EE-2井取得水力连通。虽然该项目可以进行循环取热,但是由于井壁被破坏、设备存在缺陷以及经费不足等原因,导致原有井筒没有得到修理、必要钻孔没有完成等问题,最终导致该项目于2000年完全停止。

图4 Fenton Hill 干热岩储层深度与地质构造和地温梯度示意图及场地地热地质图[46]Fig.4 Schematic diagram of the Fenton Hill dryheat rock reservoir depth, geological structure, geothermal gradients and geothermal geological map of the site [46]

通过Fenton Hill干热岩项目可以得知:

a.在设备条件良好的情况下,可实现在坚硬、高温的磨蚀性岩石中进行深部钻探。

b.当热储温度达200～300 ℃时,便可进行商业发电,并且利用常规的钻井方式就可以进行钻探。

c.针对低渗透的结晶岩体可采用水力压裂产生连通裂隙,对于足够大的岩体,可产生长时间开放的裂隙网络,为热能提取提供通道。此外,通过地球物理及地球化学等方式可以绘制裂隙网络的分布图。

d.通过在地下深部建立钻孔之间的水力连通,流体可以完成商业性温度循环取热,但减少井筒损坏才能够保证该循环的长时间进行。比如,若能够保证裂隙热储体积不继续增长或增长缓慢的情况下进行循环取热试验,在一定程度上可以减少水损。

澳大利亚 Habanero 干热岩项目开始于 2000 年,其选址位于塔曼斯褶皱带库珀盆地内。库珀盆地是澳大利亚中部大型克拉通盆地的早期裂陷,为二叠纪至三叠纪盆地,被侏罗纪-白垩纪伊罗曼加盆地不整合覆盖。其主要构造单元受寒武纪-奥陶纪古构造控制,以地堑和北东-南西向的GMI隆起为主[41](图 5)。Habanero项目的热储层是库珀盆地基底300～320 Ma B.P.的中-粗粒高温花岗岩层(Innamincka花岗岩),该花岗岩层地温梯度约为31 ℃/km,并且在冰川和热液侵蚀作用下储层发育有高压盐水的天然裂隙[48]。花岗岩上部为库珀和伊罗曼加盆地的连续沉积序列和华拉宾海槽沉积物[49],该沉积覆盖层的厚度约3 640 m,其地温梯度接近 60 ℃/km[50],具有较好的隔热效果。Habanreo场地共钻有4口干热岩钻井(Habanero-1、Habanero-2、Habanero-3及Habanero-4井),且均钻至花岗岩层中。据测井资料,最大钻井深度为 4.3 km,井底温度为 244 ℃,在该项目热储层中存在上冲断层,水平应力方位角约为 82°[51]。

图5 Habanero EGS项目位置[51] 及干热岩场地及其周围构造格架图[41]Fig.5 Location of Habanero EGS Project [51] and tectonic framework of Cooper Basin[41]

Habanero项目的工程目标在于验证高温花岗岩体中建立 EGS 系统的可行性,最终建立示范项目,并且能够实现商业发电[52]。该项目通过水力压裂产生了大量的裂缝,但通过微震检测,这些裂缝网络基本没有相互连通[50](图 6),因此无法实现井间流体的显著流动。此外,由于水平断裂发育,地处挤压构造环境,一定程度上造成4口干热岩钻井的渗透率与热恢复率(<2%)极低。目前,由于经费、技术等问题,该EGS项目已被迫中止。

图6 库珀盆地Habanero 裂缝分布示意图[50]Fig.6 Distribution of Habanero fracture in Cooper Basin[50]

从Habanero干热岩项目开发情况中可知:

a.巨大的地热资源可能存在于分布广泛且性质较为均匀的花岗岩体中。

b.花岗岩体中可能存在许多近似水平的天然裂隙带,但许多天然裂缝呈闭合状态。

c.开放的、可渗透且预先存在的裂隙及断层比较容易激发。

d.地下深部若存在超压水,有利于重新打开闭合裂缝,以此增加热储渗透率,但与此同时也会增加一定的钻井难度和成本。

e.当技术条件成熟,在地下深部花岗岩体中建立长期连通裂隙网络是具有一定可行性的。

f.在开发及利用过程中需要降低成本,才能够保证项目的长期运营。

1.3 处于钻探阶段的Milford和青海共和盆地干热岩项目

从整体区域上看,Milford 场地位于美国西部环太平洋地热带内,地处北美科迪勒拉山系中央轴带的盆岭省盆山交接区。科迪勒拉造山带是北美干热岩项目最为集中的单元,由多个增生地体、花岗岩和变质岩组成,并且在新生代发育成为了火山岛弧且延伸至拉丁美洲[53],区域应力场显示该地区最大水平主应力方向为北北东向。自 1970 年以来,先后在Milford 干热岩场地完钻了 100 多个钻孔,现已收集到超过 100 多个地温梯度井和深井数据[8],场地地质条件复杂,以伸展性断裂、第四纪岩浆活动和高热流为主要特征。

