干熱巖勘查開發場地選址指標體系建立研究

為使干熱巖工程開發場地選址評價有據可依,依據系統性、科學性、延續性、可比性、可操作性以及可量化性原則,建立場地選址評價指標體系。共包含4個指標層20個指標 。

安全性指標

地質安全性指標層主要包括地震基本烈度、地震動峰值加速度和與居民點的距離3個指標。

1地震基本烈度

該指標表示地震對地表及工程建筑物影響的強弱程度(或視為地震影響和破壞的程度)。地震活動會影響區域穩定性,對工程建筑物等有一定影響,總體來說地震基本烈度越小的區域越適宜干熱巖的勘查開發。將地震基本度評價指標劃分為3級:<6度,好;6度~8度,中;>8度,差。

干熱巖勘查開發場地選址評價指標體系注:g為重力加速度。

2地震動峰值加速度

根據《中國地震動參數區劃圖》 (GB18306—2015)對地震動峰值加速度復核,指標分為3級:<0.05 g,好;0.05~0.2 g,中;>0.2 g,差。

3與居民點的距離

干熱巖開發場地選址尚無與居民點距離相關的限制性規范。由于國內外干熱巖開發尚未形成商業化場地,干熱巖開發的潛在風險國內外研究案例極少,諸多未知風險仍然存在。本文采取“就高不就低”和“以人為本”的原則,綜合參考《危險廢物填埋污染控制標準(GB 18598—2001)》選址規定的“距離居民點不應小于800 m”和《核電廠環境輻射防護規定(GB 6249—2011》規定的“非居住區限制范圍應為2.5 km”2個標準,制定該指標并將指標分為3級:>2.5 km,好;0.8~2.5 km,中;<0.8 km,差。

資源性指標

資源性指標層主要包括干熱巖體埋深、干熱巖體壓裂段溫度、地溫梯度、熱儲巖性、分布面積、可開采資源量和可發電量7個指標。

1干熱巖體埋深

為方便量化,干熱巖體埋深以150℃等溫線埋深為依據,主要影響鉆探成本。美國圣地亞哥國家實驗室開發的Wellcost Lite模型在評估EGS井的成本時,將深度范圍在1.5~10 km的井分為3類:淺井(1.5~3 km)、中等深度井(4~5 km)和深井(6~10 km) 。目前,干熱巖以中淺深度為宜。因此,將干熱巖體埋深指標劃分為3級:<3 km,好;3~4 km,中;>4 km,差。

2干熱巖體壓裂段溫度

壓裂段溫度決定了干熱巖開發利用方式和成本。MIT在其關于EGS的權威展望報告中提出:EGS的經濟成儲溫度定為150℃,最佳開采溫度為200℃左右,這也成為目前國際公認的標準。盡管隨著干熱巖開發技術,尤其是壓裂技術的進步和成本的下降,廣義的干熱巖可能將不受限于溫度,本次仍以現狀經濟效益考量,將目標干熱巖體壓裂段溫度指標分為3級:>200℃,好;150~200℃,中;<150℃,差。

3地溫梯度

地溫梯度是劃分干熱巖資源品級的重要指標。《地球科學大辭典》給出的干熱巖地溫梯度區間值,將干熱巖資源的品級劃分為高級80℃/km、中級50℃/km和低級30℃/km。美國采用“易于開發的高地溫梯度區”地溫梯度大于45℃/km。綜合上述標準,將該指標分為3級:>80℃/km,好;45~80℃/km,中;<45℃/km,差。

