地热资源开发过程中潜在地下水环境问题

地热资源开发利用与地下水运动和水环境演化密切相关。为了给我国大规模地热资源绿色开发与利用提供参考,本文综述了浅层地热资源、中深层水热型地热资源及深部干热岩型地热资源开发现状和典型开采技术。其中:浅层地热资源的开发模式分为土壤源热泵和地下水源热泵;中深层水热型地热资源开发模式主要有直接开采、采灌结合和单井循环;深部干热岩型地热资源通过水力压裂或化学刺激等储层改造技术,形成增强型地热系统(EGS)。结合报道实际案例,评述了地热资源开发对地下水资源与环境的潜在影响,包括地源热泵技术可能导致冷热堆积、水热开采可能引起地下水位下降、干热岩水力压裂可能诱发微地震事件,以及压裂液泄露可能造成化学污染等。针对地热开发对地下水土环境造成的负面影响,提出了有助于地热资源绿色开发的相应措施,包括提高回灌能力、采灌过程中保持水量平衡、保持换热效率与地下热量新平衡,及采用新型材料等。

U型井取热不取水地热开采潜力及影响因素分析

取热不取水井筒闭循环采热工艺是开采地热水低产区、地热尾水回灌难地区地热资源的有效方式。为了研究U型井式闭循环地热系统对中低温砂岩地热资源的可持续开采能力,文章以河北任县已有的地热地质数据和短期供暖数据为基础,使用井-储耦合模拟程序T2WELL对U型井采热能力进行数值分析,探究U型井式闭循环地热系统对该研究区地热供暖的可持续潜力。此外,定量分析了不同关键工程参数对U型井提热能力的影响,以指导设计合理的U型井取热不取水地热开采方案。结果表明:U型井地热开采系统的产流温度和提热功率在同一个供暖季内随时间降低,在连续多个供暖季内也随时间降低,其变化趋势为先快后慢。基于文章模型研究,确定U型井式闭循环地热系统最适合的注采流量、回灌温度、水平井长度分别为60 m^(3)/h,10℃和400 m。

基于单井注抽试验的增强型地热系统储层近井渗透率原位测试方法研究

储层压裂阶段,对近井渗透率的高效评估是分析压裂效果、更新压裂方案的重要环节。但受技术或成本制约,目前仍然缺少深部储层近井渗透率原位测算方法。借助于压裂施工过程的间歇性注入和返排泄压环节,提出一种依托压裂施工过程的单井注抽示踪试验工艺,以及基于数值求解和解析解的2种渗透率估算方法,实现了低成本条件下深部储层渗透率原位测试。将该套方法体系应用于实际增强型地热系统场地,结果显示:在单井注抽试验示踪剂突破曲线不完备条件下,通过数值方法仍然能够合理地估算近井渗透率(0.8 D),但方法计算效率较低;而在示踪剂突破曲线相对完备条件下(即监测得到示踪剂浓度峰值),可采用解析法快速估算渗透率(0.25 D);但由于解析法中未能精确考虑井筒内部长距离示踪剂迁移过程和储层内部弥散作用对示踪剂突破曲线的影响,计算精度相对较低。然而,通过数值方法和解析方法估算近井渗透率处于同一数量级,表明解析法仍可以作为渗透率原位快速估算的一种有效手段。文章提出的单井注抽试验工艺和数据解释方法体系为深部储层渗透率原位测试提供了一种新的途径。

深部超临界地热资源研究进展及开发前景展望

较之于传统的地热资源,超临界地热资源具有更大的开发潜力,但目前对于后者的研究尚处于初步探索阶段,在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为了实现我国的节能减排目标并为能源结构调整做出贡献,系统回顾了国际超临界地热资源钻探工程及测试过程,归纳总结了其在钻井、完井技术方面的经验和教训;进而结合国际上超临界地热资源室内实验、场地试验及数值模拟方面的研究成果和最新动态,指出了超临界地热资源开发所面临的挑战、潜在的解决方法、未来的研究方向和技术开发重点。研究结果表明:①在理论研究方面,需要弄清亚临界—超临界流体的多相流动特征、超临界水的化学特性及水岩作用机理、高温条件下岩体力学的弹塑性及其变化等重要问题;②在工程实践方面,如钻完井和测井技术在极高温和酸性流体条件下的应用、超临界条件下多场耦合模拟的程序开发工作等均面临重大挑战;③需要进行水、盐、酸性气体等多组分的超临界状态方程的理论研究,并开发相应的状态方程模块;④在场地示范工程方面,需要加强地热资源评估与勘探方法、高温钻井与测井技术、储层建造技术、地表系统等研究;⑤需要研发和提升高温超高温钻井、完井技术,研发环保及可降解钻井液等。结论认为,不久的将来,随着科技的进步,将有可能实现对超临界地热资源的商业化开发。