钻井岩性资料显示,Milford干热岩场地的基底岩石主要由前寒武纪片麻岩和第三纪花岗岩组成[54](图7),断层上部为火山沉积物和第四纪湖湘冲积物。热储位于第三纪花岗岩体中,热储分布面积很大且呈带状,由于崩解而局部被剪切,花岗岩体中节理裂隙较为发育,预先存在的节理裂隙为干热岩场地的开发发挥了重要的作用。其热储埋深大约在 3 km以下,根据场地最深的Acord-1井的测温数据可知(图7),其井底3 854 m深度的温度达到230 ℃,花岗岩热储中地温梯度达到 41 ℃/km,场地大地热流值高达(120±5) mW/m2。Acord-1井、9-1井82-33井的测井结果表明其深部的结晶岩透水性极差[55]。

自2016年由犹他大学能源与地质研究院优选出Milford EGS场地开始,到目前一直在对该场地进行研究。通过前文可知,Milford EGS场地具有良好的干热岩地热资源;但结合澳大利亚库珀盆地Habanero EGS项目以及美国Fenton EGS项目的失败经验可知,当已探明EGS场地的干热岩资源情况后,对干热岩进行水力压裂造储以及井间裂缝网络的连通就成为 EGS 项目能否进入下一个阶段的关键,也决定着该项目能否长久运行[54]。

图7 Milford 干热岩场地不同地热系统井深-温度曲线及欧珀丘断层地热地质特征[54]Fig.7 Well depth-temperature curves of different geothermal systems and geothermal geological characteristics of the Opal Mound Fault at the Milford dry hot rock site [54]

共和盆地位于青海省东部,盆地总面积为21 186 km2,海拔高度约为2 850 m。通过地热地质调查、地球物理、地球化学方法结合区域地质构造分析,发现该盆地北东部的共和县恰卜恰地区存在干热岩资源,其上部盖层主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩,岩石粒度细、密度较大、渗透性差、热导率低,为深部干热岩聚热提供有利条件。为进一步研究该地区干热岩赋存条件,在恰卜恰岩体内钻4口深度在2 927～3 705 m的干热岩勘探井(图8)。钻孔放射性数据显示,恰卜恰花岗岩体的U、Th、K放射性元素含量稍高于中国大陆大地背景值,而前人分析共和盆地底部侵入岩在一定深度内存在熔融体,由于放射性生热对热源的贡献较小,因此壳内熔融体很有可能就是干热岩的主要热源体。钻井稳态温度测量数据显示,恰卜恰地区为显著高温异常区,该地区花岗岩平均地温梯度为 41.3 ℃/km。其中GR 1井在2 550 m深度达到150 ℃,在3 705 m深度达230 ℃[16](图8),是目前中国钻获干热岩的最高温度。共和盆地共发育4套热储,前人将其分为四层两类,浅部3层为碎屑岩水热型地热资源,深层中-晚三叠世花岗岩即为干热岩热储。深层花岗岩具有较高的热导率和热扩散系数,不仅是沟通深部热源的导热层,也是干热岩热储的母岩。浅层新生代碎屑岩热储上、下含有的黏土岩则是较好的隔水层及隔热层。恰卜恰干热岩总体勘探成果大致和 Milford EGS 场地属于“同步”阶段,两个场地对比来看,Milford EGS场地的钻井深度较深,沉积盖层厚度大,但恰卜恰EGS场地的隔热保温效果优于Milford,两者钻遇温度和地温梯度上相差较小。此外,Milford EGS场地压裂技术相较于恰卜恰场地,其压裂技术准备较为充足,但水力压裂造储和井间裂缝网络的连通问题是两个场地共同亟需解决的问题。