4熱儲巖性

熱儲巖性對人工壓裂具有重要影響,干熱巖的熱能賦存于各種變質巖或結晶巖類巖體內,較常見的有花崗巖、花崗閃長巖和黑云母片麻巖等,主要是各種變質巖或結晶巖類巖體。芬頓山EGS項目干熱巖地熱系統建于前寒武紀巖體中,巖性為均質黑云母花崗閃長巖;日本Ogachi EGS項目區,上部200 m為古近紀—新近紀凝灰巖,下部為花崗巖和花崗閃長巖;英國Rosemanowes EGS項目區為早二疊世花崗巖巖基;法國Soultz EGS項目上部為古近紀—新近紀沉積砂巖,下部為古生代花崗巖;澳大利亞Cooper盆地上覆地層厚度為3 668 m,上部為中元古代變質沉積巖,下部為年代較新的花崗巖;青海共和恰卜恰地區為印支晚期花崗巖。盡管干熱巖也可以賦存于沉積巖或層狀變質巖地層中,但考慮到壓裂造縫對均質性的要求,目前多認為不適宜進行EGS人工儲層建造。因此,干熱巖熱儲巖性評價指標3級劃分方案為:均質各向同性良好的中酸性花崗巖類,好;均質各向同性較好的花崗巖和變質巖類,中;均質各向同性一般的花崗巖和變質巖類,差。

5分布面積

干熱巖分布面積是評價干熱巖場地是否適合工程開發的直觀指標之一。一般來說,裝機容量200 MWe左右時,其所需的干熱巖體平面面積為150~200 km能源部分時設定巖體的平均溫度只下降10℃,則從溫度為200℃、體積為1 km3的立方巖體中可開采的熱能為2.5×1013k J,而其四周則含有4×1014k J的熱能。干熱巖可開采量不應低于該巖體本身可開采的資源量,以能夠采出大于周邊巖體的資源量為最佳。實際計算中,應盡可能通過數值模擬的方法計算。該指標分為3級:>40×1013k J,好;2.5×1013~40×1013k J,中;<2.5×1013k J,差。

7可發電量

利用干熱巖發電是干熱巖開發利用的主要目標。從現有EGS工程發電潛力或裝機容量看, 1984年美國芬頓山建成了世界上第一座高溫巖體地熱發電站,裝機容量為10 MWe;法國Soltz在首次示范生產(發電量1.5 MWe)基礎上開展發電量為20~30 MWe的規模化電力生產;2013年澳大利亞在Cooper盆地Hobanero場地新建的EGS示范性工程裝機容量為1 MWe,具備擴展到25 MWe的發電潛力;2010年,韓國啟動的EGS開發計劃,計劃在2015—2018年間建成一個1 MWe級的干熱巖發電站,到2020年擴展到20 MWe。而考慮到我國尚無干熱巖發電工程,建立一座1 MWe級裝機容量的干熱巖示范電站應是近期的主要目標,發電潛力應不低于10 MWe。因此,將可發電量指標劃分為3級:>50 MWe,好;10~50 MWe,中;<10 MWe,差。

技術性指標

技術性指標層主要包括鉆井深度、地應力狀況、儲層壓裂門限值、天然裂隙發育情況、可壓裂體積和場地資源使用壽命6個指標。

1鉆井深度

鉆井深度以干熱巖最佳開采溫度200℃等溫線深度為量化依據。鉆井深度一方面影響鉆探經濟性,另一方面影響鉆探施工難易程度。目前國內外干熱巖開采深度主要集中在3~5 km,澳大利亞Cooper盆地4.25 km,法國Soultz場地3~4.75 km,溫度均大于200℃。因此,將鉆井深度指標劃分為3級:<3 km,好;3~5 km,中;>5 km,差。

2地應力狀況

人工儲層建造是干熱巖體開發最關鍵的步驟,且直接關系到EGS工程的成本和經濟性,多年來國際上多采用巨型水力壓裂法建造人工儲層。在原生裂隙極不發育、相對均質和各向同性的高溫花崗巖體中,水力壓裂產生的裂縫嚴格受地應力場的控制,裂縫的擴展方向一般都垂直于最小主應力方向。因此,準確掌握干熱巖體的天然應力狀態是建造人工儲層的重要環節。根據地應力條件是否清楚,將地應力狀況指標劃分3級:清楚,好;基本清楚,中;不清楚,差。