增强型地热工程国际发展和我国前景展望

增强型地热工程(EGS)是指通过水力压裂等工程手段在地层深处低渗透性干热岩(HDR)体中形成人工地热储层,采出大量热能的人工地热系统。HDR是一种没有水或蒸汽的热岩体,普遍埋藏于距地表3~10 km的地层深处,其分布温度范围很广,在150~650℃之间,所蕴含的能量相当于全球石油、天然气和煤炭总能量的30倍。EGS的研究与开发已有40年的历史,美国、英国、法国、日本、澳大利亚等发达国家是早期的研究主体,我国的研究才刚刚起步。目前HDR的开发面临诸多挑战,如大体积人工裂隙热储的建造等,因此EGS实现商业化还需要进行大量的研究和技术开发。本文分析了美国EGS重点示范场建设和EGS科学研究的经验和教训,希望为我国EGS研究和工程化提供参考和借鉴。

美国干热岩“地热能前沿瞭望台研究计划”与中美典型EGS场地勘查现状对比

美国能源部正在实施干热岩"地热能前沿瞭望台研究计划"(FORGE计划)。它是以经典干热岩定义的干热岩勘查开发为约束,通过增强型地热系统(EGS)示范工程建设实践,形成新一代EGS试验平台。美国本着"可复制的结果=巨大的潜力"的理念,实现干热岩勘查开发技术新突破,以满足美国1亿家庭绿色电力供应为实际应用目标。中美典型EGS场地勘查现状对比结果表明:犹他州米尔福德与青海省共和县恰卜恰两个典型EGS场地具可比性,大致处于"并跑"的水平;在天然裂隙系统、原位地应力场、压裂参数获取与压裂方案制定等方面,米尔福德EGS场地有所超前。据此建议有关部门加快青海省共和县恰卜恰EGS场地进入勘查开发阶段,以提高我国干热岩勘查开发技术水平,早日实现EGS工程化。

化学刺激技术在干热岩储层改造中的应用与最新进展

干热岩是一种没有水(或含有少量水而不流动)的高温(>180℃)岩体,多为变质岩或花岗岩,岩性致密,很少存在孔隙或裂隙,渗透性极差。增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是利用水力压裂、化学刺激等措施形成人工地热储层,通过注入载热流体从低渗透性干热岩中经济有效地开采出热能的人工地热开采系统,是开发干热岩型地热资源的有效方法。增强型地热系统成功的关键在于可控性良好的储层改造手段,化学刺激即为储层改造常用的方法之一。通过回顾国内外有关增强型地热系统储层改造中化学刺激技术研究的最新成果,总结了实际应用化学刺激技术的增强型地热系统工程经验。结果表明:增强型地热系统中采用的化学刺激剂多数为酸性化学刺激剂,其中螯合酸具有阻垢性、缓速性、催化性、二次沉淀少、腐蚀性弱等优点,能够实现深穿透、低伤害的储层激发;单一的碱性化学刺激剂(NaOH和Na 2CO 3)的室内实验结果较为理想,但是场地应用效果并不令人满意,添加了NTA、EDTA等螯合剂的碱性化学刺激剂可减少次生沉淀的生成,从而取得良好的储层改造效果。最后,针对青海共和盆地正在开展的干热岩开发示范工程项目,提出热刺激和碱性化学刺激联合的储层刺激工艺,该工艺有可能在深部高温岩体中产生改造体积更大的地热储层,提高储层改造的效果。

天然气水合物降压热激法模拟开采方案优化研究

基于南海神狐SH2钻孔水合物储层地质特点和压力温度条件,运用数值模拟方法开展天然气水合物的单一垂直井降压热激法联合试开采的优化研究。为减少气体经上覆透水岩层泄露和过量的产水,生产井过滤器放置于生产井中部,热量被平均分配到过滤器并以恒定功率注入而不是注入热水。研究结果表明:顶底板附近水合物有隔水储气作用,大部分的甲烷气被束缚在水合物储层中,但后期可成为甲烷泄露通道。对底孔压力、热激发强度、初始水合物饱和度、储层渗透率4个参数的敏感性分析表明:底孔压力降低,产气速率相差不大,产水量增加;热激发增强或高初始水合物饱和度下,产气速率增大;本征渗透率影响流体运移和热传导,本征渗透率减小时,产气速率先增大后减小。本文所采用数值模拟及参数敏感性分析方法,有助于设计和优化天然气水合物开采方案。