图8 恰卜恰地区GR1干热岩勘探孔深度-温度曲线及干热岩勘探井分布图[16]Fig.8 Well depth-temperature profile of GR1 dry-thermal exploration holes and distribution of dry-thermal exploration wells in the Chabchai area[16]

2 热储评价方法及参数分析

2.1 指标参数选取

地热资源一般由4个要素构成:热源、热储、盖层及热通道。结合前文对目前全球典型干热岩开发项目进行分析后,发现干热岩热储是EGS现场试验项目中必不可少的研究内容,热储条件(包括热储埋深、热储温度、热储物性、热储岩性)的好坏、大地热流值、地温梯度很大程度上能够影响EGS现场试验项目进展和运行情况,但目前针对干热岩型地热资源热储条件好坏的研究甚少。本文借鉴油气行业储层评价的思路,结合全球典型干热岩项目热储特点,选取储层深度、储层温度、地温梯度、大地热流值、热储物性及热储岩性作为干热岩地热资源热储评价指标,基于因子分析法,初步对中国干热岩项目热储条件进行评价。

2.1.1 地热特征

地热特征包括大地热流及地温梯度。大地热流值是能够直接反映地热背景、评价一个地区地热资源好坏的基础参数。大地热流值高可能是由于该地区构造活动强烈或构造-热事件年龄小;而构造稳定的古老块体,往往其大地热流值较低。根据目前全国大地热流数据可以发现,中国大地热流值分布很不均匀,但总体上呈现“东高西低,西南高西北低”的特点。其中藏南地区、滇西地区、南海及东海局部地区热流值大于75 mW/m2,个别地区高达 304 mW/m2,属于高热流区;其次为四川盆地、南方沿海盆地、华北南部、松辽盆地北部、苏北、渤海湾盆地等地区,热流平均值在 65～75 mW/m2;新疆的塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地北部以及松辽盆地北部等地区,热流平均值为 30～50 mW/m2,为冷盆。依据中国大陆现有的热流特征,认为大地热流值>70 mW/m2时较好。一般情况下,当某个地区地温梯度>30 ℃/km时,即将该地区视为地热异常区,中国不同地区的地温梯度取值区别较大。大地热流与地温梯度和地表温度可以推算出地下一定深度范围的热储层温度条件[56]。

2.1.2 热储岩性

开发深层地热能的关键是通过人工压裂进行造储,人工造储效果的好坏直接决定干热岩项目是否能够持续、安全且经济地运行。目前主要的人工压裂技术包括水力压裂及化学溶蚀技术,这两种技术都是通过对热储层岩石进行改造进而开发深层地热能,因此,热储层岩石是否容易被改造是热储好坏的重要评价因素。由上文可知,目前全球干热岩热储岩性多为花岗岩,除此之外,还包括碳酸盐岩、砂岩及变质岩。总的来说,干热岩热储岩性可分为3类:结晶岩、砂岩、碳酸盐岩。

结晶岩类岩体通常而言硬度较大、结构致密且渗透率极低。其中例如花岗岩,其富含的高放射性元素(U、Th、K)衰变产生的热量被认为是干热岩地热资源的重要热来源[24],但与此同时,岩性与热能聚散也存在一定的相关性。唐显春等[57]针对花岗岩对共和盆地地热资源形成过程中的作用进行调查,结果发现,共和盆地花岗岩、三叠系变质砂岩形成的围岩及上覆的渐新统黏土岩或粉砂岩的热导率分别约为 2.79 W/(m·K)、1.69 W/(m·K)及 0.38 W/(m·K)。可以看出花岗岩的热导率值最高,这表明在接收相同条件下的热源,花岗岩往往具有更好的导热或聚热能力,利于干热岩地热资源的形成。需要注意的是,高热导率往往代表着在暴露情况下,其散热能力也会相对较高,对于良好的热储,其上覆往往会存在热导率较低的盖层,降低散热量,保证花岗岩聚热。