3儲層壓裂門限值

該指標也稱為巖層起裂壓力,是評價熱儲巖性是否易于人工壓裂的指標,主要由開發場地的應力狀態決定。盡管還沒有足夠的資料來確定EGS地熱開發的最佳應力狀態,但從已有示范工程來看,儲層壓裂門限值為在十幾或幾十個MPa。如美國Fenton Hill場地壓力值為19 MPa;法國Soltz GPK2和GPK3這2個鉆孔的壓力值分別為15.5 MPa和16 MPa;德國Landan壓力值為13 MPa;澳大利亞Cooper盆地Habanero-1壓力值為58 MPa;瑞士Basel-1壓力值為29.6 MPa;德國GrooseSchoenebeck壓力值為58.6 MPa。研究表明,花崗巖的起裂壓力為20.4 MPa。一般情況下,干熱巖儲層壓裂應優先使其原生裂隙張開,次之再考慮壓裂巖石本身制造新的裂隙系統。綜合上述信息,將儲層壓裂門限值指標劃分為3個等級:<15 MPa,好;15~30 MPa,中;>30 MPa,差。

4天然裂隙發育情況

天然裂隙類型主要用來預測壓裂后裂隙系統發展情況,可通過巖心、測井或露頭分析獲得。干熱巖體天然裂隙發育情況直接關乎壓裂的難易程度,但干熱巖體不應發育較大斷層,較大的斷層易形成儲層短路,造成人工造儲失敗。因此,將天然裂隙發育情況指標劃分為3級:發育但無較大斷層,好;較發育,中;不發育或發育較大斷層,差。

5可壓裂體積

可壓裂的干熱巖巖體體積即人工激發儲層體積,是計算干熱巖可利用資源量的直接依據。國際上普遍認為理想經濟的EGS工程,激發儲層體積應達到0.1 km3,有效熱交換面積應達到100萬m2。目前而言,國際上很多EGS工程儲層激發體積已遠遠超過0.1 km3的目標,但熱儲有效換熱面積距商業化的要求還有一定的差距,主要原因在于激發過程中對裂隙系統的控制還不夠理想。美國芬頓山的經驗表明,采用水力加壓法可以在足夠大的巖石體積中(>1 km3)創建開放的裂隙網絡,以維持長期熱能提取。現有EGS工程人工儲層壓裂體積多在1~2 km3之間,因此,將可壓裂干熱巖體積指標劃分為3級:>2 km3,好;1~2 km3,中;<1 km3,差。

6場地資源使用壽命

該指標為場地資源、裝機容量和設備選型的綜合考量指標。世界上幾個老地熱項目已經運行超過30 a,而且大多數對未來地熱項目的規劃都假設每個電廠至少會運行30 a。趙陽升等按照MIT高溫巖體地熱開發模型,預測羊八井熱田、云南騰沖高溫巖體和海南瓊北高溫巖體地熱電站有效使用壽命均在100 a以上。因此,將場地資源使用壽命指標劃分為3個等級:>100 a,好;30~100 a,中;<30 a,差。

經濟性指標

經濟性指標層主要包括土地利用現狀、場地施工條件、水源保障程度和發電并網條件4個指標。

1土地利用現狀

一方面干熱巖勘探開發工程施工要占用一定面積的土地,需考慮土地準入問題;另一方面工程施工易產生噪聲或微地震等不利影響,不能建設在人口密集區。因此,需對土地利用狀況進行評價,將此指標分為3個等級:未利用土地,好;牧草地、林地、耕地和園地,中;居民點、工礦用地、交通用地和宗教用地,差。

2場地施工條件

場地施工條件主要考慮場地是否具備大型施工車輛通行條件和大型機械施工條件。將此指標分為3個等級:施工車輛可通行、易施工,好;需修路方可通行、施工場地需投入少量資金平整,中;不易通行、不具備施工條件或投資額巨大,差。

3水源保障程度

水源保障程度是評價場地施工能否滿足干熱巖開發利用過程中鉆探、壓裂和開發水源條件的指標。將此指標分為3個等級:具備,好;可協調解決,基本具備,中;不具備,差。

4發電并網條件

干熱巖開發利用的主要方式是發電,發電能否并網是干熱巖場地選址的基本條件。將此指標分為3個等級:具備,好;可協調解決,基本具備,中;不具備,差。