中国二氧化碳地质储存研究进展

2010年以来,中国地质调查局组织实施了"全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程"项目。依据我国沉积盆地的地质条件,基本建立了中国CO2地质储存潜力与适宜性评价体系,初步评估了417个(面积大于200 km2)陆域及浅海沉积盆地的CO2地质储存潜力与适宜性;在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗参与并合作实施了中国首个、也是世界上规模最大的煤基全流程深部咸水层CO2地质储存示范工程,突破了钻探、灌注、采样、监测等一系列科学技术难题;在储存过程中的物理化学与生物作用、仿真模拟、环境影响与安全风险评价等基础理论研究方面取得了实质性进展。

温室性气体地质处置研究进展及其问题

温室性气体地质处置的机理有3个:①将深部含水地层作为容器封闭CO2;②含水(油)介质,即岩石矿物与CO2发生化学反应而消耗掉CO2,使CO2长期安全保存于地下介质中;③在低渗透含水层中,CO2的运移与滞留时间较长,属于水力学控制CO2的机制。尽管CO2的地质处置存在费用和安全稳定性问题,但国际上已开展的研究表明,地质处置温室性气体是人类积极解决全球环境问题极具前景的方法之一。

二氧化碳羽流地热系统水-岩-气相互作用:以松辽盆地泉头组为例

二氧化碳羽流地热系统(CPGS)是利用CO2地质储存场地进行地热能开发的一种工程技术,也是整合CO2减排与开发深部地热资源的理想方式。但伴随着对深部地热的提取,注入储层的超临界CO2使深部咸水的pH值降低,导致周围岩体产生溶解和沉淀,从而引起孔隙度、渗透率等地层物性的变化,最终改变系统的生产能力和净热提取效率。以松辽盆地泉头组为目标储层,采用室内实验、数值模拟等技术手段,通过实验和数值计算结果的对比,揭示系统水-岩-气相互作用对热储矿物组分的改变。研究结果显示:实验过程中矿物溶解对温度和盐度变化较为敏感,而受压力影响较小;在实验和模拟时间内发生溶解的矿物主要是长石类矿物,方解石在反应后全部溶解;石英、伊利石和高岭石的矿物组分体积分数有所增加,并有少量菱铁矿生成。

增强地热系统热储层-盐水-CO_2相互作用

增强型地热系统(EGS)是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统。以CO2为载热流体的增强地热能系统(CO2-EGS)是实现CO2减排和深部地热资源开发的有效手段,系统运行时的水-岩-气相互作用对热储层孔渗特征有着重要影响,最终会影响储层的产热能力。笔者利用高温高压反应釜模拟CO2-EGS高温下的热储层-盐水-CO2的相互作用,通过对实验中反应液离子成分变化和岩样扫描电镜进行分析,结果表明:实验后的钾长石和方解石出现溶解现象,且方解石溶蚀剧烈;岩样表面出现极少量次生方解石和钠长石,并有新矿物析出,其主要组成元素为C、O、Si、Fe,为菱铁矿的中间产物。通过TOUGHREACT建立反应性溶质运移模型,模拟上述实验的化学反应过程,模拟结果和实验数据拟合较好。该研究可为CO2-EGS的水-岩-气作用机制提供地球化学数据。

CO_2化学刺激剂对增强地热系统热储层的改造作用

基于松辽盆地徐家围子地区大庆油田钻井的地球物理和地球化学参数,建立反应性溶质运移模型,模拟CO2化学刺激剂对热储层渗透性的改造作用,分析不同地层压力、温度下的刺激效果,并讨论注入水的化学成分对刺激效果的影响。研究结果表明:孔隙度的增加主要源于原生碳酸盐矿物的溶蚀;通过高温高压反应釜模拟不同温度、压力、水化学条件下CO2化学刺激剂与方解石(主要碳酸盐矿物)的化学反应,实验结果反映出的碳酸盐矿物溶蚀规律与数值模拟结果基本一致。