砂岩类热储层大部分是由于该干热岩项目并未钻遇至花岗岩层或部分钻遇至斑状花岗岩层,将其上部具有埋深合适、温度高、热导率大、裂隙少等特性的沉积岩地层作为储层。

碳酸盐岩热储通常呈层状分布、具有明显层理结构及可溶性,在高热流值背景下,与高浓度CO2、H2S等深部存在的酸性气体反应,促使碳酸盐岩发生深部溶蚀,增加岩石孔隙度和渗透性。欧洲阿尔卑斯褶皱带磨拉石盆地以碳酸盐岩为主要热储层,德国Unterhaching、奥地利Altheim及瑞士St.Gallen干热岩项目主要是中生界碳酸盐岩储层[23]。随着EGS技术的不断拓展,利用人工造储提取深部热量时,往往选取更易于改造的热储,此时,高热流值背景下的中-厚层碳酸盐岩热储通常作为优质的干热岩热储[58]。这是由于碳酸盐岩在水力压裂或酸化压裂过程中都易发生溶蚀;并且对于中-厚层碳酸盐岩热储,其构造裂隙通常密集、短小且分布均匀,在人工压裂下可形成较为均匀的裂隙型热储,利于深层地热能的开采。

2.1.3 热储物性

热储物性的好坏取决于热储是否发育孔隙或天然裂隙。对于EGS人工造储而言,热储中是否存在孔隙及天然裂缝,人工造储效果会有明显差别。具体来说,天然孔隙通道少,在使用水力压裂或酸化溶蚀时改造效果差,形成的裂隙网络不均匀且渗透性低,可能会导致储层改造成本高;相反,具有裂隙或天然孔隙则更能够经济有效地进行人工造储。

2.2 储层评价

2.2.1 参数评价标准及取值

对地热特征、热储岩性及热储物性条件进行综合考虑,本文初步建立了干热岩热储选区评价参数体系及各项参数取值标准(表2)。并在分析干热岩热储条件的基础上,参考前期不同研究单位所选择的评价及钻探对象,本文初步筛选出黑龙江五大连池、雷琼断陷盆地、河北沧县、山东利津、苏北盆地、松辽盆地、福建漳州、青海共和盆地、云南腾冲、冀东平原马头营、藏南羊八井等11个目标区作为干热岩储层评价区,参照储层评价参数取值标准得出评价结果(表3)。

表2 干热岩储层评价参数取值标准Table 2 Evaluation parameters of dry hot rock reservoir

表3 干热岩储层评价结果Table 3 Evaluation results of dry hot rock reservoirs in China

2.2.2 参数模型检验及计算

因子分析是基于降维的思想,在尽可能不损失或者少损失原始数据信息的情况下,将错综复杂的众多变量聚合成少数几个独立的公共因子,这几个公共因子可以反映原来众多变量的主要信息,在减少变量个数的同时,又反映了变量之间的内在联系[59]。其基本目的就是用少数几个因子去描述许多指标或因素之间的联系,即将关系比较密切的几个变量归在同一类中,每一类变量就成为一个因子,以较少的几个因子反映原资料的大部分信息(图 9)。

图9 因子分析示意图Fig.9 Schematic diagram of factor analysis

在采用因子分析法之前需进行KMO及Bartlett球形度检验,KMO 值大于 0.5 则说明可以进行因子分析;如果此值小于 0.5,说明不适合进行因子分析。Bartlett 检验对应p值小于 0.05 也说明适合进行因子分析。但需要注意的是,如果仅两个分析项,则KMO无论如何均为 0.5[60]。将干热岩储层评价结果代入KMO及Bartlett检验,KMO为0.535且Bartlett检验对应p值为0.039,说明可以采用因子分析法(表4)。

表4 KMO和Bartlett 的检验Table 4 KMO and Bartlett’s tests

df代表自由度,p值代表显著性。

基于因子分析法进行降维,计算特征根。表5为总方差解释表格,用来观察因子对于变量解释的贡献率。按照特征值大于1的标准,选取3个因子。如表5所示,前3个因子的贡献率分别达到44.012%、23.716%及17.502%,累计共85.230%,说明前3个因子能够较为全面地包含原始参数的主要信息,因此,我们选取这3个因子作为模型来代表原始的7 个指标参数是可行的。

此外,利用碎石图(scree plot)来进一步验证。从碎石图上可以显示各因子的重要程度,其中横轴代表因子编号,特征值大小为纵坐标值,按照特征值从大到小进行排列,从图中可以直接观察到哪些为重要的因子,即折线的斜率大所对应的因子作用明显,反之,则因子的影响较弱。从图10中可以看出,在此次研究中仅需考虑前 3 个因子即可。

表5 方差解释率Table 5 Variance interpretation rate

图10 碎石图Fig.10 Gravel diagram

采用最大方差法对计算结果进行旋转,使得前 3 个因子具有更大的载荷,从而能够更好地解释主因子。具体旋转后的因子载荷矩阵见表6。

表6 旋转后因子载荷系数Table 6 Factor load coefficient after rotation

由表6可以看出,储层温度、大地热流值、热储物性、热储岩性在第一因子下载荷系数很高;储层深度、储层物性在第二因子下载荷系数很高;地温梯度及大地热流值则在第三因子下载荷系数较高。计算各个因子得分(表7)。

表7 成分得分系数矩阵Table 7 Component score coefficient matrix

干热岩储层评价结果矩阵中的第i行为第i个干热岩区域在每个评价指标下的评价结果,乘以每个因子对应的单位特征向量即为该区域在各个因素下的得分。从上文可知,已选出3个因子最能够代表原始变量,是使原始数据信息损失最小的变量,因此,通过因子分析法将11个干热岩区域在6个指标下的评价结果转化为一个得分,作为综合值进行排序。其中各因子的表达式为

Fi=a1X1+a2X2+…+aiXi

(1)

式中:Xi为原始表格中的每个区域中的每个指标的评价结果数据;ai为各指标的成分得分。

最终通过计算Z值对每个干热岩区域进行综合评价,具体方程如下

Z=ai1F1+ai2F2+ai3F3

(2)

式中:ai1,ai2,ai3分别表示每个因子的解释度占总信息解释度的比重。综合上文的数据可知:ai1=0.5164,ai2=0.2726,ai3=0.2054。11 个区块的综合评价得分及排名如表8所示。

表8 热储综合评价得分及排名Table 8 Comprehensive evaluation score and ranking of thermal storage

由表8可知,11 个干热岩热储评价区中的热储优劣依次为:藏南羊八井、青海共和盆地、冀东平原马头营、云南腾冲、雷琼断陷盆地、苏北盆地、山东利津、河北沧县、福建漳州、松辽盆地、黑龙江五大连池。

2.3 藏南羊八井地区

羊八井地区处于东特提斯汇聚板缘型地热域,在印度-欧亚大陆强烈碰撞的宏观背景之下,其活动构造十分强烈,是中国也是全球性地热最为富集的区域之一[61]。羊八井地热田高温地热钻井条件十分优越,对深部热情况的认识较为全面,根据目前羊八井已有的钻探测温记录:ZK 4001井深度为1 495.09 m,井底温度为251 ℃;ZK 4002井于1 850 m深度测得329.8 ℃高温,可推测羊八井地热田区域及其周边深部存在高温干岩体,且深度在1 500～2 000 m,温度即可达到200 ℃以上。此外,前期钻探资料显示,该区热储裂缝发育,后期储层改造难度及技术风险小[62],加之羊八井高温地热发电已开展了近半个世纪,具备一定经济市场条件。因此,羊八井地热田是开展干热岩试验非常有利的地区。

2.4 青海共和盆地

共和盆地地处青海省东中部,位于青藏高原东北部,经历了早古生代—晚古生代的裂谷拗陷与中生代以来的陆内构造演化,是昆仑断裂、阿尔金断裂、南祁连断裂共同左旋走滑断裂作用下所控制的新生代陆内盆地[63]。该盆地岩浆侵入活动强烈,热流值较高,平均地温梯度可达 68 ℃/km,其内部及周边地区地热资源异常丰富。目前共和盆地恰卜恰地区已开展 4 口干热岩井的钻探工作,钻探资料表明该地区存在显著的高温异常,其中,GR 1井在3 705 m深度钻遇236 ℃的高温干热岩,这是中国首次钻遇的埋藏最浅、温度最高的干热岩体[64]。共和花岗岩体顶界埋深2.1～2.3 km,顶界温度一般为150 ℃;岩体在3 km深度时温度普遍达到180 ℃以上,满足中国地热行业认定的干热岩温度标准。目前共和盆地的干热岩研究范围为230 km2,根据航磁、重力、钻探资料相互印证,推测该地区干热岩前景区分布面积约为 1.4×104km2。张盛生等[65]采用体积法对3.0～6.0 km深度范围的干热岩资源潜力进行估算,结果表明,该深度范围内保守的静态干热岩资源总量为 8974.74×1018J,换算标准煤 3066.199×108t。由此可见,青海共和盆地所赋存的干热岩地热资源具有广阔的开发利用前景。