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。

二氧化碳增强型地热系统的研究进展

增强型地热系统,作为一种新型的地热发电技术,可通过水力压裂的方式从干热岩中提取地热资源。而超临界CO2作为一种优良的传热流体,在用其替代水开采增强型地热系统中地热能的同时,还可以达到间接地质封存CO2的目的。在阐述CO2增强型地热系统的优缺点、模拟研究和经济潜力的基础上,总结了该研究领域的最新进展,并提出了进一步开展研究的相关建议,以期为CO2增强型地热系统的研究在中国的深入开展提供帮助。

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO2到深部咸水层(CO2地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO2向大气排放的途径。CO2地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO2在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO2捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO2注入后地层中的温度、压力、CO2饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万t/a的CO2注入量;压力上升的范围远远大于CO2运移和温度降低的范围,注入20a后,其最大距离分别达到接近边界10km、620m和100m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO2注入能力。

砂岩中绿泥石含量对CO_2矿物封存影响的模拟研究

二氧化碳地质储存是实现二氧化碳减排的有效手段,砂岩储层是二氧化碳地质储存的主要储层类型之一。砂岩储层中的绿泥石溶解对二氧化碳地质储存形式和储存量有着重要的影响。依据某砂岩储层的实测资料,采用数值模拟技术,分析了绿泥石作用下CO2矿物封存机理和绿泥石含量对CO2的矿物封存量的影响。研究结果表明,绿泥石体积分数增大,溶解后可以向溶液中提供更多的Mg2+、Fe2+,有利于固碳矿物菱铁矿和铁白云石生成;绿泥石的体积分数与CO2矿物封存量有良好的正相关性,高绿泥石含量有助于砂岩储层的CO2矿物捕获。

大庆徐家围子不同储层改造的干热岩潜力评估

针对如何评估大庆徐家围子不同储层干热岩开采潜力的问题,基于徐家围子深井的地质和测井资料,对其深部存在的三种储层情况进行了划分。首先提出了各储层改造方案并建立了三维压裂模型;然后基于储层改造结果,采用水热耦合软件TOUGH2对其进行了换热分析;最终得出了不同储层的干热岩开采潜力。研究结果显示,徐家围子营城组储层是该区目前最适合进行干热岩开采的储层：根据天然裂隙发育程度,可以分为致密储层和天然裂隙发育储层,天然裂隙储层经清水剪切压裂后,采用三垂直井开采模式,最大注入速率30kg/s,20a产热量达17 000～18 500kJ/s;根据地应力遮挡情况,可以分为遮挡层和无遮挡层,遮挡层和无遮挡层采用传统支撑剂型压裂后,采用三水平井（水平段2 000m）的开采模式,最大注入速率分别为20和32kg/s,20a的产热量分别为3 500～5 350kJ/s和5 600～7 760kJ/s。此外,虽然致密层产出热量远低于天然裂隙发育储层,但传统支撑剂型压裂和水平井技术结合后,致密储层也具有了开采干热岩的潜力。

初始矿物组分对CO_2矿物储存影响的模拟研究

二氧化碳地质封存(CO2geological sequestration,CGS)是一种直接、高效的减少大气中CO2含量的方式。本文以鄂尔多斯盆地CGS示范工程场地刘家沟组实测数据为基础,利用数值模拟方法,研究储集层岩石初始矿物组分变化对CO2矿物封存能力的影响。结果表明,在长石为主的砂岩储集层中,绿泥石、方解石和长石类矿物是主要的溶解矿物,铁白云石是主要的固碳矿物,初始矿物中钾长石、方解石含量变化对矿物封存量的影响极小,奥长石含量对矿物封存量有一定程度的影响,而绿泥石初始含量显著影响矿物封存量。

二氧化碳羽流地热系统中储层物性参数对热提取率的影响

二氧化碳羽流地热是以超临界CO2作为地热系统的载热流体,利用天然孔隙介质,在进行CO2地质储存的同时实现深部地热资源的提取。CO2在注入地下储层后呈羽状扩散和分布,因此称这种地热开发系统为CO2羽流地热系统。在CO2羽流地热系统中,砂岩储层分布广泛,物性各异,对热提取率的影响较大。文章以松辽盆地中心凹陷区泉头组三、四段为地热储层,建立平面二维羽流地热模型,采用TOUGH2-MP软件进行数值模拟,定量评价储层物性对热提取率的影响。结果表明,温度对热提取率的影响最大,初始盐度的影响最小,故应按照"低压、低盐度、高温、高渗透、高比热"的标准选取储层,其中高温和高渗透率是应重点考虑的因素。