3 干热岩热储层研究启示

优质的干热岩热储,其主要特征在于埋藏相对较浅、温度高、储层改造较为容易,能够在现有技术水平下经济、持续地进行开发。人工造储是提取干热岩地热能的关键技术,造储技术的好坏能够很大程度决定储层中换热流体循坏及换热效率,进而影响项目的开发经济成本、可持续性及环境安全性。目前人工造储技术主要有水力压裂技术及化学溶蚀技术。前者是采用高压水注入封闭井孔压裂地层,致使井壁附近岩体产生裂隙;后者则是利用酸性溶液使岩石中可溶性矿物发生溶解,产生孔隙空间。由上可见,热储岩石是影响热储改造效果好坏的关键因素,其中如何提高储层岩体的渗透性是干热岩造储的难点之一。总结目前全球干热岩项目,以花岗岩作为储层的EGS项目占多数。本文以法国Soultz(目前仍在运行)、德国Habanero(停止运营)及中国青海共和盆地干热岩项目(处于研究阶段)作为典型案例。对比前两个干热岩示范项目发现,虽然二者都是花岗岩热储且发育有一定的天然裂缝,Soultz项目热储层中发育有大量天然裂缝且裂缝之间的连通性较好;Habanero项目在人工水力压裂下产生的大量裂缝网络并未实现连通,使得井间流体并未实现良好流动,干热岩井之间的渗透率与热回复率极低,最终由于经费、技术等问题该项目被迫中止。包括美国Geysers的变质砂岩热储及德国Landau的碎屑岩热储都说明,当热储岩石为花岗岩、变质岩、砂岩这类天然孔隙发育少,采用人工压裂方式效果差,会导致人工造储或储层改造成本增大且存在不稳定性,最终很有可能导致失败。因此将人工造储技术实施在更易于改造的岩体中是更为可靠的选择。其中高热背景条件下的中-厚层碳酸盐岩便是干热岩项目的优质储层,一方面碳酸盐岩一般具有较为明显的层理结构,在进行人工造储时可以提供优势通道,且高热背景地区其深部通常存在高浓度酸性气体(CO2、H2S 等)可与碳酸盐岩发生溶蚀,增大岩石孔隙度和渗透率;另一方面,相较于花岗岩和砂岩,碳酸盐岩更易于形成均匀分布的裂隙网络,使得井间流体能够更好地流通。

综上所述,热储层作为干热岩勘探开发的对象,在评价选区时热储层特性至关重要。适宜开发的热储层特性除了具有适合的埋藏深度(3～6 km)、较高的温度(>150 ℃)、良好的盖层之外,热储岩石是否易于进行人工造储等因素都对干热岩的勘探开发具有明显的影响。随着EGS技术的不断发展,选取易于改造的岩体可有效降低人工造储提取深部地热资源的成本,并且也能有效提高系统稳定性及安全性。

4 结 论

本文在总结全球干热岩项目的基础上,按运行现状分为3类:仍在运营、停止运营和处于钻探阶段,并从中各选取 2 个典型项目,对其地热地质背景及热储特征进行分析梳理,进而得出 6 个干热岩热储评价参数,结合干热岩储层评价指标及数学分析方法,对中国 11 个干热岩潜力区的热储情况进行研究,得出以下结论:

a.基于优选出的干热岩项目的地热地质背景及热储特征进行分析梳理,选取热储埋深、热储温度、热储物性、热储岩性、大地热流值、地温梯度这 6 个参数,作为干热岩热储的评价指标,结合因子分析法建立干热岩地热资源储层评价方法。该方法可用于中国干热岩地热资源储层评价。

b.选取中国11个干热岩潜力区,采用本次研究建立的干热岩地热资源储层评价方法,对 11 个干热岩潜力区热储进行综合评分排名。结果表明,西藏羊八井、青海共和盆地、冀东平原马头营热储条件相对较好。

c.采用因子分析法能够对干热岩地热资源热储条件进行定量评价,并且因子分析法的降维优势可在保留原始数据大部分信息的前提下,有效降低对热储评价影响因素的分析难度,从而减少评价过程中的工作量。该评判方法比传统的评估手段具有更高的客观性,为以后的干热岩地热资源热储条件的评价工作提供参考。但目前干热岩地热资源研究中关于热储的研究较少,相关数据仍较匮乏,在未来干热岩地热资源研究过程中,需要重视干热岩热储研究在经济稳定、安全有效开发干热岩地热资源工作中的重要性。